核磁共振的成像原理

核磁共振成像原理
原子核自旋，有角動量。由于核帶電荷，它們的自旋就產生磁矩。當原子核置于靜磁場中，本來是隨機取向的雙極磁體受磁場力的作用，與磁場作同一取向。以質子即氫的主要同位素為例，它只能有兩種基本狀態：取向“平行”和“反向平行”，他們分別對應于低能和高能狀態。精確分析證明，自旋并不完全與磁場趨向一致，而是傾斜一個角度θ。這樣，雙極磁體開始環繞磁場進動。進動的頻率取決于磁場強度。也與原子核類型有關。它們之間的關系滿足拉莫爾關系：ω0=γB0，即進動角頻率ω0是磁場強度B0與磁旋比γ的積。γ是每種核素的一個基本物理常數。氫的主要同位素，質子，在人體中豐度大，而且它的磁矩便于檢測，因此最適宇從它得到核磁共振圖像。
從宏觀上看，作進動的磁矩集合中，相位是隨機的。它們的合成取向就形成宏觀磁化，以磁矩M表示。就是這個宏觀磁矩在接收線圈中產生核磁共振信號。在大量氫核中，約有一半略多一點處于低等狀態。可以證明，處于兩種基本能量狀態核子之間存在動態平衡，平衡狀態由磁場和溫度決定。當從較低能量狀態向較高能量狀態躍遷的核子數等于從較高能量狀態到較低能量狀態的核子數時，就達到“熱平衡”。如果向磁矩施加符合拉莫爾頻率的射頻能量，而這個能量等于較高和較低兩種基本能量狀態間磁場能量的差值，就能使磁矩從能量較低的“平行”狀態跳到能量較高“反向平行”狀態，就發生共振。
由于向磁矩施加拉莫頻率的能量能使磁矩發生共振，那么使用一個振幅為B1，而且與作進動的自旋同步（共振）的射頻場，當射頻磁場B1的作用方向與主磁場B0垂直，可使磁化向量M偏離靜止位置作螺旋運動，或稱章動，即經射頻場的力迫使宏觀磁化向量環繞它作進動。如果各持續時間能使宏觀磁化向量旋轉90o角，他就落在與靜磁場垂直的平面內。可產生橫向磁化向量Mxy。如果在這橫向平面內放置一個接收線圈，該線圈就能切割磁力線產生感生電壓。當射頻磁場B1撤除后，宏觀磁化向量經受靜磁場作用，就環繞它進動，稱為“自由進動”。因進動的頻率是拉莫爾頻率，所感生的電壓也具有相同頻率。由于橫向磁化向量是不恒定，它以特征時間常數衰減至零為此，它感生的電壓幅度也隨時間衰減，表現為阻尼振蕩，這種信號就稱為自由感應衰減信號(FID, Free Induction Decay)。信號的初始幅度與橫向磁化成正比，而橫向磁化與特定體元的組織中受激勵的核子數目成正比，于是，在磁共振圖像中可辨別氫原子密度的差異。