磁共振成像简史及命名由来

20世纪80年代初作为医学新技术的核磁共振成像,即NMR成像(NMR imaging)一词越来越为公众所熟悉。随着大磁体的安装,有人开始担心字母“N”可能会对磁共振成像的发展产生负面影响。

磁共振和核磁共振,在很多人心里面会产生疑问,这样的一字之差,他们到底有什么区别呢?之前我上磁共振班时,有患者说:“某某医院做的是磁共振,你们医院给我开的核磁共振,是不是这个辐射大的很”。大众为何会有这个想法 ,就是因为这个“核”字,人们就会联想到核爆炸、核泄漏、核辐射这些核事故出现对“核”的恐惧的风潮,连累改为磁共振。

医学应用中的核磁共振是什么呢?核磁共振中的“核”是指人体里面水和脂肪中氢元素里面的氢原子核,“磁”是指磁场,做检查时常说的1.5T上做或者3.0T上做,就是指的这个磁场强度,在外加静磁场中,然后一特定频率的射频电磁波激发原子核,原子核会吸收能量从基态变为激发态,即从稳定的状态变为活跃态,发生核磁共振现象。停止发射射频脉冲后,原子核会从激发态逐渐回落到基态,在回落的过程中就会释放出能量,我们通过线圈采集这个过程从而获得了核磁共振信号,这就是平常看病做检查的的核磁共振。

另外,核“nuclear”一词还容易使人们对磁共振室产生与另一个核医学科之联想。因此,为突出这一检查技术不产生电离辐射的优点,同时与使用放射性元素的核医学相区别,放射学家和设备制造商均同意把“核磁共振成像术”简称为“磁共振成像(MRI)”。尽管这一名称曾遭到一些老波谱学家的反对,现在它已被普遍接受。与此同时,MRS也被用于磁共振波谱的医学应用环境中。而以“MR”表示磁共振的用法仅限于医学界。

磁共振成像技术的命名,历史上比较混乱。曾使用过的名称有:自旋成像法、自旋映像法、组合层析摄影、NMR层、NMR-CT、FONAR和核磁共振成像(NMRI)等。其中组合层析成像(摄影)的叫法源于希腊词“zeugma”,意为“组合”;FONAR则源自“场聚焦核磁共振”的英文缩写。1982年以后,“核磁共振成像(NMR imaging)”一词更多地出现在有关的文献中。事实上,磁共振是电子自旋共振(ESR,electrion spin resonance)、铁磁共振、核共振(穆斯堡尔效应)、回旋共振(抗磁共振)和核磁共振的总称,它们在物理学、化学量子电子学、生物学和医学等领域都有重要应用,把“核磁共振成像技术”简称为“磁共振成像”后其物理概念变得模糊。

被称为“暗黑科技”掌门人的特斯拉是第一个出场人物,特斯拉的杰作我们就不一一列举了,红警游戏里面的电磁塔被称为特斯拉塔就可见一斑了。这位神人在1882年发明了可逆磁场(也有称为旋转磁场)的,这是人类开始进行电磁场的设计和应用的基础,没有这个基础也就不可能有磁共振成像,因此磁场强度被用他的名字命名为特斯拉,我们磁共振常规叫作1.5T,3.0T就是和这个相关,不过1.5T磁共振的磁场强度是15000高斯,是地球磁场的2万倍。

第二个出场的牛人是量子物理学开山鼻祖——哥本哈根学派创始人波尔,这位把原子核研究明白了,确定了原子核的光谱和原子核能量跃迁的基本理论,为未来进行氢原子成像打下了理论基础。有一点请大家特别注意啊,波尔自己设计的纹章里面用了一个大家挺熟悉的图形——太极,咱们老祖宗的阴阳理论在他手里被发扬光大了,然并卵,咱们2000多年前有这样的想法,但是就是没人给落到实处,咱们后辈要加油啊!波尔因为发现原子理论在1922年获得了诺贝尔奖,如果一定要联系起来,这是关于磁共振成像的第一个诺贝尔奖。

第二位获得诺贝尔奖的人是拉比,这位其实才是磁共振成像真正的理论奠基人,他获得诺贝尔奖的原因就是测定原子核磁性的共振方法,获得了1944年度诺贝尔物理学奖。不过多说一点,这位老兄的另外一个工作是在二战的时候进行雷达的革新,帮助美国在雷达技术上获得绝对领先地位,应该说是二战功臣。

接下来的是两位帅哥了,这两位把拉比的核磁共振的理论进行了实践,发明了可行的进行核磁共振测量的设备,不过他们发明的核磁共振测量设备主要是用在工业上进行物质含量测定的设备。这两位分别叫布洛赫和珀赛尔,这两位因为这个发明在1952年一起拿到了诺贝尔物理奖。

前面的都是搞物理的,能不能有进展还是要看应用,接下来的这位终于和物理无关了,不过和医学还是没有关系,这位是个化学家。恩斯特,1966年发明了磁共振波谱成像,并在1991年获得了诺贝尔化学奖,这个波谱成像对于磁共振人体成像可是很关键的技术,一方面使得对于人们对于人体内的物质可以进行更好的区分,其次他提出的傅里叶算法是磁共振成像的算法基础。

