文/圖 碩寬
最近一些年，中國加速引進核磁共振掃描儀，根據國家衛健委發布的《關於調整2018—2020年大型醫用設備配置規劃》，2020年，我國超導核磁共振掃描儀保有量達到10713臺。不少人認為，核磁共振比CT清楚，是診斷疾病的「神器」，到醫院主動要求醫生給自己做核磁共振。本文就談談核磁共振究竟是怎麼回事。
「磁共振」還是「核磁共振」
現在說的「磁共振」本來叫「核磁共振」，全稱是「核磁共振成像」（NMRI）。由於民眾誤認為核磁共振成像要用核輻射，對它有恐懼心理，後來就把「核磁共振成像」的「核」去掉，改成「磁共振成像」（MRI）了。
其實，用「核磁共振成像」才能更準確地定位這種臨床檢查儀器的本質，因為它是靠強磁場中的原子核共振現象成像的，這裡的「核」不是核輻射，而是指「原子核」，核磁共振與核輻射沒有任何聯繫。
1980年核磁共振成像首次被應用於臨床診斷
1946年，美國哈佛大學研究人員愛德華·米爾斯·帕賽爾發現了核磁共振現象。1946年，美國史丹福大學教授菲力克斯·布洛赫提出「布洛赫方程」，為核磁共振現象的數學計算奠定了基礎。1952年諾貝爾物理學獎授予他倆，以表彰他倆在核磁共振領域作出的傑出貢獻。
起初，核磁共振主要用於有機物的分子結構研究。1971年3月，美國紐約州立大學教授雷蒙德·達馬丁在《科學》雜誌發表的論文提出，腫瘤組織與人體正常組織的核磁共振釋放的能量不同，這為把核磁共振現象用於醫學檢測拉開了序幕。很快，達馬丁研製出了核磁共振掃描儀，並於1972年3月17日向美國專利局申請了專利，該專利於1974年2月5日獲得批准。令人惋惜的是，達馬丁並未因發明核磁共振掃描儀獲得諾貝爾獎。
1973年，美國石溪大學教授保羅·勞特布爾和英國諾丁漢大學教授彼得·曼斯菲爾德改進了核磁共振成像技術，讓掃描時間從幾個小時縮短為幾十分鐘甚至幾分鐘，推動了核磁共振成像技術的臨床應用。2003年諾貝爾生理學或醫學獎授予他倆，以表彰他倆在核磁共振成像技術方面的重大貢獻。
20世紀70年代末，英國艾伯丁大學醫用物理學教授約翰·馬拉德研製出世界上第一臺全身核磁共振掃描儀「馬克一號」，並把它安裝在蘇格蘭艾伯丁皇家醫院。1980年8月28日，「馬克一號」對一患者進行了全身掃描檢查，發現了胸腔腫瘤、腎臟病變及骨癌，這是世界上首例核磁共振臨床醫學診斷。隨後3年，「馬克一號」對1000名患者進行了檢查。1983年，這臺全身核磁共振掃描儀被移裝在倫敦聖巴塞洛繆醫院，在那裡運行了10年。
超導磁體是核磁共振的核心
核磁共振掃描儀外形與CT掃描儀差不多，但前者比後者要大得多，價格也更昂貴。
核磁共振掃描儀包括磁體系統、梯度磁場系統、射頻場系統、計算機系統和控制臺等幾大部分組成，但核心是磁體系統，它是核磁共振成像的基礎。
磁體系統就是產生強磁場的系統，最初由永磁物質產生，呈開放式的U形，它不需要電即可產生永久磁場，運行成本低，但體積龐大，磁感應強度低，大多已被淘汰。目前，核磁共振掃描儀的磁場基本上都由超導線圈產生。
要想讓金屬線圈超導，就必須獲得超導低溫。液氦（主要由美國生產）可以提供接近絕對零度（-273.15℃）的低溫環境，線圈置於這樣的低溫環境裡出現超導現象，也就是電阻為零。超導線圈被外部電流激發後，因沒有電阻也就不存在能量損耗，無需外部持續供電其內部電流也會一直流動下去，從而產生強度不變的永久磁場。
