磁共振成像(MRI)物理学

由于磁共振成像(MRI)能够提供软组织之间的高对比度，它为医学诊断成像带来了许多改进。核磁共振技术是基于核磁共振波谱学(核磁共振)，它是建立在具有非零磁矩的原子核与外部磁场相互作用的基础上的。为了理解核磁共振的表现，我们应该理解核磁共振的现象。

核磁共振(NMR)

像质子、中子和电子这样的亚原子粒子有一个基本的特性，叫做自旋，它可以被视为角动量。根据量子力学，自旋包含方向信息，沿某一方向的自旋分量只能取离散值。质子和中子都是费米子，自旋为半整数且遵循泡利不相容原理的粒子。

在一些原子中，原子核自旋是成对的，这导致原子核没有整体自旋。然而，如果原子核含有奇数个质子和/或中子，它就具有固有的角动量和磁矩。如果将一个自旋不成对的原子核置于磁场中，核磁矩和外场将相互作用(见左图)。这种相互作用被经典电磁学理论解释为这种核矩在角频率ωo(拉莫尔频率)上关于(静态)磁场Bo的进动。

核磁矩与外加磁场呈平行(能量较低)或反平行(能量较高)方向排列，但围绕外加磁场以一定角度进动，其角频率为:

ωo = γ。薄

其中γ是陀螺磁比，是特定类型原子核的常数。

一旦两个自旋态之间存在能量差，就有可能诱导从一个态转变到另一个态。如果核自旋吸收的能量等于两种状态之间的能量差，那么从一个能级到另一个能级的跃迁就有很大的概率发生。这种能量在无线电频率范围内。

当静磁场中的核受到频率等于进动频率ωo的振荡场辐照时，就会发生核磁共振。在这种情况下，由振荡场组成的脉冲可以旋转原子核的磁化强度，并将其置于与静磁场Bo垂直的平面上。

当原子核吸收能量时，它会进入激发态，这种激发态可以持续几分钟。然后，被激发的原子核“放松”并进入基态。在核磁共振实验中，弛豫的时间尺度是非常重要的。激发态系统从磁化中放松回来的速率与它被诱导的速率相同。

核磁共振技术

振荡场对能量的吸收能够诱导出一种电压，这种电压可以被适当的仪器检测到。这里描述了两种主要的核磁共振技术:(我)连续波核磁共振和(2)脉冲核磁共振。

连续波核磁共振．在连续波核磁共振中，LC电路是射频振荡器的基本部分。用这种技术观察到的信号是由样品中原子核吸收的能量引起的振荡能量的衰减所构成的。施加的信号是通过在增大的直流磁场上叠加一个小的交变磁场来调制的。当直流信号接近共振时，调制信号反复扫过核磁共振信号。

脉冲核磁共振．脉冲傅里叶变换技术(FT-NMR)的引入使得实现更好的分辨率和灵敏度成为可能。这种技术比前一种技术需要更复杂的电路。在FT-NMR中，射频脉冲同时照射光谱宽度内的所有频率。时变磁化(法拉第定律)诱导的电压经过傅里叶变换后可以提供核磁共振谱。观测到的信号是某一样品中不同位置的核磁化产生的信号的和。如果在实验中使用磁场梯度，进动频率ωo在空间上是相关的。因此，采集信号的每个分量都有特定的频率和相位。

自旋态在不同位置的每次跃迁所产生的能量之和可表示为:

S(k) =∫ρ(x).exp(ikx) dx

在哪里年代(k)表示信号在空间频域和ρ是体积的自旋密度，表示不同位置的原子核数量。论证(ikx)为相位矢量。

由于该技术的最终目标是图像，因此在空间频域获得的信号必须转换为实空间中的密度(通过傅里叶变换)。

参考文献

约翰·c·爱德华兹的《核磁共振原理》。

j.m.麦考密克用核磁共振波谱法测量基团电负性．

James, Thomas L.核磁共振基础。

亨宁，J. k空间抽样策略，欧。放射学报。9,1020-1031(1999)。