下载文档原格式
中科百测-核磁共振NMR一、核磁共振的发展历史1930年代，物理学家伊西多·拉比(Isidor Isaac Rabi)发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列，而施加无线电波之后，原子核的自旋方向发生翻转。
这是人类关于原子核与磁场以及外加射频场相互作用的最早认识。
由于这项研究，拉比于1944年获得了诺贝尔物理学奖。
1946年两位美国科学家布洛赫(F.Bloch)和珀塞尔(E.M.Purcell)发现，将具有奇数个核子（包括质子和中子）的原子核置于磁场中，再施加以特定频率的射频场，就会发生原子核吸收射频场能量的现象，这就是人们最初对核磁共振现象的认识。
在精确测定物质的核磁属性方面取得了突破和进展，为此他们两人获得了1952年度诺贝尔物理学奖。
之后人们发现电磁波作用于原子核系统时，当电磁波频率所决定的量子的能量正好等于原子核相邻能量级之间的能量差时（ΔE=hv），原子核就会吸收电磁波，引起核能态在两个相邻能级之间的跃迁，这就是核磁共振现象。
1948年NMR信号的发现，1948年核磁弛遇理论的建立，1950年化学位移和耦合的发现以及1965年傅里叶变换谱学的诞生，促进了NMR的迅猛发展，形成了液体高分辨、固体高分辨和NMR成像三雄鼎力的新局面。
二维NMR的发展，使液体NMR的应用迅速扩展到了生物领域；交叉极化技术的发展，使50年代就发明出来的固体魔角旋转技术在材料科学中发挥巨大的作用；NMR成像技术的发展，使NMR进入了与人民生命息息相关的医学领域。
二、核磁共振的原理给处于外磁场的质子，辐射一定频率的电磁波，当辐射所提供的能量恰好等于质子两种取向的能量差（ΔE）时，质子就吸收电磁辐射的能量，从低能级跃迁至高能级，这种现象称为核磁共振。
ΔE=γ*Ho*h/2π，其中γ是旋磁比，h是普朗克常数，Ho是磁场强度。
原子核带正电并有自旋运动，其自旋运动必将产生磁矩，称为核磁矩。
研究表明，核磁矩μ与原子核的自旋角动量P成正比，即μγ=P=（h/2π）[Ⅰ(Ⅰ+1)]1/2，γ为比例系数，称为原子核的旋磁比, Ⅰ为自旋量子数，因此只有在Ⅰ≠0时，原子核才能发生共振吸收，产生共振信号。
磁共振成像技术的历史背景与医学应用磁共振成像技术，简称MRI，是现代医学诊断中非常重要的一种影像学检查手段。
其所采用的成像方法利用了核磁共振现象，能够产生出高精度的人体内部结构图像。
从MRI诞生至今，已经有数十年的历史，在这个过程中，它不断发展与完善，日益被广泛应用于临床诊断与科学研究领域。
一、MRI的起源MRI的起源可以追溯到二十世纪四十年代，当时的德国物理学家I.I. Rabi发现了核磁共振现象，随后又有其他几位科学家,如F. Bloch和E. Purcell等等，通过实验验证了这一理论。
核磁共振现象的实际应用，则在1971年由美国医生Damon等首次用于人类体内结构的成像探测上。
90年代，随着电脑技术的升级和MRI成像软件的改进, MRI技术得到了稳步的发展，并逐渐成为医学领域不可或缺的检查手段之一。
二、MRI的成像原理核磁共振现象是当某些特定原子核处于磁场中时，其原子核会发生共振现象。
利用这种现象，MRI即通过生成电磁脉冲矢量场，则原子核会受到影响，产生共振，发出能量。
接着，电脉冲被击中人体所在的区域，人体内的原子核也会根据各种不同的特性反应，并散发出比较复杂的信号。
利用计算机技术，就可以将这些反射出的信号重新组合成图像，进而观察到人体的内部组织结构。
三、MRI技术的优点相比于传统的X线或CT扫描等成像技术，MRI有着非常突出的优势。
首先，MRI可以检查人体内的软组织问题，如关节周围的韧带、肌肉等方面，其中X线的成像范围仅限于硬组织如骨骼，不能很好地反映出软组织的结构特征。
其次，MRI不需要辐射照射，可以避免对人体的辐射伤害，安全性很高。
此外，MRI检查可以提供非常详细的图像，不仅分辨率很高，而且分为有无注射造影剂两种方式，便于对人体内部结构做出评价和判断。
四、MRI在医学上的应用MRI在临床上应用非常广泛，主要用于各种疾病的诊断（例如：肿瘤、神经系统、心血管系统、结构性异常等等等）。
