美國(guó)紐約州曾發(fā)生了一起駭人聽聞的事故：一名男子在陪同親友進(jìn)行核磁共振檢查時(shí)，因佩戴金屬項(xiàng)鏈違規(guī)進(jìn)入掃描室，被強(qiáng)大的磁場(chǎng)瞬間吸入機(jī)器，不幸身亡。

這起悲劇再次將核磁共振這一現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的“威力”以一種令人震驚的方式展現(xiàn)在公眾面前。

核磁共振究竟是什么？為什么在核磁共振檢查室內(nèi)，一根小小的金屬項(xiàng)鏈，竟然如此危險(xiǎn)？用這樣威力強(qiáng)大的儀器，做核磁共振檢查真的對(duì)身體沒有傷害嗎？

我們今天就來(lái)解答這些疑問(wèn)，而這一切的答案，就藏在量子力學(xué)的基本概念——“自旋”里。

被檢查的人體置于核磁共振儀器的磁場(chǎng)中 來(lái)源：dailymotion

PART01

原子核自旋：體內(nèi)的“小指南針”

我們首先把目光投向“核磁共振”中的“核”——曾經(jīng)有人因?yàn)檫@個(gè)名詞而對(duì)這項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)生了緊張情緒，甚至讓它一度被改名為“磁共振成像”，但其實(shí)這大可不必。因?yàn)檫@里的“核”與可能危險(xiǎn)的核輻射毫無(wú)關(guān)系，它指的就是核磁共振成像的觀察對(duì)象：我們體內(nèi)的氫原子核。

“核”與“磁”是怎么聯(lián)系起來(lái)的？

原來(lái)，在量子力學(xué)中，微觀粒子，比如氫核，都有著一個(gè)奇妙的性質(zhì)——自旋?？吹竭@個(gè)名字，你的腦海里可能會(huì)浮現(xiàn)出一個(gè)小球，它就像地球一樣在自轉(zhuǎn)……但很可惜，真實(shí)的粒子并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的在旋轉(zhuǎn)的小球，不過(guò)，自旋也不是完全與宏觀的物理特性無(wú)關(guān)——它能夠給粒子帶來(lái)磁性。

一個(gè)自旋不為0的粒子，就好像一個(gè)小指南針一樣，具有自己的磁矩方向。 來(lái)源：clipartmax

一個(gè)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，比如水中最常見的氧原子核（16O），就不具有磁性，因此沒有核磁共振的現(xiàn)象。而在那些有磁性的原子核中，氫原子有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)——它不僅對(duì)核磁共振的靈敏度最高，而且在人體中的水和脂肪里都大量存在。因此，氫原子核就成為了我們的主要研究對(duì)象。

我們可以把人體內(nèi)的氫原子核想象成一些有磁性的小指南針，在進(jìn)入核磁共振檢查室之前，它們方向各異，雜亂無(wú)章地排布著。

未加外磁場(chǎng)時(shí)，氫原子核雜亂排列的示意圖 來(lái)源：Radiology Tutorials

但當(dāng)被檢測(cè)者進(jìn)入核磁共振儀器的“隧道”，隧道外殼內(nèi)的超導(dǎo)磁體帶來(lái)了一個(gè)沿著特定方向的強(qiáng)磁場(chǎng)，體內(nèi)的這些小指南針就會(huì)以磁場(chǎng)方向?yàn)檩S，繞著它轉(zhuǎn)圈——外加的磁場(chǎng)越大，小指南針轉(zhuǎn)得就越快。

現(xiàn)在，這樣的狀態(tài)是小指南針最“舒服”的狀態(tài)，換句話說(shuō)，此時(shí)它們的能量比較低。（這件事很重要，一會(huì)要考）

核磁共振儀器中，氫核以磁場(chǎng)方向（紅色箭頭方向）為軸旋轉(zhuǎn)的示意圖。順著磁場(chǎng)方向（右邊箭頭）的能量比背對(duì)著磁場(chǎng)方向（左邊箭頭）的能量更低，這樣的氫核數(shù)量也更多。我們可以認(rèn)為，每一個(gè)反方向的氫核都被一個(gè)順?lè)较虻臍浜说窒?，所以可以?dāng)作氫核總體上是順著磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)的。 來(lái)源：Radiology Tutorials

