磁共振（自旋磁共振现象）

磁共振

自旋磁共振现象

磁共振指的是自旋磁共振（spin magnetic resonance）现象。其意义上较广，包含核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)、电子顺磁共振（electron paramagnetic resonance, EPR）或称电子自旋共振（electron spin resonance, ESR）。

此外，人们日常生活中常说的磁共振，是指磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI），其是利用核磁共振现象制成的一类用于医学检查的成像设备。

基本资料

磁共振指的是自旋磁共振（spin magnetic resonance）现象。

其意义上较广，包含有核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)、电子顺磁共振（electron paramagnetic resonance, EPR）或称电子自旋共振（electron spin resonance, ESR）。

用于医学检查的主要是磁共振共像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）。

发展简史

磁共振是在固体微观量子理论和无线电微波电子学技术发展的基础上被发现的。1945年首先在顺磁性Mn盐的水溶液中观测到顺磁共振，第二年，又分别用吸收和感应的方法发现了石蜡和水中质子的核磁共振；用波导谐振腔方法发现了Fe、Co和Ni薄片的铁磁共振。1950年在室温附近观测到固体Cr2O3的反铁磁共振。1953年在半导体硅和锗中观测到电子和空穴的回旋共振。1953年和1955年先后从理论上预言和实验上观测到亚铁磁共振。随后又发现了磁有序系统中高次模式的静磁型共振（1957）和自旋波共振（1958）。1956年开始研究两种磁共振耦合的磁双共振现象。这些磁共振被发现后，便在物理、化学、生物等基础学科和微波技术、量子电子学等新技术中得到了广泛的应用。例如顺磁固体量子放大器，各种铁氧体微波器件，核磁共振谱分析技术和核磁共振成像技术及利用磁共振方法对顺磁晶体的晶场和能级结构、半导体的能带结构和生物分子结构等的研究。原子核和基本粒子的自旋、磁矩参数的测定也是以各种磁共振原理为基础发展起来的。

磁共振成像技术由于其无辐射、分辨率高等优点被广泛的应用于临床医学与医学研究。一些先进的设备制造商与研究人员一起，不断优化磁共振扫描仪的性能、开发新的组件。例如：德国西门子公司的1.5T超导磁共振扫描仪具有神经成像组件、血管成像组件、心脏成像组件、体部成像组件、肿瘤程序组件、骨关节及儿童成像组件等。其具有高分辨率、磁场均匀、扫描速度快、噪声相对较小、多方位成像等优点。

辨析

磁共振与核磁共振有没有区别？

磁共振与核磁共振没有区别，核磁共振成像的原理，是利用人体原子核内的质子产生磁场进行成像，因此该成像方式被称为核磁共振成像。核磁共振的核代表原子核，而不是核辐射的意思，所以核磁共振又可以叫做磁共振，二者是相同的。

具体分类

具有不同磁性的物质在一定条件下都可能出现不同的磁共振。下面列出物质的各种磁性及相应的磁共振：各种磁共振既有共性又有特性。其共性表现在基本原理可以统一地唯象描述，而特性则表现在各种共振有其产生的特定条件和不同的微观机制。回旋共振来自载流子在轨道磁能级之间的跃迁，其激发场为与恒定磁场相垂直的高频电场，而其他来自自旋磁共振的激发场为高频磁场。核磁矩比电子磁矩约小三个数量级，故核磁共振的频系和灵敏度都比电子磁共振的低得多。弱磁性物质的磁矩远低于强磁性物质的磁矩，故弱磁共振的灵敏度又比强磁共振低，但强磁共振却必须考虑强磁矩引起的退磁场所造成的影响。

