基本簡介
核磁共振（NMR，Nuclear Magnetic Resonance）是基于原子尺度的量子磁物理性質。具有奇數質子或中子的核子，具有内在的性質：核自旋，自旋角動量。核自旋産生磁矩。NMR觀測原子的方法，是将樣品置于外加強大的磁場下，現代的儀器通常采用低溫超導磁鐵。核自旋本身的磁場，在外加磁場下重新排列，大多數核自旋會處于低能态。我們額外施加電磁場來幹涉低能态的核自旋轉向高能态，再回到平衡态便會釋放出射頻，這就是NMR訊号。利用這樣的過程，我們可以進行分子科學的研究，如分子結構，動态等。
核磁共振是主要用于血管，神經等軟組織的檢查的，所以說骨折肯定是能看得出來的,但是核磁共振檢查對軟脊髓、神經組織等效果更好一些，而對骨折的診斷沒有CT效果好，有一點除外那就是新鮮骨折還是可以用核磁共振來診斷的。
發展曆程
1930年代，伊西多·拉比發現在磁場中的原子核會沿磁場方向呈正向或反向有序平行排列，而施加無線電波之後，原子核的自旋方向發生翻轉。這是人類關于原子核與磁場以及外加射頻場相互作用的最早認識。由于這項研究，拉比于1944年獲得了諾貝爾物理學獎。1946年，費利克斯·布洛赫和愛德華·珀塞爾發現，将具有奇數個核子（包括質子和中子）的原子核置于磁場中，再施加以特定頻率的射頻場，就會發生原子核吸收射頻場能量的現象，這就是人們最初對核磁共振現象的認識。為此他們兩人獲得了1952年度諾貝爾物理學獎。
人們在發現核磁共振現象之後很快就産生了實際用途，化學家利用分子結構對氫原子周圍磁場産生的影響，發展出了核磁共振譜，用于解析分子結構，随着時間的推移，核磁共振譜技術從最初的一維氫譜發展到13C譜、二維核磁共振譜等高級譜圖，核磁共振技術解析分子結構的能力也越來越強，進入1990年代以後，發展出了依靠核磁共振信息确定蛋白質分子三級結構的技術，使得溶液相蛋白質分子結構的精确測定成為可能。
另一方面，醫學家們發現水分子中的氫原子可以産生核磁共振現象，利用這一現象可以獲取人體内水分子分布的信息，從而精确繪制人體内部結構，在這一理論基礎上1969年，紐約州立大學南部醫學中心的達馬迪安通過測核磁共振的弛豫時間成功地将小鼠的癌細胞與正常組織細胞區分開來，在達馬迪安新技術的啟發下紐約州立大學石溪分校的物理學家保羅·勞特伯爾于1973年開發出了基于核磁共振現象的成像技術（MRI），并且應用他的設備成功地繪制出了一個活體蛤蜊的内部結構圖像。
勞特伯爾之後，MRI技術日趨成熟，應用範圍日益廣泛，成為一項常規的醫學檢測手段，廣泛應用于帕金森氏症、多發性硬化症等腦部與脊椎病變以及癌症的治療和診斷。2003年，保羅·勞特伯爾和英國諾丁漢大學教授彼得·曼斯菲爾德因為他們在核磁共振成像技術方面的貢獻獲得了當年度的諾貝爾生理學或醫學獎。
基本原理
原子核的自旋
核磁共振主要是由原子核的自旋運動引起的。不同的原子核，自旋運動的情況不同，它們可以用核的自旋量子數I來表示。自旋量子數與原子的質量數和原子序數之間存在一定的關系。
I值為零的原子核可以看做是一種非自旋的球體，I為1/2的原子核可以看做是一種電荷分布均勻的自旋球體，1H，13C，15N，19F，31P的I均為1/2，它們的原子核皆為電荷分布均勻的自旋球體。I大于1/2的原子核可以看做是一種電荷分布不均勻的自旋橢球體。
核磁共振現象
原子核是帶正電荷的粒子，不能自旋的核沒有磁矩，能自旋的核有循環的電流，會産生磁場，形成磁矩（μ）。
μ=γP
式中，P是角動量矩，γ是磁旋比，它是自旋核的磁矩和角動量矩之間的比值，因此是各種核的特征常數。
