最近在上海某医院,一位病人着急把轮椅推进了核磁共振室,瞬间就发生了惊人一幕。很明显,这个白色大球具有强大的吸引力。

笔者联系到广安门医院的柳桂勇医生,专业从事核磁共振成像的技术专家,为大家捋捋“核磁共振”关键的科学问题:

1:核磁共振仪器不开机也有磁场?

坊间流传,核磁共振仪器不开机也有强磁场。柳桂勇医生对这个说法表示了肯定,他说:“平常机器硬件安装好后,就励磁——就是让超导机器产生磁场机器里面加入液氦,创造超导环境,超导基本不耗电,就是机器附带的压缩机空调耗电。平常的关机只是把电脑主机箱关了,并不是把机器关了。机器紧急情况下才让它失超,就是不让它有磁性了。如果再让它产生磁,需要继续励磁,需要差不多100万左右。”

因此,我们可以知道,核磁共振室是一个长时间都有强磁场的场所。

2:为什么磁场能吸引铁?

磁场对物体可以是吸引的,也可以是排斥的,比如,磁场不能吸引水,只能排斥水。而磁场是可以吸引铁的。所有物体的内部,都有电子,都有被磁场吸引与被磁场排斥的“两股势力”,取决于是“东风压倒西风”,还是“西风压倒东风”。

从物理上来说,这起因在于电子不但具有轨道角动量,还具有自旋角动量。你可以把轨道角动量看成一个小磁铁,把自旋角动量也看成是另外一个小磁铁。这些小磁铁堆在磁场里,你说是被磁场吸引还是排斥?

3:磁场与数学王子高斯有什么关系?

磁场强度是有大小的,比如地球也是有磁场的,它的磁场大小大概是1高斯左右。在这里,“高斯”是磁场的单位。高斯是一个大数学家,曾经被称为数学王子,但他也研究过磁场。所以,科学家用这个来表示磁场的大小。

数学王子高斯为什么要研究磁场,个中原因非常复杂,他作为学术泰斗,也搞过一些大地测量。在大地测量的过程中,他发展了一套描述曲面的几何学。他也对地磁场有兴趣,觉得这是一个“一颗赛艇”的问题。因为描述磁场的是一套偏微分方程,高斯作为数学大家,当然很熟。电磁学方程中还有所谓高斯定理,来描述一个磁场通过一个曲面的通量,这本来在数学上只是微积分而已,所以高斯作为数学大师信手拈来。他就成了研究磁场的大师,因为他吃透了磁场的数学结构,他甚至还考虑过三个相互嵌套在一起的电流环所发出的磁场的结构。这就是扭结理论,美得一塌糊涂。

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4:磁场与特斯拉又有什么关系?

这说起特斯拉电动汽车,估计买得起的人极少。

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但此特斯拉非彼特斯拉。这里的特斯拉是一个人的名字,此人是交流电的倡导者,与爱迪生是同时代的。

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这个人研究交流电,因为变化的电流会产生磁场,因此他对磁场也有所了解。后来为了记念他的学术贡献,把磁场的单位取名为“特斯拉”。某种意义上讲,他的光芒被爱迪生掩盖。

而1个特斯拉等于10000个高斯,对磁场来说是这样的。什么意思呢,就是换量纲,比如1吨等于1000千克,这个道理是一样的。

5:核磁共振的磁场有多强?

这里要说一下核磁共振仪器的典型磁场到底有多强。

大概是3个特斯拉,也就是30000高斯吧。(柳桂勇医生的一位不愿意透露姓名的同事介绍到,一般生产核磁共振成像的医疗仪器公司是GE跟西门子这样的外国大公司,中国公司能做这种仪器的还不多。)

这个磁场,是非常强的,是地球磁场的几万倍。一般的常规磁铁都只能做到1个特斯拉以下的磁场强度,这种3个特斯拉的磁场强度,只能由超导磁铁产生。最好的超导磁场,能做到10个特斯拉这个级别的磁场强度,这已经是我们人类目前的科技能力的极限了。如果你要10000个特斯拉的磁场强度,只能去某些中子星那里了。

如此强的磁场,所以能瞬间把轮椅吸过去。这是很要命的,因此进核磁共振室身上千万不能有铁磁性的东西,否则“别人做核磁共振要钱,你做核磁共振要命啊”。

6:为什么需要那么强的磁场?

核磁共振成像,需要强磁场,这个原因说起来也不复杂。

“核磁”是几个字?

两个字嘛!(刚才一开始,柳桂勇医生以上告诉我们,现在把“核”字抹掉了,但这对科普不利啊!)

那就好了,“磁场要强”的原因,就在于“核太弱了”。“核”与“磁”它们在一起就是两口子嘛。

这两口子要在一起,必须要一个强一个弱,否则迟早崩盘。

那么,为什么“核那么弱呢?”

原因还在于,原子核太重了,原子核集中了整个原子99%以上的质量,实在是太沉重了。

具体原因,说起来这与原子核的角动量的空间取向在磁场中的“量子化”行为有关。细节就不多说了,自己去领悟吧,什么叫“空间取向量子化(意思就是分立的状态)”,这其实有点象性取向,我们人类一般只能喜欢男人或者女人(是两个分立的状态),不可能去喜欢一个阴阳人(一个含有X%+Y%的连续的状态,你不知道这个阴阳人大概含有百分之几的女性含量)。

7:核磁共振成像仪的技术内涵

这种仪器,一般都要几百万元一台,是很贵的。超导磁铁本来就不便宜啊,所以中国如果要自己的大型对撞机,就需要用很多超导磁铁,造价就上去了,但作为一个国家的核心技术,超导磁铁的研制是非常重要的。

柳桂勇医生表示,核磁共振成像的时候利用的是射频信号(3x42.5 M Hz,在3特斯拉磁场下)被原子核的共振吸收。

某种意义上来说,射频电磁波被吸收多少,就表示这个区域有多少水,这个原理其实与CT是差不多的,只不过人家CT用的是X射线(不是共振吸收),而核磁共振成像用的是射频与强磁场(是共振吸收)。CT背后的数学变换是所谓拉东变换,而核磁共振成像的射频信号被线圈接受后,经历的数学变换是傅里叶变换。

另外,核磁共振涉及到的原子核的激发,其实与核外电子的激发发出光子的过程是完全一样,其基本原理也就是量子力学。因此,笔者呼吁每一个爱好科学的年轻人,都学一点量子力学。

如果你懂量子力学,你是绝对不会把轮椅推进核磁共振室的,因为这真的很危险,就算是霍金,也不敢这样做。