下面分别介绍几种主要的磁共振。

铁磁共振

铁磁体中原子磁矩间的交换作用使这些原子磁矩在每个磁畴中自发地平行排列。一般，在铁磁共振情况下，外加恒定磁场已使铁磁体饱和磁化，即参与铁磁共振进动运动的是彼此平行的原子磁矩（饱和磁化强度Ms）。铁磁共振的这一特点引起的主要效应是：铁磁体的退磁场成为影响共振的一项重要因素，因此必须考虑共振样品形状的影响；铁磁体内交换作用场与磁矩平行，磁转矩为零，故对共振无影响；铁磁体内磁晶各向异性对共振有影响，可看作在磁矩附近的易磁化方向存在磁晶各向异性有效场。在特殊情况下，例如当高频磁场不均匀时，会激发铁磁耦合磁矩系统的多种进动模式，即各原子磁矩的进动幅度和相位不相同的非一致进动模式，称为非一致（铁磁）共振。当非一致进动的相邻原子磁矩间的交换作用可忽略，样品线度又小到使传播效应可忽略时，这样的非一致共振称为静磁型共振。当非一致进动的相邻原子磁矩间的交换作用不能忽略（如金属薄膜中）时，这样的非一致共振称为自旋波共振；当高频磁场强度超过阈值，使共振曲线和参数与高频磁场强度有关时，称为非线性铁磁共振。铁磁共振是研究铁磁体中动态过程和测量磁性参量的重要方法，也是微波磁器件（如铁氧体的隔离器、环行器和相移器）的物理基础。

亚铁磁共振

亚铁磁体是包含有两个或更多个不等效的磁亚点阵的磁有序材料，亚铁磁共振是亚铁磁体在居里点以下的磁共振。在宏观磁性上，通常亚铁磁体与铁磁体有许多相似的地方，亚铁磁共振与铁磁共振也有许多相似的地方。因此，习惯上常把一般亚铁磁共振也称为铁磁共振。但在微观结构上，含有多个磁亚点阵的亚铁磁体与只有一个磁点阵的铁磁体有显着的差别。这差别会反映到亚铁磁共振的一些特点上。这些特点是由多个交换作用强耦合的磁亚点阵中磁矩的复杂进动运动产生的，主要表现在：有两种类型的磁共振，即共振不受交换作用影响的铁磁型共振和共振主要由交换作用决定的交换型共振，在两个磁亚点阵的磁矩互相抵消或动量矩相互抵消的抵消点附近，共振参量（如g因子共振线宽等）出现反常的变化，在磁矩和动量矩两抵消点之间，法拉第旋转反向。这些特点都已在实验上观测到。亚铁磁共振的应用基本同铁磁共振的一样，其差别仅在应用上述亚铁磁共振的特点（如g因子的反常增大或减小，法拉第旋转反向等）时才表现出来。

反铁磁共振

反铁磁体是包含两个晶体学上等效的磁亚点阵且磁矩互相抵消的序磁材料，反铁磁共振是反铁磁体在奈耳温度以下的磁共振。它是由交换作用强耦合的两个磁亚点阵中磁矩的复杂进动运动产生的共振现象。在反铁磁共振中，有效恒定磁场包括反铁磁体内的交换场BE和磁晶各向异性场BA。在不加外恒定磁场而只加适当高频磁场时，可观测到简并的反铁磁共振，其共振角频率称为自然反铁磁共振；

当施加外恒定磁场B时，可观测到两支非简并的反铁磁共振，其共振角频率一般反铁磁体的BE和BA都较高，反铁磁共振发生在毫米或亚毫米波段。除应用于基础研究外，可利用其强内场作毫米波段或更高频段的隔离器等非互易磁器件。

顺磁共振

具有未抵消的电子磁矩（自旋）的磁无序系统，在一定的恒定磁场和高频磁场同时作用下产生的磁共振。若未抵消的电子磁矩来源于未满充的内电子壳层（如铁族原子的3d壳层、稀土族原子的4f壳层），则一般称为（狭义的）顺磁共振。若未抵消的电子磁矩来源于外层电子或共有化电子的未配对自旋产生的未配对电子，则常称为电子自旋共振。顺磁共振是由顺磁物质基态塞曼能级间的跃迁引起的，其灵敏度远不如强磁体的磁共振高。如果在非顺磁体（某些生物分子）中加入含有自由基的分子（称为自旋标记），则也可在原来是抗磁性的物质中观测到自旋标记的顺磁共振。顺磁共振技术已较广泛地应用于各种含顺磁性原子（离子）和含未配对电子自旋的固体研究。既可研究固体的基态能谱，又可研究固体中的相变、弛豫和缺陷等的动力学过程。微波固体量子放大器也是在固体顺磁共振研究的基础上发展起来的。

