什么叫核磁共振(核磁共振的原理是什么)

一、核磁共振的成像原理

核磁共振成像原理

原子核自旋，有角动量。由于核带电荷，它们的自旋就产生磁矩。当原子核置于静磁场中，本来是随机取向的双极磁体受磁场力的作用，与磁场作同一取向。以质子即氢的主要同位素为例，它只能有两种基本状态：取向“平行”和“反向平行”，他们分别对应于低能和高能状态。精确分析证明，自旋并不完全与磁场趋向一致，而是倾斜一个角度θ。这样，双极磁体开始环绕磁场进动。进动的频率取决于磁场强度。也与原子核类型有关。它们之间的关系满足拉莫尔关系：ω0=γB0，即进动角频率ω0是磁场强度B0与磁旋比γ的积。γ是每种核素的一个基本物理常数。氢的主要同位素，质子，在人体中丰度大，而且它的磁矩便于检测，因此最适宇从它得到核磁共振图像。

从宏观上看，作进动的磁矩集合中，相位是随机的。它们的合成取向就形成宏观磁化，以磁矩M表示。就是这个宏观磁矩在接收线圈中产生核磁共振信号。在大量氢核中，约有一半略多一点处于低等状态。可以证明，处于两种基本能量状态核子之间存在动态平衡，平衡状态由磁场和温度决定。当从较低能量状态向较高能量状态跃迁的核子数等于从较高能量状态到较低能量状态的核子数时，就达到“热平衡”。如果向磁矩施加符合拉莫尔频率的射频能量，而这个能量等于较高和较低两种基本能量状态间磁场能量的差值，就能使磁矩从能量较低的“平行”状态跳到能量较高“反向平行”状态，就发生共振。

由于向磁矩施加拉莫频率的能量能使磁矩发生共振，那么使用一个振幅为B1，而且与作进动的自旋同步（共振）的射频场，当射频磁场B1的作用方向与主磁场B0垂直，可使磁化向量M偏离静止位置作螺旋运动，或称章动，即经射频场的力迫使宏观磁化向量环绕它作进动。如果各持续时间能使宏观磁化向量旋转90º角，他就落在与静磁场垂直的平面内。可产生横向磁化向量Mxy。如果在这横向平面内放置一个接收线圈，该线圈就能切割磁力线产生感生电压。当射频磁场B1撤除后，宏观磁化向量经受静磁场作用，就环绕它进动，称为“自由进动”。因进动的频率是拉莫尔频率，所感生的电压也具有相同频率。由于横向磁化向量是不恒定，它以特征时间常数衰减至零为此，它感生的电压幅度也随时间衰减，表现为阻尼振荡，这种信号就称为自由感应衰减信号(FID, Free Induction Decay)。信号的初始幅度与横向磁化成正比，而横向磁化与特定体元的组织中受激励的核子数目成正比，于是，在磁共振图像中可辨别氢原子密度的差异。

因为拉莫尔频率与磁场强度成比例，如果磁场沿X轴成梯度改变，得到的共振频率也显然与体元在X轴的位置有关。而要得到同时投影在二个坐标轴X-Y上的信号，可以先加上梯度磁场GX，收集和变换得到的信号，再用磁场GY代替GX，重复这一过程。在实际情况下，信号是从大量空间位置点收集的，信号由许多频率复合组成。利用数学分析方法，如富里叶变换，就不但能求出各个共振频率，即相应的空间位置，还能求出相应的信号振幅，而信号振幅与特定空间位置的自旋密度成比例。所有核磁共振成像方法都以这原理为基础。

二、核磁共振的原理是什么

原子核的自旋。

核磁共振主要是由原子核的自旋运动引起的。不同的原子核，自旋运动的情况不同，可以用核的自旋量子数I来表示。自旋量子数与原子的质量数和原子序数之间存在一定的关系。

原子核是带正电荷的粒子，不能自旋的核没有磁矩，能自旋的核有循环的电流，会产生磁场，形成磁矩（μ）。当自旋核（spin nuclear）处于磁感应强度为B0的外磁场中时，除自旋外，还会绕B0运动，这种运动情况与陀螺的运动情况十分相像，称为拉莫尔进动（larmor process）。

