七、核磁共振：獲得諾貝爾獎次數(shù)最多的一個學(xué)科

從核磁發(fā)現(xiàn)到磁共振成像（MRI）的70年時間，有關(guān)核磁共振的研究曾在三個領(lǐng)域（物理、化學(xué)、生理學(xué)或原子）內(nèi)獲得了六次諾貝爾科學(xué)獎，其中包括1943年、1944年、1952年的物理獎（2003年物理獎還間接與此相關(guān)），1991年和2002年化學(xué)獎以及2003年的醫(yī)學(xué)獎，這足以說明該科學(xué)研究領(lǐng)域及其衍生技術(shù)的重要性。

2003年諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎授予了將核磁共振（NMR）成像技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷的兩位科學(xué)家：美國物理學(xué)家保羅·勞特布爾（Paulc Lauterbur）和英國物理學(xué)家彼得·曼斯菲爾德（Peter Mansfield）。核磁共振檢查與CT（計(jì)算機(jī)輔助體層攝影術(shù)）是當(dāng)今最普遍的臨床檢查技術(shù)，已被廣大醫(yī)務(wù)工作者和廣大患者所接受。但是什么是核磁，什么是核磁共振，什么是磁共振成像（MRI），對普通人來說是一種比較深奧的科學(xué)技術(shù)知識。

眾所周知，從我國古代發(fā)明指南針以后，人們開始對磁和磁性進(jìn)行長期的探索。經(jīng)過科學(xué)家們的努力，先后發(fā)現(xiàn)了三大類磁性物質(zhì)，第一大類就是鐵磁體，或稱強(qiáng)磁體，例如鐵、鈷、鎳；第二大類是亞鐵磁體，其中主要包括結(jié)晶體和液體；第三大類稱為抗磁體，它的抗磁性存在于所有物質(zhì)的內(nèi)部。從20世紀(jì)20年代至30年代，科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)了第四大類的磁性物質(zhì)，這就是核磁，這是一種從原子核中發(fā)射出來的磁性物質(zhì)。

雖然早在電磁學(xué)理論的首創(chuàng)者和電動力學(xué)的奠基人之一、法國著名物理學(xué)家安培（A.M.Ampere，1775～1836年）的時代，他就思考過如何去發(fā)現(xiàn)物質(zhì)粒子中因旋轉(zhuǎn)電流而產(chǎn)生的磁性問題。他提出來的這個假說，后來確實(shí)為物理學(xué)家用分光鏡對強(qiáng)磁場中的光源進(jìn)行研究時所證實(shí)。但是當(dāng)人們開始研究磁場對電子（當(dāng)時人們把電子看成原子內(nèi)部電流的代表）運(yùn)動的影響時，就出現(xiàn)了困難，因?yàn)殡娮硬⒉环漠?dāng)時已經(jīng)證實(shí)了的電動力學(xué)定理。

1920年，施特恩（O.Stern）和他的同事在德國法蘭克福做了一次巧妙的實(shí)驗(yàn)：在一只用電加熱的真空爐壁上鉆了一個小孔，通過此孔灌入一股極細(xì)的蒸汽流。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種被他稱之為“原子束”或“分子束”中的分子都向同一方向偏移，而且彼此互不相撞。他用探測器把這一現(xiàn)象記錄了下來，說明分子束是不受非均一磁場影響的。施特恩把它稱之為“玻爾磁子”（玻爾是他的恩師）。他在此現(xiàn)象的基礎(chǔ)上提出了所謂的“有向的或空間的量子說”。

1923年，施特恩擔(dān)任了漢堡大學(xué)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任后，便全力以赴地來完善分子束技術(shù)，同時他把電子和原子核所具有的自己旋轉(zhuǎn)的特性稱為“自旋”，并把他的研究對象又?jǐn)U大到當(dāng)時發(fā)現(xiàn)的中子和質(zhì)子。1933年他利用分子束技術(shù)測定了質(zhì)子所釋放的核磁函數(shù)，其值約為當(dāng)時理論推算出來的值的10.5倍，從而榮獲了1943年諾貝爾物理學(xué)獎。

但是這時遺留下來一個問題是原子如何與磁場發(fā)生反應(yīng)？根據(jù)當(dāng)時英國數(shù)學(xué)家拉爾摩（Larmor）的計(jì)算，這種反應(yīng)應(yīng)歸因于部分電子和原子核在磁力方向進(jìn)行中的旋進(jìn)運(yùn)動（簡稱“進(jìn)動”）。如果磁場的力能夠測定，那么粒子的磁函數(shù)也就能夠計(jì)算，結(jié)果拉比（I..Rabi）把它精確地算了出來。他在磁場中放入一圈電線，接通至示波器的電路上，而且其頻率是可調(diào)的。如果原子束通過磁場，而且原子僅受示波器中電流通過時粒子旋進(jìn)的影響，那么這種影響即可以從示波器的圖像中表示出來。拉比成功了，他把原子核的這種“飛躍”（SalRo）稱為“量子躍進(jìn)”。此外，他還證實(shí)了，這種“量子躍進(jìn)”效應(yīng)是可以觀察到的，因?yàn)闄z測器記錄了最小的共振，從而他榮獲了1944年諾貝爾物理學(xué)獎。