講到這兒，“核”與“磁”都有了，缺的只?！?strong>共振”了。

或許你聽過(guò)這樣的故事：

古時(shí)候有一個(gè)老和尚，得了一口磬，而他的磬總是無(wú)緣無(wú)故自己響。老和尚嚇得半死，那是因?yàn)樗恢肋@背后的原理——原來(lái)，隔壁小和尚敲的鐘與他的磬發(fā)出的聲音具有相同的頻率，所以，當(dāng)鐘發(fā)出的聲波通過(guò)空氣傳到磬這里，磬就可以吸收能量，轉(zhuǎn)化為自己發(fā)出的聲音。

這就是宏觀世界的“共振”現(xiàn)象。

宏觀世界的共振現(xiàn)象。敲擊左邊音叉（鐘），只有那個(gè)固有頻率與之相同的音叉（磬）也開始振動(dòng)。 來(lái)源：騰訊新聞

在微觀世界也是類似，想要與旋轉(zhuǎn)的小指南針共振，也需要一個(gè)與它們的旋轉(zhuǎn)頻率相同的刺激，這就是接下來(lái)要用到的“射頻脈沖”。這是一些與小指南針的旋轉(zhuǎn)頻率相同，與磁場(chǎng)方向垂直的電磁波。

因?yàn)橄嗤念l率，小指南針們恰好可以吸收這些電磁波的能量，而這些多余的能量足夠讓它們從原來(lái)“舒服”的位置——沿著磁場(chǎng)的方向翻轉(zhuǎn)過(guò)去，變到能量更高的垂直于磁場(chǎng)的方向。于是此時(shí)，它們?cè)凇吧漕l脈沖”的刺激下，在垂直于磁場(chǎng)的方向，整齊地做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

接下來(lái)只剩最后一步：那些吸收了多余能量而翻轉(zhuǎn)過(guò)去的小指南針，在刺激結(jié)束之后，又逐漸地回到原位。

在這個(gè)過(guò)程中，它們會(huì)釋放出兩種有特點(diǎn)的電磁波：其中一種代表著平行于磁場(chǎng)方向的小指南針正在增加，另一種代表著垂直于磁場(chǎng)方向的小指南針正在減少，而且它們的旋轉(zhuǎn)也從整齊變回?zé)o序。

這兩種信號(hào)，就是核磁共振儀器外面的線圈所接收到的最有效的信息。

原子核磁化方向從水平方向（x-y）回到豎直方向（z）的過(guò)程示意圖 來(lái)源：維基百科

一種典型的核磁共振信號(hào)示意圖。這個(gè)信號(hào)代表著在垂直于磁場(chǎng)的方向，小指南針們的旋轉(zhuǎn)逐漸變得無(wú)序。 來(lái)源：維基百科

PART02

從原子核到立體圖像

現(xiàn)在，我們已經(jīng)了解了氫原子核的核磁共振信號(hào)，而它又是怎么最終變成人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的清晰照片的呢？

如果像我們剛才描述的那樣，把整個(gè)要檢查的部位，比如一個(gè)患者的頭部，放在一個(gè)均勻的磁場(chǎng)里，去接收核磁共振信號(hào)，那么，雖然我們能夠檢測(cè)出有很多氫原子核在產(chǎn)生信號(hào)，卻不能知道這些信號(hào)究竟是來(lái)自哪個(gè)位置——究竟哪個(gè)是來(lái)自血管，哪個(gè)是來(lái)自腦脊液，哪個(gè)是來(lái)自腦膜呢？

為了解決這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家們想到了一個(gè)聰明的辦法——他們?cè)趦x器內(nèi)部用x，y，z坐標(biāo)去定義空間中的每一個(gè)點(diǎn)，并且拋棄了均勻的磁場(chǎng)，取而代之的是在三個(gè)方向上都隨著位置變化的梯度磁場(chǎng)。

由于空間中每個(gè)點(diǎn)的磁場(chǎng)都不一樣，共振的頻率和返回的信號(hào)狀態(tài)也都會(huì)不一樣，所以，就可以很容易地分辨出，到底什么信號(hào)是來(lái)自哪個(gè)位置的。

