一、原子與原子核
自然界中的任何物質(zhì)都是由分子或原子組成的，分子是由原子組成的，如水分子Ｈ－Ｏ－Ｈ，是由2個氫原子與1個氧原子組成。原子由原子核與核外電子組成，核外電子數(shù)不同的原子具有不同的化學(xué)與物理性質(zhì)，分屬于不同的化學(xué)元素，化學(xué)元素周期表反映了核外電子的排布規(guī)律。原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子有電荷，質(zhì)子數(shù)等于核外電子數(shù)。對于一種化學(xué)元素，原子核中的質(zhì)子數(shù)是一定的，但中子數(shù)有不同。同一化學(xué)元素中子數(shù)不同的原子屬于不同的核素，不同的核素其物理性質(zhì)是不同的。比如氫元素有3種核素：１Ｈ、２Ｈ 、３Ｈ，它們的原子核的組成分別是１質(zhì)子、１質(zhì)子和１中子、１質(zhì)子和２中子，它們的共同點是原子核內(nèi)都有一個質(zhì)子核外有一個電子，因此都屬于氫元素。對于某一種化學(xué)元素，不同核素在自然界，的含量是有很大差別的。比如１Ｈ與２Ｈ分別為99.895％與0.015％，3Ｈ是一種不穩(wěn)定的核素，只有在特定的條件下才能生成，并且很快便會衰變。原子核除了它的構(gòu)成不同，其中質(zhì)子帶有電荷以外，還有一部分核具有磁性，核磁共振就是研究這部分具有磁性的原子核。
圖5-1 核磁可看作小磁棒
哪些原子核具有磁性呢？氫原子核中只有一個質(zhì)子，質(zhì)子有沿自身軸旋轉(zhuǎn)（自旋）的固有本性，質(zhì)子距原子核中心有一定距離。因此質(zhì)子自旋就相當(dāng)于正電荷在環(huán)形線圈中流動，在其周圍會形成一個小磁場，此即核磁，如圖5-1所示。
不僅質(zhì)子自旋可產(chǎn)生磁場，中子的自旋也可產(chǎn)生磁場，后者似乎難以理解，推測這種現(xiàn)象是中子內(nèi)有幾個正、負(fù)電荷相互補(bǔ)償，因此中子自旋也相當(dāng)于電荷在線圈中流動。如原子核含有的質(zhì)子和中子數(shù)均為偶數(shù)，則其自旋所產(chǎn)生的磁場相互抵消，為非磁性。原子核含有奇數(shù)（不成對）的質(zhì)子或中子，其自旋可產(chǎn)生磁場，也就是說凡是質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)，或者二者都為奇數(shù)的原子核都有磁性，如圖5-2所示。
生物組織中含有１H、１３C、１９F、23Nａ、311 P等元素，有磁性的元素約百余種。但在現(xiàn)今ＭＲ中研究和使用得最多的為１Ｈ，這有兩個原因，一是１Ｈ為磁化最高的原子核，二是因為它占活體組織原子數(shù)量的２/３，形成 ＭＲＩ的１Ｈ原子大部分位于生物組織的水和脂肪中。因１Ｈ只有一個質(zhì)子，故１Ｈ的ＭＲＩ影像也稱為質(zhì)子像，ＭＲＩ文獻(xiàn)中未特別注明者，均指的是生物組織的１Ｈ像。
圖5-2 質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)為奇數(shù)的原子核帶有磁性
二、拉莫爾進(jìn)動
含有奇數(shù)質(zhì)子或中子的原子核（以１Ｈ為代表）自旋在其周圍產(chǎn)生磁場，如同一個小磁體有南北極。磁場用磁矩（Ｍ）來表示，磁矩有其大小、方位和方向，如圖5-3所示。
