避免事故，了解原理，避开误区——去医院做核磁共振先看这份科普指南

　　来源：蝌蚪五线谱

　　近日，美国纽约州发生了一起骇人听闻的事故：一名男子在陪同亲友进行核磁共振检查时，因佩戴金属项链违规进入扫描室，被强大的磁场瞬间吸入机器，不幸身亡。这起悲剧再次将核磁共振这一现代医学影像技术的“威力”以一种令人震惊的方式展现在公众面前。

　　核磁共振究竟是什么？为什么在核磁共振检查室内，一根小小的金属项链，竟然如此危险？用这样威力强大的仪器，做核磁共振检查真的对身体没有伤害吗？我们今天就来解答这些疑问，而这一切的答案，就藏在量子力学的基本概念——“自旋”里。

　　被检查的人体置于核磁共振仪器的磁场中 来源：dailymotion

　　原子核自旋：体内的“小指南针”

　　我们首先把目光投向“核磁共振”中的“核”——曾经有人因为这个名词而对这项技术产生了紧张情绪，甚至让它一度被改名为“磁共振成像”，但其实这大可不必。因为这里的“核”与可能危险的核辐射毫无关系，它指的就是核磁共振成像的观察对象：我们体内的氢原子核。

　　“核”与“磁”是怎么联系起来的？原来，在量子力学中，微观粒子，比如氢核，都有着一个奇妙的性质——自旋。看到这个名字，你的脑海里可能会浮现出一个小球，它就像地球一样在自转……但很可惜，真实的粒子并不是一个简单的在旋转的小球，不过，自旋也不是完全与宏观的物理特性无关——它能够给粒子带来磁性。

　　一个自旋不为0的粒子，就好像一个小指南针一样，具有自己的磁矩方向。 来源：clipartmax

　　一个粒子是否具有磁性，要看它的自旋大小。自旋等于0的那些原子核，比如水中最常见的氧原子核（16O），就不具有磁性，因此没有核磁共振的现象。而在那些有磁性的原子核中，氢原子有着独特的优势——它不仅对核磁共振的灵敏度最高，而且在人体中的水和脂肪里都大量存在。因此，氢原子核就成为了我们的主要研究对象。

　　我们可以把人体内的氢原子核想象成一些有磁性的小指南针，在进入核磁共振检查室之前，它们方向各异，杂乱无章地排布着。

　　未加外磁场时，氢原子核杂乱排列的示意图 来源：Radiology Tutorials

　　但当被检测者进入核磁共振仪器的“隧道”，隧道外壳内的超导磁体带来了一个沿着特定方向的强磁场，体内的这些小指南针就会以磁场方向为轴，绕着它转圈——外加的磁场越大，小指南针转得就越快。现在，这样的状态是小指南针最“舒服”的状态，换句话说，此时它们的能量比较低。（这件事很重要，一会要考）

　　核磁共振仪器中，氢核以磁场方向（红色箭头方向）为轴旋转的示意图。顺着磁场方向（右边箭头）的能量比背对着磁场方向（左边箭头）的能量更低，这样的氢核数量也更多。我们可以认为，每一个反方向的氢核都被一个顺方向的氢核抵消了，所以可以当作氢核总体上是顺着磁场方向旋转的。 来源：Radiology Tutorials

　　讲到这儿，“核”与“磁”都有了，缺的只剩“共振”了。

　　或许你听过这样的故事：古时候有一个老和尚，得了一口磬，而他的磬总是无缘无故自己响。老和尚吓得半死，那是因为他不知道这背后的原理——原来，隔壁小和尚敲的钟与他的磬发出的声音具有相同的频率，所以，当钟发出的声波通过空气传到磬这里，磬就可以吸收能量，转化为自己发出的声音。这就是宏观世界的“共振”现象。

　　宏观世界的共振现象。敲击左边音叉（钟），只有那个固有频率与之相同的音叉（磬）也开始振动。 来源：腾讯新闻

　　在微观世界也是类似，想要与旋转的小指南针共振，也需要一个与它们的旋转频率相同的刺激，这就是接下来要用到的“射频脉冲”。这是一些与小指南针的旋转频率相同，与磁场方向垂直的电磁波。

　　因为相同的频率，小指南针们恰好可以吸收这些电磁波的能量，而这些多余的能量足够让它们从原来“舒服”的位置——沿着磁场的方向翻转过去，变到能量更高的垂直于磁场的方向。于是此时，它们在“射频脉冲”的刺激下，在垂直于磁场的方向，整齐地做旋转运动。

　　接下来只剩最后一步：那些吸收了多余能量而翻转过去的小指南针，在刺激结束之后，又逐渐地回到原位。在这个过程中，它们会释放出两种有特点的电磁波：其中一种代表着平行于磁场方向的小指南针正在增加，另一种代表着垂直于磁场方向的小指南针正在减少，而且它们的旋转也从整齐变回无序。

