原子核是帶正電荷的粒子,不同于不能自旋的核,自旋的核具有循環(huán)的電流,因而產(chǎn)生磁場形成磁矩（μ）。

\[ \mu = \gamma P \]

其中,\( P \) 是角動量矩,\( \gamma \) 是磁旋比,表示自旋核的磁矩和角動量矩之間的比值,是各種核的特征常數(shù)。

當(dāng)自旋核（spin nuclear）置于磁感應(yīng)強度為 \( B_0 \) 的外磁場中時,除了自旋外,它還會繞 \( B_0 \) 進行運動,這種運動類似于陀螺的運動,被稱為拉莫爾進動（Larmor precession）。自旋核進動的角速度 \( \omega_0 \) 與外磁場感應(yīng)強度 \( B_0 \) 成正比,比例常數(shù)即為磁旋比（magnetogyric ratio） \( \gamma \)。這個關(guān)系可以表示為：

\[ \omega_0 = 2\pi\nu_0 = \gamma B_0 \]

原子核在無外磁場中的運動情況如圖2所示,微觀磁矩在外磁場中的取向是量子化的,即方向量子化。自旋量子數(shù)為 \( I \) 的原子核在外磁場作用下有 \( 2I + 1 \) 種可能的取向,每一種取向都可以用一個自旋磁量子數(shù) \( m \) 來表示,其中 \( m \) 與 \( I \) 之間的關(guān)系是：

\[ m = I, I-1, I-2, \ldots, -I \]

每一種取向代表了核在該磁場中的一種能量狀態(tài)。對于 \( I \) 值為1/2的核,在外磁場作用下只有兩種取向,分別對應(yīng)于 \( m = 1/2 \) 和 \( m = -1/2 \)。這兩種狀態(tài)之間的能量差 \( \Delta E \) 為：

\[ \Delta E = \frac{\gamma h B_0}{2\pi} \]

要實現(xiàn)從低能態(tài)到高能態(tài)的躍遷,核必須吸收能量 \( \Delta E \)。核磁共振發(fā)生在外界以 \( \nu_{\text{射}} \) 頻率輻射自旋核時,輻射的能量 \( E_{\text{射}} = h\nu_{\text{射}} \) 恰好等于自旋核兩種不同取向的能量差。此時,低能態(tài)的自旋核吸收電磁輻射能并躍遷到高能態(tài)。這種現(xiàn)象被稱為核磁共振。核磁共振的條件可以表示為：

\[ h\nu_{\text{射}} = \Delta E \quad (\text{即}\ 2\pi\nu_{\text{射}} = \omega_{\text{射}} = \gamma B_0) \ \text{①} \]

最廣泛研究的是1H的核磁共振和13C的核磁共振。1H的核磁共振又稱為質(zhì)子磁共振（Proton Magnetic Resonance,簡稱PMR,也表示為1H-NMR）。而13C核磁共振（Carbon-13 Nuclear Magnetic Resonance）簡稱CMR,也表示為13C-NMR。

核磁共振成像是一種基于核磁共振原理的先進醫(yī)學(xué)影像技術(shù),具有對腦、甲狀腺、肝、膽、脾、腎、胰、腎上腺、子宮、卵巢、前列腺等實質(zhì)器官以及心臟和大血管進行卓越診斷的能力。相對于其他輔助檢查手段,核磁共振具備成像參數(shù)多、掃描速度快、組織分辨率高和圖像更為清晰等優(yōu)勢,有助于醫(yī)生發(fā)現(xiàn)早期病變,已經(jīng)成為腫瘤、心臟病以及腦血管疾病早期篩查的有力工具。[2]

據(jù)了解,由于金屬可能對外部磁場產(chǎn)生干擾,接受核磁共振檢查前,患者需要摘除身上的金屬物品。不能佩戴如手表、金屬項鏈、假牙、金屬紐扣、金屬避孕環(huán)等具有磁性的物品進行核磁共振檢查。此外,佩戴心臟起搏器,體內(nèi)植入有順磁性金屬,如金屬夾、支架、鋼板和螺釘等,均不適宜進行磁共振成像檢查。在進行上腹部（如肝、胰、腎、腎上腺等）核磁共振檢查時,患者必須保持空腹,但在檢查前可以飲足量水,有助于使胃與肝、脾的邊界更加清晰。

