磁共振的基本原理

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1、磁共振基本原理磁共振成像的依据是与人体生理、生化有关的人体组织密度对核磁共振的反映不同。要理解这个问题，就必须知道核磁共振和核磁共振的特性。一、核磁共振与核磁共振吸收的宏观描述由力学中可知，发生共振的条件有二:一是必须满足频率条件，二是要满足位相条件。原子核是自旋的，它绕某个轴旋转（颇像个陀螺）。旋转时产生一定的微弱磁场和磁矩。将自旋的原子核放在一个均匀的静磁场中，受磁场作用，原子核的自旋轴会被强制定向，或与磁场方向相同，或与磁场方向相反。重新定向的过程中，原子核的自旋轴将类似旋转陀螺般的发生进动。

2、不同类的原子核有不同的进动性质，这种性质就是旋转比（非零自旋的核具有特定的旋转比），用γ表示。进动的角频率ω一方面同旋转比有关；另一方面同静磁场的磁场强度B有关。其关系有拉莫尔（Larmor）公式（ω又称拉莫尔频率）:ω=γ·B(6-1)静磁场中的原子核自旋时形成一定的微弱势能。当一个频率也为ω的交变电磁场作用到自旋的原子核时，自旋轴被强制倾倒，并带有较强的势能；当交变电磁场消除后，原子核的自旋轴将向原先的方向进动，并释放其势能。这种现象就是核磁共振现象（换言之，当电磁辐射的圆频率和外磁场满足拉莫尔

3、公式时，原子核就对电磁辐射发生共振吸收），这一过程也称为弛豫过程，释放势能所产生的电压信号就是核磁共振信号．也被称为衰减信号（FID）。显然，核磁共振信号是一频率为ω的交变信号，其幅度随进动过程的减小而衰减。图6-1表示几种原子核的共振频率与磁场强度的关系。这些频率是在电磁波谱的频带之内，这样的频率大大低于X线的频率，甚至低于可见光的频率。可见它是无能力破坏生物系统的分子的。在实际情况下，由于所研究的对象都是由大量原子核组成的组合体，因此在转入讨论大量原子核在磁场中的集体行为时，有必要引人一个反映系

4、统磁化程度的物理量来描述核系统的宏观特性及其运动规律。这个物理量叫静磁化强度矢量，用M表示。由大量原子核组成的系统，相当于一大堆小磁铁，在无外界磁场时，原子核磁矩μ的方向是随机的，系统的总磁矩矢量为（6-2）如果在系统的Z轴方向外加一个强静磁场B。，原子核磁矩受到外磁场的作用，在自身转动的同时又以B。为轴进动，核磁矩取平行于BO的方向。按照波尔兹曼分布，在平衡状态下，处于不同能级的原子核数目不相等，使得原子核磁矩不能完全互相抵消，从而有（6-3）此时可以说系统被磁化了，可见M是量度原子核系统被磁化程

5、度的量，是表示单位体积中全部原子核磁矩的矢量和。图6-1几种原子核的共振频率与磁场强度的关系26系统的核是大量的，位相是随意的，所以位相的分布是均匀的。图6-2(a）是把系统中所有相同进动位相的核的矢量和用一箭头表示，并平移到坐标的O点，由于核进动位相分布服从统计规律，所以其各向进动的核的矢量和用相同长短的箭头表示，这就构成上下两个圆锥，图中M＋表示处于低能级进动核数在Bo方向的矢量和M-表示高能级核数在Bo反方向的矢量和，因低能级核数略多于高能级，所以M+>M-,M+M-方向相反，所以系统出现平行

6、于Bo的净磁化强度Mo，用黑箭头表示，见图6-2(b）。由于M+、M-的位相分布是均匀和对称的，它们在XY平面上的投影互相抵消，所以在垂直于Z轴方向上的分量，即横向分量Mxy就等于0，也就是说系统在平衡态时的核磁化强度矢量M0就等于纵向分量Mz。图6-2核系统核磁矩矢量和设固定坐标系统XYZ的Z轴和旋转坐标系统X'Y'Z'的Z'轴重合，X'Y'绕Z轴旋转，当在Z轴方向施加一个静磁场Bo，同时又引人一个旋转电磁场，它的磁矢量B1就在X'轴上，角速度矢量ω的方向沿着Bo相反的方向，即ω/γ与Bo方向相反

7、。当B1在XYZ坐标系统中以角速度ω旋转,X'Y'Z'坐标也以相同的角速度ω旋转，若旋转电磁场（图6-3）的圆频率ω等于核系统磁化强度矢量M的进动频率ωo，即此时静磁场Bo与ω／y完全相互抵消，只剩下在X'轴上的磁场B1，又叫有效磁场。（6-4）此时X'Y'Z'坐标系统中的B1；就相当于是作用在M上的静磁场，所以M又绕着B1场进动，其进动的角速度Ω=γB1（Ω为单位时间内M矢量在X'Y'Z'坐标系统中旋转的角度），即(6-5)式中θ表示在tp时间内M绕B1转过的角度。26图6-3旋转磁场的运动由上可

8、见，只要在Bo的垂直方向施加一旋转磁场B1，核磁化矢量M与静磁场Bo方向的偏转角就要不断增大，见图6-4(a）。增大的速度取决于B1与tp。如果射频脉冲的持续时间和强度使M转动一个角度θ（θ角射频脉冲见图6-4(b)）。M正好转到XY平面上，则称为司π/2脉冲，见图6-5(b）。图6-4θ角度的射频脉冲从XYZ坐标系统来看M的运动，这时M以Ω的角速度绕石B1进动的同时，又以ω的角速度绕Bo进动，其总的运动就呈现如图6-5(a）的锥形转动，由M的顶端划出一个球形的螺旋线