《磁共振的基本原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《磁共振的基本原理（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、本文格式为Word版，下载可任意编辑磁共振的基本原理 磁共振根本原理 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，就务必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: 一是务必得志频率条件，二是要得志位相条件。 原子核是自旋的，它绕某个轴旋转（颇像个陀螺）。旋转时产生确定的微弱磁场和磁矩。将自旋的原子核放在一个平匀的静磁场中，受磁场作用，原子核的自旋轴会被强制定向，或与磁场方向一致，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。不同类的原子核有不同的进动性质，
2、这种性质就是旋转比（非零自旋的核具有特定的旋转比），用表示。进动的角频率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（又称拉莫尔频率） : =B (6-1) 静磁场中的原子核自旋时形成确定的微弱势能。当一个频率也为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；当交变电磁场消释后，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得志拉莫尔公式时，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
3、）。鲜明，核磁共振信号是一频率为的交变信号，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。可见它是无才能破坏生物系统的分子的。在实际处境下，由于所研究的对象都是由大量原子核组成的组合体，因此在转入议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，原子核磁矩的方向是随机的，系统的总磁矩矢量为 （6-2） 假设在系统的
4、 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彼此抵消，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 1 系统的核是大量的，位相是肆意的，所以位相的分布是平匀的。图6-2 ( a）是把系统中全体一致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按照统计规律，所以其各向进动的核的
5、矢量和用一致长短的箭头表示，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，所以系统展现平行于Bo的净磁化强度 Mo，用黑箭头表示，见图6-2 ( b）。由于M +、M -的位相分布是平匀和对称的，它们在XY平面上的投影彼此抵消，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
6、 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，角速度矢量的方向沿着Bo相反的方向，即 /与 Bo方向相反。当 B1在 XYZ 坐标系统中以角速度旋转,X Y Z 坐标也以一致的角速度旋转，若旋转电磁场（图 6-3）的圆频率等于核系统磁化强度矢量 M 的进动频率o，即此时静磁场Bo与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 又围着 B1场进动，其进动的角速度=B1（为单位时间内 M 矢量在 X Y Z坐标系统中旋转的角度），
7、即 (6-5) 式中表示在 tp时间内 M 绕B1 转过的角度。 2 图6-3 旋转磁场的运动 由上可见，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。假设射频脉冲的持续时间和强度使M转动一个角度（角射频脉冲见图 6-4 ( b )）。 M 正好转到 XY 平面上，那么称为司/2脉冲，见图 6-5 ( b）。 图 6-4 角度的射频脉冲 从 XYZ 坐标系统来看 M 的运动，这时M 以的角速度绕石 B1进动的同时，又以的角速度绕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
8、出一个球形的螺旋线，这是一个吸收能量的过程。 3 图6-5 /2射频脉冲 二、弛像过程与自由感应衰减信号 核系统在平衡状态时，其磁化强度矢量M在Bo方向的分量Mz=Mo，而在 XY平面上的横向分量Mxy=0。假设在Bo垂直方向施加一激发脉冲，Mo就要偏离平衡位置一个角度，因而处于不平衡状态；此时MzMo 。Mxy0，当激发脉冲中断作用后，M 并不立刻中断转动，而是逐步向平衡态恢复，结果回到平衡位置，这一恢复过程称为弛豫过程，这是一个释放能量的过程。 假设分量Mz,Mxy 向平衡位置恢复的速度与它们离开平衡位置的程度成正比，于是这两个分量的时间导数可写成 (6-6) (6-7) 公式中的负号表示
9、弛豫过程是磁化强度矢量变化的反过程。解之得 (6-8) (6-9) 式中Mxy（ max ）为弛豫过程开头时横向磁化矢量城Mxy的最大值。Tl、T2是因不同的物质特性而异的时间常数。它们也是磁共振成像的重要参数。从式（ 6-8 ）和式（ 6-9 ）可知，恢复到平衡状态时Mz、Mxy 是同时举行的两个过程，两个特征量 T1、T2具有时间的量纲，称为弛豫时间。由图6-6还可以看出，Mz、Mxy）的恢复按照指数规律。 1 弛豫时间 在弛豫过程中，原子核的自旋不断地与周边环境（晶格）举行着热交换，以达成能量平衡。这个弛豫时间称为自旋-晶格弛豫时间，即 T1。由于这个过程是以磁化矢量在Z轴上的纵向分量逐
10、步恢复为标志的，所以又称为纵向弛豫时间。 4 图6-6 M的弛豫过程 （a）自旋-晶体弛豫（b）自旋-自旋弛豫 T1弛豫时间与核磁共振成像系统所采用的放射和接收频率，即拉莫尔频率有关，而拉莫尔频率与静磁场有关，因而T1弛豫时间与成像系统静磁场Bo的大小有关。 测验已表明组织中水的氢核在各种正常器官中或是正常组织与奇怪组织之间， T1都有很大的识别，都有确定的Tl值范围。 在弛豫过程中，自旋的原子核系统内部也在不断地举行着热交换，以达成能量平衡。这个弛豫时间称为自旋-自旋弛豫时间，即T2。在这个过程中，系统本身的能量不变。但由于原子核同时受外加静磁场 Bo和邻近核的磁矩影响，从而其进动频率稍有不
11、同，且平匀地分布于 XY平面上，矢量和等于零。这一过程是以垂直 Z轴上的磁化分量由大变小最终为零为标志的，所以称为横向弛豫时间。 由图 6-6（b）可见，T2定义为水平磁化矢量Mxy裁减到其最大值（90度脉冲作用后的瞬时值）的37时所需要的时间。 在梦想的平匀磁场中，全体核的进动频率都应是一致的，并一致地以外磁场为轴进动。但是由于磁场平匀性很难做得特别梦想，加之组织内磁核产生的局部磁场都会对进动中的核产生影响，使各核磁矩以稍不同的频率进动。这种共振频率的分散性导致各小磁矩具有不同的进动相位，从而引起水平磁化强度的衰减。 一般来说，T2不受施加到组织上的磁场强度的影响。一般清况下，Bo空间不平匀
12、性造成的Mxy减小更明显，因而实际所查看到的是T2，即 (6-10) 其中 Bo为 Bo的偏差量。可见 Mxy在Bo不平匀的处境下衰减得更快。 以上分析说明， Tl 和T2参数反映了H 核与周边原子间的相互作用的程度大小，因而反映了物质的布局特性 H 核的分布和其周边的化学环境，这是磁共振成像透露生物体生理、生化变更的物理根基。 2 自由感应衰减信号 F I D 只要施加于受检体的射频脉冲 B1 ，存在时，核磁化矢量 M 围绕 B1 ；的进动角度 便持续增大， M 在义 XY 平面中将会产生一个分量Mxy，当射频脉冲关断以后，由于核自旋之间和核自旋与晶格之间举行能量交换，产生纵向弛豫和横向弛豫，使核自旋从射频脉冲吸收的能量又放出来。从宏观上看，M 持续围绕Bo以=Bo的频率进动，但它在 XY 平面上的投影 M xy随时间越来越小，结果等于零，其运动轨迹见图6一7 。当在 X 或 Y 轴方向设有一接收线圈，这个线圈可以是发送射频脉冲的同一线圈或单独的接收线圈，由于Mxy在线圈轴线上转动，相当于线圈内磁场方向的变化，于是在线圈两端感应出一个很小的电动势。这个电动势就是NMR信号，叫自由感应衰减信号（ free induction decay signal ）。 5 9