例如，在神经系统的医学诊断中，MRI可以提供非常直观、准确的脑部、髓鞘等多种组织成像，便于对神经系统的损伤和疾病进行考量。
1930年代，伊西多·拉比发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列，而施加无线电波之后，原子核的自旋方向发生翻转。
这是人类关于原子核与磁场以及外加射频场相互作用的最早认识。
由于这项研究，拉比于1944年获得了诺贝尔物理学奖。
1946年，費利克斯·布洛赫和愛德華·珀塞尔发现，將具有奇数个核子（包括质子和中子）的原子核置於磁场中，再施加以特定频率的射频场，就会发生原子核吸收射频场能量的现象，这就是人们最初对核磁共振现象的认识。
为此他们两人获得了1952年度诺贝尔物理学奖。
人们在发现核磁共振现象之后很快就产生了实际用途，化学家利用分子结构对氢原子周围磁场产生的影响，发展出了核磁共振谱，用于解析分子结构，随着时间的推移，核磁共振谱技术从最初的一维氢谱发展到13C谱、二维核磁共振谱等高级谱图，核磁共振技术解析分子结构的能力也越来越强，进入1990年代以后，发展出了依靠核磁共振信息确定蛋白质分子三级结构的技术，使得溶液相蛋白质分子结构的精确测定成为可能。
另一方面，医学家们发现水分子中的氢原子可以产生核磁共振现象，利用这一现象可以获取人体内水分子分布的信息，从而精确绘制人体内部结构，在这一理论基础上1969年，纽约州立大学南部医学中心的达马迪安通过测核磁共振的弛豫时间成功地将小鼠的癌细胞与正常组织细胞区分开来，在达马迪安新技术的启发下纽约州立大学石溪分校的物理学家保罗·劳特伯尔于1973年开发出了基于核磁共振现象的成像技术（MRI），并且应用他的设备成功地绘制出了一个活体蛤蜊地内部结构图像。
劳特伯尔之后，MRI技术日趋成熟，应用范围日益广泛，成为一项常规的医学检测手段，广泛应用于帕金森氏症、多發性硬化症等腦部與脊椎病變以及癌症的治疗和诊断。
2003年，保罗·劳特伯尔和英国诺丁汉大学教授彼得·曼斯菲尔德因为他们在核磁共振成像技术方面的贡献获得了当年度的诺贝尔生理学或医学奖。
什么是核磁共振核磁共振（NMR）是一项因量子力学而闻名于世的重要分析技术，其在医学及石油勘探中尤展现出其重要价值。
NMR研究严格需要在特定條件下才能取得客觀的结果，是一个复杂又有趣的测量方法。
本文将从NMR的发展历程、其物理和化学实验的原理、以及其在社会中的应用等方面彻底深入地探讨这一领域。
一、NMR的历史及发展NMR被发现于1935年，1946年开始应用於石油勘探。
最初的意义是研究原子的结构和分子运动，广泛应用于化学、物理和生物等学科之中。
随着现代计算机科技的进步、材料技术的进一步发展，NMR越来越成为更多领域甚至是日常生活中不可或缺的重要技术手段。
二、NMR技术的物理原理NMR技术依据原子核间引力和磁场作用之间的相互作用而得到立体结构，可以用于研究物质成分分布，主要是测量同位素在磁场中的共振频率。
NMR原理是利用核子的磁力学性质，可以利用旋转的磁场的力跟原子的共振频率对应，从而获取有效的信息，从而正式测定特定分子的结构。
三、NMR化学实验室运用应用NMR技术进行分子结构鉴定是一种非常有效的实验方法，加快了化学实验的定性研究。
在日常化学实验室中，很多样品需要测试其结构信息以推断其化学性质。
在提取的结果中，核磁共振实验可以帮助科学家进行仔细和仔细的研究，其实验结果可以提供很多有用的信息，例如谱图的分析结果、多山谱的峰高分布以及实验参数的解释等。
四、NMR在医学上的应用NMR在医学上的应用非常多，主要集中于检查和诊断。
NMR通过3D成像显示出生物系统内多种有形成分的分布，使医师能够更直观和准确地诊断疾病，而没有任何副作用和伤害；NMR可用于血管技术，可以定位准确的血管及静脉间的分布情况；NMR技术还可用于疾病药物研究中，人员和动物实验室检测，能够更客观准确地筛查有效的药物成分。
五、NMR在石油勘探中的应用石油是社会经济发展的重要能源，而NMR技术在石油勘探中扮演重要角色。
NMR可以早日查明油层位置、分布特性，进而进行有效地油气藏勘探。
