Blochovy rovnice
Ve fyzice a chemii, zejména v nukleární magnetické rezonanci (NMR) , v zobrazování magnetickou rezonancí (MRI) a v elektronové paramagnetické rezonanci (EPR) , jsou Blochovy rovnice souborem makroskopických rovnic používaných k výpočtu l ' nukleární magnetizace M = ( M x , M y , M z ) v závislosti na čase, kdy relaxační časy T 1 a T 2 jsou přítomny. Blochovy rovnice se někdy nazývají pohybové rovnice nukleární magnetizace. Tyto rovnice představil Félix Bloch v roce 1946 a jsou analogické s Maxwellovými-Blochovými rovnicemi, které popisují účinek elektromagnetického pole na dvouúrovňový systém a relaxace, které zde lze pozorovat.
Tyto rovnice nejsou mikroskopické : nepopisují pohybovou rovnici jednotlivých magnetických momentů . Ty jsou řízeny a popsány zákony kvantové mechaniky . Blochovy rovnice jsou makroskopické : popisují pohybové rovnice makroskopické nukleární magnetizace, které lze získat sečtením všech nukleárních magnetických momentů vzorku.
Blokujte rovnice v pevném referenčním rámci
Nechť M (t) = (M x (t), M y (t), M z (t)) , nukleární magnetizace. Blochovy rovnice se poté zapíší:
dMX(t)dt=y(M(t)×B(t))X-MX(t)T2{\ displaystyle {\ frac {dM_ {x} (t)} {dt}} = \ gamma (\ mathbf {M} (t) \ times \ mathbf {B} (t)) _ {x} - {\ frac {M_ {x} (t)} {T_ {2}}}}
dMy(t)dt=y(M(t)×B(t))y-My(t)T2{\ displaystyle {\ frac {dM_ {y} (t)} {dt}} = \ gamma (\ mathbf {M} (t) \ times \ mathbf {B} (t)) _ {y} - {\ frac {M_ {y} (t)} {T_ {2}}}}
dMz(t)dt=y(M(t)×B(t))z-Mz(t)-M0T1{\ displaystyle {\ frac {dM_ {z} (t)} {dt}} = \ gamma (\ mathbf {M} (t) \ times \ mathbf {B} (t)) _ {z} - {\ frac {M_ {z} (t) -M_ {0}} {T_ {1}}}}
kde γ je gyromagnetický poměr a B (t) = (B x (t), B y (t), B 0 + ΔB z (t)) je magnetické pole působící na atomová jádra. Složka z magnetického pole B se skládá ze dvou členů:
- první, B 0 , což odpovídá konstantní oblasti v průběhu času;
- druhá, ΔB z (t) , může být časově závislá. Je přítomen v zobrazování magnetickou rezonancí a pomáhá při prostorovém dekódování signálu NMR.
M (t) × B (t) je křížovým produktem těchto dvou vektorů. M 0 je rovnovážný stav nukleární magnetizace, je orientován ve směru z.
Fyzický obsah
Když T 1 a T 2 mají sklon k nekonečnu, to znamená, že nedochází k relaxaci, redukují se rovnice na:
dMX(t)dt=y(M(t)×B(t))X{\ displaystyle {\ frac {dM_ {x} (t)} {dt}} = \ gamma (\ mathbf {M} (t) \ times \ mathbf {B} (t)) _ {x}}
dMy(t)dt=y(M(t)×B(t))y{\ displaystyle {\ frac {dM_ {y} (t)} {dt}} = \ gamma (\ mathbf {M} (t) \ times \ mathbf {B} (t)) _ {y}}
dMz(t)dt=y(M(t)×B(t))z{\ displaystyle {\ frac {dM_ {z} (t)} {dt}} = \ gamma (\ mathbf {M} (t) \ times \ mathbf {B} (t)) _ {z}}
nebo ve vektorovém zápisu:
dM(t)dt=yM(t)×B(t){\ displaystyle {\ frac {d \ mathbf {M} (t)} {dt}} = \ gamma \ mathbf {M} (t) \ krát \ mathbf {B} (t)}To je rovnice Larmor precese jaderné magnetizace M do vnějšího magnetického pole B .
Blochovy rovnice jsou potom Larmorovy rovnice, ke kterým jsme přidali následující relaxační výrazy:
(-MXT2,-MyT2,-Mz-M0T1){\ displaystyle \ left (- {\ frac {M_ {x}} {T_ {2}}}, - {\ frac {M_ {y}} {T_ {2}}}, - {\ frac {M_ {z } -M_ {0}} {T_ {1}}} \ vpravo)}Příčný relaxace je popsán charakteristický čas T 2 a podobně podélné relaxace v době, kdy T 1 .