美國物理學(xué)家珀塞爾（E.M.Purcell）在二戰(zhàn)期間進(jìn)行軍事雷達(dá)的研制和改進(jìn)，戰(zhàn)后來到哈佛大學(xué)從事教學(xué)和科研工作，在這里他首次提出了射電天文望遠(yuǎn)鏡的基礎(chǔ)理論，同時他又發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的NMR現(xiàn)象。即在給定外磁場后，如果把一個樣品置于由周圍線圈產(chǎn)生的射頻場中，則該樣品中特定的原子核組成將呈現(xiàn)共振吸收態(tài)，某些特征頻率被吸收，從而可以測定粒子磁性的精確數(shù)值，即所謂的“原子核磁力測量法”。1952年珀塞爾獲得諾貝爾物理學(xué)獎時的三項(xiàng)貢獻(xiàn)中的一項(xiàng)就是上述射電天文望遠(yuǎn)鏡的基礎(chǔ)理論（1951年），另外兩項(xiàng)則都是關(guān)于MR的：首先他利用了螺線管法研究了弱磁場中的MR，這種方法對于徹底地、絕對地測定核磁力矩具有極大意義。其次，他設(shè)計(jì)了一項(xiàng)饒有興趣的實(shí)驗(yàn)，即利用在副磁共振形成一種獨(dú)特的狀態(tài)中，原子核的狀態(tài)相當(dāng)于絕對溫度計(jì)的低溫，從而開辟了物理學(xué)的一個嶄新的領(lǐng)域——核磁共振能譜學(xué)（又可譯為“波譜學(xué)”）。

二戰(zhàn)以前就曾與珀塞爾一起研究過NMR的布洛赫（F.Bloch）戰(zhàn)后回到了斯坦福大學(xué)，也繼續(xù)研究他的NMR。他與珀塞爾一起分享了1952年諾貝爾物理學(xué)獎，他的獲獎項(xiàng)目起初受到泡利1924年對譜線的超精細(xì)結(jié)構(gòu)所做的解釋的啟發(fā)，這一解釋是譜線的超精細(xì)結(jié)構(gòu)的原子核具有自旋角動量及其平行的磁矩，但是作為一個理論物理學(xué)家的布洛赫竟然大膽地作了一項(xiàng)重大的試驗(yàn)，按照諾貝爾基金會主持人的說法，是十分出乎人們意料的。本文限于篇幅不能詳述這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，但從這位主持人的頌詞中可以窺得一斑：在您的實(shí)驗(yàn)工具箱中有一個超常值的工具，您有一個可使中子束磁極化的方法，您掌握的極好的思路真是無法估量，您的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及其操作本身簡直是完美無缺。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果最好不過地說明了中子磁矩的精確測量值。這是當(dāng)今最困難的一項(xiàng)工作，而且也是當(dāng)今核物理學(xué)中一項(xiàng)最重要的任務(wù)。這里指的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及操作方法就是布洛赫1945年完成的被稱為“核感應(yīng)”的高精度測量核磁矩的方法，其數(shù)學(xué)公式被稱為“布洛赫方程”。

諾貝爾基金會1952年授獎時給這兩位科學(xué)家的正式評語中是這樣寫的：“表揚(yáng)他們開發(fā)了核磁精密測量的新方法以及有關(guān)的一系列發(fā)現(xiàn)”。

核磁共振在被列入1952年諾貝爾物理獎的授獎項(xiàng)目之前，這一科學(xué)現(xiàn)象及其應(yīng)用主要局限在物理學(xué)領(lǐng)域，但此后便為化學(xué)界所矚目，該現(xiàn)象及其技術(shù)應(yīng)用在化學(xué)領(lǐng)域嶄露頭角，這是因?yàn)镹MR技術(shù)精確度高，尤其適用于微量物質(zhì)的研究，化學(xué)家們紛紛嘗試將它用于物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)（特別是處于溶液狀態(tài)中物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)）的測定上，同時，NMR技術(shù)為測定磁場力度，特別是為檢測磁場所具有的極小的不均勻性提供了一個新的途徑。

