01
一条倾听你身体的隧道
这是一台磁共振扫描仪，英文简称MRI，意思是“磁共振成像”。它的磁体强度是1.5特斯拉。特斯拉是衡量磁场强弱的单位。你躺在检查床上，床会把你送进孔腔，也就是一条宽约70厘米的隧道。包在隧道外面的机器长约1.6到1.9米，重3到6吨。
做脑部扫描时，头线圈会像笼子一样罩住你的头。它其实是一副天线，装着20到64个小接收器，专门收听你身体发出的微弱无线电回波。房间内壁衬着铜板，这样外面的无线电波就盖不过这个回波。这里也不用X射线。扫描仪用的无线电波能量很低，大约只有把电子从原子里打出来所需能量的五千万分之一。
白色外壳下面，各个部件像套环一样一层套一层。从外往里依次是：装在低温容器里的磁体、三组梯度线圈，还有体线圈，也就是一副无线电天线。打开剖面（C），磁体上会切开一块楔形缺口，露出这些部件。后面几章会一个个讲。
模型播放的是一个重复周期。扫描要拍出一张图像，就得把这个短短的循环重复很多遍。这里的一个重复周期，真实时长是0.5到2.5秒，其中的无线电脉冲却只占几毫秒。所以时间轴没有按真实比例画。几毫秒的脉冲和回波占了时间轴约三分之二，漫长的休息则压缩在最后三分之一里。时间轴告诉你正在播哪一步，实时读数给出真实时间。一次完整的头部检查要拍很多张图像，大约需要30到45分钟。
- 主磁场
- 1.5 T, always on
- 隧道宽度
- 70 cm across
02
一块永不关机的磁体
最大的部件是主磁体，由约30到40千米长的铌钛导线绕成线圈。这种导线冷到足够低的温度，就会进入超导状态：电流在里面流动，完全没有电阻。几百安培的电流在一个闭合回路里不停地绕圈。回路一旦闭合，维持磁场就不再耗电。磁场一年减弱不到千分之一。
为了保持超导，线圈泡在4.2开尔文（K）的液氦里，约合−269 °C。开尔文是一种温标，零点是绝对零度，也就是理论上最冷的温度。所以液氦只比宇宙深空高约1.5 K。传统磁体要装约1500升液氦，较新的密封磁体只需7升，甚至更少。液氦容器外面包着隔热屏和真空层，把热挡在外面，就像保温瓶。剖开的楔形缺口里能看到这几层。顶上有一台小制冷机，叫冷头，负责把蒸发掉的氦重新冷凝成液体。它日夜不停地运转，耗电约6到7千瓦。
这个磁场比地球磁场强几万倍。具体是多少倍，要看你在哪里，因为各地的地球磁场强弱不同。选3特斯拉，和更强的磁体比一比。磁体周围的磁力线画出了磁场的形状。外侧还绕着屏蔽线圈，电流方向相反，把漏到外面的磁场拉回来。即便这样，沿隧道方向直到约4米远的地方，磁场仍高于0.5 mT，也就是两千分之一特斯拉。在这个范围内，心脏起搏器可能无法安全工作。地上的虚线圈就是它的边界。
磁体永远不关，所以门口有一块常亮的警示牌，提醒大家磁场一直都在。任何含铁的东西都可能被猛地吸进隧道，氧气瓶就曾这样夺去人命。因此工作人员会在门口检查每个人、每样东西。要是导线某处升温，那里就不再超导，电流会变成热量。这叫失超。磁场在2到5秒内降到零，沸腾的氦顺着失超管呼啸着冲出楼外。
- 与地球磁场相比
- 23,000 to 60,000 times stronger
- 液氦
- 4.2 K, −269 °C
- 0.5 mT安全线
- 4 m along the tunnel, 2.5 m to the side
03
氢核会倾斜，也会摆动
你体内大约六成的原子是氢，大多在水和脂肪里。氢原子的核心，也就是它的原子核，只是一个质子。它就像一块小磁铁。磁共振专门听氢的信号，因为氢到处都有，信号也最强。
放进磁场后，这些小磁铁并不只是顺着磁场方向摆好。它们会进动：像一只倾斜着旋转的陀螺，绕着磁场方向摆动。在1.5特斯拉的磁场里，它们每秒摆动约6400万次，也就是63.9 MHz（兆赫）。这个速率叫拉莫尔频率，可以把它想成摆动的音高。磁场越强，频率越高，到3特斯拉时升到127.7 MHz。这两个频率都挨着调频广播：一个略低于调频波段，一个略高于它。
这些原子核并没有全都排整齐。体温让它们不停地晃动，所以几乎朝向四面八方。顺着磁场倾斜的核，只比逆着磁场的多出约百万分之五。不过，在一立方毫米的水里，多出来的核加起来仍有约3.3 × 10¹⁴个。它们合起来，形成一个微小的净磁化矢量，你可以把它看成一个箭头。扫描仪要用的就是这个箭头。
插图里的箭头只是示意，放大了很多倍，画的并不是头部某个真实的位置。为了让你看清，倾斜也画得比实际明显得多。按播放键，看它们转起来。画面大大放慢了，放慢了多少倍，看读数就知道。这个倍数会随播放速度变化。切换到3特斯拉：真实的频率和多出的核都会翻一倍，但画面的节奏不变，所以放慢的倍数也翻一倍。
- 拉莫尔频率
- 63.9 MHz, just below FM radio
- 顺着磁场多出的核
- about 5 in a million
