腦成像技術之核磁共振

人類為了揭開大腦的奧秘，走過了漫長的道路。在這條坎坷卻充滿光明道路上，最亮眼的一盞路燈莫過於核磁共振成像技術，這項技術曾6次摘得諾貝爾獎的桂冠。

要了解核磁共振的秘密，首先要從質子的自旋磁矩說起......

質子的自旋磁矩

質子具有自旋這一內在屬性。由於質子帶正電，自轉就會產生環狀電流，而環狀電流又會產生磁場，效果類似於一個小磁鐵棒。

質子的自旋產生磁矩，類似小磁鐵

科學家用磁矩來描述這一類磁場。磁矩的方向垂直於質子旋轉平面或電流面，方向由右手螺旋定則決定。

對於原子核，只有那些擁有奇數個質子或中子的，才對外表現出磁矩。而那些質子和中子都為偶數的原子核磁矩為零。

一個鮮明的例子是氫原子核，只有一個質子，它的磁矩就是質子的自旋磁矩。這也是科學家選擇氫原子核作為核磁共振目標的原因之一。另一原因是生物體富含氫原子，比如水和脂肪含有大量氫原子。

氫原子

通常，由於隨機熱運動，自旋磁矩方向是雜亂無章的。但當一個外加磁場出現時，氫原子核磁矩就開始排起隊來。一部分順著磁場的方向站，另一部分逆著站。

順著磁場的質子處低能態，而逆著的質子處於高能態。所以，順著磁場方向的氫原子核總是要多於逆著的，雖然多出的數量通常很少。

質子自旋磁矩平行或反平行於外磁場

質子在外磁場影響下站好隊後，還會做一項廣播體操——進動。

磁場和質子的進動

什麼是進動呢？來看神奇的動圖。

進動演示

一個自轉的陀螺在重力作用下，不會倒下去，而是繞著重力的方向旋轉，這就是進動。

同樣，自旋的質子磁矩在磁場的作用下，也會繞著外磁場做進動。

自旋的質子在外磁場下做進動

氫原子核進動的頻率由磁場和旋磁比決定，而旋磁比原子核本身決定。同一磁場下，不同原子核，進動頻率不同。對於氫原子核，每特斯拉的磁場會讓它每秒繞磁場轉42.6兆次！即進動頻率為42.6MHz。

進動頻率w由旋磁比r和外加磁場B決定

磁場的單位是特斯拉（Tesla），是以一位傳奇的物理學家尼古拉·特斯拉命名的。1 Tesla的磁場的強度相當於20000倍的地磁場。臨床用核磁共振儀器產生的主磁場通常為1.5T或3T，科研用的核磁共振主磁場強度最高可達11.7T。

地磁場0.00005T，臨床核磁共振1.5或3T

縱向磁場

腦內氫原子核進動相位是隨機的，並不同步。換句話說，在某一時刻，有的質子自旋磁矩朝向左上，有的朝右上，還有的朝其他方向。這會使磁矩在垂直於磁場的平面內的分量相互抵消。而在磁場的軸向，由於平行磁場方向的磁矩多於反平行的磁矩，加和抵消後，就只剩下平行於磁場的磁矩。

縱向磁場M和外加磁場同方向

也就是說，腦組織內的氫原子核在磁場作用下，總體會表現出一個淨磁場，這個淨磁場的方向平行於磁場，通常稱為縱向磁場。

縱向磁場和核磁共振的T1加權圖像密切相關，下面會詳細講解。接下來先看一下什麼是核磁共振。

共振和射頻脈衝

共振是自然界中廣泛存在的一種物理現象。當外界輸入的頻率和系統本身的頻率一致時，共振就會發生。這對機械系統和電磁系統都成立。

對於圍繞磁場進動的質子磁矩，它也有頻率，即進動頻率。當一個外界的射頻脈衝（radio-frequency pulse）和進動頻率接近時，共振就會發生。這也是核磁共振名字的源頭。

射頻脈衝引發的共振對質子有兩個影響：

1）磁矩平行於主磁場的質子處於低能級，它們吸收射頻電波的能量後，一部分會變成高能級，即反平行於主磁場。

這會導致縱向磁場強度減弱，甚至消失、翻轉。

共振使質子磁矩翻轉，縱向磁場減弱

2）射頻脈衝引發的共振會使氫原子核進動相位同步（in phase）。

在共振之前的熱平衡狀態，氫原子核的進動相位千差萬別，這導致自旋磁矩在垂直於磁場的平面內（橫向）分量相互抵消。相位同步意味著在每一時刻，所有氫原子核的磁矩朝向都相同，那麼它們在垂直於磁場的平面內的分量方向也相同，不會再相互抵消（如下圖）。