自旋核进动的角速度ω0与外磁场感应强度B0成正比，比例常数即为磁旋比（magnetogyric ratio)γ。式中ν0是进动频率。

扩展资料：

核磁共振原理主要是由原子核的自旋运动引起的。不同的原子核，自旋运动的情况不同，它们可以用核的自旋量子数I来表示。

观察到的人体内H质子运动的一个成像，做检查的时候，被检查者会在一个大的磁体内，就是大的圆筒之内，通过射频的激发，人体内的不同器官的H质子有不同的活动状况。

产生的射频脉冲，在经过线圈的吸收产生图像，所以磁共振的成像其实是人体内H质子的成像。有心脏起搏器的植入的患者、发烧的患者、贴膏药的患者禁止做磁共振。

参考资料来源：百度百科——核磁共振原理

三、磁共振的基本原理

磁共振（回旋共振除外）其经典唯象描述是：原子、电子及核都具有角动量，其磁矩与相应的角动量之比称为磁旋比γ。磁矩M在磁场B中受到转矩MBsinθ（θ为M与B间夹角）的作用。此转矩使磁矩绕磁场作进动运动，进动的角频率ω=γB,ωo称为拉莫尔频率。由于阻尼作用，这一进动运动会很快衰减掉，即M达到与B平行，进动就停止。但是，若在磁场B的垂直方向再加一高频磁场b（ω）（角频率为ω），则b（ω）作用产生的转矩使M离开B,与阻尼的作用相反。如果高频磁场的角频率与磁矩进动的拉莫尔（角）频率相等ω=ωo,则b（ω）的作用最强，磁矩M的进动角（M与B角的夹角）也最大。这一现象即为磁共振。

磁共振也可用量子力学描述：恒定磁场B使磁自旋系统的基态能级劈裂，劈裂的能级称为塞曼能级（见塞曼效应），当自旋量子数S=1/2时，其裂距墹E=gμBB,g为朗德因子,μ为玻尔磁子，e和me为电子的电荷和质量。外加垂直于B的高频磁场b（ω）时，其光量子能量为啚ω。如果等于塞曼能级裂距，啚ω=gμBB=啚γB，即ω=γB（啚=h/2π，h为普朗克常数），则自旋系统将吸收这能量从低能级状态跃迁到高能级状态（激发态），这称为磁塞曼能级间的共振跃迁。量子描述的磁共振条件ω=γB，与唯象描述的结果相同。

当M是顺磁体中的原子（离子）磁矩时，这种磁共振就是顺磁共振。当M是铁磁体中的磁化强度（单位体积中的磁矩）时，这种磁共振就是铁磁共振。当M=Mi是亚铁磁体或反铁磁体中第i个磁亚点阵的磁化强度时，这种磁共振就是由 i个耦合的磁亚点阵系统产生的亚铁磁共振或反铁磁共振。当M是物质中的核磁矩时，就是核磁共振。这几种磁共振都是由自旋磁矩产生的，可以统一地用经典唯象的旋磁方程dM/dt=γMBsinθ[相应的矢量方程为d M/dt=γ（ M×B]来描述。

回旋共振带电粒子在恒定磁场中产生的共振现象。设电荷为q、质量为m的带电粒子在恒定磁场B中运动，其运动速度为v。当磁场B与速度v相互垂直时，则带电粒子会受到磁场产生的洛伦兹力作用，使带电粒子以速度v绕着磁场B旋转，旋转的角频率称为回旋角频率。如果在垂直B的平面内加上高频电场E（ω）（ω为电场的角频率），并且ω=ωc，则这带电粒子将周期性地受到电场E（ω）的加速作用。因为这与回旋加速器的作用相似，故称回旋共振。又因为不加高频电场时，这与抗磁性相类似，故亦称抗磁共振。当v垂直于B时，描述这种共振运动的方程是d（mv）/dt=q（vB）,若用量子力学图像描述，可以把回旋共振看作是高频电场引起带电粒子运动状态在磁场中产生的朗道能级间的跃迁，满足共振跃迁的条件是：

ω=ωc。

各种固体磁共振在恒定磁场作用下的平衡状态，与在恒定磁场和高频磁场（回旋共振时为高频电场）同时作用下的平衡状态之间，一般存在着固体内部自旋（磁矩）系统（回旋共振时为载流子系统）本身及其与点阵系统间的能量转移和重新分布的过程，称为磁共振弛豫过程，简称磁弛豫。在自旋磁共振的情形，磁弛豫包括自旋（磁矩）系统内的自旋-自旋（S-S）弛豫和自旋系统与点阵系统间的自旋-点阵（S-L）弛豫。从一种平衡态到另一种平衡态的弛豫过程所经历的时间称为弛豫时间，它是能量转移速率或损耗速率的量度。共振线宽表示能级宽度，弛豫时间表示该能态寿命。磁共振线宽与磁弛豫过程（时间）有密切的联系，按照测不准原理，能级宽度与能态寿命的乘积为常数，即共振线宽与弛豫时间（能量转移速度）成反比。因此，磁共振是研究磁弛豫过程和磁损耗机制的一种重要方法。