當自旋核（spin nuclear）處于磁感應強度為的外磁場中時，除自旋外，還會繞B0運動，這種運動情況與陀螺的運動情況十分相像，稱為拉莫爾進動（larmor process）。自旋核進動的角速度ω0與外磁場感應強度B0成正比，比例常數即為磁旋比（magnetogyric ratio)γ。式中ν0是進動頻率。
ω0=2πν0=γB0
原子核在無外磁場中的運動情況如下圖，微觀磁矩在外磁場中的取向是量子化的（方向量子化），自旋量子數為I的原子核在外磁場作用下隻可能有2I+l個取向，每一個取向都可以用一個自旋磁盤子數m來表示，m與I之間的關系是
m=I,I-1,I-2…-I
原子核的每一種取向都代表了核在該磁場中的一種能量狀态，I值為1/2的核在外磁場作用下隻有兩種取向，各相當于m=1/2和m=-1/2，這兩種狀态之間的能量差ΔE值為
ΔE=γhB0/2π
一個核要從低能态躍遷到高能态，必須吸收ΔE的能量。讓處于外磁場中的自旋核接受一定頻率的電磁波輻射，當輻射的能量恰好等于自旋核兩種不同取向的能量差時，處于低能态的自旋核吸收電磁輻射能躍遷到高能态。這種現象稱為核磁共振。當頻率為ν射的射頻照射自旋體系時，由于該射頻的能量E射=hν射，因此核磁共振要求的條件為
hν射=ΔE（即2πν射=ω射=γB0）①
目前研究得最多的是1H的核磁共振和13C的核磁共振。1H的核磁共振稱為質子磁共振(Proton Magnetic Resonance），簡稱PMR，也表示為1H-NMR。13C核磁共振（Carbon- 13 Nuclear Magnetic Resonance）簡稱CMR，也表示為13C-NMR。
核磁共振飽和與馳豫
1H的自旋量子數是I=1/2，所以自旋磁量子數m=±1/2，即氫原子核在外磁場中應有兩種取向。1H的兩種取向代表了兩種不同的能級，在磁場中，m=1/2時，E=-μB0，能量較低，m=-1/2時，E=μB0，能量較高，兩者的能量差為ΔE=2μB0。
式①，式②說明：處于低能級的1H核吸收E射的能量時就能躍遷到高能級。也即隻有當電磁波的輻射能等于lH的能級差時，才能發生1H的核磁共振。
E射=hν射=ΔE=hν0②
因此1H發生核磁共振的條件是必須使電磁波的輻射頻率等于1H的進動頻率，既符合下式。
ν射=ν0=γB0/2π③由式③可知：要使ν射=ν0，可以采用兩種方法。一種是應強度，逐漸改變電磁波的輻射頻率ν射，進行掃描，當ν射與B0匹配時，發生核磁共振。另一種方法是固定輻射波的輻射頻率，然後從低場到高場，逐漸改變B0，當B0與ν射匹配時，也會發生核磁共振（見右圖）。這種方法稱為掃場。—般儀器都采用掃場的方法。固定磁感
在外磁場的作用下，有較多1H傾向于與外磁場取順向的排列，即處于低能态的核數目比處于高能态的核數目
多，但由于兩個能級之間能差很小，前者比後者隻占微弱的優勢1H-NMR的訊号正是依靠這些微弱過剩的低能态核吸收射頻電磁波的輻射能躍遷到高級而産生的。如高能态核無法返回到低能态，那麼随着躍遷的不斷進行，這種微弱的優勢将進一步減弱直到消失，此時處于低能态的1H核數目與處于高能态核數目逐漸趨于相等，與此同步，PMR的訊号也會逐漸減弱直到最後消失。上述這種現象稱為飽和。
1H核可以通過非輻射的方式從高能态轉變為低能态，這種過程稱為弛豫（relaxation），正是因為各種機制的弛豫，使得在正常測試情況下不會出現飽和現象。弛豫的方式有兩種，處于高能态的核通過交替磁場将能量轉移給周圍的分子，即體系往環境釋放能量，本身返回低能态，這個過程稱為自旋晶格弛豫。
