編者按：核磁共振是一種常見的影像檢查方式。全球首次為病人做核磁共振檢查是在1977年7月3日。該技術(shù)是基于物理學(xué)家拉比有關(guān)測(cè)量原子核在磁場(chǎng)中性質(zhì)的研究發(fā)展而來的。拉比在1988年去世前不久，也使用核磁共振機(jī)器進(jìn)行了檢查，他說：“我在那部機(jī)器中見到了自己，我從未想到我的研究會(huì)變成這樣。”

磁共振成像（MRI，Magnetic Resonance Imaging）是利用射頻脈沖對(duì)磁場(chǎng)中特定原子核（通常為氫核）進(jìn)行激勵(lì)，在此基礎(chǔ)上利用感應(yīng)線圈采集信號(hào)，并傅里葉變換進(jìn)行圖像重建的方法。

早在20世紀(jì)30年代，物理學(xué)家伊西多·艾薩克·拉比就發(fā)現(xiàn)，在磁場(chǎng)中的原子核會(huì)沿磁場(chǎng)方向呈正向或反向有序平行排列（圖1（b）），而施加無線電波之后，原子核的自旋方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)（圖1（c））。這是人類關(guān)于原子核與磁場(chǎng)以及外加射頻場(chǎng)相互作用的最早認(rèn)識(shí)。1946年，物理學(xué)家費(fèi)利克斯·布洛赫和愛德華·米爾斯·珀塞耳發(fā)現(xiàn)位于磁場(chǎng)中的原子核受到高頻電磁場(chǎng)激發(fā)會(huì)傾斜。而當(dāng)高頻場(chǎng)關(guān)閉后，原子核將釋放吸收的能量，并且回歸到原始狀態(tài)（圖1（b）至圖1（d）過程）。因其在磁共振成像理論基礎(chǔ)方面的杰出貢獻(xiàn)，伊西多·艾薩克·拉比獲1944年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，費(fèi)利克斯·布洛赫和愛德華·米爾斯·珀塞耳則分享了1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

圖1 磁共振原理示意圖

在磁共振現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之初，因成像條件苛刻、成像時(shí)間長(zhǎng)等缺陷，應(yīng)用范圍受到較大限制，雖然在1950年歐文·哈恩就發(fā)現(xiàn)了雙脈沖下磁共振自旋回波現(xiàn)象，但直到1968年理查德·恩斯特團(tuán)隊(duì)改進(jìn)激發(fā)脈沖序列和分析算法，大大提高信號(hào)的其靈敏度以及成像速度后，磁共振技術(shù)才逐步成熟，理查德·恩斯特本人也因此榮獲1991年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

現(xiàn)代核磁共振成像技術(shù)在歐洲和美國(guó)以獨(dú)立的技術(shù)路線分別開展。歐洲方面：1973年化學(xué)家保羅·克里斯琴·勞特伯和物理學(xué)家彼得·曼斯菲爾德爵士在荷蘭的中心實(shí)驗(yàn)室搭建完成了最初的磁共振成像系統(tǒng)（圖2），并對(duì)充滿液體的物體進(jìn)行了成像，得到了著名的核磁共振圖像“諾丁漢的橙子”（圖3），拔得磁共振技術(shù)成像領(lǐng)域的頭籌。

圖2  磁共振成像系統(tǒng)

圖3 磁共振成像結(jié)果“諾丁漢的橙子”

受到成像結(jié)果的鼓舞，荷蘭中心實(shí)驗(yàn)室于1978年組建“質(zhì)子項(xiàng)目”研究團(tuán)隊(duì)（圖4），該團(tuán)隊(duì)研制出了0.15T的磁共振系統(tǒng)，并于1980年12月3日，得到了第一幅人類頭部核磁共振圖像（圖5）和第一幅第二維傅里葉變換后的圖像（1981年7月30日，圖6）。保羅·克里斯琴·勞特伯教授與彼得·曼斯菲爾德爵士教授因其在磁共振醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，共同獲得了2003年的諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

