第三節(jié) 進入主磁場前后人體內質子核磁.doc

第三節(jié) 進入主磁場前后人體內質子核磁狀態(tài)的變化一、進入主磁場前人體內質子的核磁狀態(tài)人體的質子不計其數(shù)，每毫升水中的質子數(shù)就達31022個。每個質子自旋均能產(chǎn)生1個小磁場，人體內如此多的質子自旋將產(chǎn)生無數(shù)個小磁場，那么人體不就象塊大磁體了嗎？事實并非如此，盡管每個質子均能產(chǎn)生1個小磁場，這種小磁場的排列是隨機無序（即雜亂無章）的，使每個質子產(chǎn)生的磁化矢量相互抵消（圖3a），因此，人體自然狀態(tài)下并無磁性，即沒有宏觀磁化矢量的產(chǎn)生。MRI儀僅能探測到宏觀磁化矢量的變化，而不可能區(qū)分每個質子微觀磁化矢量變化。那么如何產(chǎn)生宏觀磁化矢量呢？簡單的做法就是把人體放進一個大磁場（即主磁場）中。SN宏觀縱向磁化矢量 a b圖3 進入主磁場前后人體內質子的核磁狀態(tài)變化圖a為進入主磁場前，盡管每個質子自旋都產(chǎn)生一個小磁場，但排列雜亂無章，磁化矢量相互抵消，因此沒有宏觀磁化矢量產(chǎn)生。圖b示進入主磁場后，質子自旋產(chǎn)生的小磁場與主磁場平行排列，平行同向者略多于平行反向者，最后產(chǎn)生一個與主磁場方向一致的宏觀縱向磁化矢量。二、進入主磁場后人體內質子的核磁狀態(tài)圖3所示為進入主磁場前后人體內質子核磁狀態(tài)的變化。進入主磁場后，人體內的質子產(chǎn)生的小磁場不再是雜亂無章，呈有規(guī)律排列（圖3b）。從圖中可以看出，進入主磁場后，質子產(chǎn)生的小磁場有兩種排列方式，一種是與主磁場方向平行且方向相同，另一種是與主磁場平行但方向相反，處于平行同向的質子略多于處于平行反向的質子。從量子物理學的角度來說，這兩種核磁狀態(tài)代表質子的能量差別。平行同向的質子處于低能級，因此受主磁場的束縛，其磁化矢量的方向與主磁場的方向一致；平行反向的質子處于高能級，因此能夠對抗主磁場的作用，其磁化矢量盡管與主磁場平行但方向相反。由于處于低能級的質子略多于處于高能級的質子，因此進入主磁場后，人體內產(chǎn)生了一個與主磁場方向一致的宏觀縱向磁化矢量（圖3b）。三、進動和進動頻率需要指出的是，進入主磁場后，無論是處于高能級還是處于低能級的質子，其磁化矢量并非完全與主磁場方向平行，而總是與主磁場有一定的角度。如圖4a所示，陀螺在自旋力（以虛線為軸）與地球引力的相互作用下，不僅存在旋轉運動，而且還出現(xiàn)繞著地球引力（以帶箭頭的黑實線為軸，箭頭表示地球引力方向）的旋轉擺動，這種旋轉擺動的頻率遠低于旋轉運動。如圖4b所示，處于主磁場的質子也是一樣，除了自旋運動外，還繞著主磁場軸（虛線，箭頭表示主磁場方向）進行旋轉擺動，我們把質子的這種旋轉擺動稱為進動（precession）。圖4a 陀螺旋進運動示意圖 圖4b 質子自旋及進動示意圖進動是磁性原子核自旋產(chǎn)生的小磁場與主磁場相互作用的結果，進動頻率明顯低于自旋頻率，但對于磁共振成像的來說，進動頻率比自旋頻率重要得多。進動頻率也稱Larmor頻率，其計算公式為：wg.B，式中w為Larmor頻率，g為磁旋比（g對于某一種磁性原子核來說是個常數(shù)，質子的g約為42.5 mHz/T），B為主磁場的場強，單位為特斯拉（T）。從式中可以看出，質子的進動頻率與主磁場場強成正比。如圖5所示，由于進動的存在，質子自旋產(chǎn)生小磁場又可以分解成兩個部分，一部分為方向恒定的縱向磁化分矢量（條狀虛線箭頭），處于高能級者與主磁場方向相反，處于低能級者與主磁場的方向相同；另一部分為以主磁場方向（B0）即Z軸為軸心，在X、Y平面旋轉的橫向磁化分矢量（圓點虛線箭頭）。就縱向磁化分矢量來說，由于處于低能級的質子略多于處于高能級者，最后會產(chǎn)生一個與主磁場同向的宏觀縱向磁化矢量。就橫向磁化分矢量來說，如圖6所示，我們沿Z軸方向看XY平面上的橫向磁化分矢量的分布，圓圈及其箭頭表示質子進動產(chǎn)生的橫向磁化分矢量是繞Z軸旋轉的，圓點虛線箭頭代表各質子的橫向磁化分矢量，由于每個旋轉的橫向磁化分矢量所處的的相位不同，磁化矢量相互抵消，因而沒有宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生。B0圖6 各質子旋轉的橫向磁化分矢量由于相位不同而相互抵消，沒有宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生圖5 處于低能級和高能級狀態(tài)下的質子由于進動產(chǎn)生縱向和旋轉的橫向磁化分矢量因此，人體進入主磁場后被磁化了，但沒有宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生，僅產(chǎn)生了宏觀的縱向磁化矢量，某一組織（或體素）產(chǎn)生的宏觀矢量的大小與其含有的質子數(shù)有關，質子含量越高則產(chǎn)生宏觀縱向磁化矢量越大。我們可能認為MRI已經(jīng)可以區(qū)分質子含量不同的組織了。然而遺憾的是MRI儀的接收線圈并不能檢測到宏觀縱向磁化矢量，也就不能檢測到這種宏觀縱向磁化矢量的差別。那么接收線