- 1 mm³水中多出的核
- about 3.3 × 10¹⁴
- 画面放慢了
- about 128 million times
04
无线电脉冲与回波
要让净磁化矢量“开口说话”，扫描仪会发出一道短促的无线电脉冲（也叫射频脉冲），频率正好等于拉莫尔频率。这样踩准摆动的节拍，就叫共振。就像推荡秋千的孩子，要在恰好的时刻推一把。脉冲由体线圈发出。体线圈是一圈铜条围成的笼子，就装在隧道内侧。脉冲最多持续几毫秒。
一道90°脉冲会把净磁化矢量放倒，让它横躺下来，继续摆动。它扫过头线圈时，会在线圈里产生微小的电压，小到要用微伏来计量。这个电压就是信号。拖动翻转角滑块看看：只有横向分量会产生信号，沿磁场的分量不会。
这些小磁铁很快就会乱了步调，因为有些摆得稍快，有些稍慢。信号随之减弱。在90°脉冲和回波的正中间，一道180°脉冲把它们整个翻过来。这下快的反而落在后面，于是又追了上来。小磁铁们重新同步，发出一个回波。从90°脉冲到回波的这段时间，叫回波时间。点下面的按钮，可以停在每个时刻看看。
有两个“时钟”决定每种组织看上去有多亮。T1是净磁化矢量沿磁场方向恢复约63%所需的时间。T2是横向信号衰减到约37%所需的时间。180°翻转只能抵消始终不变的快慢差别。相邻原子核之间随机的推搡却还在，所以回波会弱一些。这部分损失就是T2。脂肪恢复得快，脑脊液恢复得慢。选一种组织比较一下。每种组织的数值都是为这个模型取的粗略数字。脉冲还会让你的身体微微发热，所以扫描仪会把升温控制在安全范围内。
- T1，恢复
- 884 ms
- T2，衰减
- 72 ms
05
分辨位置的线圈
到目前为止，头部各处都用同一个频率回应，所以光听回波，分不出它来自哪里。磁体里面还有三组线圈专门解决这个问题：x、y、z三个方向的梯度线圈。梯度在这里指磁场从一侧到另一侧均匀地变化。每组线圈在中心的一侧给主磁场加一点，在另一侧减一点。
这个变化很小：每米最多45 mT。到了头部边缘，加起来约5.4 mT，只有1.5特斯拉磁场的三百分之一。但这已经足够让每个位置都有自己的频率。线圈约0.2毫秒就能开启。
每组线圈各有分工。z线圈和无线电脉冲配合，只唤醒薄薄的一层。这叫层面选择。y线圈给头部从上到下加上一种扭转，每个重复周期都换一种。这叫相位编码。x线圈在接收回波时打开，这样听频率高低，就能分出左右。这叫频率编码。选一组线圈看看它的磁场，也可以按扫描顺序看。
在强磁场里切换大电流，会让线圈像扬声器一样猛地一震。扫描时你听到的响亮敲击声就是这么来的。声音可能超过100分贝，和风镐一样响，甚至更响。所以检查时一定会给你耳塞或耳机。
- 头部边缘的变化
- 5.4 mT
- 占主磁场的比例
- 0.36 %
- 头部边缘的频率偏移
- 230 kHz
- 开启时间
- 0.225 ms
- 在扫描中的分工
- Changes with each step
06
从回波到图像
每个回波都存成k空间里的一行。k空间是一张网格，按频率和扭转来排列回波，而不是按位置。一个重复周期填一行。下一个周期换一种扭转，再填一行。这个模型的图像是64 × 64，所以要64个重复周期。真实的头部扫描常用256行。这里的行从中间往外填，所以粗略的图像很早就会出现。
再用一种叫傅里叶变换的计算，把这张网格变成图像。它算出哪些粗细不同的条纹叠在一起，正好拼成这张图。k空间的中间存着粗条纹，也就是整体的明暗。边缘存着细节。图像会出现在墙上的显示器里，就在控制室观察窗旁边。选8、16、32或64行：扫描会暂停，你可以看着图像慢慢变清晰。
时间怎么安排，决定了哪些组织显得亮。T1加权扫描让T1的差别主导亮暗：它每500毫秒重复一次，在15毫秒时就早早去听回波。每个重复周期结束时，恢复慢的组织还没恢复过来，所以脂肪亮，脑脊液暗。T2加权扫描则让T2主导：它要等2500毫秒，到100毫秒时才听。这时衰减得慢的脑脊液亮了起来，灰质也比白质显得亮。读数显示每种组织看上去有多亮，最亮的记为100%。这里的头部是用椭圆拼成的简单示意图，不是真实的扫描。在这个模型里，每种组织含的氢一样多，骨头和空气始终是黑的。
如果每个重复周期只读一行，拍满256行，T1扫描约需2.1分钟，T2扫描约需10.7分钟。如今大多数脑部扫描都用快速自旋回波，每个重复周期读4到32行。每次读16行时，T2扫描只需约40秒。这个模型只拍一层，而真实的头部扫描要拍很多层。保罗·劳特伯在1973年发表了第一张磁共振图像。他和彼得·曼斯菲尔德因这项工作，共同获得了2003年诺贝尔奖。
- 脂肪
- 0 %
- 白质
- 0 %
- 灰质
- 0 %
- 脑脊液
- 0 %
- 每个重复周期一行
- 10.7 min for 256 lines
- 快速自旋回波，每个重复周期16行
- about 40 s