引言概述：磁共振成像（MagneticResonanceImaging，MRI）作为一种非侵入性的医学成像技术，已经成为现代医学领域中不可或缺的重要工具。
本文将详细回顾和阐述磁共振发展的历史，旨在呈现这一技术的重要里程碑和关键进展，以便更好地了解其在医学诊断和科学研究中的巨大潜力。
正文内容：一、早期磁共振的发现和发展1.核磁共振的初步理论探索2.扫描探头的发展与应用实践3.1969年第一个核磁共振成像实验的成功二、磁共振在医学影像学中的应用1.磁共振对颅脑的影像学研究2.磁共振在胸部和腹部疾病诊断中的应用3.磁共振在心血管疾病诊断中的重要性4.磁共振对骨骼系统及肌肉骨骼疾病的诊断应用5.磁共振在妇科和泌尿系统疾病诊断中的应用三、磁共振技术的进一步发展与突破1.高场强磁共振技术的引入与发展2.磁共振功能成像的突破与临床应用3.磁共振分子显像的前沿进展4.超分辨率磁共振成像的研究与应用5.磁共振引导下的介入手术技术的发展四、磁共振的临床诊断与治疗应用1.磁共振对肿瘤的早期筛查与诊断2.磁共振在神经科学和神经疾病研究中的重要性3.磁共振在循环系统疾病的诊断与治疗应用4.磁共振引导下的放射治疗技术的发展5.磁共振对运动学分析和康复治疗的应用五、未来磁共振技术的发展趋势与挑战1.超高场强磁共振技术的前景与挑战2.驱动下的磁共振自动化与智能化3.磁共振与其他技术的融合与互补4.磁共振的成像速度与空间分辨率的进一步提高5.磁共振在个性化医疗和精准诊疗中的应用总结：磁共振成像技术的发展史涉及了众多科学家和研究人员的努力与贡献。
它在临床医学和科学研究领域有着广泛的应用，为人们提供了一种安全、非侵入性的诊断手段。
未来，随着技术的不断进步和创新，磁共振成像将进一步提高其成像质量和检测性能，在个性化医疗和精确诊疗方面发挥越来越重要的作用。
核磁共振研究的历史刘志军（中科院自然科学史研究所，北京100190；忻州师范学院物电系，山西034000）摘要：本文选取不论是对于众多学科的基础理论方面，还是在人类的生产、生活方面都有重大贡献的核磁共振研究作为典型案例进行研究，清晰地呈现出了核磁共振研究鲜明的阶段性特征，以及由这一典型案例所揭示出的基础研究与应用研究之间动态变化着的、复杂的互动关系。
最后通过分析和总结，得出了这一典型案例对我国的科技发展和科技创新的一些启示。
关键词：核磁共振；诺贝尔奖；基础理论；应用研究中图分类号：04－091二战结束之前核磁共振实验的发展1.1核磁共振研究的开端，这个时期主要以物理学的纯基础理论研究为特征自从十九世纪末，二十世纪初人类对于微观世界的科学探究真正起步后，不论是在实验还是在理论方面都在不断取得突破和进展。
正如麻省理工学院物理系电子研究实验室的丹尼尔·克莱普纳（Daniel Kleppner）所说，二十世纪初那些深刻改变了我们的世界观的，物理学天才们的思想和成就，主要是建立在当时重要的物理实验发现之上的[1]。
可以说，物理实验是物理基础理论创新和发展的主要源泉和基础。
核磁共振研究是从斯特恩（Otto Stern）的分子束实验开始的。
斯特恩（Otto Stern）1888年2月17日出生于德国的索劳（Sorau）。
1912年，他从德国的布雷斯劳大学（University of Breslau）获得物理化学博士学位后，作为爱因斯坦的助手，追随爱因斯坦，先后到过布拉格大学和苏黎世大学任教。
1914他开始在法兰克福大学工作，职务是理论物理学的无薪教师（Privatdocent），服兵役归来后，1919年斯特恩在法兰克福大学开始和玻恩一起工作，玻恩时任该校理论物理系主任。
就在这一年，斯特恩观察到，注入高真空室内的原子或分子沿直线运动，形成一束粒子流，在某些方面类似于光束。
使斯特恩成名的实验工作就是由此发展起来的。
1919年，斯特恩对银原子束首次应用了这一方法，以检验1850年前后气体中分子速率的理论计算结果。
1920年，斯特恩在他的助手彼得·勒特斯和盖拉赫的帮助下，用实验事实无可辩驳地说明了在外加非均匀磁场的作用下，原子的空间取向是量子化的，这就是非常著名的斯特恩－盖拉赫实验。
空间量子化的概念是索末菲1916 年为了描述氢原子在外磁场和外电场作用下的行为而引入量子理论的。
