原子核自旋,有角動量,。磁共振成像MRI成像原理由于核帶電荷,,它們的自旋就產(chǎn)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(tài):取向“平行”和“反向平行”,,他們分別對應于低能和高能狀態(tài)。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(huán)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(shù),。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,,因此最適合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(chǎn)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(tài),。可以證明,,處于兩種基本能量狀態(tài)核子之間存在動態(tài)平衡,,平衡狀態(tài)由磁場和溫度決定。當從較低能量狀態(tài)向較高能量狀態(tài)躍遷的核子數(shù)等于從較高能量狀態(tài)到較低能量狀態(tài)的核子數(shù)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(tài)間磁場能量的差值,就能使磁矩從能量較低的“平行”狀態(tài)跳到能量較高“反向平行”狀態(tài),,就發(fā)生共振,。
由于向磁矩施加拉莫頻率的能量能使磁矩發(fā)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(jīng)射頻場的力迫使宏觀磁化向量環(huán)繞它作進動。如果各持續(xù)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(chǎn)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(chǎn)生感生電壓。磁共振成像MRI成像原理當射頻磁場B1撤除后,,宏觀磁化向量經(jīng)受靜磁場作用,,就環(huán)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(shù)衰減至零為此,,它感生的電壓幅度也隨時間衰減,表現(xiàn)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(shù)目成正比,,于是,在磁共振圖像中可辨別氫原子密度的差異,。
因為拉莫爾頻率與磁場強度成比例,,如果磁場沿X軸成梯度改變,得到的共振頻率也顯然與體元在X軸的位置有關,。而要得到同時投影在二個坐標軸X-Y上的信號,,可以先加上梯度磁場GX,收集和變換得到的信號,,再用磁場GY代替GX,,重復這一過程,。在實際情況下,信號是從大量空間位置點收集的,,信號由許多頻率復合組成,。磁共振成像MRI成像原理利用數(shù)學分析方法,如傅里葉變換,,就不但能求出各個共振頻率,,即相應的空間位置,還能求出相應的信號振幅,,而信號振幅與特定空間位置的自旋密度成比例,。所有核磁共振成像方法都以這原理為基礎。
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