2003年諾貝爾生理學(xué)獎得主，美國紐約州立大學(xué)石溪分校物理學(xué)家勞特布爾（Paulc.Larterbur）實(shí)現(xiàn)了核磁共振成像在臨床醫(yī)學(xué)診斷中的應(yīng)用。他對前人達(dá)馬迪安（R.Damadian）關(guān)于NMR用于診斷的做法有著不同的設(shè)想，即先在均一的強(qiáng)磁場之中小心地安置一個弱磁場梯度，在這個梯度磁場中，處于一個具有特定旋轉(zhuǎn)數(shù)的原子位置便可能產(chǎn)生一種圖像。在設(shè)計(jì)中應(yīng)用的是氫原子，氫原子組成的是普通的水，因而它會產(chǎn)生很強(qiáng)的NMR信號。而如用氘（重氫）取代H₂O中之H，則會形成重水。然后將兩個毛細(xì)管裝上普通水，放置在重水的大試管中，在其周圍設(shè)置了梯度磁場環(huán)境，這樣本來無法從影像中區(qū)別的水和重水便能夠被區(qū)別。

他將這種方法用于人體內(nèi)各種組織的測定，因?yàn)椴煌M織的生理部分與病理部分含水量都有至少1%的差別，而這樣差別小的影像則可以用NMR技術(shù)區(qū)別開來。他將一種移動得很慢的海蛤放在重水中做了一段時間NMR試驗(yàn)。結(jié)果表明，海蛤組織的影像十分清晰，而且仍然存活。這表明NMR成像技術(shù)對于生物的生命是不具創(chuàng)傷性的，而且可對生物整體進(jìn)行測定，從而可代替活體檢查中使用的組織切片。

一位15歲就退學(xué)當(dāng)了印刷工人的英國人曼斯菲爾德（Peter Mansfield），后經(jīng)過預(yù)備班的補(bǔ)習(xí)考上了倫敦大學(xué)瑪麗皇后學(xué)院，1959年畢業(yè)后，27歲獲得物理學(xué)哲學(xué)博士學(xué)位。他在一系列論文中解決了在梯度磁場中將某一特定對象的二維切片變成特定圖像的問題，所應(yīng)用的方法是釋放一股特定頻率的射頻波，這種由NMR引起的成像被稱為“核磁共振成像”，后簡稱為“磁共振成像（MRI）”。

曼斯菲爾德發(fā)明的MRI儀具有商用價值，不僅可以發(fā)現(xiàn)體內(nèi)（特別是顱內(nèi)）實(shí)質(zhì)性器官與組織的病變，而且可以呈現(xiàn)諸如心臟搏動、血流之類瞬間即變的圖像，所以對心腦血管疾病的診斷十分有用。在進(jìn)一步進(jìn)行磁信號的電子計(jì)算機(jī)分析后，MRI圖像精確度很高。在以后十年的時間里，他又極大地提高了MRI的速度，這種提高速度的技術(shù)被稱為“梯度振蕩”，或“回聲-平面掃描”法。

由于MRI技術(shù)應(yīng)用的是磁特性，所以病人體內(nèi)不應(yīng)帶有磁性金屬，如心臟起搏器等。此外，患有一種被稱為幽閉恐怖的精神病患者，也不能進(jìn)行MRI檢查。人們也許要問，既然有了CT（電子計(jì)算機(jī)輔助體層攝影儀）這樣類似的無創(chuàng)性體內(nèi)病變的檢測方法，為什么醫(yī)院還要添置更為昂貴的MRI檢測儀呢?在大多數(shù)場合，這兩類檢測儀是通用的，但是對一部分疾病的診斷，MRI檢測儀有其獨(dú)特的優(yōu)勢。除了心腦血管疾病診斷以外，對于多發(fā)性硬化癥的診斷有其優(yōu)勢，該病多見于神經(jīng)系統(tǒng)，有關(guān)組織因?yàn)榘l(fā)生炎癥而硬化，其含水量便明顯降低，所以特別適用于MRI的檢測。MRI不僅可以測定炎癥存在的部位、嚴(yán)重性，還可以觀察它的變化趨勢，即炎癥是在減輕，還是在加重。這也適用于對硬化癥療效的判定。最令人感興趣的是，它還可用于常見慢性下背部疼痛的鑒別與診斷。該病病因復(fù)雜，不同病因?qū)е碌念愃瓢Y狀治療方法迥然不同，這時便突出了MRI檢測儀的優(yōu)勢所在。

曼斯菲爾德還創(chuàng)造了將二維圖像發(fā)展成三維圖像的全新技術(shù)，使MRI的用途有了進(jìn)一步擴(kuò)大。因?yàn)樵谇谐徽＝M織包圍著的癌組織時，最好獲得三維圖像，以便盡可能多地保護(hù)健康組織不被切除，這在顱腦等重要器官中進(jìn)行顯微外科手術(shù)時，顯得特別重要。還有像在帕金森病中為了在腦核中放置電極以除去或減輕震顫，也是必須借助MRI檢測儀不可的。