更奇妙的是，那些被“翻轉(zhuǎn)”過(guò)去的小指南針，在不同的人體組織，比如脂肪和腦脊液里，“恢復(fù)原位”的速度是不一樣的——也就是說(shuō)，我們上一節(jié)末尾提到的那兩種信號(hào)，在同樣的刺激下，從不同組織發(fā)出的信號(hào)卻長(zhǎng)得不一樣。

核磁共振儀器不僅能定位信號(hào)的來(lái)源，還能精確捕捉到這些信號(hào)的差異，并把它們都收集起來(lái)交給計(jì)算機(jī)做后續(xù)的處理。

最后，計(jì)算機(jī)根據(jù)這些信息，通過(guò)復(fù)雜的圖像運(yùn)算，“畫”出了關(guān)于我們身體內(nèi)部層次分明、對(duì)比清晰的影片。醫(yī)生也因此能夠判斷出哪些地方的組織是正常的，而哪些地方有病變了。

因?yàn)楹舜殴舱駥?shí)際上“看見”的是氫，而人體中最大的氫原子來(lái)源就是水，所以，對(duì)于水含量較多的腦部、軟組織、關(guān)節(jié)等部位，核磁共振成像有著不可替代的診斷優(yōu)勢(shì)。

核磁共振拍攝的香蕉。水果也含有大量的水，所以核磁共振也能拍出水果的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 來(lái)源：Andy Ellison

PART03

危險(xiǎn)來(lái)自哪里？

現(xiàn)在，讓我們回到最初的幾個(gè)問(wèn)題：了解了核磁共振成像的原理，或許你對(duì)它們的答案，也已經(jīng)有了一些思路。

為什么金屬如此危險(xiǎn)？這是因?yàn)閮x器本身所帶的強(qiáng)磁場(chǎng)——“隧道”中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度，可以達(dá)到地球磁場(chǎng)的幾萬(wàn)倍！

所以，無(wú)論是身上的金屬紐扣，金屬飾品，還是裝在體內(nèi)的鋼釘、心臟起搏器等，只要有金屬物品的存在，就有可能被儀器牢牢吸附過(guò)去，釀成悲劇。

這里千萬(wàn)要注意：

雖然機(jī)器沒有運(yùn)行的時(shí)候看起來(lái)一切平靜，但是用來(lái)生成磁場(chǎng)的超導(dǎo)體線圈其實(shí)一直不會(huì)停止工作！所以在進(jìn)入檢查室之前，就要確保自己身上沒有金屬，并不是只有開始檢查了之后才會(huì)有磁場(chǎng)。

現(xiàn)代臨床高場(chǎng)（3.0T）MRI掃描器（地球磁場(chǎng)大小約為0.00005T） 來(lái)源：維基百科

金屬制品被磁共振儀器吸入 來(lái)源：dailymotion

那么，除此之外，核磁共振檢查對(duì)身體有沒有危害呢？了解了它的原理，我們現(xiàn)在可以放心了——它不涉及到任何的電離輻射，所以對(duì)身體沒有直接傷害，在這一點(diǎn)上比X光和CT的小劑量輻射更加安全。雖然檢查中會(huì)用到強(qiáng)磁場(chǎng)，但是距離對(duì)人體有危險(xiǎn)的場(chǎng)強(qiáng)還有很遠(yuǎn)，所以也不必?fù)?dān)心。

畢竟，核磁共振成像已經(jīng)成為了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中一項(xiàng)十分重要的技術(shù)，每天通過(guò)它獲得診斷的患者不計(jì)其數(shù)。

其中發(fā)生的極少量事故，都是由于使用者沒有嚴(yán)格遵守使用規(guī)范導(dǎo)致的，而技術(shù)本身，其實(shí)非常安全。雖然它做起來(lái)有些麻煩和昂貴，但是不需要輻射，就能夠把人體的內(nèi)部看得如此清晰，這真是人們對(duì)于量子力學(xué)原理的一次精妙的應(yīng)用！

參考資料

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爵士編.20世紀(jì)物理學(xué)（第三卷）[M].科學(xué)出版社,2014.

來(lái)源：蝌蚪五線譜

編輯：Decoherence

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