[科普中國(guó)]-二維傅立葉核磁共振成像

二維傅立葉變換核磁共振成像（Two-dimensional Fourier transform nuclear magnetic resonance imaging，縮寫(xiě) 2D-FT NMRI），簡(jiǎn)稱2D-FT 核磁共振成像，是一個(gè)非侵入式的生物醫(yī)學(xué)和醫(yī)療的成像方式。利用影像診斷學(xué)和核醫(yī)學(xué)來(lái)了解活細(xì)胞和系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)和功能。舉例而言，NMRI可透過(guò)縱向、橫向、矢狀的方式提供詳細(xì)且精細(xì)的圖片，NMRI可以提供比起電腦斷層掃描更加清楚的差異，特別是人體中的軟組織。利用穩(wěn)定的氫同位素1H做為人體中血漿的水分子并用核自旋監(jiān)控其在人體中的代謝和分布觀察。此方法對(duì)于心血管、腫瘤（癌癥）、神經(jīng)系統(tǒng)（腦）、人體肌肉骨骼系統(tǒng)、和軟骨有良好的成像效果。有別于CT使用游離輻射，也有別于不采用同位素的核成像。最早的MRI圖象在1973年被報(bào)導(dǎo)刊登而對(duì)人類的第一次研究在1977年7月3號(hào)。

NMRI 原理某些原子核(如H 核或是費(fèi)米子) 有兩種自旋態(tài)，向上或向下。當(dāng)核磁共振發(fā)生時(shí)，會(huì)在靜磁場(chǎng)中放入核自旋的樣品，并往中心打入一短波頻率脈沖，當(dāng)頻率相等時(shí)，會(huì)產(chǎn)生向下或向上的H 1/2自旋，會(huì)受到靜磁場(chǎng)的極化。

當(dāng)前的技術(shù)已經(jīng)可以利用磁場(chǎng)梯度或是頻率脈沖獲得圖像。有兩種主要的理論關(guān)于2D-FT和3D-FT，類似于電腦斷層掃描，在前者的情況下，需較多的動(dòng)態(tài)狀態(tài)和靜態(tài)狀態(tài)的比例以增加信息的強(qiáng)度。NMR的圖像構(gòu)筑點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和線對(duì)線。在某些例子中，不使用梯度而使用靜磁場(chǎng)的方式進(jìn)行。當(dāng)前常用的方式是二維傅立葉轉(zhuǎn)換（2D-FT） 技術(shù)（配合切片選擇使用），或是使用三維傅立葉轉(zhuǎn)換（3D-FT）技術(shù)，但3D-FT會(huì)耗費(fèi)更多時(shí)間。2D-FT有一種通用的說(shuō)法為"自旋經(jīng)線"。NMR成像針對(duì)不同樣品或是患者體內(nèi)部位由不一樣的頻譜組成。二維的傅立葉變換可呈現(xiàn)如此"真實(shí)的波"的成像是由空間頻率中的K空間計(jì)算而出。1

二維傅立葉變換成像二維傅立葉變換的計(jì)算涉及兩階段，兩階段都和做為標(biāo)準(zhǔn)的一維傅立葉變換有關(guān)。但是第二階段的傅立葉變換為傅立葉逆變換（將導(dǎo)致原先的功能在第一階段轉(zhuǎn)化），但經(jīng)過(guò)第二階段的變換后，第二個(gè)變量就和第一傅立葉變換的改變有關(guān)。

2D-FT配合核磁共振分析是一種很強(qiáng)的方法用以重建三維結(jié)構(gòu)，如分析分子量50000 Mw的聚合物。對(duì)于分析更大分子量的生物聚合物，有更復(fù)雜的理論已經(jīng)發(fā)展出來(lái)可以重建高分子化合物的三維結(jié)構(gòu)。

2D-FT也被廣泛的利用在光學(xué)光譜中，如2D-FT 近紅外光譜成像，或是用于醫(yī)學(xué)成像的MRI都有廣泛的利用。

實(shí)例用一二維傅立葉變換配合相位校正一組2D NMR (FID) 產(chǎn)生一個(gè)2D-FT NMR譜 (收集1D-FT 譜)顯示出矩陣，其運(yùn)算式為

其中和代表離散間接雙量子數(shù)和單量子軸。 在2D NMR實(shí)驗(yàn)中，稱為\ emph{協(xié)方差矩陣}，導(dǎo)入頻率至下列公式:

和導(dǎo)入所有可能單量子頻率值和所有離散，雙量子頻率。

NMRI在病理學(xué)上診斷的簡(jiǎn)要用途說(shuō)明舉實(shí)例來(lái)說(shuō)，可以在一個(gè)病患中利用NMRI發(fā)現(xiàn)腫瘤，因?yàn)槟[瘤的核自旋頻率和人體組織是不同的。利用改變RF脈沖即可利用此分辨正常細(xì)胞和病變細(xì)胞的不同，而產(chǎn)生異常的顯像。而一些有植入金屬儀器的病患則不適宜使用NMRI，如使用人工耳蝸或是心跳起搏器的人，因NMRI會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)?？善诖氖?，未來(lái)會(huì)發(fā)展出外加磁場(chǎng)和高頻率的RF。已經(jīng)有不少已經(jīng)運(yùn)用在手術(shù)和實(shí)驗(yàn)中，用NMRI成像評(píng)斷腫瘤神經(jīng)系統(tǒng)疾病、肌肉與關(guān)節(jié)疾病、肺或皮膚癌以及在心臟血管處的動(dòng)脈粥化異常。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李曉林 - 教授 - 西南大學(xué)