圖5-3 磁矩有大小,方向和方位
無外加磁場時，質(zhì)子群中的各個質(zhì)子任意方向自旋，其磁矩相互抵消，因而單位體積內(nèi)生物組織的宏觀磁矩Ｍ＝０，如圖5-4所示。
如將生物組織置于一個大的外加磁場中（又稱主磁場，用矢量Ｂ０表示），則質(zhì)子磁矩方向發(fā)生變化，結(jié)果是較多的質(zhì)子磁矩指向與主磁場B０相同的方向，而較少的質(zhì)子磁矩與B０方向相反，而與B０方向相反的質(zhì)子具有較高的位能 。 常溫
圖5-4 自由質(zhì)子的磁矩
下， 順主磁場排列的質(zhì)子數(shù)目較逆主磁場排列的質(zhì)子稍多，因此，出現(xiàn)與主磁場B０方向一致的凈宏觀磁矩(或稱為宏觀磁化矢量）Ｍ，如圖5-5所示。
此時，氫原子核在繞著自身軸旋轉(zhuǎn)的同時，又沿主磁場方向Ｂ０作圓周運動,將質(zhì)子磁矩的這種運動稱之為進(jìn)動，如圖5-6所示。
圖5-5 凈磁矩與主磁場同相
在主磁場中，宏觀磁矩象單個質(zhì)子磁矩那樣作旋進(jìn)運動，磁矩進(jìn)動的頻率符合拉莫爾（Larmor）方程：
ｆ＝ｒＢ0/２π
式中：f ---- 進(jìn)動的頻率
B0 ----主磁場強(qiáng)度
r ---- 旋磁比（對于每一種原子核是恒定的常數(shù)）
換句話說，在主磁場Ｂ0s一定的情況下，其原子核的旋進(jìn)頻率是一定的，氫原子核在
圖5-6 質(zhì)子磁矩的進(jìn)動
不同磁場中的共振頻率是不同的，如主磁場為1.0 Ｔ時，氫原子核的旋進(jìn)頻率為42.6ＭＨｚ。沿主磁場旋進(jìn)著的質(zhì)子就好像在重力作用下旋進(jìn)著的陀螺，如圖5-7所示。
三、施加射頻脈沖后(氫)質(zhì)子狀態(tài)
圖5-7 旋進(jìn)的質(zhì)子與旋進(jìn)的陀螺的比較
當(dāng)生物組織被置于一個大的靜磁場中后， 其生物組織內(nèi)的氫質(zhì)子順主磁場方向的處于低能態(tài)
而逆主磁場方向者為高能態(tài)。在低能態(tài)與高能態(tài)之間根據(jù)靜磁場場強(qiáng)大小與當(dāng)時的溫度，勢必要達(dá)到動態(tài)平衡，稱為“熱平衡”狀態(tài)。這種熱平衡狀態(tài)中的氫質(zhì)子，被施以頻率與質(zhì)子群的旋進(jìn)頻率一致的射頻脈沖時，將破壞原來的熱平衡狀態(tài)，從微觀上講，將誘發(fā)兩種能態(tài)間的質(zhì)子產(chǎn)生能態(tài)躍遷，被激勵的質(zhì)子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，出現(xiàn)核磁共振。從宏觀上講，
受到射頻脈沖激勵的質(zhì)子群偏離原來的平衡狀態(tài)而發(fā)生變化，其變化程達(dá)的位置度取決于所施加射頻脈沖的強(qiáng)度和時間。施加的射頻脈沖越強(qiáng)，持續(xù)時間越長，在射頻脈沖停止時，Ｍ離開其平衡狀態(tài)Ｂ０越遠(yuǎn)。在ＭＲＩ技術(shù)中使用較多的是90°、180°射頻脈沖。施加90°脈沖時，宏觀磁化矢量Ｍ以螺旋運動的形式離開其原來的平衡狀態(tài)，脈沖停止時，Ｍ垂直于主磁場Ｂ０,如圖5-8所示。
圖5-8 射頻脈沖作用質(zhì)子磁矩后的進(jìn)動路徑及到達(dá)的位置
圖5-9 90°脈沖后橫向磁化矢量達(dá)到最大
