锐客网

  1. 首页 > 睿知 > >

共振是什么？共振是什么意思( 二 )

经验知识睿知


图4 万磁王是漫威漫画公司旗下的超级反派，他可以控制任何形式的磁场 。图源| 百度百科
这是因为我们身体中的氢原子核具有无序性，各个方向的磁化矢量相互抵消，所以宏观上我们是不具有磁性的 。
那么，如何观测身体内的磁共振信号呢？
每一个氢原子核产生的磁场类似于一个小磁针，会在磁场中受到力的作用而偏转 。如果我们外加一个主磁场，由于磁场中力的作用，氢原子核产生的磁化矢量就会与主磁场方向平行同向或者平行反向 。
与主磁场平行同向的质子，不需要对抗主磁场的作用而处于低能级；与主磁场平行反向的质子，需要对抗主磁场的作用而处于高能级 。低能级的质子略多于高能级的质子，整体在宏观上表现为与主磁场同向的磁化矢量 。
图5 A,体内质子在无磁场的作用下，每个质子的磁化矢量都处于不同方向; B,当人体处于外磁场中，在外磁场作用下，体内质子的磁化矢量就会朝向两个方向 。图| 俞博毅
这就像是在操场军训的学生，中场休息时，大家原本在随意活动 。但是,当听到教官的口令“面向阳光和背向阳光，站成两排”时，同学们就会马上站成两排 。由于难以忍受刺眼的阳光，更多的同学本能地会站在背向阳光的那排 。
需要注意的是，在磁场中的氢原子核，并不是完全与主磁场方向平行，而是存在一定的角度 。因此氢原子核在主磁场中除了自旋外，还会绕着主磁场方向的轴进行转动，其运动的方式就像地上倾斜的陀螺一样 。我们把这种运动叫做拉莫尔进动（Larmor procession） 。
图6 自旋的质子在磁场中像陀螺一样进动 。图|李佳昕
拉莫尔进动的频率ω可以用以下的公式描述：
其中γ是原子核的磁旋比，一般是一个常数；B为主磁场强度 。氢原子核的磁旋比为42.5MHz/T 。
03核磁共振成像的“共振”
提到共振，大家很容易能想到初中学过的声音的共振 。声音共振的条件是声波与音叉的振动频率一致，类似的，核磁共振的条件是外加的射频脉冲与质子的拉莫尔进动频率一致 。
前面讲到，在磁场的作用下，宏观上体内质子产生与主磁场相同的磁化矢量（Mz），微观上其实是处于不同能级的质子数量不同，而这种能级的分裂只有磁场存在时才会产生 。
就像给背向阳光的同学一顶遮阳帽，让他也站到面向阳光的那一排去，当我们施加一个与质子进动频率一致的射频脉冲，则低能级的质子会发生共振、吸收射频能量而跃迁到高能级，此时高能级质子数量逐渐增多 。
当高能级质子与低能级质子数量一致时，磁化矢量相互抵消，则质子在宏观上表现为主磁场方向的磁化矢量为0（如图7左侧下所示） 。
但与此同时，由于射频的聚相位效应，会把XY方向的磁化矢量聚集到一起产生XY平面的宏观磁化矢量，绕磁场转动 。这个聚相位作用，就像我们的五个手指本来是张开的，五个手指处于各个方向，如果每个手指代表一个力，则合力为零；当我们将手指合拢，则合力方向就是五个手指聚拢的方向 。（如图7右侧下所示）
图7 在磁场作用下，氢原子核能级分裂，并在射频脉冲作用下发生核磁共振，产生能级跃迁 。图| 俞博毅
04核磁共振成像的“成像”
当我们撤去射频脉冲，则高能级的质子又会逐渐回到低能级 。宏观上就表现为纵向磁化矢量的逐渐恢复（纵向弛豫，图8）和横向磁化矢量的逐渐衰减（横向弛豫，图9） 。
图8 纵向磁化矢量逐渐恢复 图| 李佳昕

图9 横向磁化矢量逐渐衰减 图| 李佳昕
由于人体内组织含氢原子核的数量不同，氢原子核所处的化学环境不同，所以纵向和横向弛豫的过程不一样，相应的，磁化矢量恢复的时间也就不同 。

推荐阅读


上一篇：1622年白莲教起义 历史白莲教起义

下一篇：杜甫是李白的小迷弟？杜甫写给李白多少首诗呢？