回旋共振

亦称抗磁共振。固体中的载流子（电子及空穴）和等离子体以及电离气体在恒定磁场 B和横向高频电场E（ω）的同时作用下，当高频电场的频率ω与带电粒子的回旋频率相等，ω=ωc，这些带电粒子碰撞弛豫时间τ远大于高频电场周期，即τ≥1/ω时，便可观测到带电粒子的回旋共振。因此，回旋共振常是在高纯、低温（τ大）和强磁场（ωc高）、高频率的条件下进行观测，其显着特征是在各向同性介质中，介电常数ε和电导率σ成为张量,称为旋电性。这与其他的磁矩（自旋）系统的磁共振中磁导率 μ为张量（称为旋磁性）不相同。此外，在电离分子中还可观测到各种带电离子的回旋共振──离子回旋共振。回旋共振主要应用于半导体和金属的能带结构、载流子有效质量等的研究，也是实现研究旋电器件（如半导体隔离器）、微波参量放大器、负质量放大器、毫米波激射器和红外激光器的物理基础。

核磁共振

元素周期表中绝大多数元素都有核自旋和核磁矩不为零的同位素。这些核在恒定磁场 B和横向高频磁场bo（ω）的同时作用下，在满足ωN=γNB 的条件下会产生核磁共振（γN为核磁旋比），也可在恒定磁场B突然改变方向时，产生频率为ωo=γB、振幅随时间衰减的核自由进动，它在某些方面与核磁共振有相似之处。在固体中，核受到外加场Be和内场Bi的作用，使共振谱线产生微小的移位（约0.1%～1%），在金属中称为奈特移位，在一般化合物中称为化学移位，在序磁材料中由于核外电子的极化会产生约1～10T的内场，称为超精细作用场。这些移位和内场反映核周围化学环境（指电子组态和原子分布等）的影响。研究核磁共振中的能量交换和转移的弛豫过程，包括核自旋－自旋弛豫和核自旋－点阵弛豫两种过程，也反映化学环境的影响。因此，核磁共振起着探测物质微观结构的微探针作用。核磁共振已成为研究各种固体（包括无机、有机和生物大分子材料）的结构、化学键、相变和化学反应等过程的重要方法。新发展的核磁共振成像技术不但与超声成像和X射线层析照相有相似的功能，而且还可能显示化学元素和弛豫时间的分布。

磁双共振

固体中有两种或更多互相耦合的基团或磁共振系统时，一种基团或系统的磁共振可以影响另一种基团或系统的磁共振，因而可以利用其中的一种磁共振来探测另一种磁共振，称为磁双共振。例如可利用同一物质中的一种核的核磁共振来影响和探测另一种核的核磁共振，称为核－核磁双共振；可以用同一物质中的核磁共振来影响和探测电子自旋共振，称为电子－核磁双共振；也可利用光泵技术来探测其他磁共振（如核磁共振或顺磁共振），称为光磁双共振或光测磁共振。

