Magnetic Resonance Imaging | An Introduction | Site Info: The Project.

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第 02 章

02-01
基础知识

02-02
原子核的磁性

02-03
Boltzmann分布

02-04
Larmor方程

02-05
共振

02-06
磁化矢量

02-07
旋转坐标系

02-08
磁共振信号

02-09
频率分析:Fourier变换


02-02  原子核的磁性

核磁共振成像所涉及到原子核主要是人体本身含有的原子核:1H、13C、19F、23Na、和 31P。氢核(1H)是磁共振成像的首选原子核。因为人体两大主要成分水和脂肪都含有这种具有磁性的氢核,容易和其他非磁性同位素区别开来。像 12C 和 16O 这样质子数和中子数都是偶数的原子核不产生磁共振信号。

氢原子(1H)含有一个绕自旋轴旋转的带正电的质子。带电粒子的自旋会产生一个与条形磁铁磁场类似的磁场,见图02-02


图02-02
自旋的带电粒子就像一个磁偶极一样,拥有特征磁矩并能产生一个与条形磁铁磁场类似的磁场。
N:磁北极;S:磁南极.


当磁性原子核被放进一个磁场时,他们能吸收特征频率的电磁波。特征频率大小取决于原子核的种类、磁场的强度以及原子核周围的理化环境,见图02-03。


图02-03
无论是在强磁场中还是在弱磁场中,磁性原子核都能吸收电磁波。只不过,特征吸收频率有场强依赖性。场强越强,特征吸收频率就越高。


磁共振就是利用磁场中磁性原子核对射频辐射的吸收和再辐射这个基本现象所产生的技术。

我们可以借助于宏观世界中两个类似的例子来认识磁共振现象。一个例子就是如图02-04所示的被放进磁场里的小磁针。如果小磁针可以自由旋转,它会转动到平衡位置。而且,如果没有任何外力影响这个体系,小磁针将一直静止在这个平衡位置上。


图02-04
指南针的平衡态:a) 用手指迫使指南针旋转180度,指南针就处于一个不稳定的高能态;b)撤销手指作用之后,指南针就会回到原来的平衡位置上。


如果我们用手指迫使小磁针旋转180度,小磁针就处于一个高能的不稳定状态。当我们收回手指后,小磁针就会回到原来的平衡位置上。

另外一个例子就是如图02-05所示的松紧程度不同的吉他弦。当吉他弦被拨动时,弦的振动幅度取决于弦的紧张程度。这个例子说明了施加的外力对体系所吸收或发射的波的频率的影响。


图02-05
不受张力(外加磁场)作用的吉他弦(原子核)不能振动。张力作用越强,振动的频率就越高。


在这两个例子中,我们分别把宏观世界中的小磁针和吉他弦与微观世界中的原子核进行了类比。

因为所有分子尺度的物理现象都是量子化取值的。例如,从高能不稳定状态恢复到平衡状态,小磁针可以有无穷多个过渡状态,但是,像氢核这样自旋量子数为1/2原子核只有两种量子化的取值:高能不稳定状态和平衡状态,见图02-06。


图02-06
处于磁场之外(a)和之内(b)的质子。磁场存在时,原子核布居在两个不同的能级上。能级差像布居数一样,会随磁场强度线性递增。


在平衡时,能量较低的能级上的布居数要稍微多一点儿,从而产生了净磁化矢量。要想观察这种布居数差异就必须给体系提供与两个能级间能量差相等的能量ΔE。


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