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最近的心得：世界很有趣，當你心存疑惑取學習時。 之所以一直喜歡磁共振，就是覺得磁共振可以透過現象看本質，去了解其本質的過程中會追其根本、會學習到很多與之相關的知識，這是很有趣的。磁共振成像可以說是利用外在的手段或說方法對人體或成像物質的內在進行支配和改變，合理及多變的改變外在的手段可以得到對內在物質的不同反應的結果. 外在手段在時間上如何安排及運行是磁共振成像的基礎也是發展方向，這種通過在時間上的安排，我們稱之為時序，也謂之序列，在磁共振成像中的手段指的是我們的磁共振設備，也就是我們常說的射頻、梯度、計算機系統等，在臨床中進行磁共振成像時，對設備合理的利用即可對成像物質進行多方面的調控，得到相應的對比度的圖像。 從上所訴可知，物質的內在特性是我們成像的基礎，從物理化學方面看，物質是由分子構成，原子構成分子。 如上圖可見，以水物質做參考，可見水由水分子組成，水分子又由兩個氫原子和一個氧原子構成。 原子指在化學反應中不可再分的微粒，但在物理狀態下可再分。原子由原子核和繞核運動的核外電子構成，原子核又有質子和中子構成，質子和中子決定了原子的質量數。再細分就是質子和中子都是以夸克構成，夸克分為上夸克（u）和下夸克（d）,只是組成的方式不一樣，質子是由兩個上夸克和一個下夸克構成，中子由一個上夸克和兩個下夸克構成，上夸克的電荷量相當于+2/3e,下夸克的電荷量相當于-1/3e.我們統稱原子及其構成的微粒為粒子，它們都有著其基本屬性：電荷、質量、自旋。 見上圖，在一個簡單的二維圖像中，質子和中子組成原子核，核外電子按著一定規律分布在電子軌道上，但在微觀世界基本粒子存在著波動性及不連續性，為了描述基本粒子的狀態，量子力學引用了四個參數既是：主量子數n、磁量子數m、角量子數l、自旋量子數s（直接在薛定諤方程中得不到）,核外電子處的位置稱之為電子層，也叫能層，用主量子數n表示，n取1、2、3、4、5、6、7表示核外電子層，相應的用K、L、M、N、O、P、Q表示，目前只發現7個電子層，每個電子層最大只能容納2n2個電子，離核近的能量小勢能低離核遠的電子能量大勢能高，且每個電子運動狀態不同。實際中核外電子層并不是像上圖中那樣的同心圓，而是具有不同的形狀，用角量子數l表示，與主量子數n一起決定電子的能級，且與電子的角動量相關，量子力學證明角量子數l取小于n的正整數（l=0、1、2....n-1）。我們知道以量子力學的角度看粒子的運動狀態存在著不連續性也就是存在概率性，核外電子在不同的形狀的電子軌道上運動，但軌道在空間的位置卻是存在不確定性的，為了描述軌道的空間位置，我們引用磁量子數m，磁量子數m表示軌道在空間的取向，取m為±l，2l+1個取向。實驗證明同一電子層的電子分布在不同的電子亞層上，且每個亞層的軌道取向上只能容納兩個電子，用s、p、d、f表示，K層有一個亞層1s，L層有兩個亞層2s、2p，M層有三個亞層3s、3p、3d，可類推，由此可以得出s層有一個取向，p層有3個取向，d層有5個取向......。核外電子除了自身運動外，其還繞自身軸自轉，稱為自旋，用自旋量子數ms表示，具有自旋角動量，因其粒子帶有電荷，運動的電荷將產生磁場，具有磁矩u，為矢量。自旋量子數ms為0時，不會產生磁矩，ms為1/2時，粒子要旋轉兩圈才能和初始狀態一樣，ms為1時，旋轉一周才能和初始一樣。自旋具有方向性，取±ms，有2ms+1個值。如ms為1/2時，取±1/2，兩個自旋方向。 （三維空間的原子結構圖：圖片來自于網絡） 大概我們已經知道核外電子在核外空間由近及遠的排列（電子云或能層），并且知道電子帶負電荷，原子核整體具有正電荷，這里進存在了一個簡單物理現象：同性相斥，異性相吸。這表明了原子核與電子之間存在著力的作用，由于原子核的質量比電子的質量大得多，電子將在這個力的作用下沿著自身軌道做向心運動，這里說的力就是我們知道的庫侖力，電子在運動的過程中，隨著電場的改變將產生磁場，也即是微觀粒子下的磁矩表現，我們以核外一個電子舉例說明，見下圖。 如上圖，電子在力的作用在軌道上運動，運動的電荷將產生電流I,根據電磁學可知，載流線圈將會產生一磁矩 μ，磁矩 μ可根據相應的公式求得。