Tyto termíny překládají interakce s vnějším prostředím, podélná relaxace ( T 1 ) nebo spin-mřížková relaxace je výsledkem výměn mezi točením a okolním prostředím za účelem přenosu přebytečné energie poskytované magnetickým polem, a tedy návratu k termodynamické rovnováze. Příčná relaxace ( T 2 ) nebo dokonce spin-spin relaxace odpovídá postupnému fázovému posunu všech rotací materiálu pocházejících z lokálních nehomogenit magnetického pole. Tyto nehomogenity znamenají mírné rozdíly ve Larmorově frekvenci. Při absenci relaxace jsou momenty v koherentní precesi kolem magnetického pole a dochází k příčné magnetizaci. Jelikož je magnetizace součtem všech magnetických momentů, vede jejich progresivní dekoherence k průměrné hodnotě příčné složky, která má tendenci se rušit.
Alternativní formy Blochových rovnic
Vývoj křížového produktu v Blochových rovnicích vede k:
dMX(t)dt=y(My(t)Bz(t)-Mz(t)By(t))-MX(t)T2{\ displaystyle {\ frac {dM_ {x} (t)} {dt}} = \ gamma \ vlevo (M_ {y} (t) B_ {z} (t) -M_ {z} (t) B_ {y } (t) \ right) - {\ frac {M_ {x} (t)} {T_ {2}}}}
dMy(t)dt=y(Mz(t)BX(t)-MX(t)Bz(t))-My(t)T2{\ displaystyle {\ frac {dM_ {y} (t)} {dt}} = \ gamma \ vlevo (M_ {z} (t) B_ {x} (t) -M_ {x} (t) B_ {z } (t) \ right) - {\ frac {M_ {y} (t)} {T_ {2}}}}
dMz(t)dt=y(MX(t)By(t)-My(t)BX(t))-Mz(t)-M0T1{\ displaystyle {\ frac {dM_ {z} (t)} {dt}} = \ gamma \ vlevo (M_ {x} (t) B_ {y} (t) -M_ {y} (t) B_ {x } (t) \ right) - {\ frac {M_ {z} (t) -M_ {0}} {T_ {1}}}}
Později uvidíme, že tento vzorec je zjednodušený pózováním:
MXy=MX+iMy{\ displaystyle M_ {xy} = M_ {x} + iM_ {y}}
BXy=BX+iBy{\ displaystyle B_ {xy} = B_ {x} + iB_ {y}}
kde i je imaginární jednotka.
Získáváme:
dMXy(t)dt=-iy(MXy(t)Bz(t)-Mz(t)BXy(t))-MXy(t)T2{\ displaystyle {\ frac {dM_ {xy} (t)} {dt}} = - i \ gamma \ vlevo (M_ {xy} (t) B_ {z} (t) -M_ {z} (t) B_ {xy} (t) \ right) - {\ frac {M_ {xy} (t)} {T_ {2}}}}
dMz(t)dt=iy2(MXy(t)BXy(t)¯-MXy(t)¯BXy(t))-Mz(t)-M0T1{\ displaystyle {\ frac {dM_ {z} (t)} {dt}} = i {\ frac {\ gamma} {2}} \ vlevo (M_ {xy} (t) {\ overline {B_ {xy} (t)}} - {\ overline {M_ {xy} (t)}} B_ {xy} (t) \ right) - {\ frac {M_ {z} (t) -M_ {0}} {T_ { 1}}}}
Jako :
MXy¯=MX-iMy{\ displaystyle {\ overline {M_ {xy}}} = M_ {x} -iM_ {y}}.
BXy¯=BX-iBy{\ displaystyle {\ overline {B_ {xy}}} = B_ {x} -iB_ {y}}
Tato množství jsou konjugovaná komplexní čísla M xy a B xy . Skutečná a imaginární část M xy odpovídá M x a M y . M xy se někdy nazývá příčná nukleární magnetizace .
