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于核磁共振成像技術，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......

質子具有自旋這一内在屬性。由于質子帶正電，自轉就會産生環狀電流，而環狀電流又會産生磁場，效果類似于一個小磁鐵棒。

質子的自旋産生磁矩，效果就像一個小磁鐵

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

對于原子核，隻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，隻有一個質子，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标的原因之一。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，由于随機熱運動，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。一部分順着磁場的方向站，另一部分逆着站。

順着磁場的質子處低能态，而逆着的質子處于高能态。所以，順着磁場方向的氫原子核總是要多于逆着的，雖然多出的數量通常很少。

在外磁場作用下，質子自旋磁矩平行或反平行于外磁場

質子在外磁場影響下站好隊後，還會做一項廣播體操——進動。

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，而是繞着重力的方向旋轉，這就是進動。

同樣，自旋的質子磁矩在磁場的作用下，也會繞着外磁場做進動。

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。對于氫原子核，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的磁場的強度相當于20000倍的地磁場。臨床用核磁共振儀器産生的主磁場通常為1.5T或3T，科研用的核磁共振主磁場強度最高可達11.7T。

地磁場約0.00005T，臨床用核磁共振磁場強度通常為1.5或3T

縱向磁場

腦内氫原子核進動相位是随機的，并不同步。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。這會使磁矩在垂直于磁場的平面内的分量相互抵消。而在磁場的軸向，由于平行磁場方向的磁矩多于反平行的磁矩，加和抵消後，就隻剩下平行于磁場的磁矩。

縱向磁場M和外加磁場同方向

也就是說，腦組織内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于磁場，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。

共振和射頻脈沖

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緻時，共振就會發生。這對機械系統和電磁系統都成立。

對于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沖（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。

射頻脈沖引發的共振對質子有兩個影響：

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

這會導緻縱向磁場強度減弱，甚至消失、反轉。

射頻磁場使部分質子磁矩翻轉，縱向磁場減弱、消失甚至翻轉

2）射頻脈沖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态，氫原子核的進動相位千差萬别，這導緻自旋磁矩在垂直于磁場的平面内（橫向）分量相互抵消。相位同步意味着在每一時刻，所有氫原子核的磁矩朝向都相同，那麼它們在垂直于磁場的平面内的分量方向也相同，不會再相互抵消（如下圖）。

90度脈沖使橫向磁場産生過程動圖

這意味着共振使一個新的磁場在一個新的方向産生——橫向磁場。

橫向磁場

橫向磁場的産生也可以從另外一個角度來解釋。新産生的橫向磁場和原來的縱向磁場實際上等價于一個合成磁場，而合成磁場的方向位于兩者之間。這相當于原來的縱向磁場在射頻脈沖作用下傾斜了。

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

橫向磁場跟T2加權成像密切相關。

90度脈沖的效果等價于讓縱向磁場翻轉90度

共振使氫原子核的磁場發生改變，随後會逐漸恢複。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，氫原子核恢複的過程包括T1弛豫和T2弛豫，分别對應于縱向磁場的恢複和橫向磁場的消失。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。弛豫是放松、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，它們會逐漸回到輕松自在的低能級。這是一個氫原子們緩松下來的過程，是縱向磁場恢複到之前熱力學平衡狀态的過程，叫T1弛豫。

氫原子并不是在同一時間點全部恢複到原始低能級的，因此，T1弛豫是一個連續的過程。

T1弛豫過程即縱向磁場恢複的過程

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。而位于半綁定的結構水中的氫原子核，比如半綁定于蛋白質的水分子，它們的T1弛豫時間很短，約為400~800毫秒。

基于腦内不同結構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），常用于大腦解剖結構成像。

T1加權圖像可以很好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。

當射頻脈沖撤掉後，部分質子返回到初始的低能級（T1弛豫）。于此同時，共振中進動相位同步的氫原子會逐漸去同步。由于橫向磁場就誕生于相位同步，所以，随着去同步的進行，橫向磁場也會跟着減弱，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産生的小磁場會影響到它周圍的質子，由于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緻原來以相同頻率同步進動的質子群體慢慢變得不再同步，最終恢複到原始狀态。至此，橫向磁場消失。

質子進動相位不同步最終導緻橫向磁場消失（T2弛豫）

不同的組織内的氫原子核，其T2弛豫時間也不同。比如，腦組織的T2弛豫時間要短于腦脊液。基于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，腦脊液呈亮白色

總結

基于大腦不同部位的氫原子核所處不同狀态，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，隻用了40來年的時間。

核磁共振技術是極其深奧的，本文隻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，如何基于T1弛豫和T2弛豫提取合适的信号？如何将記錄到的信号定位到三維大腦中？等等。希望本文能起到讀者的興趣，起到一個抛磚引玉的作用。

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