且在運動的過程中將會產生相應的軌道角動量L，可根據相應的角動量方程式算出，利用右手螺旋法則可確定相應的方向，由于電子運動的方向和電流的方向相反，此時磁矩 μ和軌道角動量L的方向相反，以圖舉例說明。 見上圖可根據核外電子在軌道上的運動方式得出相應物理數學表達式，這里值得注意的是：圖中的軌道是在二維平面上看的，前面我們說了電子云在核外空間具有不同的伸展方向且具有不同的形狀，但皆滿足圖中公式。如此，我們便可利用圖中的公式求得相應的磁矩μ，見下圖中的求解過程。 如上圖，可根據相應的公式求得磁矩μ的大小與角動量L的關系，式中的負號-表示電子的磁矩與角動量的方向相反，磁矩與角動量都是矢量。式中的λ稱之為旋磁比。 我們知道通電的線圈在均勻的磁場中時將受到磁場力的作用，這里的磁場力就是所熟悉的安培力F，利用左手定則能確定安排的方向，當把閉合的線圈置在均勻的磁場中時，此時所受到的合力F=0，但力的作用并沒有消失，此時線圈將在力矩的作用下運動，此力矩稱之為磁力矩M，可根據相應的公式求得。此時將閉合的載流線圈置于均勻的磁場中且與磁場B平面成任意角度θ。
如此我們便知道了載流線圈在磁場中將受到力矩的作用，從經典力學可知力是改變動量的原因，力矩是改變角動量的原因，此間的相應關系可以數學表達式示之，當把載流線圈置于均勻磁場中時，受到的合力為零，載流線圈將不會發生平動，而是發生轉動，此時磁矩將以一定的角頻率繞B轉動。
到這里差不多就知道了，載流線圈的磁矩在均勻的磁場中將以一定的角頻率轉動，由此可知核外電子在軌道上運動產生的磁矩在均勻的磁場中轉動，按著經典力學思路來說，為了讓勢能最低，磁矩將隨著時間的推移逐漸向著磁場的方向，但在微觀的視角下，磁矩將以與磁場一定的夾角繞磁場轉動，便稱之為進動。核外電子的在磁場中的運動狀態與經典電磁力學有著同樣的狀態，只是由于核外電子在空間的運動狀態是量子化的，相應的物理量也是量子化的，通過量子計算的出。 前面已經描述了核外電子在空間具有不同的狀態，以直接從薛定諤方程得出的主量子數n，角量子數l，磁量子數m三個量子數，及后來得出自旋量子數s來定義核外電子在空間的運動狀態。下面以圖的形式給出由薛定諤方程得出的物理量之間的關系。
由此已經知道了，電子在核外的運動狀態是量子化的，可由相應的物理量來描述，主量子數n確定電子在核外空間離核遠近的位置，角量子數l確定電子云軌道的形狀與主量子數決定了電子能級，且在同一電子層中因角量子數的不同把電子層分成若干電子亞層，把能量相同的亞層稱之為簡并軌道，其實可以想象能量相同的軌道是在其它狀態相同的時候，軌道在空間的伸展方向不同我們用磁量子數m表示電子層在空間的伸展方向。見下圖相應物理量之間的關系。
氫原子核外只有一個電子層，以此為例，發現電子的軌道磁矩及角動量皆為零，相應的投影皆在磁場的中心及在軌道的中心，但在后來的實驗中發現電子不僅具有軌道角度動量，還具有自旋角動量，也就是說電子除了沿軌道運動外還繞自身軸自轉，且有相應的磁矩，用自旋量子數s表示，s取1/2，即m取±1/2 到此時我們就已經知道電子的自旋量子數s是描述電子運動的一個物理量，不從薛定諤方程中得出，所有的電子的自旋量子數s=1/2，且在空間具有兩個自旋方向±1/2，Sz=1/2為上旋態，Sz=-1/2為下旋態。相對于單電子原子來說多電子原子的電子運動的物理量相對于復雜，就不在這里闡述了（也是太難了）。現在就可根據四個量子數確定電子的運動狀態了。此時就可以知道當原子中存在未成對的電子時，當把原子置于外磁場中因電子自旋產生的磁矩在磁場中發生塞曼分裂及運動狀態，如給一個相應的電磁波使電子發生共振躍遷，此現象稱之為電子順磁共振，電子順磁共振技術在很多方面具有重要的研究，如：致癌機理、催化原理、輻射效應等等。 為我們放射科的同志來說，所接觸到的或聽到的是核磁共振，這里的核指的是原子結構里的原子核，就是那個由質子和中子組成的原子核，此中發生的核效應并不是那種核聚變或裂變，發生的核效應并不會發生核輻射，既然臨床醫學上所用的是核磁共振，那我們便來簡單了解一下其中的原理，既然是核磁共振，當然是從核、磁、共振三個方面來簡單訴說，其實還有一項是成像，對于成像就后面再慢慢道來。