發(fā)現(xiàn)腫瘤

核磁共振是對顱腦、脊髓等疾病進行影像診斷的高效方法,可以早期發(fā)現(xiàn)腫瘤、腦梗塞、腦出血、腦膿腫、腦囊蟲癥以及先天性腦血管畸形等病變。在乳腺癌篩查方面,核磁共振能夠精準(zhǔn)檢測,有助于早期發(fā)現(xiàn)乳腺癌的病變,為治療提供及時干預(yù)。對于“高血壓、高血脂、高血糖”等高風(fēng)險人群,通過頭部及心臟等部位的核磁檢查,可以在身體健康狀態(tài)尚未顯著惡化時,早期發(fā)現(xiàn)心臟病、腦梗塞等高危險性疾病的潛在風(fēng)險。此外,核磁共振還可用于腹部及盆腔的檢查,包括肝臟、膽囊、胰腺、子宮等器官的檢查。在腹部大血管及四肢血管成像方面,核磁共振可以明確診斷真性、假性動脈瘤,夾層動脈瘤及四肢血管的各種病變。對于各類關(guān)節(jié)組織病變,核磁共振的診斷精度極高,對于骨髓和骨的無菌性壞死也表現(xiàn)出很高的敏感性。

基于前述的基本原理,某一核磁共振發(fā)生在特定的照射頻率和磁感應(yīng)強度下。例如,對于照射頻率為60 MHz,磁感應(yīng)強度分別是14.092 Gs（14.092×10^-4 T）、100 MHz—23.486 Gs（23.486×10^-4 T）、200 MHz—46.973 Gs（46.973×10^-4 T）、600 MHz—140.920 Gs（140.920×10^-4 T）。然而,實驗證明,即使在相同的照射頻率下,當(dāng)1H處于分子中不同的化學(xué)環(huán)境時（化學(xué)環(huán)境包括1H的核外電子以及與1H鄰近的其他原子核的核外電子的運動情況）,也會在不同的共振磁場下顯示吸收峰。以乙酸乙酯的核磁共振圖譜為例,該分子中的8個氫分別處于a、b、c三種不同的化學(xué)環(huán)境中,在三個不同的共振磁場下顯示吸收峰。由于同種核在分子中的化學(xué)環(huán)境不同,導(dǎo)致在不同的共振磁感應(yīng)強度下顯示吸收峰,這被稱為化學(xué)位移（chemical shift）。

起因

化學(xué)位移是由于分子中的磁性核并非完全裸露的,質(zhì)子被價電子包圍。這些電子在外部磁場的作用下發(fā)生循環(huán)流動,產(chǎn)生一個感應(yīng)磁場,該感應(yīng)磁場與外部磁場相反（根據(jù)楞次定律）,因此,質(zhì)子實際上感受到的有效磁感應(yīng)強度應(yīng)為外部磁場感應(yīng)強度減去感應(yīng)磁場強度。即

\[ B_{\text{有效}} = B_0(1 - \sigma) = B_0 - B_{\text{感應(yīng)}} \]

外電子對核的這種影響被稱為屏蔽效應(yīng)（shielding effect）,也叫抗磁屏蔽效應(yīng)（diamagnetic effect）,其常數(shù)被稱為屏蔽常數(shù)（shielding constant）。相較于較少屏蔽的質(zhì)子,屏蔽較多的質(zhì)子對外部磁場的感受較少,因此它們需要在較高的外部磁場 \( B_0 \) 下才能發(fā)生共振吸收。由于磁力線是封閉的,因此在某些區(qū)域感應(yīng)磁場的方向與外部磁場一致,處于這些區(qū)域的質(zhì)子實際上感受到的有效磁場應(yīng)是外部磁場 \( B_0 \) 加上感應(yīng)磁場 \( B_{\text{感應(yīng)}} \)。這種效應(yīng)稱為去屏蔽效應(yīng)（deshielding effect）,也稱為順磁去屏蔽效應(yīng)（paramagnetic effect）。受去屏蔽效應(yīng)影響的質(zhì)子在較低外部磁場 \( B_0 \) 下就能發(fā)生共振吸收。總體來說,質(zhì)子發(fā)生核磁共振實際上需要滿足以下條件：

\[ \nu_{\text{射}} = \frac{\gamma B_{\text{有效}}}{2\pi} \]

由于在相同頻率的電磁輻射波的照射下,不同化學(xué)環(huán)境的質(zhì)子受到的屏蔽效應(yīng)各不相同,因此它們發(fā)生核磁共振所需的外部磁場 \( B_0 \) 也各不相同,即發(fā)生了化學(xué)位移。

1H化學(xué)位移的主要影響因素包括局部屏蔽效應(yīng)和遠程屏蔽效應(yīng)。核外成鍵電子的電子云密度對該核的屏蔽作用稱為局部屏蔽效應(yīng)。分子中其他原子和基團的核外電子對所研究的原子核的屏蔽作用稱為遠程屏蔽效應(yīng)。遠程屏蔽效應(yīng)是各向異性的。