核磁共振工作的简略原理(二)

孟想成真

当撤销射频磁场后，不同的人体组织中，水分子的含量不同，所以释放能量所需要的时间也就不同，在释放能量的过程中：首先发生的是横向磁化矢量的衰减，叫做T2 Relaxation (即T2弛豫，T我个人觉得是Time的缩写)；继而发生的是纵向磁化矢量的恢复 (Nuclei realign with the field)，叫做T1 Relaxation (即T1弛豫)。总的来说就是：T1和T2在各人体组织中不同，不同的T1和T2反应的是物质的特性。
先回顾一下基本概念：

• 一些特定原子的原子核有一种特性叫做自旋(可以理解为自转)。我们都知道原子核中的质子是带电的(并且带正电荷)，一旦产生自旋，就能够形成电流环路，从而产生具有一定大小和方向的磁化矢量 (右手螺旋法则来判断电流产生的磁场方向)。因此，就可以把氢质子看作是小磁针。(此部分可参考安培分子电流假说)。
  
• 为什么选用氢质子为MRI中的研究点：一方面是氢质子具有自旋的性质；另外一方面是氢质子普遍存在于人体的各个组织当中，且含量不同。
  
• 当其被置于外加磁场当中(具有足够的磁场强度)，质子就会根据磁感线的方向排列起来（PS: 如果是匀强磁场,磁场方向与磁感线方向一致; 小磁针有两个磁极,N极所指方向为小磁针所在处磁场方向,S极的指向则与磁场方向相反)。但是质子跟普通的小磁针又不完全一样，质子还会作进动(关于进动的具体解释可以看我上一篇文章，下面只放一张图)。
  

A proton spins and its axis of rotation precesses about the direction of the external magnetic field.这里要提到一个概念：拉莫频率(Larmor frequency)，指进动的角频率。
拉莫尔频率的数学关系可以简单写为：f0=(γ/2π)*B0
其中f0为拉莫尔频率，以赫兹表示；B0为主磁场强度(也就是外加磁场强度)，以特斯拉表示；γ为旋磁比，是原子核所固有的特性，与离子电荷和质量的比有关，不同的原子核有不同的旋磁比值。
至于怎么来理解角频率，推荐看如下的解释：

• 一般情况下，在MRI中，采用B0=1.5T的外加磁场强度；对于氢质子，旋磁比(也就是伽马常数) γ大约是2.68*(10^8) rad s-1 T-1。把B0和γ代入到拉莫尔频率的数学公式中，就可得到f0=64 MHz。此时这个频率最好处在了无线电波频率的区间(Radio Frequency region)。说到这 也就能明白为什么后期是外加RF pulse了，因为频率相同的情况下能产生共振现象。
  
• 如上所说，当把质子放到外加磁场后，会产生进动现象。外加入射频脉冲，当电磁波的频率跟质子进动的角频率是一样的时候，就会产生共振。低能级的质子就会吸收能量进入高能级的状态(也就是能级跃迁)。
  
• 当把射频脉冲关闭后，部分“高能级”的质子就会释放能量，逐渐转回到低能级的状态，这个过程中释放出来的能量就能够被相应的仪器探测到。The rate of 'relaxation' tells us something about the environment of the protons.
  

回到我们开篇讲到的东西: 弛豫时间 (relaxation time).

能量以指数式衰减 (Exponential Decay Pattern)其中，T1 (the spin-lattice relaxation time, where the energy of the spinning nuclei is transferred to the surrounding 'lattice' of nearby atoms); T2 (the spin-spin relaxation time, where the energy is transferred to other spinning nuclei)。

撤销射频脉冲后，质子相互排斥并分离，失去横向磁化矢量。不过因为这只是质子间的相互作用，所以这种弛豫并没有发生净能量转移。

整个过程涉及到了质子/自旋体向周围组织或者点阵/晶格的能量转移（以热量的形式)，最后恢复到最初的纵向磁化状态。为了加强对T1和T2信号的收集，出现了TR和TE：

TR (Repetition Time)：又称重复时间。MRI的信号很弱时，为提高MR的信噪比，会重复使用同一种脉冲序列，这个重复激发的间隔时间就称为TR。
TE (Echo delay Time)：又称回波时间，即射频脉冲放射后到采集回波信号之间的时间。
这些过程被称为脉冲序列(Pulse Sequence)。
水平有限 更深入的内容我也暂时搞不懂...............我觉得学医(核医学、影像学除外)的话 还是直接死记硬背T1T2以及加权的成像特点吧 这样来的更快一些.......关键是哪怕能搞懂 我还是不知道用处在哪儿？

Key facts:

• These relaxation times depend on the environment of the nuclei. For biological materials, it depends on their water content. For example, 1) water and watery tissues (e.g., cerebrospinal fluid) have relaxation times of several seconds; 2) Fatty tissues (e.g., white matter in the brain) have shorter relaxation times, several hundred milliseconds; 3) Cancerous tissues have intermediate relaxation times.
  
• 核磁共振成像的核心原理: Different tissues can be distinguished by the different rates at which they release energy after they have been forced to resonate.
  

Fun fact:

核磁共振是获得诺贝尔奖次数最多的一个科学专题。从发现核磁到磁共振成像(MRI)的70年的时间里，有关核磁共振的研究在三个领域(物理、化学、医学或生理学)内一共获得了六次诺贝尔科学奖。
本篇主要参考资料：B站番号 BV1u4411R791

以及

我觉得这个解释应该是我目前看到过的最容易让人make sense的了


来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/409612459
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