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      核磁共振的基本原理知多少

      2018-9-18 11:07:57

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        不管是用于化學的核磁共振光譜儀,還是醫學領域的核磁共振成像儀,基本原理都是一樣的:原子核在磁場作用下發生能級分裂,在射頻脈沖作用下產生能級躍遷,從而產生信號。雖然其機理看著很像吸收光譜(absorption spectroscopy),但是其信號接收方式與吸收光譜很不一樣,因為信號探測器不直接檢測射頻電磁波信號的吸收值,而是檢測進動的宏觀磁矩在探測器線圈中感應產生的電流,這倒是有點類似于發射光譜的原理;宏觀磁矩在射頻脈沖消失后會發生衰減,從而導致探測到的信號也是衰減的,這被稱為自由感應衰減(Free Induction Decay,FID)信號。經過傅利葉變換,FID信號可以被轉變為核磁共振光譜,而通過探測人體的氫原子核(人體含水65%,而水中氫含量是11%,如果考慮到其他含氫的物質,人體含有的氫原子總質量高達體重的10%,Composition of the human body)的核磁共振參數可以構建出人體的結構,因為不同結構的氫原子的化學環境不同,導致其核磁共振的參數也有所不同。高靈敏度(或高分辨率)有助于獲得高清晰度的MRI圖片,而這依賴于高磁場強度。這也是為什么強磁場的相關研究很重要的一個原因。
      強磁場,尤其是高度穩定并且高度均勻的強磁場非常難獲得。
      1)首先這要求低溫技術,液氦溫度-269°C;要讓大量液氦老老實實待在儀器內,常用的方法是在外部加一個液氮(-196°C)夾套。
      2)零部件加工精度需要保證磁場強度在放置樣品的區域恒定,因為這事關分辨率。
      3)電子系統穩定性要求極高,電壓的波動等需要被壓制,否則破壞靈敏度甚至準確度。
      另外,信號檢測器需要能夠探測原子核產生的宏觀磁矩,這是極弱的,弱到連線圈的熱噪聲都可以影響其靈敏度,所以會出現用液氮冷卻的低溫探頭(cryo-probe)這樣的東西。
      由于以上原因,核磁共振儀器的制造屬于高精尖的技術,所以全世界也沒幾個制造商,核磁共振光譜儀一般就是Bruker與Varian,核磁共振成像儀主要有Siemens,GE,Hitachi等,導致:
      1)核磁共振儀器貴。一臺核磁共振成像儀耗資50萬-100萬美元,MRI Machine Cost and Price Guide,因此折舊也就貴,分攤到測試費用里也就貴。
      2)核磁共振維護費用高。核磁共振儀需要液氮與液氦維持超導磁體產生的強磁場,即使在停機狀態也需要消耗液氮與液氦。
       
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