人体身上的“磁”是怎样“共振”的?
2012-12-12
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——浅说医学磁共振检查的原理
当前人们对医院的磁共振检查可能不陌生了,但是大家对磁共振检查的原理,也许还不太了解。今天本文就大家普遍关心的三个基本问题,来介绍一下医学磁共振检查的基本原理。
第一个问题:人体身上的“磁”在什么地方产生的?
我们常说某个人有“磁性”,那时指他(她)的人格魅力很迷人,而不是说他(她)真的会产生磁性把人吸引过去。但是实际上,我们每个人的身体内部确实都会产生磁性。那么人体身上的“磁”是在哪里产生的呢?要回答这个问题,让我们先复习一下原子结构。大家知道,物质是由分子构成的,分子又是由原子构成的,原子又是由原子核和电子构成的,原子核又是由质子和中子构成的。我们说人体的“磁性”,就是原子核中的质子产生的。更具体地说,是人体内的氢质子产生的。物理学家发现,氢质子是在不停地自旋的,它在自旋时会产生一个磁场,自己也变成一个小“磁体”。我们知道,磁体有南极和北极两个方向。小磁体也有方向性。平时各小磁体的排列方向是互不相同,它们的“磁性”会相互抵消。所以整个人体感觉不到“磁性”。可是当人体被放进一个强磁场里时,这些小磁体的方向就会按照外部强磁场的方向排列。这就好像所有的指南针在地球磁场的作用下,会全部指向南极一样。以上这种现象,我们还不能说发生了磁共振,而是称为“进动”。物理学家还发现,氢质子在进动时,不但会自旋,还会以一定的频率绕着外界磁场的磁力线旋转,就好像地球除了自转外还会绕着太阳公转一样。氢质子在进动时还会产生一个纵向磁场,氢质子的进动为下一步的磁共振做好了准备。现在我们可以简单地回答第一个问题:在外磁场的作用下,人体的氢质子发生进动,产生了一个纵向磁场,这就是人体“磁性”的来源。
顺便说明一下,因为质子是在原子核里的,它产生的磁性的从本质上说应该称为“核磁”。“磁共振”原名是“核磁共振”。为了不把“核磁共振”检查中的“核”和含有同位素的“核医学”检查中的“核”相混淆,在1993年的北美放射学年会上决定全球统一改称为“磁共振”。
第二个问题:人体的“磁”是怎样“共振”的?
在回答这个问题前,我们先看看什么是“共振”。
共振在物理学上是一个使用非常频繁的名词。有一个大家熟知的故事:有一队士兵齐步过一座木桥时,木桥突然塌垮了。这是因为士兵们步伐的频率和木桥的固有频率相同,引起共振的原因。从这个例子我们可以看到共振的三个特点:共振的第一个特点是要有一个激励源(士兵步伐);共振的第二个特点是共振双方的频率相同;共振的第三个特点是被激励的物质会产生很大的能量(木桥塌垮)。磁共振时也符合这三个特点:第一,必须要有一个激励源即射频电磁波;第二是电磁波的频率和氢质子的进动频率相同;第三,磁共振时氢质子会吸收很大的能量。下面,我们进一步看看磁共振时产生了什么现象。
医生检查病人时,向躺在磁场里的病人发射电磁波,当电磁波的频率和氢质子的进动频率相同时,氢质子的能量得到很大提高,这时它的纵向磁场会减弱,同时又产生一个横向磁场。就好像如果地球受到一个很大能量的激发,地球的温度会升高,同时地球也会摆脱太阳的引力,偏离原来的轨道来公转。这个现象就是磁共振。磁共振时的主要特征就是氢质子的纵向和横向磁场发生了很大的变化。
当外界电磁波消失时,氢质子的能量会逐渐释放,它的纵向磁场会恢复到原来的强度,它的横向磁场也会慢慢消失。这就好像激发地球的能量消失后,地球的温度会降下来,地球绕太阳的公转的轨道又回到原来的位置一样。我们把这样一个恢复过程称弛豫过程,恢复所需要的时间称弛豫时间。这是一个很重要的概念,也是磁共振检查的基础。
第三个问题:磁共振检查是靠什么参数来诊断疾病的?
我们先明确地给出答案:磁共振检查是依靠测量氢质子在弛豫过程中所产生的各种参数来诊断疾病的。氢质子弛豫过程中有很多参数,其中最主要的参数是弛豫时间。我们把磁共振纵向磁场的弛豫时间称为T1,横向磁场的弛豫时间称为T2。弛豫时间T1和T2是用来诊断疾病的重要参数。
我们知道人体内部氢元素分布在各种组织和器官中,如水、脂肪,脑脊液等等。医学上发现,人体内不同部位的氢质子的弛豫时间T1和T2是不相同的。氢质子在正常器官和病变器官中的弛豫时间也不相同。以纵向弛豫时间T1为例,氢质子在正常肝脏里的T1大约是140-170毫秒,而在肝癌里的T1大约是300-350毫秒;在正常肾脏里的T1大约是300-340毫秒,而在肾癌里的T1大约是400-450毫秒。医生可以通过测定人体各部位的弛豫时间来诊断疾病。
通过回答以上三个问题,我们可以基本了解磁共振的基本原理了,当然把这些参数组成一幅直观的,能满足诊断要求的磁共振医学图像,还应用了不少现代技术。这些内容就以后再介绍了。
(郝大选);