核磁共振原理

一、原子与原子核
    自然界中的任何物质都是由分子或原子组成的，分子是由原子组成的，如水分子Ｈ－Ｏ－Ｈ，是由2个氢原子与1个氧原子组成。原子由原子核与核外电子组成，核外电子数不同的原子具有不同的化学与物理性质，分属于不同的化学元素，化学元素周期表反映了核外电子的排布规律。原子核由质子和中子组成，质子有电荷，质子数等于核外电子数。对于一种化学元素，原子核中的质子数是一定的，但中子数有不同。同一化学元素中子数不同的原子属于不同的核素，不同的核素其物理性质是不同的。比如氢元素有3种核素：１Ｈ、２Ｈ 、３Ｈ，它们的原子核的组成分别是１质子、１质子和１中子、１质子和２中子，它们的共同点是原子核内都有一个质子核外有一个电子，因此都属于氢元素。对于某一种化学元素，不同核素在自然界，的含量是有很大差别的。比如１Ｈ与２Ｈ分别为99.895％与0.015％，3Ｈ是一种不稳定的核素，只有在特定的条件下才能生成，并且很快便会衰变。原子核除了它的构成不同，其中质子带有电荷以外，还有一部分核具有磁性，核磁共振就是研究这部分具有磁性的原子核。 

图5-2 质子数或中子数为奇数的原子核带有磁性

二、拉莫尔进动
    含有奇数质子或中子的原子核（以１Ｈ为代表）自旋在其周围产生磁场，如同一个小磁体有南北极。磁场用磁矩（Ｍ）来表示，磁矩有其大小、方位和方向，如图5-3所示。  
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图5-3 磁矩有大小,方向和方位

    无外加磁场时，质子群中的各个质子任意方向自旋，其磁矩相互抵消，因而单位体积内生物组织的宏观磁矩Ｍ＝０，如图5-4所示。
    如将生物组织置于一个大的外加磁场中（又称主磁场，用矢量Ｂ０表示），则质子磁矩方向发生变化，结果是较多的质子磁矩指向与主磁场B０相同的方向，而较少的质子磁矩与B０方向相反，而与B０方向相反的质子具有较高的位能 。 常温  
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图5-4 自由质子的磁矩 
下， 顺主磁场排列的质子数目较逆主磁场排列的质子稍多，因此，出现与主磁场B０方向一致的净宏观磁矩(或称为宏观磁化矢量）Ｍ，如图5-5所示。
    此时，氢原子核在绕着自身轴旋转的同时，又沿主磁场方向Ｂ０作圆周运动,将质子磁矩的这种运动称之为进动，如图5-6所示。  
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图5-5 净磁矩与主磁场同相

    在主磁场中，宏观磁矩象单个质子磁矩那样作旋进运动，磁矩进动的频率符合拉莫尔（Larmor）方程：
                                  
ｆ＝ｒＢ0/２π
式中：f ---- 进动的频率
      B0 ----主磁场强度
  r ---- 旋磁比（对于每一种原子核是恒定的常数）
    换句话说，在主磁场Ｂ0s一定的情况下，其原子核的旋进频率是一定的，氢原子核在  
 

三、施加射频脉冲后(氢)质子状态  
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图5-7 旋进的质子与旋进的陀螺的比较

    当生物组织被置于一个大的静磁场中后， 其生物组织内的氢质子顺主磁场方向的处于低能态 
而逆主磁场方向者为高能态。在低能态与高能态之间根据静磁场场强大小与当时的温度，势必要达到动态平衡，称为“热平衡”状态。这种热平衡状态中的氢质子，被施以频率与质子群的旋进频率一致的射频脉冲时，将破坏原来的热平衡状态，从微观上讲，将诱发两种能态间的质子产生能态跃迁，被激励的质子从低能态跃迁到高能态，出现核磁共振。从宏观上讲， 
受到射频脉冲激励的质子群偏离原来的平衡状态而发生变化，其变化程达的位置度取决于所施加射频脉冲的强度和时间。施加的射频脉冲越强，持续时间越长，在射频脉冲停止时，Ｍ离开其平衡状态Ｂ０越远。在ＭＲＩ技术中使用较多的是90°、180°射频脉冲。施加90°脉冲时，宏观磁化矢量Ｍ以螺旋运动的形式离开其原来的平衡状态，脉冲停止时，Ｍ垂直于主磁场Ｂ０,如图5-8所示。  
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图5-8 射频脉冲作用质子磁矩后的进动路径及到达的位置 
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图5-9 90°脉冲后横向磁化矢量达到最大