空间量子化可以满意地描述正常塞曼效应（Zeeman effect）和斯塔克效应（Stark effect），对于解释X 射线谱线和说明氦谱问题也起过重要作用。
然而在斯特恩－盖拉赫实验之前，一直没有人能够以实验证实空间量子化这一客观事实的存在。
这一实验不仅支持了玻尔的定态轨道原子理论，并且也为“电子自旋”概念的提出提供了实验基础，大大促进了分子束（原子束）实验方法的发展。
斯特恩也因为发展了分子束的方法以及发现了质子磁矩这两方面的重要贡献而获得了1943年的诺贝尔物理学奖[2]。
包括斯特恩－盖拉赫实验在内的一系列物理理论及实验成就的取得并没有功利和实用性的技术创新的目标因素在其中。
从斯特恩实验研究的资金来源方面，也有力的佐证了这一点。
当时正值第一次世界大战刚刚结束，玻恩所主持的物理系资金异常紧张。
从1920 年1 月始，玻恩连续面向公众做了多次有偿的关于爱因斯坦广义相对论的报告，从中得到了约七千马克的收入[3]。
有了这笔资金作保证，斯特恩的实验才得以正常进行。
美国著名科学史家和科学哲学家库恩在1962年对于斯特恩的访谈[4]，印证了斯特恩当年的科学研究的出发点完全是基于对于物质世界的本质进行探究的好奇心的，很显然他没有也不可能预见到核磁共振实验对于当今人类生产和生活的巨大影响。
1.2核磁共振实验研究在美国的发展，核磁共振开始向应用研究发展1927年6月，申请到哥伦比亚大学赴欧留学奖学金的拉比（Isidor Isaac Rabi）携妻子海伦踏上了赴欧求学之路。
当时，斯特恩已成为了汉堡大学的物理化学教授和实验室主任，并且创建了颇有影响的分子束实验室。
见到斯特恩后，拉比将自己对于分子束实验的一个改进思想告诉给了斯特恩，斯特恩立即建议拉比在他的分子束实验室里将这一想法付诸实践。
拉比在均匀磁场中完成了他的第一个分子束实验。
1929年回到美国后，在哈罗德·尤里（Harold Urey）的帮助下，拉比在哥伦比亚大学创建了分子束实验室。
[5]从此，原本专攻理论物理的拉比开始了他一系列成就非凡的核磁共振实验研究。
1944年，拉比由于发明了精确测定了一些核磁属性的方法而获得了诺贝尔物理学奖。
到这个时候，世界上仍没有将核磁共振实验技术转向应用研究发展的端倪出现。
在二战之前，美国政府对科技活动的支持仅限于个别领域，对全国科技如何发展，政府并没有形成全面影响的指导政策。
基础研究是以民间支持自由发展为主，政府的功能主要体现在立法上。
在宪法中规定了要保护发明人的权益。
1790 年制定了保护专利的第一部法律。
1802 年成立了联邦专利局。
1862 年林肯政府通过了《土地赠与法案》 (The Land Grant Act) ，宽泛地鼓励对教育和研究事业的支持。
总的来说，二战前美国基本谈不上什么系统的科技政策，政府主要是对农业部门进行适度的支持[6]。
而哥伦比亚大学是一所私立的常春藤盟校，所以拉比的赴欧留学是一种在当时的政策大环境下的个人行为。
1963年12月库恩对他进行访谈时，拉比回忆说，他认为在他去欧洲之前，美国本土并没有几个真正懂量子力学的物理学家，他到欧洲学习的主要志向就是要改变美国物理学落后的现状的[9]。
在得到在美国访问的海森堡的推荐，回到哥伦比亚大学当讲师后，拉比能建立分子束实验室在很大程度上得益于尤里（Harold Urey，一个1934年获得诺贝尔奖的化学家）的慷慨捐助。
尤里将自己7600美元的诺贝尔奖金的一半给了资金遇到困难的拉比，他对别人说：“那个人（拉比）将会获得诺贝尔奖”[7]。
2二战结束之后核磁共振实验技术的发展2.1核磁共振开始真正进入实用技术领域接下来对核磁共振研究的理论和实验作出卓越贡献的物理学家是布洛赫（Felix Bloch）和珀塞尔（Edward Mills Purcell）。
与拉比一样，珀塞尔成长于美国本土，作为交换生，1934年珀塞尔到德国卡尔斯鲁厄理工学院（Technische Hochschule, Karlsruhe）跟随光谱学教授卫泽尔（Walter Witzel）学习了一年。
回国后，1938年在哈佛获得了博士学位。