如用以Ｂ０為Ｚ軸方向的直角座標(biāo)系表示Ｍ，則宏觀磁化矢量Ｍ平行于ＸＹ平面，而縱向磁化矢量Ｍｚ＝０，橫向磁化矢量Mxy最大，如圖5-9所示。
這時質(zhì)子群幾乎以同樣的相位旋進(jìn)。施加180°脈沖后，Ｍ與Ｂ０平行，但方向相反，橫向磁化矢量Ｍｘｙ為零，如圖5-10所示。
圖5-10 180°脈沖后的橫向磁化分量為0
總之，施加90°、180°或其他角度的射頻脈沖后，人體組織內(nèi)受檢部位的氫質(zhì)子因接受了額外能量，其磁化矢量偏離了靜磁場方向而轉(zhuǎn)動90°、180°或其他角度，部分處于低能級的氫質(zhì)子因吸收能量而躍遷到高能態(tài)，這一接收射頻場電磁能的過程就稱為磁共振的激勵過程。在激勵過程中氫質(zhì)子吸收了額外的電磁能，由低能態(tài)升入高能態(tài)，從而進(jìn)入了磁共振的預(yù)備狀態(tài)。
四、射頻脈沖停止后（氫）質(zhì)子狀態(tài)
脈沖停止后，宏觀磁化矢量又自發(fā)地回復(fù)到平衡狀態(tài)，這個過程稱之為“核磁弛豫”。當(dāng)90 °脈沖停止后，Ｍ仍圍繞Ｂ０軸旋轉(zhuǎn)，Ｍ末端螺旋上升逐漸靠向Ｂ０，如圖5-11所示 。
圖5-11 90°脈沖停止后宏觀磁化矢量的變化
圖5-11 90度脈沖停止后宏觀磁化矢量的變化
在脈沖結(jié)束的一瞬間，Ｍ在ＸＹ平面上分量Ｍｘｙ達(dá)最大值，在Ｚ軸上分量Ｍｚ為零。當(dāng)恢復(fù)到平衡時，縱向分量Ｍｚ重新出現(xiàn)，而橫向分量Ｍｘｙ消失。由于在弛豫過程中磁化矢量Ｍ強(qiáng)度并不恒定，縱、橫向部分必須分開討論。弛豫過程用2個時間值描述，即縱向弛豫時間(Ｔ１)和橫向弛豫時間(Ｔ２)。
１．縱向弛豫時間（Ｔ１）
90°脈沖停止后，縱向磁化矢量要逐漸恢復(fù)到平衡狀態(tài)，測量時間距射頻脈沖終止的時間越長，所測得磁化矢量信號幅度就越大。弛豫過程表現(xiàn)為一種指數(shù)曲線，Ｔ１值規(guī)定為Ｍｚ達(dá)到最終平衡狀態(tài)６３％的時間，如圖5-12示。
圖5-12 縱向弛豫時間T1
Ｔ１進(jìn)一步的物理意義的理解，只有從微觀的角度分析。由于質(zhì)子從射頻波吸收能量，處于高能態(tài)的質(zhì)子數(shù)目增加，Ｔ１弛豫是質(zhì)子群通過釋放已 吸收的能量，以恢復(fù)原來高低能態(tài)平衡的過程， Ｔ１弛豫也稱為自旋－晶格弛豫。
２．橫向弛豫時間（Ｔ２）
90°脈沖的一個作用是激勵質(zhì)子群使之在同一方位，同步旋進(jìn)（相位一致），這時橫向磁化矢
圖5-13 90度脈沖停止后宏觀磁化矢量的變化
量Ｍｘｙ值最大，但射頻脈沖停止后，質(zhì)子同步旋進(jìn)很快變?yōu)楫惒?，旋轉(zhuǎn)方位也由同而異，相位由聚合一致變?yōu)閱适Ь酆隙鳟?，磁化矢量相互抵消，Ｍｘｙ很快由大變?最后趨向于零，稱之為去相位。橫向磁化矢量衰減也表現(xiàn)為一種指數(shù)曲線，Ｔ２值規(guī)定為橫向磁化矢量衰減到其原來值３７％所用的時間，如圖5-13所示。
橫向磁化矢量由大變小直至消失的原因是：組織中水分子的熱運動持續(xù)產(chǎn)生磁場的小波動,周圍磁環(huán)境的任何波動可造成質(zhì)子共振頻率的改變，使質(zhì)子振動稍快或稍慢，使質(zhì)子群由相位一致變?yōu)榛ギ?，即質(zhì)子熱運動的作用使質(zhì)子間的旋進(jìn)方位和頻率互異，但無能量交換縱向弛豫。這種弛豫也稱為自旋-自旋弛豫。