    如用以Ｂ０为Ｚ轴方向的直角座标系表示Ｍ，则宏观磁化矢量Ｍ平行于ＸＹ平面，而纵向磁化矢量Ｍｚ＝０，横向磁化矢量Mxy最大，如图5-9所示。
    这时质子群几乎以同样的相位旋进。施加180°脉冲后，Ｍ与Ｂ０平行，但方向相反，横向磁化矢量Ｍｘｙ为零，如图5-10所示。  
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图5-10 180°脉冲后的横向磁化分量为0

    
    总之，施加90°、180°或其他角度的射频脉冲后，人体组织内受检部位的氢质子因接受了额外能量，其磁化矢量偏离了静磁场方向而转动90°、180°或其他角度，部分处于低能级的氢质子因吸收能量而跃迁到高能态，这一接收射频场电磁能的过程就称为磁共振的激励过程。在激励过程中氢质子吸收了额外的电磁能，由低能态升入高能态，从而进入了磁共振的预备状态。
    四、射频脉冲停止后（氢）质子状态
    脉冲停止后，宏观磁化矢量又自发地回复到平衡状态，这个过程称之为“核磁弛豫”。当90 °脉冲停止后，Ｍ仍围绕Ｂ０轴旋转，Ｍ末端螺旋上升逐渐靠向Ｂ０，如图5-11所示 。
    图5-11 90°脉冲停止后宏观磁化矢量的变化  
 

图5-11 90度脉冲停止后宏观磁化矢量的变化

    在脉冲结束的一瞬间，Ｍ在ＸＹ平面上分量Ｍｘｙ达最大值，在Ｚ轴上分量Ｍｚ为零。当恢复到平衡时，纵向分量Ｍｚ重新出现，而横向分量Ｍｘｙ消失。由于在弛豫过程中磁化矢量Ｍ强度并不恒定，纵、横向部分必须分开讨论。弛豫过程用2个时间值描述，即纵向弛豫时间(Ｔ１)和横向弛豫时间(Ｔ２)。
    １．纵向弛豫时间（Ｔ１）
    90°脉冲停止后，纵向磁化矢量要逐渐恢复到平衡状态，测量时间距射频脉冲终止的时间越长，所测得磁化矢量信号幅度就越大。弛豫过程表现为一种指数曲线，Ｔ１值规定为Ｍｚ达到最终平衡状态６３％的时间，如图5-12示。  
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图5-12 纵向弛豫时间T1

    Ｔ１进一步的物理意义的理解，只有从微观的角度分析。由于质子从射频波吸收能量，处于高能态的质子数目增加，Ｔ１弛豫是质子群通过释放已 吸收的能量，以恢复原来高低能态平衡的过程， Ｔ１弛豫也称为自旋－晶格弛豫。
     ２．横向弛豫时间（Ｔ２）
     90°脉冲的一个作用是激励质子群使之在同一方位，同步旋进（相位一致），这时横向磁化矢  
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图5-13 90度脉冲停止后宏观磁化矢量的变化 
量Ｍｘｙ值最大，但射频脉冲停止后，质子同步旋进很快变为异步，旋转方位也由同而异，相位由聚合一致变为丧失聚合而各异，磁化矢量相互抵消，Ｍｘｙ很快由大变小,最后趋向于零，称之为去相位。横向磁化矢量衰减也表现为一种指数曲线，Ｔ２值规定为横向磁化矢量衰减到其原来值３７％所用的时间，如图5-13所示。
    横向磁化矢量由大变小直至消失的原因是：组织中水分子的热运动持续产生磁场的小波动,周围磁环境的任何波动可造成质子共振频率的改变，使质子振动稍快或稍慢，使质子群由相位一致变为互异，即质子热运动的作用使质子间的旋进方位和频率互异，但无能量交换纵向弛豫。这种弛豫也称为自旋-自旋弛豫。

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