核磁共振原理(一)-物理过程

Good

最近在做FastMRI，对核磁共振技术很感兴趣，作为一个物理和医学都业余的萌新发一发学习核磁共振的一些笔记。

首先核磁共振得到图像基本上是长这个样子的

脑部核磁共振图相信大家都能看出来图中大部分对应的是人体的哪个部分。
但是为什么呢？为什么大脑组织和骨骼会呈现不一样的颜色信息（灰度值）呢？

究竟是什么决定了各个组织在图像中的灰度值呢？那这就是核磁共振的神奇之处了。
下面就写写核磁共振的物理过程。
核磁（Nuclear Magnetic）

我们目前所使用的核磁共振（MRI）大多是基于氢原子核的成像。
所以这里核磁共振的“核”在大多数情况是氢原子核。
高中知识告诉我们，原子核是由质子（带正电）和中子（不带电）组成。
这里就要提到粒子自旋了。质子会在原子核内进行下面这个运动。

拉莫尔进动这个旋转频率（进动频率）由拉莫尔频率方程决定
f=\gamma \times B_0
\gamma 是原子核的旋磁比，H质子的旋磁比是42.57MHz/Tesla
B_0  是磁场强度。单位是Tesla
那么一个带电粒子运动势必会产生磁场，这个磁场方向符合右手定律，我们向着旋转方向弯曲四指，拇指会指向磁场的方向。

自旋这就是核磁的来源。
那我们体内有很多氢原子，那为什么我们人体没有明显的磁场呢？因为在日常的生活环境中，我们体内大量的氢原子磁场方向是随机的。氢原子产生的磁场体内彼此之间相互抵消掉了。
纵向磁化

随机杂乱无序的磁场我们无法检测，所以我们就需要将我们体内的磁场指定一个方向。
这个时候就需要我们的核磁共振仪了。

核磁共振仪而核磁共振仪会提供一个强大的磁场（一般在1-5Tesla，地球磁场的五万倍左右），根据异性相吸原则，体内的氢原子中的质子自旋方向就会朝着磁场的方向自旋。

单个质子在强磁场下的自旋大部分的质子会与主磁场一致的方向，有小部分处于相反的方向。决定方向的是每一个质子的能量。呈现与磁场的相反方向的质子处于高能状态（质子需要高的能量才能抵抗核磁共振仪所提供的磁场）。那么与磁场方向相同的就是处于低能态。
我们体内大量的质子就会呈现下面这个状态，大量低能态质子产生的磁场是顺着我们提供的磁场方向。而少部分高能态质子产生的磁场是逆着我们提供的磁场方向。

大量质子在强磁场中自旋状态共振（Resonance）

共振是个神奇的物理现象，大到行星运动，小到粒子运动，都存在共振。
比方说，我们在荡秋千的时候，我们会在秋千最高点的时候给秋千施加一个力。这样秋千才能越荡越高。但如果我们不按照秋千的周期（频率）乱推的话，秋千就没法荡起来。
又或者下面这个

菜的安详总之通俗来讲共振就是我们施加的力符合物体本身的频率，那么就能产生一个很大的振幅。
为什么要说共振呢？因为下面的横向磁化就需要共振来实现。
横向磁化

上文提到的拉莫尔频率方程。在1Tesla的磁场下，氢原子的进动率是42.57MHz。
那么我们发射一个42.58MHz的射频脉冲在质子附近，因为我们发射的射频脉冲的频率与氢原子进动率一样，那么就能产生共振。
质子会最大程度的吸收能量，刚刚我们说了低能态的质子会顺着磁场方向，而高能态质子会逆着磁场方向。因此，低能态质子吸收了能量它就不会在低能态的位置呆着了，就会翻转自旋为高能态
所以只要我们控制好射频脉冲就能使一部分低能态质子翻转成高能态，使得高能态和低能态的质子粒子数相同。
那么低能态质子产生的磁场就和高能态质子产生的磁场就抵消了。
纵向（沿着核磁共振仪的磁场方向）磁场就消失了。

共振消除纵向磁场紧接着脉冲将质子推向了同步状态（堆积在一起）并一起自旋。低能态和高能态质子始终平行与磁场方向。
这个时候我们就得到了一个方向垂直于核磁共振仪提供的磁场的横向磁场。
这个过程就叫横向磁化。

横向磁化过程

横向磁化（左：粒子自旋；右：磁场方向）横向（自旋-自旋）弛豫（spin-spin Relaxation）T2

弛豫这个词其实就是表示放松的意思，我们也可以直接从它的英文Relaxation看出来。
那么弛豫就是我们将施加的力（射频脉冲）撤回而发生的现象。
根据万物皆懒原则，当我们撤回力后，它们就返回到所需能量最低的运动中去。

万物皆懒我们去掉射频信号之后，质子会回到同步状态以前（不再堆叠在一起）

自旋自旋弛豫这是质子本身的相互作用
这种弛豫并没有发散净能量的转移。因为高能态的质子依然在高能态。
纵向（自旋-点阵）弛豫（spin-Lattice Relaxation）T1

高能态质子回到低能态，质子之前吸收的能量以热量的形式消散在周围组织。实现了能量转移。
横向弛豫和纵向弛豫完成是需要时间的。这个时间就是弛豫时间。
核心

那么重点终于来了。因为各个组织结构不同，比如血液中的氢原子是流动的，而脂肪中的氢原子结构较为紧凑。因此不同组织中的弛豫时间是不一样的。
这就回答了上面的问题："为什么大脑组织和骨骼会呈现不一样的颜色信息（灰度值）呢？"，因为它们的结构是不一样的，我们通过区分它们之间的弛豫时间来判断哪些氢原子处于大脑组织，哪些氢原子处于骨骼中来实现成像的。
核磁共振的核心其实就是通过不同组织的弛豫时间的不同来区分组织。


物理过程大致就是这样，下一步打算写写K空间填充啥的。
在写的过程中也发现有很多物理过程没法理解。但是作为一个搞工程而不是搞量子力学的，理解到这我觉得也足够了。


参考
https://www.youtube.com/watch?v=djAxjtN_7VE&list=LL&index=2&t=1s

来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/424881596
免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！