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最近的心得：世界很有趣，当你心存疑惑取学习时。 之所以一直喜欢磁共振，就是觉得磁共振可以透过现象看本质，去了解其本质的过程中会追其根本、会学习到很多与之相关的知识，这是很有趣的。磁共振成像可以说是利用外在的手段或说方法对人体或成像物质的内在进行支配和改变，合理及多变的改变外在的手段可以得到对内在物质的不同反应的结果. 外在手段在时间上如何安排及运行是磁共振成像的基础也是发展方向，这种通过在时间上的安排，我们称之为时序，也谓之序列，在磁共振成像中的手段指的是我们的磁共振设备，也就是我们常说的射频、梯度、计算机系统等，在临床中进行磁共振成像时，对设备合理的利用即可对成像物质进行多方面的调控，得到相应的对比度的图像。 从上所诉可知，物质的内在特性是我们成像的基础，从物理化学方面看，物质是由分子构成，原子构成分子。 如上图可见，以水物质做参考，可见水由水分子组成，水分子又由两个氢原子和一个氧原子构成。 原子指在化学反应中不可再分的微粒，但在物理状态下可再分。原子由原子核和绕核运动的核外电子构成，原子核又有质子和中子构成，质子和中子决定了原子的质量数。再细分就是质子和中子都是以夸克构成，夸克分为上夸克（u）和下夸克（d）,只是组成的方式不一样，质子是由两个上夸克和一个下夸克构成，中子由一个上夸克和两个下夸克构成，上夸克的电荷量相当于+2/3e,下夸克的电荷量相当于-1/3e.我们统称原子及其构成的微粒为粒子，它们都有着其基本属性：电荷、质量、自旋。 见上图，在一个简单的二维图像中，质子和中子组成原子核，核外电子按着一定规律分布在电子轨道上，但在微观世界基本粒子存在着波动性及不连续性，为了描述基本粒子的状态，量子力学引用了四个参数既是：主量子数n、磁量子数m、角量子数l、自旋量子数s（直接在薛定谔方程中得不到）,核外电子处的位置称之为电子层，也叫能层，用主量子数n表示，n取1、2、3、4、5、6、7表示核外电子层，相应的用K、L、M、N、O、P、Q表示，目前只发现7个电子层，每个电子层最大只能容纳2n²个电子，离核近的能量小势能低离核远的电子能量大势能高，且每个电子运动状态不同。实际中核外电子层并不是像上图中那样的同心圆，而是具有不同的形状，用角量子数l表示，与主量子数n一起决定电子的能级，且与电子的角动量相关，量子力学证明角量子数l取小于n的正整数（l=0、1、2....n-1）。我们知道以量子力学的角度看粒子的运动状态存在着不连续性也就是存在概率性，核外电子在不同的形状的电子轨道上运动，但轨道在空间的位置却是存在不确定性的，为了描述轨道的空间位置，我们引用磁量子数m，磁量子数m表示轨道在空间的取向，取m为±l，2l+1个取向。实验证明同一电子层的电子分布在不同的电子亚层上，且每个亚层的轨道取向上只能容纳两个电子，用s、p、d、f表示，K层有一个亚层1s，L层有两个亚层2s、2p，M层有三个亚层3s、3p、3d，可类推，由此可以得出s层有一个取向，p层有3个取向，d层有5个取向......。核外电子除了自身运动外，其还绕自身轴自转，称为自旋，用自旋量子数ms表示，具有自旋角动量，因其粒子带有电荷，运动的电荷将产生磁场，具有磁矩u，为矢量。自旋量子数ms为0时，不会产生磁矩，ms为1/2时，粒子要旋转两圈才能和初始状态一样，ms为1时，旋转一周才能和初始一样。自旋具有方向性，取±ms，有2ms+1个值。如ms为1/2时，取±1/2，两个自旋方向。 （三维空间的原子结构图：图片来自于网络） 大概我们已经知道核外电子在核外空间由近及远的排列（电子云或能层），并且知道电子带负电荷，原子核整体具有正电荷，这里进存在了一个简单物理现象：同性相斥，异性相吸。这表明了原子核与电子之间存在着力的作用，由于原子核的质量比电子的质量大得多，电子将在这个力的作用下沿着自身轨道做向心运动，这里说的力就是我们知道的库仑力，电子在运动的过程中，随着电场的改变将产生磁场，也即是微观粒子下的磁矩表现，我们以核外一个电子举例说明，见下图。 如上图，电子在力的作用在轨道上运动，运动的电荷将产生电流I,根据电磁学可知，载流线圈将会产生一磁矩 μ，磁矩 μ可根据相应的公式求得。