写到这里已经有4个诺贝尔奖了,不过这些人都是进行理论工作给咱们磁共振成像打基础的,接下来的内容比较喜剧化了,内容比较曲折,绝对可以拿来写小说。

理论基础在1966年已经都打下了基础,尤其是傅里叶变换的算法提出使得磁共振成像成为可能。不过插个题外话,CT的发明人亨斯菲尔德当年也在研究磁共振成像的算法问题,在这个过程中他发现用X线成像可以用更加简单的算法进行完成,因此1968年发明了CT,并在1979年获得诺贝尔生理学奖。

很多人开始在磁共振临床成像上下功夫,在1969年的一个冬天,纽约的一个酒吧里面,3个人正在一起聊天喝酒,他们分别是达马迪安、劳特布尔和曼斯菲尔德,据当事人达马迪安描述由他提出了使用梯度场编码空间位置的设想,然后另外两位给了一些补充意见(主要是解决磁场不均匀的方法),他们的讨论内容被记录在了一个万宝路烟盒上了(看来抽烟还是有用的),这个烟盒后来成为了关键的呈堂证供,而且是涉及上亿美金的一个官司上面。

这次聚会以后,三个人走上了不同的路,达马迪安马上开发了人体成像的磁共振产品,并在1971年进行了扫描,并发现了良恶肿瘤的不同磁共振信号,相关研究发表在Science上,但是很快达马迪安走上了商业道路,成立了Fonar公司开始了磁共振商业应用的研究和开发。劳特布尔和曼斯菲尔德则在1974年做出了首张动物磁共振图像,并将论文发表在了Nature上,并将相关算法等公布出来。

1977年达马迪安开发出了第一台人用磁共振系统,并开始商业销售,不过达马迪安还是科学头脑多一些,而商人天赋少一些,商业上并不成功。1983年,美国GE公司推出了商用1.5T磁共振,并成功进行了商业化推广,将磁共振市场推动起来;随后达马迪安带领Fonar公司同美国GE公司开始了专利诉讼,虽然双方律师对于使用技术细节上有各种解释,但是最后GE公司以赔偿1.39亿美金了结了这个官司,在上世纪80年代这可是一笔巨款啊,因此达马迪安的Fonar公司虽然在商业上不成功,但是也没少挣钱。

故事到这里本来应该结束了,不过有个问题是,这样大的一个发明不应该得个诺贝尔奖吗?答案就是必须的,不过到底应该谁获奖那就有问题了,本来诺贝尔奖也是可以三个人获得的,但是上面的三位里面有一位又跳出来了——没错还是达马迪安,他认为应该他获奖,因为文章他的最早,设备也是他第一个做出来的,应该他一个人获奖。这个官司打了多久——一直到2003年,诺贝尔奖决定因为劳特布尔(这位拿奖的时候已经74岁,还好活到这年了)和曼斯菲尔德公开了算法没有商业应用因此将生理和医学奖授予这二位,而将达马迪安排除在外。不过美国总统很有意思,当时是布什,给达马迪安一个总统奖做为补偿,也是在2003年发的。

2002年,瑞士学者维特里希发明利用核磁共振技术测定溶液中的生物大分子三维结构获得了诺贝尔化学奖,核磁共振进入了超微观世界。

此后的磁共振发展就是商业应用的天下,几家商业公司开始各自发展各自的技术。

拉比(Rabi)发明了研究气态原子核磁性的共振方法,获1944年诺贝尔物理学奖。

布洛赫(Bloch)和珀塞尔(Purcell)分别用感应法和吸收法,独立发现宏观核磁共振现象,因此而获1952年诺贝尔物理学奖。

恩斯特(Ernst)因对NMR波谱方法、傅里叶变换、二维谱技术的杰出贡献,而获1991年诺贝尔化学奖。

库尔特·维特里希(Kurt Wüthrich),由于用多维NMR技术在测定溶液中蛋白质结构的三维构象方面的开创性研究,而获2002年诺贝尔化学奖。同获此奖的还有一名美国科学家和一名日本科学家。

劳特布尔于1973年发明在静磁场中使用梯度场,能够获得磁共振信号的位置,从而可以得到物体的二维图像;曼斯菲尔德进一步发展了使用梯度场的方法,指出磁共振信号可以用数学方法精确描述,从而使磁共振成像技术成为可能,他发展的快速成像方法为医学磁共振成像临床诊断打下了基础。他俩获2003年诺贝尔生理医学奖。

荷兰科学家,彼得.塞曼(Pieter Zeeman),1902年获诺贝尔物理学奖。

法国,卡斯特勒(Alfred Kastler),1966年获诺贝尔物理学奖。

美国,布洛姆啵根(Bloembergen),1981年获诺贝尔物理学奖。

美国,理查德·恩斯特(Richard Ernst),1991年获诺贝尔化学奖。

瑞士,维特里希(Kurt Wuthrich),2002年获诺贝尔化学和生物物理学。

美国,保罗·劳特布尔(Paul Lauterbur),2003年获诺贝尔生理医学奖。

英国,曼斯菲尔德(Peter Mansfield),2003年获诺贝尔生理医学奖生。

“医工研习社”旨在分享医学影像设备相关知识,坚持有理有据的输出。虽以严谨著称,但难免有疏漏,欢迎批评指正。更多精彩请关注“医工研习社”,专注影像设备领域的产品、技术、关键零部件及行业分析等深度交流。

发表回复