磁共振的物理学

MRI是把某些物质置于磁场内时，其原子核能吸收和放射出特定频率的射频能量的现象，其吸收和放射射频能量的频谱决定于所观察的原子核及其化学环境。

原子核内的质子和中子都有角动量或自旋的特性，成对的质子和中子的自旋作用可相互抵消。能够形成MRI的原子核其质子和中子必须为奇数，这样才具有净负荷和角动量，由于净负荷和角动量二者的结合，原子核具有磁偶极子的特性。除氢原子外，31　P、23　Na、13　C和39　K的质子均为奇数，可以发生磁共振成像。人体中水的成分占60%，所以目前几乎所有的MRI都用氢核成像。可以把奇数的质子或中子所形成的偶极子（质子）看成是自由悬空的小磁棒，沿其磁轴快速旋转，在无外加磁场的情况下，它们的取向是任意和无规律的，当把一组磁偶极子置于均匀的静磁场（B0）内时，每个质子以两种能量状态之一存在。在低能状态下，质子的磁矩排列几乎与B0平行；在高能状态下，磁矩与B0呈反向排列。在静止和平衡状态下，平行的低能状态的质子略多于高能反向排列的质子，沿磁场方向形成净磁化，通常把它定为Z轴。在MRI扫描机内，Z轴相当于人体的纵轴，X轴和Y轴与Z轴垂直，二者也相互垂直，代表横面。由于原子核是自旋的，它们对力偶的反应像是陀螺，其长轴是倾斜地沿着磁场方向以完全相同的频率旋转，即进动。质子进动的速度称Larmor频率，进动频率与场强成正比，并与核的旋磁比有关，质子在不同场强中的自旋频率（或共振频率）可按Larmor方程式求出，即ω0＝rB0，ω0为共振频率（MHz）。B0为静磁场场强，r为常数，即旋磁比，氢核的旋磁比为42．58MHz／T。如扫描机场强为1T，其共振频率为42．58MHz（ω0＝42．58×1＝42．58MHz）。在目前使用的场强范围内，氢核进动频率为6．4～64MHz，这样的频率是在无线电波范围内，故称射频（RF）。

在均匀的磁场内，每个质子的进动速度相同，但并不同步，即它们彼此不在相同的期相内进动，因此垂直于B0的磁矢量呈任意排列，且被消除。因而在这种平衡状态下，无横向磁化，只有与B0方向一致的纵向磁化。如果将一个来自线圈的振荡频率脉冲加于磁场内的一群质子上，射频脉冲的振荡频率与质子进动频率相同时，则引起强烈的交互作用，或者共振效应即核磁共振，产生核磁共振的频率称Larmor共振频率。

来自线圈的射频脉冲能量被吸收后，改变了磁场的平衡状态，引起两种变化：第一，使质子都处在同一期相，即其进动频率不仅相同且在同一期相运动；第二，使一些处于低能状态的质子受到激发，进入高能的反平行状态。其结果是使净磁矢量M的进动偏离B0，即沿Z轴走行的净磁化发生偏转，偏转的角度决定于射频脉冲的强度和时间，使净矢量M偏转90°和180°的脉冲分别称90°和180°脉冲。90°脉冲使净磁场处在XY横断面上，这是最常用的脉冲。当停止发射脉冲后，磁化以指数形式恢复其沿Z轴排列的平衡位置，使最初使用RF脉冲引发的两种现象又恢复过来，质子发生相移，较多的质子又处在低能的平行状态。在恢复过程中释放出微弱的能量，使放置在样品周围的接收线圈上出现微弱的电压，其强度和时间代表原子核的数量和物理状态。在射频脉冲后收集的原子核信号称自由感应衰减（FID）。FID的幅度决定于弛豫时间。