且在运动的过程中将会产生相应的轨道角动量L，可根据相应的角动量方程式算出，利用右手螺旋法则可确定相应的方向，由于电子运动的方向和电流的方向相反，此时磁矩 μ和轨道角动量L的方向相反，以图举例说明。 见上图可根据核外电子在轨道上的运动方式得出相应物理数学表达式，这里值得注意的是：图中的轨道是在二维平面上看的，前面我们说了电子云在核外空间具有不同的伸展方向且具有不同的形状，但皆满足图中公式。如此，我们便可利用图中的公式求得相应的磁矩μ，见下图中的求解过程。 如上图，可根据相应的公式求得磁矩μ的大小与角动量L的关系，式中的负号-表示电子的磁矩与角动量的方向相反，磁矩与角动量都是矢量。式中的λ称之为旋磁比。 我们知道通电的线圈在均匀的磁场中时将受到磁场力的作用，这里的磁场力就是所熟悉的安培力F，利用左手定则能确定安排的方向，当把闭合的线圈置在均匀的磁场中时，此时所受到的合力F=0，但力的作用并没有消失，此时线圈将在力矩的作用下运动，此力矩称之为磁力矩M，可根据相应的公式求得。此时将闭合的载流线圈置于均匀的磁场中且与磁场B平面成任意角度θ。
如此我们便知道了载流线圈在磁场中将受到力矩的作用，从经典力学可知力是改变动量的原因，力矩是改变角动量的原因，此间的相应关系可以数学表达式示之，当把载流线圈置于均匀磁场中时，受到的合力为零，载流线圈将不会发生平动，而是发生转动，此时磁矩将以一定的角频率绕B转动。
到这里差不多就知道了，载流线圈的磁矩在均匀的磁场中将以一定的角频率转动，由此可知核外电子在轨道上运动产生的磁矩在均匀的磁场中转动，按着经典力学思路来说，为了让势能最低，磁矩将随着时间的推移逐渐向着磁场的方向，但在微观的视角下，磁矩将以与磁场一定的夹角绕磁场转动，便称之为进动。核外电子的在磁场中的运动状态与经典电磁力学有着同样的状态，只是由于核外电子在空间的运动状态是量子化的，相应的物理量也是量子化的，通过量子计算的出。 前面已经描述了核外电子在空间具有不同的状态，以直接从薛定谔方程得出的主量子数n，角量子数l，磁量子数m三个量子数，及后来得出自旋量子数s来定义核外电子在空间的运动状态。下面以图的形式给出由薛定谔方程得出的物理量之间的关系。
由此已经知道了，电子在核外的运动状态是量子化的，可由相应的物理量来描述，主量子数n确定电子在核外空间离核远近的位置，角量子数l确定电子云轨道的形状与主量子数决定了电子能级，且在同一电子层中因角量子数的不同把电子层分成若干电子亚层，把能量相同的亚层称之为简并轨道，其实可以想象能量相同的轨道是在其它状态相同的时候，轨道在空间的伸展方向不同我们用磁量子数m表示电子层在空间的伸展方向。见下图相应物理量之间的关系。
氢原子核外只有一个电子层，以此为例，发现电子的轨道磁矩及角动量皆为零，相应的投影皆在磁场的中心及在轨道的中心，但在后来的实验中发现电子不仅具有轨道角度动量，还具有自旋角动量，也就是说电子除了沿轨道运动外还绕自身轴自转，且有相应的磁矩，用自旋量子数s表示，s取1/2，即m取±1/2 到此时我们就已经知道电子的自旋量子数s是描述电子运动的一个物理量，不从薛定谔方程中得出，所有的电子的自旋量子数s=1/2，且在空间具有两个自旋方向±1/2，Sz=1/2为上旋态，Sz=-1/2为下旋态。相对于单电子原子来说多电子原子的电子运动的物理量相对于复杂，就不在这里阐述了（也是太难了）。现在就可根据四个量子数确定电子的运动状态了。此时就可以知道当原子中存在未成对的电子时，当把原子置于外磁场中因电子自旋产生的磁矩在磁场中发生塞曼分裂及运动状态，如给一个相应的电磁波使电子发生共振跃迁，此现象称之为电子顺磁共振，电子顺磁共振技术在很多方面具有重要的研究，如：致癌机理、催化原理、辐射效应等等。 为我们放射科的同志来说，所接触到的或听到的是核磁共振，这里的核指的是原子结构里的原子核，就是那个由质子和中子组成的原子核，此中发生的核效应并不是那种核聚变或裂变，发生的核效应并不会发生核辐射，既然临床医学上所用的是核磁共振，那我们便来简单了解一下其中的原理，既然是核磁共振，当然是从核、磁、共振三个方面来简单诉说，其实还有一项是成像，对于成像就后面再慢慢道来。
