「輪椅事件」後,詳解「核磁共振」七大關鍵科學技術問題

最近在上海某醫院，一位病人著急把輪椅推進了核磁共振室，瞬間就發生了驚人一幕。很明顯，這個白色大球具有強大的吸引力。gspednc

筆者聯繫到廣安門醫院的柳桂勇醫生，專業從事核磁共振成像的技術專家，為大家捋捋「核磁共振」關鍵的科學問題：gspednc

1：核磁共振儀器不開機也有磁場？gspednc

坊間流傳，核磁共振儀器不開機也有強磁場。柳桂勇醫生對這個說法表示了肯定，他說：「平常機器硬體安裝好後，就勵磁——就是讓超導機器產生磁場機器裡面加入液氦，創造超導環境，超導基本不耗電，就是機器附帶的壓縮機空調耗電。平常的關機只是把電腦主機箱關了，並不是把機器關了。機器緊急情況下才讓它失超，就是不讓它有磁性了。如果再讓它產生磁，需要繼續勵磁，需要差不多100萬左右。」gspednc

因此，我們可以知道，核磁共振室是一個長時間都有強磁場的場所。gspednc

2：為什麼磁場能吸引鐵？gspednc

磁場對物體可以是吸引的，也可以是排斥的，比如，磁場不能吸引水，只能排斥水。而磁場是可以吸引鐵的。所有物體的內部，都有電子，都有被磁場吸引與被磁場排斥的「兩股勢力」，取決於是「東風壓倒西風」，還是「西風壓倒東風」。gspednc

從物理上來說，這起因在於電子不但具有軌道角動量，還具有自旋角動量。你可以把軌道角動量看成一個小磁鐵，把自旋角動量也看成是另外一個小磁鐵。這些小磁鐵堆在磁場裡，你說是被磁場吸引還是排斥？gspednc

3：磁場與數學王子高斯有什麼關係？gspednc

磁場強度是有大小的，比如地球也是有磁場的，它的磁場大小大概是1高斯左右。在這裡，「高斯」是磁場的單位。高斯是一個大數學家，曾經被稱為數學王子，但他也研究過磁場。所以，科學家用這個來表示磁場的大小。gspednc

數學王子高斯為什麼要研究磁場，箇中原因非常複雜，他作為學術泰鬥，也搞過一些大地測量。在大地測量的過程中，他發展了一套描述曲面的幾何學。他也對地磁場有興趣，覺得這是一個「一顆賽艇」的問題。因為描述磁場的是一套偏微分方程，高斯作為數學大家，當然很熟。電磁學方程中還有所謂高斯定理，來描述一個磁場通過一個曲面的通量，這本來在數學上只是微積分而已，所以高斯作為數學大師信手拈來。他就成了研究磁場的大師，因為他吃透了磁場的數學結構，他甚至還考慮過三個相互嵌套在一起的電流環所發出的磁場的結構。這就是扭結理論，美得一塌糊塗。gspednc

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4：磁場與特斯拉又有什麼關係？gspednc

這說起特斯拉電動汽車，估計買得起的人極少。gspednc

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但此特斯拉非彼特斯拉。這裡的特斯拉是一個人的名字，此人是交流電的倡導者，與愛迪生是同時代的。gspednc

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這個人研究交流電，因為變化的電流會產生磁場，因此他對磁場也有所了解。後來為了記念他的學術貢獻，把磁場的單位取名為「特斯拉」。某種意義上講，他的光芒被愛迪生掩蓋。gspednc

而1個特斯拉等於10000個高斯，對磁場來說是這樣的。什麼意思呢，就是換量綱，比如1噸等於1000千克，這個道理是一樣的。gspednc

5：核磁共振的磁場有多強？gspednc

這裡要說一下核磁共振儀器的典型磁場到底有多強。gspednc

大概是3個特斯拉，也就是30000高斯吧。（柳桂勇醫生的一位不願意透露姓名的同事介紹到，一般生產核磁共振成像的醫療儀器公司是GE跟西門子這樣的外國大公司，中國公司能做這種儀器的還不多。）gspednc

這個磁場，是非常強的，是地球磁場的幾萬倍。一般的常規磁鐵都只能做到1個特斯拉以下的磁場強度，這種3個特斯拉的磁場強度，只能由超導磁鐵產生。最好的超導磁場，能做到10個特斯拉這個級別的磁場強度，這已經是我們人類目前的科技能力的極限了。如果你要10000個特斯拉的磁場強度，只能去某些中子星那裡了。gspednc

如此強的磁場，所以能瞬間把輪椅吸過去。這是很要命的，因此進核磁共振室身上千萬不能有鐵磁性的東西，否則「別人做核磁共振要錢，你做核磁共振要命啊」。gspednc

6：為什麼需要那麼強的磁場？gspednc

核磁共振成像，需要強磁場，這個原因說起來也不複雜。gspednc

「核磁」是幾個字？gspednc

兩個字嘛！（剛才一開始，柳桂勇醫生以上告訴我們，現在把「核」字抹掉了，但這對科普不利啊！）gspednc

那就好了，「磁場要強」的原因，就在於「核太弱了」。「核」與「磁」它們在一起就是兩口子嘛。gspednc

這兩口子要在一起，必須要一個強一個弱，否則遲早崩盤。gspednc

那麼，為什麼「核那麼弱呢？」gspednc

原因還在於，原子核太重了，原子核集中了整個原子99%以上的質量，實在是太沉重了。gspednc

具體原因，說起來這與原子核的角動量的空間取向在磁場中的「量子化」行為有關。細節就不多說了，自己去領悟吧，什麼叫「空間取向量子化（意思就是分立的狀態）」，這其實有點象性取向，我們人類一般只能喜歡男人或者女人（是兩個分立的狀態），不可能去喜歡一個陰陽人（一個含有X%+Y%的連續的狀態，你不知道這個陰陽人大概含有百分之幾的女性含量）。gspednc

7：核磁共振成像儀的技術內涵gspednc

這種儀器，一般都要幾百萬元一臺，是很貴的。超導磁鐵本來就不便宜啊，所以中國如果要自己的大型對撞機，就需要用很多超導磁鐵，造價就上去了，但作為一個國家的核心技術，超導磁鐵的研製是非常重要的。gspednc

柳桂勇醫生表示，核磁共振成像的時候利用的是射頻信號（3x42.5 M Hz，在3特斯拉磁場下）被原子核的共振吸收。gspednc

某種意義上來說，射頻電磁波被吸收多少，就表示這個區域有多少水，這個原理其實與CT是差不多的，只不過人家CT用的是X射線（不是共振吸收），而核磁共振成像用的是射頻與強磁場（是共振吸收）。CT背後的數學變換是所謂拉東變換，而核磁共振成像的射頻信號被線圈接受後，經歷的數學變換是傅立葉變換。gspednc

另外，核磁共振涉及到的原子核的激發，其實與核外電子的激發發出光子的過程是完全一樣，其基本原理也就是量子力學。因此，筆者呼籲每一個愛好科學的年輕人，都學一點量子力學。gspednc

如果你懂量子力學，你是絕對不會把輪椅推進核磁共振室的，因為這真的很危險，就算是霍金，也不敢這樣做。gspednc