非专业出身，如何理解核磁共振原理？

写作初衷

我想点进来看这篇文章的，正如标题所言，都是非物理非核磁专业出身的读者，当然也肯定有一些这个专业的出于好奇心点进来看看这篇文章到底如何去讲核磁原理的，无论怎样，这篇文章只是用稍微浅显易懂的语言跟同行聊一聊核磁原理。

非物理非核磁专业学核磁原理，学了又忘，忘了又学，到底该如何理解核磁原理？

首先又如标题所言，我也不是物理专业核磁专业，只是一个资历普通、专业普通的工科专业的人。

从读研开始，最初接触核磁只是把他作为其中的一种分析手段而已，为了应付写论文，不得已开始学习（或者叫做摘抄）核磁原理，学原理的那几天及之后的短暂的一段时间我自认为学会了，没过多久在写作或者发言场合需要简单介绍核磁原理时候，我又忘记了。

于是就开启了这样的自循环：学——忘——学——忘 忘 忘，还是忘，估计你会问：“为什么现在又写核磁原理了？”别问，问就是：最近又学了。

在认知心理学中提到：输出是最好的验证记忆的方式。从我这么多年的反复自学的精力中梳理出，核磁共振的原理，分享给和我一样非物理专业背景的但想简单了解原理的朋友们。

入门须知

核磁共振是一种物理现象，主人公（原子核）在满足一定条件下才会发生的现象。好比太阳、月亮、地球需要满足一定的位置关系时才会出现日食或月食一样。

要想产生核磁共振现象，需要满足物质基础和外界条件。

物质基础：有核（Nuclear）有磁有射频（两个Magnetic）

外界条件：射频拉莫两相等

总结：「核磁共振」=『「磁场」中「磁性原子核」因响应合适频率的「电磁信号」而产生的「共振」』

其实，核磁共振也是共振现象的一种，如果你理解共振，对于后面理解核磁共振会更有帮助。

生活中的共振现象

生活中的共振现象：

通常而言，一个物体收到外界给与能量的时候，应该多多少少做点什么表示回应，比如说开始振动。振动的幅度，和输入的能量的频率有关。

借用知乎上分享的一张图，物体振动的幅度在输入信号频率和本征频率相等的时候幅度爆表，振幅最大——这就是共振。

图：物体振动振幅随输入信号频率的变化图（来源：Wiki百科）

生活中洗衣机（半自动双筒）完美演示这个过程：

洗衣机脱水启动过程中，随着甩桶频率逐渐变化，洗衣机振动慢慢开始变大，在某个时刻洗衣机振幅最大（晃动最为剧烈），然后又慢慢振幅变小，趋于平静。

图：玻璃杯共振破裂瞬间

不只有洗衣机，音叉、玻璃杯震碎、黑盒子中的振荡电路、步兵整齐过桥桥塌的例子都是宏观中共振的例子。

核磁共振——核

核磁共振中的“核”指的是原子核，并非放射性的“核”。这篇文章解释了这两个“核”的区别。

这项获得诺奖次数最多的科技，它有辐射吗？

原子核是由一定质子和中子构成，这些质子和中子绕着其中心轴自转，即自旋。自旋是粒子的内禀属性，所有粒子及原子核都有，但并非所有自旋核都能发生共振，为什么？

图：原子核结构图（高中物理）

这其中最关键的，不是能自旋就可以的，是自旋要产生磁矩（磁矩不为0）。磁矩也是粒子的内禀属性。磁矩与自旋、电荷成正比，与静质量成反比。

关于质子和中子磁矩的问题，牵涉到一个夸克的概念，感兴趣的可以看文章末尾推荐的书籍。

我们需要记住的是：质子数和中子数均为偶数的原子核，磁矩为0，不能产生磁共振现象，我们称之为非磁性核。反之，如果一个原子核质子数和中子数有一个是奇数，那么就是磁性原子核，例如：¹H¹³C,¹⁷O,¹⁹F,²³Na,³¹P等。

这样的话，满足这个条件的原子核（元素）非常之多。那么我们磁共振成像主要采用哪种原子核呢？

图：磁性原子核核磁共振性质对比

对于医学而言：人体氢元素含量最多的组织就是水（以自由水为主）和脂肪组织，H原子的天然丰度最高，¹H的相对磁化率最大（核磁共振现象更明显）。

天然丰度概念：以H为例，自然界中存在的所有的H原子的同位素（¹H、²H、³H中，¹H所占的比例）。

对于其他领域而言亦是如此：水和油脂是食品中的重要成分、水和泥浆原油一起存在于地层之中，水参与水泥、凝胶的水化反应等等，于是H谱核磁众望所归。

核磁共振——磁

这里的磁指两个，主磁场和射频磁场，主磁场B₀就是我们经常说的低场、中场、高场的那个磁场，用特斯拉来表示，如0.5T、1T、3T等等。纽迈的核磁共振仪器主要是1T以下的仪器，也称低场核磁。