四、核磁共振原理简介

当流体(如水或油等)饱和到岩样的孔隙内后，流体分子会受到孔隙固体表面的作用力，该作用力的大小取决于孔隙(孔隙大小、孔隙形态)、矿物(矿物成分、矿物表面性质)和流体(流体类型、流体黏度)等因素。

对饱和流体(水或油)的岩样进行核磁共振t2测量时，得到的t2弛豫时间长短取决于流体分子受到孔隙固体表面作用力的强弱，因此t2弛豫时间的长短是孔隙(孔隙大小、孔隙形态)、矿物(矿物成分、矿物表面性质)和流体(流体类型、流体黏度)等因素的综合反映，利用岩样内流体的核磁共振t2弛豫时间的长短及其分布特征，可对岩样孔隙内流体的赋存状态进行分析。当流体受到孔隙固体表面的作用力很强时(如微小孔隙内的流体或较大孔隙内与固体表面紧密相接触的流体)，流体的t2弛豫时间很短，流体处于束缚或不可动状态，称为束缚流体或不可动流体。反之，当流体受到孔隙固体表面的作用力较弱时(如较大孔隙内与固体表面不是紧密相接触的流体)，流体的t2弛豫时间较长，流体处于自由或可动状态，称为自由流体或可动流体。t2弛豫时间可以用下面的计算公式来表示：

低渗透油藏渗流机理及应用

式中：ρ——储层及流体的物性；

——岩石的比表面积，指单位质量岩石所具有的总面积，m2/g，其中，s为岩石外部及内部孔隙的总面积，v为岩石的总质量。

综上所述，利用核磁共振t2谱可对岩样孔隙内流体的赋存状态进行分析，可对岩样内的可动流体和可动油进行分析，饱和地层水或模拟地层水状态下岩样的核磁共振t2谱可用于可动流体的分析，同理，饱和油束缚水状态下的油相t2谱可用于可动油的分析。由于t2弛豫时间的长短取决于孔隙(孔隙大小、孔隙形态)、矿物(矿物成分、矿物表面性质)和流体(流体类型、流体黏度)等因素，因此岩样内可动流体和可动油含量的高低就是孔隙大小、孔隙形态、矿物成分、矿物表面性质等多种因素的综合反映。又由于孔隙大小、孔隙形态、矿物成分、矿物表面性质等是与储层质量好差和开发潜力高低密切相关的，因此，可动流体和可动油是储层评价尤其是低渗透储层评价中的两个重要参数，目前已经在低渗透油气储层质量好差和开发潜力高低的前期评价研究工作中得到广泛应用。另外，根据可动流体和可动油的油层物理含义，这两项参数也可用于油、气储层的储量和可采储量的计算，可动流体百分数是初始含油饱和度(油层)或初始含气饱和度(气层)的上限，同理，可动油百分数是油层驱油效率的上限。

核磁共振可动流体饱和度是一个完全来自于实验的概念。下面就用实验来说明这个概念。图3.12是一块完全饱和水的低渗透岩样及其经过高速离心甩干后的核磁共振弛豫时间谱。横坐标表示弛豫时间，纵坐标表示岩心不同弛豫时间组分占有的份额。较大孔隙对应的弛豫时间较长，较小孔隙对应的弛豫时间较短，弛豫时间谱也就是t2谱在油层物理上的含义为岩心中不同大小的孔隙占总孔隙的比例，从弛豫时间谱中可以得到丰富的油层物理信息。

图3.12低渗透油田岩心的弛豫时间谱

可以看到，岩样经过离心后，长弛豫部分曲线掉了下来，而短弛豫部分几乎没有改变。我们知道，岩样经过高速离心后，仍滞留在岩样内部的水是由于毛细管力的作用而滞留的；饱和在岩样内较为宽阔的孔隙中的水，由于毛细管力作用小而被甩出了样品。从前面我们已经知道了弛豫时间与孔隙比表面

÷的关系，可以看出，弛豫时间谱上短弛豫部分就是岩样中饱和在具有较大比表面

÷的孔隙中的水，这一部分的水由于受到较大的毛细管力束缚作用成为不可动的流体，是不参与渗流流动的。从这样的实验我们就可以把岩样内所有孔隙划分为可流动孔隙体积与不可流动孔隙体积。对于低渗透样品，我们还可以观察到，并非所有长弛豫时间部分都是可动流体，因为低渗透样品具有较大的孔喉比，有些孔隙虽然大，但与外界连通的喉道小，其中的流体同样也是不能流动的。