医学应用

医学检查适应症

中枢神经系统

1.脑内血管病变

2.颅脑肿瘤

3.嵴髓各种病变

4.颅内感染

5.脑部退行性变

6.颅脑先天发育畸形

7.颅脑外伤

五官科

1.眼眶内炎症、眶内肿瘤、眶内血管病变

2.副鼻窦炎症、肿瘤

3.舌部肿瘤

4.腮腺病变

5.耳部各种肿瘤

胸部

1.心脏及大血管畸形及肿瘤

2.纵隔肿瘤及纵隔疝

3.肺部先天畸形、肺血管病变及肿瘤

4.乳腺炎症、增生及肿瘤。

腹部

1.肝囊肿、血管瘤、肝癌

2.胆道结石、肿瘤

3.脾、肾、胰腺挫伤、炎症及肿瘤

4.前列腺增生、肿瘤

5.卵巢、子宫先天畸形及肿瘤

四肢

1.肩关节、膝关节损伤

2.股骨头缺血坏死

3.骨骼炎症及肿瘤

检查须知

磁共振成像是一种使用磁场及射频脉冲进行的特殊检查，安全、准确、无创伤、对人体无害。由于磁共振使用的是强磁场进行检查，请务必注意：

2.相对禁忌证非心脏部位的起搏器、非铁磁性置入物、有可能造成开裂的止血夹和生理依赖监视器等。此外，失代偿性心衰、妊娠、幽闭恐惧症也列入相对禁忌证。

3.危重病人请临床医生陪同；燥动、不能配合的病人请临床科室处理后再做检查。

4.检查前准备：

（a）做颅脑神经系统检查无须特殊准备。

（b）做腹部肝脏、胆囊、胰腺、脾脏检查时，请于检查前6小时禁食。

5.完成一次磁共振检查需要25分钟左右，检查过程中你会听到机器发出的嗡嗡声，此时请尽量静卧、平稳呼吸，身体勿做任何移动，以免影响图像质量。

6.在平扫结束后可能需要增强扫描以便进一步明确诊断费用另记。

7.检查当天请携带相关的医学资料如：CT片、X光片、血管造影片、核素检查，内窥镜及B超检查的化验单等，以便诊断医生做综合分析。

特点

MRI即磁共振共像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是80年代初才正式推出的当代最先进的医学影像学检查方法之一。MRI集当今物理学、化学、生物学和医学的最新研究成果于一体，结构复杂，技术先进。概括地说，它具有以下几项优点：

1、在医学影像学检查方法中，具有良好的软组织分辨力，对比分辨率高。例如：它可以清楚地分辨肌肉、肌腱、筋膜、脂肪等软组织结构，并可准确区分脑灰质和白质。

2、具有多方位任意切层的能力（包括横轴位、冠状位、矢状位及任意斜位，而不必变动被检查者的体位）。多平面，多参数成像技术，因此可清楚地显示病变所在的部位、范围以及和周围组织器官的相互关系，即可精确定出病灶。故对许多病变的定性、定位和定量诊断有其独特的优越性，且无观察死角。其他影像学检查方法对此目前只能是望尘莫及。

3、属无创性技术，并且无X线辐身损害，真正避免了其他影像学检查，如X线或放射性核素扫描显像等射线辐射对人体的损害。

4、无需造影剂即可清楚地显示心脏和血管，免去了病人在接受插管和静脉注射造影剂时所要承担的额外痛苦和风险。

但MRI也有其不足和禁忌：

1、MRI设备和检查费用昂贵，是目前影像学检查中费用较高的，仅次于PET。

2、MRI检查持续时间长，扫描速度远不如CT，一般头部扫描需30分钟左右，心脏扫描需1小时，甚至更长时间。

3、对病人的身体移动非常敏感，易产生伪影，故不适于对急诊和危重病人进行检查。

4、MRI扫描仓内有明显噪声，需病人密切合作，保持平静，以免产生幽闭恐惧症，从而导致检查失败。

5、MRI对钙化不敏感，由于钙化灶内不含质子，故不产生MRI信号，不利于诊断和鉴别诊断钙化点。

6、带有心脏起搏器的患者绝对禁忌。因干扰可致停搏。

7、体内有金属，如假肢、弹片、止血夹、人工心瓣膜、固定用钢板、螺钉、人工股骨头等，不可进行检查，因金属异物的移动可能损害重要脏器和大血管。

参考资料