为什么磁性原子核一定要在磁场下才可能发生共振？

来源于b站 Acer_耗

我们知道每一个自旋核都相当于一个小磁针，自旋产生小磁场。但在自然状态下，对于样品中千千万万个原子核而言，大家杂乱无章的旋转。反映在宏观上，是这些杂乱无章的磁场相互抵消，因此对外并不表现磁性，宏观磁化矢量为0。（有点类似单手握鸡蛋，鸡蛋不碎的道理，类似力的作用抵消）。

imaios.com

然而，当外加磁场时，原子核除了自旋之外，还会围绕着外加磁场的方向进行旋转运动。类似于地球不仅自己自转，还会围绕着太阳进行公转一样。我们把这种一边绕轴旋转一边自旋的运动称为进动。

进动的频率叫做拉莫尔频率Larmor Frequency

ω=γ×B₀

其中：ω是角频率，γ代表旋磁比，它跟原子核的类型有关是个常量（H原子核的γ=42.58 MHz/T）B₀代表外加磁场强度。

当放眼这千千万万个进动的原子核，在外磁场作用下（对于¹H）就分为两个阵营：顺着磁场方向，逆着磁场方向。这两种进动角度实际上对应着两种能级。如同餐厅的沙漏（解释见下图）一样，顺着磁场方向的在上面，能量低；逆着磁场方向在下面，能量高。因此就出现了能级分裂，也叫塞曼能级分裂（Zeeman分裂）。

图：在外磁场不为零时，1H原子核出现两种自旋状态。

沙漏解释：在外部磁场B0下，每个质子绕B0旋转轨迹是一个锥体。自旋向上和自旋向下的运动轨迹连起来，就是类似沙漏的双锥体模型。

图：塞曼能级分裂

处于高、低能级的H质子数量符合玻尔兹曼分布，基本上是一半对一半，并没有差别很多。

例如在0.5T、36℃下，假设逆着磁场的低能级有100万个质子，而顺着磁场的高能级则有100万+4个，虽然这种差异看起来很小，多出来的这些质子足以贡献核磁共振信号。

这4个多出来的质子就是出现宏观磁化矢量M₀的原因。

核磁共振——射频激发产生共振

处于高低能级的H质子存在能量差，此时实现共振的关键一步来了，射频脉冲（其实就是施加一定频率一定时间的能量），这时射频脉冲需满足这个条件:

射频脉冲的频率等于质子的进动频率，也就是Larmor频率

此时，质子吸收能量，就产生了核磁共振现象。

射频频率=进动频率，这是发生核磁现象的必要条件之一，在纽迈分析的核磁软件中，第一步就是寻找SF中心频率，就是寻找所需要的射频频率是多少。

图：质子吸收能量后在宏观和微观的变化

很多人对施加射频脉冲后，从微观质子跃迁到宏观磁化矢量这里的过渡，不是很明白。

其实这里就是一个微观和宏观的范畴。

假如施加的是偏转90°的射频脉冲，微观来看：对于某一个质子，其运动轨迹如上图所示，类似汽车走盘山公路一样，从山顶盘旋着往山脚开。

宏观来看，这里我们引入一个旋转坐标系：我们将同质子一起置身于相对于固定坐标系xOy以角速度w0旋转的参照系x''O''y''中，消除了围绕B₀也就是Z轴的进动。

聚焦那4个质子，施加脉冲之前，他们顺着B₀方向整齐排列，有因为质子的相散，不存在横向分量M_xy，此时的磁化矢量M₀沿着Z轴方向。施加90°脉冲后，有两个质子从低能级跃迁到高能级，两能级上有相同数量的质子，此时M的纵向分量为0，而M_xy达到最大。

其实核磁共振仪器捕捉的信号来源不是核磁共振现象中从低能级跃迁到高能级的这个过程，而恰恰是撤去射频脉冲后，质子从高能级从回复到低能级的过程，我们称之为弛豫。

关于弛豫，这篇是目前讲弛豫讲的最详细的一篇，目前在多平台阅读量破万，建议你收藏后阅读。

弛豫是啥？大量动图让你一次弄懂！

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