如上圖分類。 我們知道原子指在化學反應中不可再分的微粒，但在物理狀態下可再分，在物理狀態下原子由原子核和核外電子構成，原子核又由質子和中子，質子和中子由各種夸克組成，且質子和中子的質量之和為原子核的質量，質子帶正電荷，中子不帶電，實驗中發現質子和電子與電子一樣都具有自旋角動量，也就是說質子和中子的自旋量子數S=1/2，由于中子不帶電，得出中子的角動量為零，質子帶正電荷將受到場的作用，相比較于核外電子受到庫侖力的作用在軌道上運動，原子核內的運動較為復雜，原子核由質子和中子構成，能把質子與質子、中子與中子、質子和中子結合起來，此間的力是不同于庫侖力的，稱此力為核力，核力與核內核子的運動息息相關。前面說電子具有相應的軌道且軌道具有一定的形狀，質子和中子構成的原子核也有相應的形狀，可用原子核的電四極矩來描述，見下圖。
見上圖，當c=a時，原子核的電四極矩Q=0，原子核的形狀為圓形。另兩種情況的原子 核形狀為橢球形。 質子和中子與電子一樣具有相同的自旋量子數s=1/2，質子帶正電，因存在自旋形成環形電流二具有磁矩，雖然中子整體不帶電但由于構成中子的夸克具有電荷致使中子存有磁矩而不為零，質子的磁矩方向順著自旋的方向，中子磁矩方向逆著自旋的方向，前面給出電子磁矩的公式，電子磁矩由電子自旋磁矩和電子軌道磁矩的矢量和相加，質子和中子也不列外，和電子具有類似的磁矩公式，即下圖。
早在很久以前就已經提出了原子核具有自旋的假設，后因中子的發現才真正的了解到原子核的自旋，因原子核是由質子和中子構造，那原子核的自旋將由質子和中子的自旋和軌道角動量相加，后經實驗發現核自旋的規律，見下圖。
根據核的種類、核性質及分布，在醫學應用范圍用的最多的就是氫核。氫核在人體組織分子中分布廣泛，具有代表性，原子核的電四極矩為零，不會受到耦合作用，只含一個帶正電荷的質子，在磁場的作用下運動比較簡單易分析。
當把氫核置于外磁場B中時，按照經典物理學來說：氫核的磁矩將受到的勢能最低致磁矩沿著磁場的方向，但在量子力學的情況下，氫核的磁矩并不沿著磁場的方向。而是與磁場B成一定的夾角繞磁場B進動，且具有一定的勢能，核進動的頻率可根據相應的公式算出。
在沒有磁場的情況下，核子的磁矩是隨機分布的，方向是雜亂的，總磁矩為零，當把核子置于磁場中時，磁矩受到磁場的作用而具有附加能量勢能U，且是量子化的，由于量子化的原因，核子的磁矩在磁場中具有兩種狀態，即高能級狀態和低能級狀態，也稱上旋態核下旋態，上旋態（低能級）指的是核子自旋磁矩的投影值順著磁場的方向，下旋態（高能級）反之。上下自旋態都是以相同的頻率繞磁場B進動。
可以從前面的圖了解到，當把具有磁矩的氫核置于磁場中時，由于核子的量子化，核子處于兩種能態，即高能態和低能態，稱此現象為塞曼分裂或塞曼能級，且在熱平衡時，服從波爾茲曼分布，即低能級的質子數略高于高能級的質子數，且兩能級質子數只差僅有百萬之幾，是極其微量的，在磁共振成像中之所用用氫核，除了其顯著的特性外，還有就是其靈敏度高，易檢測。磁場中的氫核磁矩以一定的頻率繞磁場B進動，且存在兩種能態，當給自旋進動系統一個能量（電磁波），如此能量剛好等于兩種能級差，那低能級將吸收能量躍遷到高能級，此時將有如下等式。
如此我們知道當兩種頻率相等時，那將發生共振現象，代表著核子的躍遷，磁矩的改變，這些將在后面慢慢道來。 古人說得好：萬丈高樓平地起，說的就是要注重根基、基礎，磁共振也不列外，在學習MRI的過程中，越來越覺得基礎很重要，追其根本就得從頭再來。類似這種原理性的東西都是在學習的過程從不同方面收集到的資料加以自己的理解而寫下來的，寫下來，收藏著，只是其中涉及到的東西很多，自己寫下來的東西不一定對，但這就是學習的過程，歡迎留言討論。 學而時習之，不亦說乎 |
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見圖中l2垂直磁場B，對邊受到的安培力大小相等方向相反在同一軸線上，這里將不受到磁力矩的作用，再看l1兩對邊與磁場B存有一定的夾角，在電流上的分量不受到力的作用，在垂直電流方向上的分量受到力的作用，此時將存在磁力矩M的作用。磁力矩可根據相應的公式求得。見下圖的推導。
