5.医学影像与结构生物学(Final).docVIP

醫學影像與結構生物學 物化生分組報告 指導老師: 楊志開 老師 組長:羅 文 組員:邱澤夏、許育峯、曾柏翔、吳文權、廖文彥、 NMR核磁共振的原理：(Nuclear Magnetic Resonance) 一、基本認識 在介紹核磁共振之前，我們應該要具備一些基本知識。 我們先從N這個符號來分析。N指的是具有磁矩的原子核，磁矩的產生與核本身自旋的角動量有關，該角動量稱為Nuclear spin，符號用Ｉ表示。Ｉ值是由未成對的質子和中子自旋角動量所構成。可經由以下公式了解： Nuclear Spin 以下是一些構成人體常見的元素和他們的Ｉ值。 Ｉ值若為半整數的話，代表其nuclear spin quantum number為奇數，可以產生NMR訊號。在臨床方面，主要是以氫質子為主，乃是因為其含量最多且共振能力最強。 接下來分析M這個符號。M指的是磁場強度，當具有磁矩的原子核位於外加磁場下，質子自旋會像磁鐵塊一般，順著這個外加磁場排列，產生淨磁量。如下圖所示： 有些原子核排列方向和外加磁場相反，有些相同，乃是因為 NMR可偵測到Nuclear spin。而Nuclear spin時，就好比電流繞線圈，而產生一magnetic field，此稱為magnetic moment（磁矩）。現在我們在某一特定的方向加一外加磁場Ｂ(通常是Ｚ軸)，而這時原子核所產生的磁場(也就是磁矩)最終只會有兩種方向，一為順著Ｂ的方向，此為lower energy，特稱α state。另一為逆著Ｂ的方向，為higherenergy，特稱β state。他們兩者的能量差為γhB/2π。 我們用能階的概念來表示： 置於磁場中的核以磁場方向為軸，做一個像是陀螺旋轉的運動，稱之為Larmor precession。 最後就是R這個符號。R代表了共振，如果對進行Larmor precession的原子核照射頻率為ω的電磁波的話，就會吸收能量產生共振。 二、Larmor precession(拉末旋進) 一個自旋核置於一個均勻外加磁場，此磁場會對核磁體產生一轉動力矩，促使其繞著場作陀羅式公轉，稱之為Larmor precession。而其公轉的角速度為，此頻率稱之為Larmor frequency。當Larmor precession被激發之後，如果站在一個繞Z軸（令Z軸為外加磁場的方向）旋轉的座標上，旋轉角速度也是的話，就可以看到淨磁量(剛激發後同相的磁矩Magnetic moment)靜止水平方向。這個座標軸就叫做旋轉座標軸。 如果我們引入一個固定頻率ω的無線電波，便可以準確的協調Larmor frequency，也就是可介入的頻率與Larmor frequency可以發生共振現象。 三、RF pulse (Radio frequency pulse) 經由前述，我們可知，必需要介入固定頻率的能量波，才可與自旋原子產生共振的效果。可以介入的能量波有很多種，只要是與自旋原子的頻率同相即可。所以，有的能量波可以使原子自旋方向倒轉(spin-down)，而有的可以讓原子自旋的方向和原來方向成垂直。在MRI中一般使用於獲取訊號的電磁波脈衝其頻率就剛好介於無線電波的頻率範圍中，這個也是MRI中使用的波頻被稱為RF pulse的原因。這樣的波頻會使得原子自旋方向與原來成垂直，即使自旋的磁矩方向由Z方向轉變成為XY方向，所以RF pulse又被稱為pulse。 四、FID (Free Induction Decay) 這個是在作核磁共振掃瞄的時候，當所介入的用以擾動平衡的外加磁場RF pulse移去之後，系統會自由的經由弛緩(relaxation)過程，漸漸地由激發狀態恢復到原來的平衡狀態，也就是和自旋的磁矩方向會從加入RF pulse變成的XY方向轉變回原來未加入之前的Z方向。 五、的概念 在一個樣本上加入一個外加磁場Ｂ，而有磁矩Ｍ，方向在Ｚ軸。現在在垂直他的方向上加入一射頻RF，使Ｍ偏向。再把RF pulse移去，這時Ｍ會慢慢恢復到Ｚ軸方向。 是恢復時間的一個重要參數，的定義在於外加磁場要把一個樣本中所有混亂的磁矩改變成跟外加磁場同方向的磁矩所需要的longitudinal relaxation time。在一次時間中()，，亦即Ｍ會到達63%，即為M(1-1/e)。 表示磁矩恢復到Ｚ軸的量和時間關係的方程式： 而RF pulse打進來時，在Ｚ軸的Ｍ的向量值會減少，Ｘ、Ｙ軸的向量值會增加。把RF pulse移去時，ＸＹ軸的向量值會逐漸減少(因為spin-spin interaction，而造成ＸＹ方向向量的抵消)，即表示其衰退速率的時間常數，磁矩又可以分成X、Y方向，以和代表。而其磁矩的合向量之於時間的函數圖形是以指數下降的。 ，。 。 在一次時間中，會衰退6