磁共振成像分析.doc

第2节 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5-1 核磁可看作小磁棒 哪些原子核具有磁性呢？氢原子核中只有一个质子，质子有沿自身轴旋转（自旋）的固有本性，质子距原子核中心有一定距离。因此质子自旋就相当于正电荷在环形线圈中流动，在其周围会形成一个小磁场，此即核磁，如图5-1所示。 ???? 不仅质子自旋可产生磁场，中子的自旋也可产生磁场，后者似乎难以理解，推测这种现象是中子内有几个正、负电荷相互补偿，因此中子自旋也相当于电荷在线圈中流动。如原子核含有的质子和中子数均为偶数，则其自旋所产生的磁场相互抵消，为非磁性。原子核含有奇数（不成对）的质子或中子，其自旋可产生磁场，也就是说凡是质子数或中子数，或者二者都为奇数的原子核都有磁性，如图5-2所示。???? 生物组织中含有１H、１３C、１９F、23Nａ、311 P等元素，有磁性的元素约百余种。但在现今ＭＲ中研究和使用得最多的为１Ｈ，这有两个原因，一是１Ｈ为磁化最高的原子核，二是因为它占活体组织原子数量的２/３，形成 ＭＲＩ的１Ｈ原子大部分位于生物组织的水和脂肪中。因１Ｈ只有一个质子，故１Ｈ的ＭＲＩ影像也称为质子像，ＭＲＩ文献中未特别注明者，均指的是生物组织的１Ｈ像。?  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。?  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?  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。?  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? ? 图5-6 质子磁矩的进动 不同磁场中的共振频率是不同的，如主磁场为1.0 Ｔ时，氢原子核的旋进频率为42.6ＭＨｚ。沿主磁场旋进着的质子就好像在重力作用下旋进着的陀螺，如图5-7所示。 兆赫（Mega Hertz, MHz）是波动频率单位之一。波动频率的基本单位是 HYPERLINK "/view/19996.htm" \t "_blank" 赫兹，采千进位制；1兆赫相当于1000 HYPERLINK "/view/1410929.htm" \t "_blank" 千赫（KHz），也就是10^6赫兹。值得注意的是，兆赫只是一定义上的名词，在量度单位上作100万解。 频率划分 在 HYPERLINK "/view/26606.htm" \t "_blank