非专业浅析核磁共振原理及其应用

孟想成真

没错，你没有看错，这是一个非医学专业的非专业浅析核磁共振原理的文章，内容来自于核磁共振工作原理这个视频，当然本人不是从B站上看到的，遂引起了很大的兴趣，将视频看了三遍左右，现将一些内容记录下来。

首先，我们需要知道核磁共振能用来检查哪些问题？
“核磁共振检查的应用如下：1、神经系统病变。如神经系统肿瘤、外伤、炎性病变等。2、骨与关节系统病变。如骨内感染、肿瘤等。3、胸腹腔、盆腔疾病。如诊断胸部、腹部以及盆腔内的脏器的各种病变。4、心血管系统。如心脏病、心肌病、心包积液等。”（此结果来自百度搜索）。在本文中，我们用脑检查来说明核磁共振的大家都能接受的原理。

• 在脑检查中我们会涉及到这三个脑组织脑脊液，脑白质，脑灰质，这三个脑组织我们都可以认为是由氢原子组成，由于氢原子只有一个质子没有中子，所以下文都将用质子来代替说明。我们都知道，质子本身带电，由于其自身自转会产生磁场，但由于在人脑组织中的质子是均匀随机分布的，磁场会相互抵消，所以人的大脑并不存在磁性，除非我们给脑袋施加一个主磁场Bo，在主磁场的作用下，质子会分裂为两个能级，一个高能级，一个低能级，低能级质子产生的磁场方向与主磁场同向，而且低能级总会比高能级多几个（此时就会产生磁矩，可以理解为磁场）。
  
  
  
  
• 在这里我们要引入一个概念，进动：质子本身会进行自转，而且会以Bo为轴偏斜一些角度进行转动，这种陀螺式的转动就叫进动，绕Bo旋转的角频率就是进动频率
  
  
  
  进动频率计算方式为
  
  
  
  其中，γ为磁旋比，由此公式我们可知进动频率与主磁场的强度成正比。进动的质子其磁矩可以分解为横向的磁矩和纵向的磁矩，如下图所示
  
  
  
  横向的磁矩相互抵消而纵向的磁矩由于低能级质子比高能级质子多，多出来的这些纵向磁矩分量会让脑子产生一个向上的宏观磁化量Mo，所以你的脑子现在是一个大磁体，此时再对脑子施加一个射频脉冲，只要射频频率与进动频率相同，Mo就会发生倾倒，从而使质子产生一个螺旋式倾倒运动。从量子力学的能量角度来解释，
  两个能级的能量差
  
  
  
  而
  
  
  
  所以
  
  
  
  射频脉冲携带的能量
  
  
  
  量子力学规定，若
  
  
  
  则低能级质子就能吸收能量跃迁至高能级质子，即
  
  
  
  进动频率必须与射频频率相同，这就是核磁共振所谓的共振。当低能级与高能级质子数量相等时，磁化量Mo就会消失，那为什么还会说质子发生了倾倒运动呢？
  
• 这是因为脉冲对质子还有另外一个作用就是相聚和，相，相位即就是质子绕进动周旋转的角度，射频脉冲让所有质子按照统一步调进行旋转聚合，最后一累计，纵向磁分量就会慢慢消失，横向磁分量增加，两者一叠加就会使质子发生倾倒运动，脉冲消失，也就是失相，高能量质子就会向低能量质子回位，纵向磁分量就会恢复，这两个磁分量恢复的过程叫做弛豫。习惯上将纵向分量恢复至稳态的63%的时间定义为T1，横向分量降至最大值的37%的时间定义为T2，而信号正有横向磁向量产生，因此在四周放置一个接收线圈，磁场与线圈切割，由于横向磁分量不断减小，所以会产生一个信号强度不断减小的电信号
  
  
  
  信号强度与磁场强度成正比，而磁场强度又和质子数量成正比，所以质子数量越多即质子密度越大，信号强度越大，反映在图像上就是越亮。这就是原始的成像方式。由于这种成像方式直接采集信号，所以图像上的组织区分不是很明显，所以就有了质子密度加权成像，加权可以理解为突出的意思。
  对信号采样时间的不同可以分为T1加权成像和T2加权成像，T2加权成像常用于检查伴随水肿的组织病变
  

在T1成像下

• 脑脊液—黑色
  
• 脑灰质—灰色
  
• 脑白质—白色
  

在T2成像下

• 脑脊液—高亮的白色
  
• 脑白质—非常灰淡
  
• 脑灰质—亮度次于脑白质
  

所以有T1看解剖，T2 看病变

如果有肿瘤，在T2成像下是这样的

我们常常拿到的核磁共振结果上Tx后面会跟一个flair，这个的意思是液体抑制反转恢复，目的是抑制脑脊液的信号提高病变的识别率。
至此，我们将核磁共振的科普性内容作了说明。但这只是核磁共振的开始，上述我们提到质子的密度导致了成像，那怎么知道质子的密度呢，这牵扯到多维的傅里叶变换，目的就是求出脑组织的密度大小，在医学中有一个概念叫k空间，这是原始信号到图像之间的过渡，感兴趣的同学可以看一下原视频。

来源：https://blog.csdn.net/m0_37772653/article/details/123327810
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