圖4 質(zhì)子項(xiàng)目研究員

圖5 第一幅人類頭部MRI成像

圖6 第一張二維傅里葉變換后的頭部圖像

在美國(guó)，紐約大學(xué)的雷蒙德·達(dá)馬迪安教授團(tuán)隊(duì)則在醫(yī)學(xué)成像方面，拔得頭籌，他們研制的醫(yī)用核磁共振設(shè)備（圖7）于1977年7月3日到了第一幅人體磁共振圖像——胸部軸位質(zhì)子密度加權(quán)圖像（圖8），標(biāo)志著MRI技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的開始，因此7月3日也被學(xué)界認(rèn)為是醫(yī)學(xué)磁共振成像技術(shù)的“生日”。

圖7 第一個(gè)醫(yī)用核磁共振設(shè)備

圖8 第一幅人體磁共振圖像

在短短50年的時(shí)間內(nèi)，磁共振成像技術(shù)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，已成為影像學(xué)四大常規(guī)檢查手段之一（四大常規(guī)手段：磁共振成像，X射線成像，超聲成像與核醫(yī)學(xué)成像）。相比而言，磁共振成像對(duì)軟組織分辨能力高，無輻射損傷的優(yōu)勢(shì)使其在嬰幼兒發(fā)育和骨骼韌帶勞損等方面獲得了無可替代的應(yīng)用。

在發(fā)展方向上，磁共振系統(tǒng)不斷追求極限工作條件與更有針對(duì)性的勵(lì)磁序列。在高磁場(chǎng)強(qiáng)度方面，目前醫(yī)院主流的磁共振設(shè)備場(chǎng)強(qiáng)已超過1.5T，7T的磁共振系統(tǒng)也已商業(yè)化，并在腦神經(jīng)疾病檢查、腦功能與腦科學(xué)研究方面獲得廣泛的應(yīng)用；在低場(chǎng)強(qiáng)方面，部分科研機(jī)構(gòu)開展了主磁場(chǎng)μT量級(jí)的超低場(chǎng)磁共振設(shè)備研究工作，以滿足牙齒種植，裝有心臟起搏器等特殊患者的檢查需求；在體積極限方面，目前基于霍爾巴赫（Halbach）磁體的小型磁共振檢測(cè)設(shè)備已經(jīng)把體積縮小到桌面大小，重量可控制在40Kg以內(nèi)，在食品檢測(cè)與地質(zhì)探測(cè)等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用；在勵(lì)磁序列方面，功能磁共振（fMRI）序列，彈性成像序列，波譜成像序列已在部分商用機(jī)型上配置，以滿足醫(yī)學(xué)診斷方面的特殊需求。

近年來，中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所在磁共振理論研究與應(yīng)用研發(fā)方面不斷取得新突破：研發(fā)的開源磁共振波譜成像模擬平臺(tái)Spin-Scenario填補(bǔ)領(lǐng)域空白，登上國(guó)際磁共振學(xué)會(huì)的官方期刊JMR封面（圖9），并獲包括荷蘭烏得勒支大學(xué)、德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)在內(nèi)的多家國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)使用；研發(fā)的小型高均勻度Halbach陣列磁體技術(shù)水平達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，已成功應(yīng)用于桌面式核磁波譜儀（圖10）；研發(fā)完成超低場(chǎng)磁共振成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)含磁性植入物的組織高質(zhì)量成像（圖11）；聯(lián)合蘇州兒童醫(yī)院研發(fā)完成兒童發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育脫位磁共振定量評(píng)估系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)疾病的早期診斷、術(shù)前規(guī)劃與術(shù)后評(píng)估和長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等環(huán)節(jié)的完整覆蓋。希望通過我們的不懈努力，能為國(guó)產(chǎn)高端磁共振系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化做出一點(diǎn)微薄的貢獻(xiàn)。

圖9 Spin-Scenario仿真結(jié)果與JMR封面

圖10 霍爾巴赫磁體仿真設(shè)計(jì)與實(shí)物

圖11 超低場(chǎng)磁共振系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試界面