　　这两种信号，就是核磁共振仪器外面的线圈所接收到的最有效的信息。

　　原子核磁化方向从水平方向（x-y）回到竖直方向（z）的过程示意图 来源：维基百科

　　一种典型的核磁共振信号示意图。这个信号代表着在垂直于磁场的方向，小指南针们的旋转逐渐变得无序。 来源：维基百科

　　从原子核到立体图像

　　现在，我们已经了解了氢原子核的核磁共振信号，而它又是怎么最终变成人体内部结构的清晰照片的呢？

　　如果像我们刚才描述的那样，把整个要检查的部位，比如一个患者的头部，放在一个均匀的磁场里，去接收核磁共振信号，那么，虽然我们能够检测出有很多氢原子核在产生信号，却不能知道这些信号究竟是来自哪个位置——究竟哪个是来自血管，哪个是来自脑脊液，哪个是来自脑膜呢？

　　人脑MRI断层扫描图像 来源：维基百科

　　为了解决这个问题，科学家们想到了一个聪明的办法——他们在仪器内部用x，y，z坐标去定义空间中的每一个点，并且抛弃了均匀的磁场，取而代之的是在三个方向上都随着位置变化的梯度磁场。由于空间中每个点的磁场都不一样，共振的频率和返回的信号状态也都会不一样，所以，就可以很容易地分辨出，到底什么信号是来自哪个位置的。

　　更奇妙的是，那些被“翻转”过去的小指南针，在不同的人体组织，比如脂肪和脑脊液里，“恢复原位”的速度是不一样的——也就是说，我们上一节末尾提到的那两种信号，在同样的刺激下，从不同组织发出的却长得不一样。核磁共振仪器不仅能定位信号的来源，还能精确捕捉到这些信号的差异，并把它们都收集起来交给计算机做后续的处理。

　　最后，计算机根据这些信息，通过复杂的图像运算，“画”出了关于我们身体内部层次分明、对比清晰的影片。医生也因此能够判断出哪些地方的组织是正常的，而哪些地方有病变了。

　　因为核磁共振实际上“看见”的是氢，而人体中最大的氢原子来源就是水，所以，对于水含量较多的脑部、软组织、关节等部位，核磁共振成像有着不可替代的诊断优势。

　　核磁共振拍摄的香蕉。水果也含有大量的水，所以核磁共振也能拍出水果的内部结构。 来源：Andy Ellison

　　危险来自哪里？

　　现在，让我们回到最初的几个问题：了解了核磁共振成像的原理，或许你对它们的答案，也已经有了一些思路。

　　为什么金属如此危险？这是因为仪器本身所带的强磁场——“隧道”中心的磁场强度，可以达到地球磁场的几万倍！所以，无论是身上的金属纽扣，金属饰品，还是装在体内的钢钉、心脏起搏器等，只要有金属物品的存在，就有可能被仪器牢牢吸附过去，酿成悲剧。

　　这里千万要注意：虽然机器没有运行的时候看起来一切平静，但是用来生成磁场的超导体线圈其实一直不会停止工作！所以在进入检查室之前，就要确保自己身上没有金属，并不是只有开始检查了之后才会有磁场。

　　现代临床高场（3.0T）MRI扫描器（地球磁场大小约为0.00005T） 来源：维基百科

　　金属制品被磁共振仪器吸入 来源：dailymotion

　　那么，除此之外，核磁共振检查对身体有没有危害呢？了解了它的原理，我们现在可以放心了——它不涉及到任何的电离辐射，所以对身体没有直接伤害，在这一点上比X光和CT的小剂量辐射更加安全。虽然检查中会用到强磁场，但是距离对人体有危险的场强还有很远，所以也不必担心。

　　毕竟，核磁共振成像已经成为了现代医学中一项十分重要的技术，每天通过它获得诊断的患者不计其数。其中发生的极少量事故，都是由于使用者没有严格遵守使用规范导致的，而技术本身，其实非常安全。虽然它做起来有些麻烦和昂贵，但是不需要辐射，就能够把人体的内部看得如此清晰，这真是人们对于量子力学原理的一次精妙的应用！（张一凡）

　　参考资料

　　1、Griffiths， D。 J。， & Schroeter， D。 F。 （2018）。 Introduction to Quantum Mechanics （3rd ed。）。 Cambridge： Cambridge University Press。

　　2、https：//www.hopkinsmedicine.org/health/treatment-tests-and-therapies/magnetic-resonance-imaging-mri

　　3、https：//www.cis.rit.edu/htbooks/mri/inside.htm

　　4、Laurie M Brown，Abraham Pais，Brian Pippard爵士编。20世纪物理学（第三卷）[M]。科学出版社，2014。

　　策划：刘颖 张超 李培元 杨柳

　　审核：中科院物理研究所研究员 魏红祥