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 。
因此，通过设置MRI序列，我们就可以采集到组织的信号 。不同组织的MRI信号强度不同，我们就能得到体内组织的对比图像 。
我们是如何采集磁共振信号的呢？其实非常简单，高中物理课告诉我们“磁感线切割线圈会产生电流”，因此，用旋转的XY方向的磁化矢量去切割线圈就能得到磁共振产生的电信号，进而运用数学方法对电信号进行转换，就能获得磁共振图像了 。
作者| 俞博毅 李佳昕
指导老师| 陈卫强
编辑| 刘芳
参考文献：
[1] 俎栋林，高家红. 核磁共振成像—-物理原理和方法. 北京：北京大学出版社, 2014. 9.
[2] 杨正汉，冯逢，王霄英. 磁共振成像技术指南——检查规范，临床策略及新技术应用. 北京：人民军医出版社, 2010.
[3] Breneman, B. History, Physics, and Design of Superconducting Magnets for MRI. Emagres 8, 137-156.
[4] Collins, J. The history of MRI. Semin. Roentgenology 43, 259-260.
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来源：中科院近代物理所
编辑：云开叶落
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