我們說「強度不變的永久磁場」只是個理論值，由於超導線圈導線長度幾十公裡，這麼長的導線必須由多段導線焊接而成，而焊點因材料不同會存在電阻，超導線圈會有輕微的能耗，也就是說，核磁共振的超導磁場也是逐漸衰減的，只不過是衰減得比較慢而已。
目前，醫院裝備的超導核磁共振掃描儀磁感應強度大多是1.5特斯拉（T）或3.0T。出於安全考慮，更高磁感應強度的核磁共振掃描儀僅用於科學研究。目前，用於動物研究的21.1T的核磁共振掃描儀已得到應用。
超導核磁共振掃描儀必須處於24小時開機狀態，即便沒有患者檢查也要開機，因為必須讓超導線圈置於接近絕對零度的低溫液氦中。為了防止磁場向外洩漏，必須對核磁共振成像檢查室進行屏蔽，要在牆體上鋪設超低碳特種鋼，這種鋼材價格昂貴，我國需要進口。為了減少屏蔽成本，也有的製造商在主磁體外增加一個反向電流線圈，用來抵消超導磁場的外洩。
目前，核磁共振掃描儀的主要製造商包括美國的通用電氣、德國的西門子、荷蘭的飛利浦、日本的東芝和韓國的三星。
靠接收人體內氫的信息成像
核磁共振重建圖像依賴強磁場就像CT成像依賴強X光，但核磁共振成像技術要比CT成像技術複雜得多。
當原子核的質子數和中子數其中至少有一項是奇數時，質子同原子核一起旋轉形成磁場，就像電流通過線圈形成磁場一樣，根據安培定則（右手螺旋定則）可判斷出N極和S極。
人體中具有磁場的原子核有很多，如氫、氮、磷、碳、鈉、鉀、氧、氟等，但氫在人體中的含量最大，約佔三分之二，並且存在於各器官組織中，而且磁化率高，釋放出的信號強，所以，核磁共振選擇氫原子核成像。更準確地說，是利用氫最常見的同位素氕（氫-1）成像，氕只有一個質子，沒有中子，豐度高達99.98%。氕原子核只有一個質子，下文提到的氫質子就是指氕原子核。
讀到這裡可能有讀者會問，既然人體存在很多有磁場的原子核，那人體是不是也有磁場？
人體是沒有宏觀磁場的，因為人體內各種原子核產生的磁場的極性是無序排列的，磁感應強度是個矢量，它們互相抵消，整個人體就不會表現出磁性來。
「矢量」是中學物理的一個基本概念，它有大小和方向，有正負之分，力就是矢量。與「矢量」對應的是「標量」，標量只有大小沒有方向，無正負之別，能量就是標量。
核磁共振成像基本原理
人體進入核磁共振掃描儀的超導磁場後，氫質子的磁場方向便與超導磁場平行，這種平行是動態平行，因為氫質子像陀螺一樣，在自旋的同時也以超導磁場的磁力線為軸旋轉，這也叫進動，進動頻率是由外加磁場的強度決定的。處於低能級的氫質子與超導磁場方向一致，處於高能級的氫質子與超導磁場方向相反，但前者多於後者，這樣人體就呈現出宏觀磁場來，方向與超導磁場的方向一致。
通過調整梯度磁場梯度和射頻帶寬，可選定斷層位置及層厚，然後用射頻線圈向斷層發射電磁波，當處於低能級的氫質子進動頻率與電磁波頻率相等時，便吸收電磁波能量發生共振，進入高能級；關閉電磁波後，那些參與共振的氫質子，便釋放電磁波能量回到原來的低能級。
共振氫質子回到低能級時釋放電磁波能量，而這種能量被氫質子周圍介質吸收呈現指數下降（馳豫），介質不同下降的快慢也不同。如果在某一時刻打開射頻線圈，此時的射頻線圈就成了信號接收線圈，把斷層各體素上共振氫質子衰減的信號接收下來，經計算機計算，把體素信號對應到像素上，便可重建圖像。