布洛赫出生于瑞士的一个犹太人家庭，1928年，在莱比锡师从海森堡获得了理论物理学的博士学位。
1933年，迫于形势，移居美国接受了斯坦福大学的一个教职。
二战是美国科技政策的一个重要转折点。
二战期间，美国政府向麻省理工学院的辐射实验室（Radiation Laboratory）注入资金，罗斯福总统任命万尼瓦尔·布什为这一实验室的领导人，率领一大批物理学家从事军事研发的工作，这其中就包括拉比、布洛赫和珀塞尔。
这一实验室无疑对美国在战后物理学的研究和发展影响深远，意义重大。
也正是这一时期与拉比等物理学家的合作和交往为布洛赫和珀塞尔在核磁共振领域的研究和贡献打下了坚实的基础。
1945年二战刚一结束，分别回到斯坦福和哈佛的布洛赫和珀塞尔就同时用新的方法，在精确测定物质的核磁属性方面取得了突破和进展[8]，并因此而共同荣获了1952年诺贝尔物理学奖。
要强调的是，他们的核磁共振研究并没有政府行为的影响，而且研究所需的经费也不是从政府或是有利益诉求的投资方来取得的。
布洛赫回忆说，当他们想在斯坦福建造一台回旋加速器和购置一些设备时，首先碰到的就是资金来源问题，他们甚至没有得到校方的任何支持和帮助，而最终是从洛克菲勒基金会（Rockefeller Foundation）获取到了资助，而洛克菲勒基金会的宗旨是为了“促进全人类的安康”而进行无偿援助的。
并且当时基金会的管理人员也完全清楚布洛赫他们是以纯基础科学研究为目的的[9]。
那么同样，当时他们从事核磁共振研究的资金也主要是自筹为主。
1946年7月，帮助军方研究微波雷达的拉塞尔·瓦里安（Russell Varian）也回到了斯坦福，作为物理学教授汉森的实验助手，他却敏锐地意识到了核磁共振技术在化学分析领域的广泛应用前景，捕捉到了其商机所在。
虽然布洛赫和汉森对此并不以为然，可瓦里安还是促使他们俩人在1948年共同取得了这一技术的专利权。
同年4月，瓦里安兄弟俩共同创建了以核磁共振技术应用为目的的瓦里安公司。
就在布洛赫和珀塞尔获奖的1952年，瓦里安公司研制出了世界上第一台商用核磁共振波谱测定仪（Varian HR-30），同年9月，这台仪器在德州贝城市的一家石油公司（Humble Oil company）里投入使用。
在诺贝尔颁奖宴会演说（Banquet Speech）中，珀塞尔表达了对和他共同研究这一课题的一些国内及国际同行的感激，介绍了他们的一些重要研究成果。
并由衷赞赏了科学家同行们在共同研究问题时，互相之间毫无保留的无私精神[10]。
这也从一个侧面反映了当时布洛赫及其他科学家的研究在主观上是排除技术创新或是任何商业动机在外的。
2.2核磁共振技术创新、发展和应用的全面繁荣上世纪五十年代，核磁共振在理论上也不断取得突破和创新，比如在分析和解释弛豫现象方面，先后有1953年布洛赫提出的布洛赫方程(Bloch equations)，1955年所罗门提出的所罗门方程（Solomon equations），和1957年雷德菲尔德理论（Redfield theory）等[11]。
从第一台商用核磁共振波谱测定仪诞生之后起，核磁共振技术就迅速向应用技术领域不断取得突破和进展。
而这些进展则几乎都和一些科技公司或是技术创新的诉求相联系，已不再像早期发展的那样，主要是以基础科学研究为目的了。
1962年，世界上第一台超导磁体的核磁共振波谱测定仪在瓦里安公司诞生。
1965年，在瓦里安公司工作的恩斯特（Richard R Ernst）提出了利用核磁共振技术来测定物质结构的新方法，将傅立叶变换方法真正引入到了核磁共振技术中，相对于化学界所使用的传统光谱学方法，这一创新数十甚至数百倍的提高了物质结构测定的敏感度。
1966年到1968年间，为了用傅立叶变换方法处理大量的数据，计算机引入到了核磁共振的数据处理和程序控制当中。
1970年，世界上第一台用于商业化目的的超导磁体傅立叶变换核磁共振波谱测定仪在德国的布鲁克公司（Bruker Company）正式生产。
1971年美国科学家雷蒙德·达马迪安（Raymond Damadian）在实验鼠体内发现了肿瘤和正常组织之间核磁共振信号有明显的差别，从而揭示了核磁共振技术在医学领域应用的可能性。
