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穿行于经典与量子之间的核磁共振理论 (4):理弦成像影憧憧

2012-08-07 15:42:24 来源:

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前面讲到,核磁共振因为发现了化学位移现象,接力棒从物理学家那儿传到了化学家手中。由于脉冲技术的引进,核磁共振技术被化学家们应用得出神入化,各种多维的频谱技术在分析化学,乃至结构生物学中大显身手。

然而到了七十年代初,一位化学家异想天开的想法,把核磁共振的研究带到了一片崭新的未开发的处女地,这位化学家就是 Paul Lauterbur,2003年诺贝尔医学奖得主。

要说 Lauterbur 的想法为什么异想天开,还得从核磁共振的灵敏度谈起。前面说过:核磁共振要检测的信号,就是高低能级上原子核的数量差,这个数量差服从波尔兹曼分布。在常温下,即使在很高的磁场下,这个数量差也是微乎其微的,因而核磁共振的灵敏度一直是个令人大伤脑筋的事情。提高灵敏度的方法之一,就是尽量提高磁场的均匀度。因为原子核的共振频率和磁场强度有线性关系,只有在均匀的磁场下,相同的原子核才会在同一个频率下共振,检测出来的信号才强。即便如此,许多核磁共振实验都是需要通宵达旦地采样的。

然而 Lauterbur 却有意要让磁场变得不均匀,不均匀到什么程度?他要让不同位置的原子核都以不同的频率共振。如是,原子核的共振频率便和它们所处的空间位置有了一一对应的关系,也就是说,可以对原子核进行成像了。若是把原子核比喻成一架钢琴上的琴键的话,在均匀的磁场下,按下任何一个琴键都只发出同一个声音,我们无法根据声音来判断琴键的位置。然而 Lauterbur 的磁场给每个琴键都赋予了一个独特的声音,如小鸟般啾啁的高音来自右端,像青蛙一样恬呱的声音则来自左端,任何一个训练有素的琴手,都很容易从琴键发出的声音判断其位置。

Lauterbur 磁场的实现原理其实很简单,就是在原来均匀的磁场上再叠加上一个和位置呈线性关系的小磁场,这个小磁场称为梯度磁场。显而易见,梯度磁场的引入将会大大降低核磁共振信号的强度,因此这一想法甫一提出,便遭到了专家们的质疑和反对。然而,不信邪的 Lauterbur 率领自己的研究小组白手起家,硬是做出了世界上第一幅核磁共振图像。Lauterbur 的文章发表在1973年的“自然”杂志上,因为这一想法太超前了,一开始也遭到了被拒的命运,据说是 Lauterbur 据理力争后文章才得以发表。

劳特伯的核磁共振成像实验

Lauterbur 最初使用的成像方法和CT很类似,但后来的人们把 Ernst 的傅立叶方法用到了成像上,直接在频域空间进行采样,大大简化了成像的算法,只需一个简单的二维傅立叶变换就行了。随后,英国的 Peter Mansfield 又发明了叫做 Echo Planar Imaging (EPI) 的快速成像方法,大大提高了成像的效率,为核磁共振在生物医学上的应用开拓了更广阔的空间。Lauterbur 和 Mansfield 因此共同分享了 2003 年的诺贝尔医学奖。

核磁共振成像发展到今天,已经在从脑功能到血管造影上有了广泛的应用,而且新的技术仍在不断被开发出来,是成像技术中独一无二的多面手。之所以能有如此广泛的应用,是和这一技术物理上的复杂性分不开的。首先,它可以就一种原子核的分布密度进行成像。由于两个驰豫时间的存在,驰豫时间加权的成像技术又可以反映组织器官不同的物理特性。又由于原子核在磁场中时刻在旋转着,它们累积起来的相位也可以用来反映原子核在磁场中的运动情况,于是,各种各样的运动成像技术(如血流、肌肉收缩、分子扩散)也应运而生。最后,由于许多原子核的自旋数都不为零,它们也都可以是核磁共振研究的对象。比如,在我们身体里广泛存在的磷-31,便是能量代谢的重要物质,核磁共振技术使得在生命体内直接观测生化过程成为可能。

如果说,有着有限的分子官能团的分子的核磁共振信号还是个离散谱,像小型室内乐队演奏的音乐的话,那么 Lauterbur 将梯度磁场天才的引入,使得核磁共振信号成了连续谱,宛如一首关于生命的雄浑的交响曲。只要你细心聆听,便会有所启示。

(全文完)

后记:

开春动笔写核磁共振的时候,只打算写写核磁共振这一物理现象的量子与经典模型,以及自己在教学中遇到的一些疑惑。但没想到写出来之后很受欢迎,于是决定再加写两篇,凑成一个简史系列。这就有了关于化学位移的那篇,是我在山里渡春假时利用晚上的时间写出来的。

然而到了我自己的领地,成像这篇文章却着实难产。若是从做博士论文开始算起,我在这个领域也快二十年了。二十多年前,医学核磁共振尚属于一个比较新的领域,我因此亲眼目睹了许多的发展与起落,但也常有身在庐山之中却无法一窥全容的感觉,写起来反倒觉得无从下手了。所以我自己对这篇并不十分满意,但好歹也算做到善始善终了。许多未能触及到的前沿领域,只好等以后另开一个专题了。

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