從上文可以看出，儘管人體內氫質子不計其數，但參與共振釋放成像信號的氫質子並不多，其數量就是低能氫質子與高能氫質子的差數，僅佔氫質子總數的百萬分之幾。
總之，核磁共振就是在強大磁場的基礎上，通過梯度磁場和射頻確定斷層部位和厚度，再經過射頻激發氫質子共振，去掉射頻後被激發的氫質子釋放能量，這些能量因周圍介質不同而呈現不同的指數衰減，把這些衰減的信號接收下來，經過計算機複雜的計算重建灰級圖像。
核磁共振一定比CT好嗎
公眾有種對核磁共振的迷信心理，核磁共振比CT貴，就認為它一定比CT好。其實，核磁共振與CT各有各的優勢，不能一概而論誰更好。
一般而言，核磁共振對人體軟組織成像能獲得更多的細節信息，但它對骨質方面的病變檢查不如CT。
核磁共振對中樞神經系統的病灶檢查具有明顯的優勢，對腦部腫瘤、顱內感染、腦血管病變、腦白質病變、腦發育畸形等也具有較高的診斷價值，但對顱骨折、急性腦出血以及病灶鈣化並不敏感。核磁共振檢查眼、鼻、喉及頸部病變也優於CT，但對這些部位的骨質病變檢查不如CT。另外，核磁共振無需使用造影劑便可得到血管、膽胰管、尿路等管腔造影，而CT造影必須使用造影劑。
CT掃描用時很短，幾秒幾十秒即可完成；但核磁共振掃描需要時間較長，需要幾分鐘到幾十分鐘，而且噪音很大，會給患者帶來一定的恐懼感。正因為核磁共振掃描時間長，它不適合對運動器官的檢查，如心臟等。
核磁共振有一個操作優勢，那就是，無需移動人體，只需要通過調整梯度磁場梯度和射頻帶寬，就可以對人體任何組織、任何斷層和層厚進行掃描。
核磁共振安全嗎
2017年12月9日，美國食品和藥品管理局提出，核磁共振的強磁場和射頻能量會引起一些安全問題，美國每年有數百萬例核磁共振成像，每年收到大約300例由此引發的不良事件。
核磁共振雖然不用X線，但卻需要強度極高的磁場。地球表面的磁場平均是0.5高斯（Gs），1T等於1萬Gs，而現在普遍使用的3.0T超導核磁共振掃描儀，其磁場強度是地球自然磁場的6萬倍！在這樣的強磁場環境下，磁性金屬物質會像噴氣式飛機一樣拋射。
被檢查的患者身體內不能有任何金屬植入物，如血管支架、含有金屬的義齒、金屬節育環等，因為這些東西在強磁場下會發生移動，給身體造成傷害甚至是致命危害。如果患者說不清自己體內是否有金屬植入物，核磁共振掃描前必須進行X線檢查。對安裝心臟起搏器的患者而言，不但禁止核磁共振檢查，也禁止進入核磁共振檢查室。
患者也不得攜帶任何金屬器件進入檢查室，如鑰匙、手錶、腰帶、首飾等，因為金屬物品在強大磁場作用下會飛射出去，傷害患者並損壞儀器。把銀行卡等磁卡及電子設備帶入核磁共振檢查室也會受到損壞。
核磁共振掃描時會產生很大的噪音，為保護聽力，檢查醫師要為患者戴上耳塞。
核磁共振的射頻能量會加熱患者身體組織，會讓患者感到不適。
另外，液氦不但超低溫，也具有毒性，洩漏後會給接觸的人造成凍傷、中毒等傷害。
和CT一樣，如果想獲得更清晰的圖像，就必須使用造影劑加強掃描，使用造影劑，某些患者會發生過敏等不良反應。
核磁共振會給接受掃描的人造成哪些危害以及危害程度有多大，從目前的研究看尚不明確。但有一點可以肯定，人經過長期進化已經適應了0.5Gs的地球自然磁場，突然進入強度是自然磁場6萬倍的磁場中，肯定有某些不利的影響。故此，一般不建議妊娠期婦女進行核磁共振檢查，尤其是懷孕3個月以內的婦女；國外甚至規定近期計劃懷孕的婦女在做核磁共振檢查前一定要諮詢醫生。