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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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      不管是用于化学的核磁共振光谱仪,还是医学领域的核磁共振成像仪,基本原理都是一样的:原子核在磁场作用下发生能级分裂,在射频脉冲作用下产生能级跃迁,从而产生信号。虽然其机理看着很像吸收光谱(absorption spectroscopy),但是其信号接收方式与吸收光谱很不一样,因为信号探测器不直接检测射频电磁波信号的吸收值,而是检测进动的宏观磁矩在探测器线圈中感应产生的电流,这倒是有点类似于发射光谱的原理;宏观磁矩在射频脉冲消失后会发生衰减,从而导致探测到的信号也是衰减的,这被称为自由感应衰减(Free Induction Decay,FID)信号。经过傅利叶变换,FID信号可以被转变为核磁共振光谱,而通过探测人体的氢原子核(人体含水65%,而水中氢含量是11%,如果考虑到其他含氢的物质,人体含有的氢原子总质量高达体重的10%,Composition of the human body)的核磁共振参数可以构建出人体的结构,因为不同结构的氢原子的化学环境不同,导致其核磁共振的参数也有所不同。高灵敏度(或高分辨率)有助于获得高清晰度的MRI图片,而这依赖于高磁场强度。这也是为什么强磁场的相关研究很重要的一个原因。
    强磁场,尤其是高度稳定并且高度均匀的强磁场非常难获得。
    1)首先这要求低温技术,液氦温度-269°C;要让大量液氦老老实实待在仪器内,常用的方法是在外部加一个液氮(-196°C)夹套。
    2)零部件加工精度需要保证磁场强度在放置样品的区域恒定,因为这事关分辨率。
    3)电子系统稳定性要求极高,电压的波动等需要被压制,否则破坏灵敏度甚至准确度。
    另外,信号检测器需要能够探测原子核产生的宏观磁矩,这是极弱的,弱到连线圈的热噪声都可以影响其灵敏度,所以会出现用液氮冷却的低温探头(cryo-probe)这样的东西。
    由于以上原因,核磁共振仪器的制造属于高精尖的技术,所以全世界也没几个制造商,核磁共振光谱仪一般就是Bruker与Varian,核磁共振成像仪主要有Siemens,GE,Hitachi等,导致:
    1)核磁共振仪器贵。一台核磁共振成像仪耗资50万-100万美元,MRI Machine Cost and Price Guide,因此折旧也就贵,分摊到测试费用里也就贵。
    2)核磁共振维护费用高。核磁共振仪需要液氮与液氦维持超导磁体产生的强磁场,即使在停机状态也需要消耗液氮与液氦
     
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