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山东电大学报年第期
核磁共振成像理论的探讨
武宏王笑红
核磁共振,简称
现像是年由美国物理学家和—鳓
独立发现的。在年之前, 技术主要用顾子核的自挺与破矩
于分析化学结构波谱学。年首先由纽
约洲立大学的首次获得一幅二维
‘
图像,十年之后才出现能应用于临床的成像
机。这种生物磁学核自旋成像技术有潜力填补医学
诊断影像学中的两项主要空白,即组织特征和功能舅雯
信息。——是属于单一物理参数的成像。而
——则可产生多核种、多参数的物理图像。
它除能显示人体任意断层的解剖学图像外,还能显
示内脏功能状态和生理、生化过程信息的空间分布。
此外,利用成像技术还能测血流速度和血管
造影。
一
、核自旋和在外磁场中的进动
核磁共振是研究具有磁矩的原子核在静磁场中
与电磁辐射相互作用一门学科,原子核由中子和质
子组成。实验证明,它们各自在作自旋运动。据经典
物理学,可以把质子和中子形象地想象成一个绕直
径旋转的小球,并用矢量亍自旋角动量来描述其
自旋运动;但按量子力学,则应用一个因核而异的自
旋量子数来表示其自旋。质量数为偶数的核值为
整数或零;质量数为奇数的核,值为半整数。
已知原子核的值后,可按下列公式计算其自
旋大小:
⋯、//
。一。或。一
式中.× · ,是普朗克常
数。
由于原子核带有一定量的正电荷,且分布于核
表面,所以核自旋的结果,就好像是环形电流绕旋转
轴线流动,并产生相应的磁场。这种磁场与微小磁棒
产生的磁场相似,它也具有一定的自旋磁矩如
图。
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山东电大学报年第期
于共取个值,因此原子核中原来的一个能许多原子核都可以用来研究核磁共振,其中氢
级,在外磁场中将分裂成个能级,而其中每个原子核有许多优点。人体内/是水,而每个水分子
能级的能量绝对值都与的大小成正比。对于质就含有两个氢原子,即两个质子,所以体内的氢核含
量最多。一个原子核越重,就越难产生共振,而氢核
子,一÷ ,故一一÷ ;一÷ 。质子有两个能级:一一
‘只有单个质子组成,是最轻最简单的核子。因此,氢
自旋与。平行时的低能级。一和。一核具有良好的自旋和产生强磁场的性质,故目前用
于的原子核主要是。
一自旋与巨
。反平行时的高能级。一。两
‘三、弛豫过程
能级△—。。
大量核磁矩在外界静磁场。作用下形成一个
二、核磁共振
不同的核自旋在外磁场中具有不同的能量,即合矢量,称为磁化强度矢量,记为。其纵向磁化分
量在热平衡状态下是恒定的,不感生信号。按照法拉
处于不同的能级。当一个外来激励电磁场射频场
第电磁感应定律,只有随时问变化的磁化矢量才能
作用于核自旋系统时,该系统就会吸收能量,并由低
能级向高能级跃迁。这就是核磁共振的过程。把含有感生信号,因此只有形成随时间变化的、垂直于静磁
被研究原子核系的样品放入主磁场。中,然后在垂场的横向磁化分量才能在接收线圈中感生
电压。为了形成,可提供一个频率刚好为拉莫尔
直。方向施加一射频磁场实为射频电磁场的磁场
频率与作旋进的核自旋同步的外加旋转射频
分量,则当此射频场的角频率—。。时,此
场。。当射频场的作用方向与主磁场