如上图分类。 我们知道原子指在化学反应中不可再分的微粒，但在物理状态下可再分，在物理状态下原子由原子核和核外电子构成，原子核又由质子和中子，质子和中子由各种夸克组成，且质子和中子的质量之和为原子核的质量，质子带正电荷，中子不带电，实验中发现质子和电子与电子一样都具有自旋角动量，也就是说质子和中子的自旋量子数S=1/2，由于中子不带电，得出中子的角动量为零，质子带正电荷将受到场的作用，相比较于核外电子受到库仑力的作用在轨道上运动，原子核内的运动较为复杂，原子核由质子和中子构成，能把质子与质子、中子与中子、质子和中子结合起来，此间的力是不同于库仑力的，称此力为核力，核力与核内核子的运动息息相关。前面说电子具有相应的轨道且轨道具有一定的形状，质子和中子构成的原子核也有相应的形状，可用原子核的电四极矩来描述，见下图。
见上图，当c=a时，原子核的电四极矩Q=0，原子核的形状为圆形。另两种情况的原子 核形状为椭球形。 质子和中子与电子一样具有相同的自旋量子数s=1/2，质子带正电，因存在自旋形成环形电流二具有磁矩，虽然中子整体不带电但由于构成中子的夸克具有电荷致使中子存有磁矩而不为零，质子的磁矩方向顺着自旋的方向，中子磁矩方向逆着自旋的方向，前面给出电子磁矩的公式，电子磁矩由电子自旋磁矩和电子轨道磁矩的矢量和相加，质子和中子也不列外，和电子具有类似的磁矩公式，即下图。
早在很久以前就已经提出了原子核具有自旋的假设，后因中子的发现才真正的了解到原子核的自旋，因原子核是由质子和中子构造，那原子核的自旋将由质子和中子的自旋和轨道角动量相加，后经实验发现核自旋的规律，见下图。
根据核的种类、核性质及分布，在医学应用范围用的最多的就是氢核。氢核在人体组织分子中分布广泛，具有代表性，原子核的电四极矩为零，不会受到耦合作用，只含一个带正电荷的质子，在磁场的作用下运动比较简单易分析。
当把氢核置于外磁场B中时，按照经典物理学来说：氢核的磁矩将受到的势能最低致磁矩沿着磁场的方向，但在量子力学的情况下，氢核的磁矩并不沿着磁场的方向。而是与磁场B成一定的夹角绕磁场B进动，且具有一定的势能，核进动的频率可根据相应的公式算出。
在没有磁场的情况下，核子的磁矩是随机分布的，方向是杂乱的，总磁矩为零，当把核子置于磁场中时，磁矩受到磁场的作用而具有附加能量势能U，且是量子化的，由于量子化的原因，核子的磁矩在磁场中具有两种状态，即高能级状态和低能级状态，也称上旋态核下旋态，上旋态（低能级）指的是核子自旋磁矩的投影值顺着磁场的方向，下旋态（高能级）反之。上下自旋态都是以相同的频率绕磁场B进动。
可以从前面的图了解到，当把具有磁矩的氢核置于磁场中时，由于核子的量子化，核子处于两种能态，即高能态和低能态，称此现象为塞曼分裂或塞曼能级，且在热平衡时，服从波尔兹曼分布，即低能级的质子数略高于高能级的质子数，且两能级质子数只差仅有百万之几，是极其微量的，在磁共振成像中之所用用氢核，除了其显著的特性外，还有就是其灵敏度高，易检测。磁场中的氢核磁矩以一定的频率绕磁场B进动，且存在两种能态，当给自旋进动系统一个能量（电磁波），如此能量刚好等于两种能级差，那低能级将吸收能量跃迁到高能级，此时将有如下等式。
如此我们知道当两种频率相等时，那将发生共振现象，代表着核子的跃迁，磁矩的改变，这些将在后面慢慢道来。 古人说得好：万丈高楼平地起，说的就是要注重根基、基础，磁共振也不列外，在学习MRI的过程中，越来越觉得基础很重要，追其根本就得从头再来。类似这种原理性的东西都是在学习的过程从不同方面收集到的资料加以自己的理解而写下来的，写下来，收藏着，只是其中涉及到的东西很多，自己写下来的东西不一定对，但这就是学习的过程，欢迎留言讨论。 学而时习之，不亦说乎 |
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见图中l2垂直磁场B，对边受到的安培力大小相等方向相反在同一轴线上，这里将不受到磁力矩的作用，再看l1两对边与磁场B存有一定的夹角，在电流上的分量不受到力的作用，在垂直电流方向上的分量受到力的作用，此时将存在磁力矩M的作用。磁力矩可根据相应的公式求得。见下图的推导。
