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1、第三节 进入主磁场前后人体内质子核磁状态的变化一、进入主磁场前人体内质子的核磁状态人体的质子不计其数，每毫升水中的质子数就达 31022 个。每个质子自旋均能产生 1个小磁场，人体内如此多的质子自旋将产生无数个小磁场，那么人体不就象块大磁体了吗？事实并非如此，尽管每个质子均能产生 1 个小磁场，这种小磁场的排列是随机无序（即杂乱无章）的，使每个质子产生的磁化矢量相互抵消（图 3a） ，因此，人体自然状态下并无磁性，即没有宏观磁化矢量的产生。MRI 仪仅能探测到宏观磁化矢量的变化，而不可能区分每个质子微观磁化矢量变化。那么如何产生宏观磁化矢量呢？简单的做法就是把人体放进一个大磁场（即主磁场）中。
2、a b图 3 进入主磁场前后人体内质子的核磁状态变化图 a 为进入主磁场前，尽管每个质子自旋都产生一个小磁场，但排列杂乱无章，磁化矢量相互抵消，因此没有宏观磁化矢量产生。图 b 示进入主磁场后，质子自旋产生的小磁场与主磁场平行排列，平行同向者略多于平行反向者，最后产生一个与主磁场方向一致的宏观纵向磁化矢量。二、进入主磁场后人体内质子的核磁状态图 3 所示为进入主磁场前后人体内质子核磁状态的变化。进入主磁场后，人体内的质子产生的小磁场不再是杂乱无章，呈有规律排列（图 3b） 。从图中可以看出，进入主磁场后，质子产生的小磁场有两种排列方式，一种是与主磁场方向平行且方向相同，另一种是与主磁场平行但方
3、向相反，处于平行同向的质子略多于处于平行反向的质子。从量子物理学的角度来说，这两种核磁状态代表质子的能量差别。平行同向的质子处于低能级，因此受主磁场的束缚，其磁化矢量的方向与主磁场的方向一致；平行反向的质子处于高能级，因此能够对抗主磁场的作用，其磁化矢量尽管与主磁场平行但方向相反。由于处于低能级的质子略多于处于高能级的质子，因此进入主磁场后，人体内产生了一个与主磁场方向一致的宏观纵向磁化矢量（图 3b） 。三、进动和进动频率需要指出的是，进入主磁场后，无论是处于高能级还是处于低能级的质子，其磁化矢量并非完全与主磁场方向平行，而总是与主磁场有一定的角度。如图 4a 所示，陀螺在自旋SN宏观纵向磁
4、化矢量力（以虚线为轴）与地球引力的相互作用下，不仅存在旋转运动，而且还出现绕着地球引力（以带箭头的黑实线为轴，箭头表示地球引力方向）的旋转摆动，这种旋转摆动的频率远低于旋转运动。如图 4b 所示，处于主磁场的质子也是一样，除了自旋运动外，还绕着主磁场轴（虚线，箭头表示主磁场方向）进行旋转摆动，我们把质子的这种旋转摆动称为进动（precession） 。图 4a 陀螺旋进运动示意图 图 4b 质子自旋及进动示意图进动是磁性原子核自旋产生的小磁场与主磁场相互作用的结果，进动频率明显低于自旋频率，但对于磁共振成像的来说，进动频率比自旋频率重要得多。进动频率也称 Larmor频率，其计算公式为： .B
5、，式中为 Larmor 频率， 为磁旋比（对于某一种磁性原子核来说是个常数，质子的约为 42.5 mHz/T） ，B 为主磁场的场强，单位为特斯拉（T） 。从式中可以看出，质子的进动频率与主磁场场强成正比。如图 5 所示，由于进动的存在，质子自旋产生小磁场又可以分解成两个部分，一部分为方向恒定的纵向磁化分矢量（条状虚线箭头） ，处于高能级者与主磁场方向相反，处于低能级者与主磁场的方向相同；另一部分为以主磁场方向（B 0）即 Z 轴为轴心，在 X、Y 平面旋转的横向磁化分矢量（圆点虚线箭头） 。就纵向磁化分矢量来说，由于处于低能级的质子略多于处于高能级者，最后会产生一个与主磁场同向的宏观纵向磁化
6、矢量。就横向磁化分矢量来说，如图 6 所示，我们沿 Z 轴方向看 XY 平面上的横向磁化分矢量的分布，圆圈及其箭头表示质子进动产生的横向磁化分矢量是绕 Z 轴旋转的，圆点虚线箭头代表各质子的横向磁化分矢量，由于每个旋转的横向磁化分矢量所处的的相位不同，磁化矢量相互抵消，因而没有宏观横向磁化矢量产生。B0因此，人体进入主磁场后被磁化了，但没有宏观横向磁化矢量产生，仅产生了宏观的纵向磁化矢量，某一组织（或体素）产生的宏观矢量的大小与其含有的质子数有关，质子含量越高则产生宏观纵向磁化矢量越大。我们可能认为 MRI 已经可以区分质子含量不同的组织了。然而遗憾的是 MRI 仪的接收线圈并不能检测到宏观纵向磁化矢量，也就不能检测到这种宏观纵向磁化矢量的差别。那么接收线圈能够检测到怎样的宏观磁化矢量呢？接 受 线 圈 能 够 检 测 到 的 是 旋 转 的 宏 观 横 向 磁 化 矢 量 ， 因 为 旋 转 的 宏 观 横 向 磁 化 矢 量 可 以切 割 接 收 线 圈 产 生 电 信 号 。 那 么 如 何 才 能 产 生 接 收 线 圈 能 够 探 测 到 的 旋 转 宏 观 横 向 磁 化 矢 量呢 ？图 5 处于低能级和高能级状态下的质子由于进动产生纵向和旋转的横向磁化分矢量图 6 各质子旋转的横向磁化分矢量由于相位不同而相互抵消，没有宏观横向磁化矢量产生