其速率用1/T1表示，T1稱為自旋晶格弛豫時間。自旋晶格弛豫降低了磁性核的總體能量，又稱為縱向弛豫。兩個處在一定距離内，進動頻率相同、進動取向不同的核互相作用，交換能量，改變進動方向的過程稱為自旋-自旋弛豫。其速率用1/T2表示，T2稱為自旋-自旋弛豫時間。自旋-自旋弛豫未降低磁性核的總體能量，又稱為橫向弛豫。
核磁共振豐度和靈敏度
天然豐富的12C的I值為零，沒有核磁共振信号。13C的I值為1/2，有核磁共振信号。通常說的碳譜就是13C核磁共振譜。由于13C與1H的自旋量子數相同，所以13C的核磁共振原理與1H相同。但13C核的γ值僅約為1H核的1/4，而檢出靈敏度正比于γ3，因此即使是豐度100%的13C核，其檢出靈敏度也僅為1H核的1/64，再加上13C的豐度僅為1.1%，所以，其檢出靈敏度僅約為1H核的1/6000。這說明不同原子核在同一磁場中被檢出的靈敏度差别很大，13C的天然豐度隻有12C的1.108%。由于被檢靈敏度小，豐度又低，因此檢測13C比檢測1H在技術上有更多的困難。下表是幾個自旋量子數為1/2的原子核的天然豐度和相對靈敏度。
功能特點
核磁共振是一種物理現象，作為一種分析手段廣泛應用于物理、化學生物等領域，到1973年才将它用于醫學臨床檢測。為了避免與核醫學中放射成像混淆，把它稱為核磁共振成像術(MR)。
MR是一種生物磁自旋成像技術，它是利用原子核自旋運動的特點，在外加磁場内，經射頻脈沖激後産生信号，用探測器檢測并輸入計算機，經過處理轉換在屏幕上顯示圖像。
MR提供的信息量不但大于醫學影像學中的其他許多成像術，而且不同于已有的成像術，因此，它對疾病的診斷具有很大的潛在優越性。它可以直接作出橫斷面、矢狀面、冠狀面和各種斜面的體層圖像，不會産生CT檢測中的僞影；不需注射造影劑；無電離輻射，對機體沒有不良影響。
應用
核磁共振适合于液體、固體。如今的高分辨技術，還将核磁用于了半固體及微量樣品的研究。核磁譜圖已經從過去的一維譜圖（1D）發展到如今的二維（2D）、三維（3D）甚至四維（4D）譜圖，陳舊的實驗方法被放棄，新的實驗方法迅速發展，它們将分子結構和分子間的關系表現得更加清晰。
在世界的許多大學、研究機構和企業集團，都可以聽到核磁共振這個名詞，包括我們在日常生活中熟悉的大集團。而且它在化工、石油、橡膠、建材、食品、冶金、地質、國防、環保、紡織及其它工業部門用途日益廣泛。
在中國，其應用主要在基礎研究方面，企業和商業應用普及率不高，主要原因是産品開發不夠、使用成本較高。但在石油化工、醫療診斷方法應用較多。
發展動向
20世紀後半葉，NMR技術和儀器發展十分快速，從永磁到超導，從60MHz到800MHz的NMR譜儀磁體的磁場差不多每五年提高一點五倍，這是被NMR在有機結構分析和醫療診斷上特有功能所促進的。現在有機化學研究中NMR已經成為分析常規測試手段，同樣，在醫療上MRI（核磁共振成像儀器）亦成為某些疾病的診斷手段。NMR在21世紀的發展動向為以下幾個方面。
（1）提高磁體的磁場強度預期21世紀将會出現大于1000MHz的NMR譜儀，這将使生物大分子的結構研究有重大突破。
（2）發展三維核磁共振技術（3D-NMR）随着NMR譜在生物大分子結構分析中的應用，NMR技術所提供的結構信息的數量和複雜性呈幾何級數增加。對三維空間的構象和大分子與小分子（或小分析與小分子）之間的相互作用等，二維核磁共振(2D-NMR)已顯得無能為力了，因此要發展分子建模技術，利用NOE所提供的分子中質子間的距離信息來計算三維空間結構。
（3）固體NMR和NMR成像技術在這生命科學、生物醫學和材料學中将是至關重要的，将會在分子結構特征和動态特征研究方面有所突破。