90度脈衝使橫向磁場產生

這意味著共振使一個新的磁場在一個新的方向產生——橫向磁場。

橫向磁場

橫向磁場的產生也可以從另外一個角度來解釋。新產生的橫向磁場和原來的縱向磁場實際上等價於一個合成磁場，而合成磁場的方向位於兩者之間。這相當於原來的縱向磁場在射頻脈衝作用下傾斜了。

如果射頻脈衝的能量恰到好處，可以使縱向磁場傾斜90度，即縱向磁場完全消失，只剩橫向磁場。這樣的射頻脈衝叫90度脈衝，是核磁共振裡經常使用的脈衝類型。

橫向磁場跟T2加權成像密切相關。

90度脈衝的效果等價於縱向磁場翻轉90度

共振使氫原子核的磁場發生改變，隨後會逐漸恢復。這一過程的磁場變化可以穿越顱骨，抵達記錄儀器。

籠統的說，核磁共振成像就是依此來成像的。具體的說，氫原子核恢復的過程包括T1弛豫和T2弛豫，分別對應於縱向磁場的恢復和橫向磁場的消失。我們先來看T1弛豫。

T1弛豫和T1加權圖像

弛豫這個名字很唬人，但如果你看它的原始英文名，relaxation，就容易理解多了。弛豫是放鬆、緩和的意思。

我們知道，一部分氫原子核吸收射頻電波的能量，跳到了緊張的高能級。射頻消失後，它們會逐漸回到輕鬆自在的低能級。這是一個氫原子們緩松下來的過程，是縱向磁場恢復到之前熱力學平衡狀態的過程，叫T1弛豫。

氫原子並不是在同一時間點全部恢復到原始低能級的，因此，T1弛豫是一個連續的過程。

T1弛豫過程即縱向磁場恢復的過程

不同分子裡的氫原子核具有不同T1弛豫時間。綁定在膜磷脂大分子上的氫原子核，它們的T1弛豫時間很慢，可達4000毫秒。而位於半綁定的結構水中的氫原子核，比如半綁定於蛋白質的水分子，它們的T1弛豫時間很短，約為400~800毫秒。

基於腦內不同結構T1弛豫時間的不同，核磁共振可以給出T1加權圖像（T1 weighted image）。T1加權圖像可以很好的區分大腦的灰質（神經元胞體聚集地）和白質（神經纖維聚集地），常用於大腦解剖結構成像。

T1加權圖像可區分大腦灰質和白質

T2弛豫和T2加權圖像

T2弛豫是共振生成的橫向磁場逐漸消失的過程。

當射頻脈衝撤掉後，部分質子返回到初始的低能級（T1弛豫）。於此同時，共振中進動相位同步的氫原子會逐漸去同步。由於橫向磁場就誕生於相位同步，所以，隨著去同步的進行，橫向磁場也會跟著減弱，直到消失。

為什麼質子進動會逐漸變得不同步呢？

T2弛豫過程

主要原因是質子自旋產生的小磁場會影響到它周圍的質子，由於質子進動頻率由磁場決定，所以在周圍鄰居的影響下，質子的進動頻率會發生微小改變。

這些微小進動頻率的波動會導致原來以相同頻率同步進動的質子群體慢慢變得不再同步，最終恢復到原始狀態。至此，橫向磁場消失。

進動相位不同步最終導致橫向磁場消失

不同的組織內的氫原子核，其T2弛豫時間也不同。比如，腦組織的T2弛豫時間要短於腦脊液。基於T2弛豫生成的腦圖像稱為T2加權圖像（T1 weighted image）。

T2圖像無法區分灰質白質，腦脊液呈亮白

總結

基於大腦不同部位的氫原子核所處不同狀態，科學家通過核磁共振技術，實現了非侵入式的全腦成像。這一偉大的技術從30年質子磁共振的發現開始，到1973年第一張活體蛤蜊的核磁共振圖像誕生，只用了40來年的時間。

核磁共振技術是極其深奧的，本文只是對它最基本的物理原理做了淺顯的解讀。在這些簡單的物理規律之上，構築的是盤根錯節的技術細節，比如，如何基於T1弛豫和T2弛豫提取合適的信號？如何將記錄到的信號定位到三維大腦中？等等。希望本文能起到讀者的興趣，起到一個拋磚引玉的作用。