用甄嬛傳的畫風講核磁原理，會是怎樣的效果？

脈衝頻率多少合適

它是獲得諾貝爾獎次數最多的專題

它橫跨物理、化學、醫學、生物等多個學科

一層厚厚的遮蔽門，更增添它的神秘色彩

它有“核”，但非放射性核，對身體安全無害，

你看醫生會讓孕婦和剛出生的小嬰兒去做，可見其安全

它就是——

核磁共振

歷年因核磁共振獲得諾貝爾獎的科學家

核磁共振不僅僅包含磁共振成像，還有高場核磁、低場核磁、電子順磁共振等，服務物件也不單單限於臨床診療，還有很多應用在化學結構鑑定、石油勘探、岩土建築材料研究、食品科研及安全等等。

它應用廣泛，但是原理卻異常生澀難懂

所以本文並不打算從量子力學去講原理，

咱們用宮鬥戲名角——甄嬛傳的畫風演繹核磁原理，更適用於新手和小白。

為了幫助大家更好的理解，本文會輔以必要的文字介紹。

01

入門須知

核磁共振是一種物理現象，主人公（原子核）在滿足一定條件下才會發生的現象。好比太陽、月亮、地球需要滿足一定的位置關係時才會出現日食或月食一樣。那需要滿足什麼條件呢？

有核有磁有射頻 射頻拉莫兩相等

聽不懂沒關係，我們讓甄嬛女主給大家慢慢講！

02

核磁共振——核

核磁共振中的“核”指的是原子核，並非放射性的“核”。並不是所有的原子核都能夠產生核磁共振現象。能夠產生核磁共振的原子核我們把它叫做磁性原子核。

原子核結構圖（高中物理）

那麼什麼原子核能夠產生核磁共振呢？我們知道原子核是由：核內質子和中子及核外電子組成的。如果一個原子核質子數和中子數有一個是奇數，那麼就是磁性原子核，就能夠自旋產生磁場。反過來理解就是，一個原子核如果質子數和中子數都是偶數，就不是磁性原子核。

這樣的話，滿足這個條件的原子核（元素）非常之多。那麼我們磁共振成像主要採用哪種原子核呢？

▲磁性原子核核磁共振性質對比

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對於醫學而言：人體氫元素含量最多的組織就是水（以自由水為主）和脂肪組織，H原子的

天然丰度

最高，1H的相對磁化率最大（核磁共振現象更明顯）

對於其他領域而言亦是如此：水和油脂是食品中的重要成分、水和泥漿原油一起存在於地層之中，水參與水泥、凝膠的水化反應等等，於是H譜核磁眾望所歸。

天然丰度概念：

以H為例，自然界中存在的所有的H原子的同位素（1H、2H、3H中，1H所佔的比例）

03

核磁共振——磁

原子核都有一個屬性：自旋，類似地球自轉，自旋如同質量一樣是原子核的本徵屬性。每一個自旋核都相當於一個小磁針，在自然狀態下大家雜亂無章的旋轉，因此對外並不表現磁性，磁矩為0。

當外加磁場時，原子核除了自旋之外，還會圍繞著外加磁場的方向進行旋轉運動。這個就類似於地球不僅自己自轉，還會圍繞著太陽進行公轉一樣。類似於陀螺樣運動我們把這種運動方式稱為進動。

進動的頻率叫做拉莫爾頻率Larmor Frequency

ω=γ×B0

其中：ω是角頻率，γ代表旋磁比，它跟原子核的型別有關是個常量（H原子核的γ=42。58 MHz/T）B0代表外加磁場強度。

在外加磁場的作用下，自旋狀態的H原子核分化成兩種狀態，聽話的核順著磁場方向進動，而還有一些不聽話的原子核偏偏逆著磁場方向進動。順著磁場方向能量低，逆著磁場方向能量高。因此就出現了能級分裂，也叫塞曼能級分裂。

▲塞曼能級裂分

處於高、低能級的H質子數量符合玻爾茲曼分佈，受溫度和主磁場強度的影響。

其實，低能級質子比高能級質子並沒有多多少，在9。4T的外加磁場情況下，低能級質子（和外加磁場方向一致）數目僅僅比高能級質子（和外加磁場方向相反）數目多0。031%，可以說是非常少的。外加磁場越大，這個數目差距會變大。

所以，為什麼場強越高，磁共振信噪比越高，因為場強越高後，低能級質子數目比高能級質子數目更多，這樣感生的磁場也更大，信噪比也更高。

核磁共振——射頻激發產生共振

04

核磁共振——共振

處於高低能級的H質子存在能量差，此時實現共振的關鍵一步來了，射頻脈衝（其實就是施加一定頻率一定時間的能量），這時射頻脈衝需滿足兩個條件：

1. 射頻脈衝的頻率等於質子的進動頻率，也就是Larmor頻率

2. 射頻脈衝的能量等於兩個能級之間的能極差

此時，質子吸收能量，就產生了核磁共振現象。

射頻頻率=進動頻率，這是發生核磁現象的必要條件之一，

在紐邁分析（niumag)的核磁軟體中，第一步就是尋找SF中心頻率

，就是尋找所需要的射頻頻率是多少。

質子吸收能量後在宏觀和微觀的變化

當射頻脈衝的頻率等於Larmor頻率後，質子吸收能量產生共振。因為射頻都是有一定的角度的，如果角度合適（偏轉90°），影象說得非常明白，微觀上，低能級質子吸收能量後可能會躍遷到高能級。宏觀上感生的磁場方向會發生變化，原先豎直向上的磁化向量M0，此時隨著原子核向XY平面章動，宏觀磁化向量慢慢由原來的Z方向，偏轉到X軸方向。

好花不常開，射頻能量不可能無限施加下去，當撤去射頻脈衝後，躍遷到高能級的那部分質子，還是得乖乖的回到低能級，這個過程當然會釋放能量，這個過程叫做弛豫，釋放的能量便是我們核磁共振檢測樣品資訊的訊號來源，關於弛豫部分，我們下回繼續講解。

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參考資料

公眾號：懋式百科全書，磁共振基礎及原理

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