Maticová forma Blochových rovnic
Blochovy rovnice lze přepracovat pomocí ekvivalentní definice křížového produktu, která se zapíše do maticového zápisu:
ddt(MXMyMz)=(-1T2yBz-yBy-yBz-1T2yBXyBy-yBX-1T1)(MXMyMz)+(00M0T1){\ displaystyle {\ frac {d} {dt}} \ vlevo ({\ begin {pole} {c} M_ {x} \\ M_ {y} \\ M_ {z} \ end {pole}} \ vpravo) = \ left ({\ begin {array} {ccc} - {\ frac {1} {T_ {2}}} & \ gamma B_ {z} & - \ gamma B_ {y} \\ - \ gamma B_ {z } & - {\ frac {1} {T_ {2}}} & \ gamma B_ {x} \\\ gamma B_ {y} & - \ gamma B_ {x} & - {\ frac {1} {T_ { 1}}} \ end {array}} \ right) \ left ({\ begin {array} {c} M_ {x} \\ M_ {y} \\ M_ {z} \ end {array}} \ right) + \ left ({\ begin {array} {c} 0 \\ 0 \\ {\ frac {M_ {0}} {T_ {1}}} \ end {array}} \ right)}
Blokujte rovnice v rotujícím referenčním rámci
U otočného rámu, je snazší pochopit chování jaderné magnetizace M .
Řešení Blochových rovnic s T 1 , T 2 → ∞
Předpokládejme, že:
- v čase t = 0, příčná jaderné magnetizace M xy (0) prochází konstantního magnetického pole B ( t ) = (0, 0, B 0 );
-
B 0 je kladné;
- není podélná nebo příčná relaxace od T 1 a T 2, mají tendenci k nekonečnu.
Blochovy rovnice se pak stanou:
dMXy(t)dt=-iyMXy(t)B0{\ displaystyle {\ frac {dM_ {xy} (t)} {dt}} = - i \ gamma M_ {xy} (t) B_ {0}},
dMz(t)dt=0{\ displaystyle {\ frac {dM_ {z} (t)} {dt}} = 0}.
Jedná se o dvě nespojené lineární diferenciální rovnice. Jejich řešení jsou:
MXy(t)=MXy(0)E-iyB0t{\ displaystyle M_ {xy} (t) = M_ {xy} (0) e ^ {- i \ gamma B_ {0} t}},
Mz(t)=M0=konst{\ displaystyle M_ {z} (t) = M_ {0} = {\ text {const}} \,}.
Tudíž příčná magnetizace, M xy rotuje kolem osy z s úhlovou frekvencí ω 0 = γ B 0 ve směru hodinových ručiček (to je důvod záporného znaménka v exponentu). Podélná magnetizace M z zůstává v průběhu času konstantní. To je také důvod, proč se příčná magnetizace zdá pozorovateli v pozemském referenčním rámci (viděném stacionárním pozorovatelem ).
M xy ( t ) lze rozložit na pozorovatelné veličiny M x ( t ) a M y (t) :
MXy(t)=MXy(0)E-iyBz0t=MXy(0)[cos(ω0t)-ihřích(ω0t)]{\ displaystyle M_ {xy} (t) = M_ {xy} (0) e ^ {- i \ gamma B_ {z0} t} = M_ {xy} (0) \ left [\ cos (\ omega _ {0 } t) -i \ sin (\ omega _ {0} t) \ vpravo]}My máme :
MX(t)=Re(MXy(t))=MXy(0)cos(ω0t){\ displaystyle M_ {x} (t) = {\ text {Re}} \ vlevo (M_ {xy} (t) \ vpravo) = M_ {xy} (0) \ cos (\ omega _ {0} t) },
My(t)=Im(MXy(t))=-MXy(0)hřích(ω0t){\ displaystyle M_ {y} (t) = {\ text {Im}} \ vlevo (M_ {xy} (t) \ vpravo) = - M_ {xy} (0) \ sin (\ omega _ {0} t )},
kde Re ( z ) a Im ( z ) jsou funkce, které dávají příslušnou skutečnou a imaginární část komplexního čísla z. V tomto výpočtu se předpokládalo, že M xy (0) je reálné číslo.
Transformace do rotujícího referenčního rámce
Toto je závěr předchozí části: v konstantním magnetickém poli B 0 podél osy z se příčná magnetizace M xy otáčí kolem této osy ve směru hodinových ručiček s úhlovou frekvencí ω 0 . Pokud by se pozorovatel otáčel kolem stejné osy ve stejném směru as úhlovou frekvencí Ω, zdálo by se mu M xy rotující s úhlovou frekvencí ω 0 - Ω. Přesněji řečeno, pokud by se pozorovatel otáčel kolem stejné osy ve směru hodinových ručiček s úhlovou frekvencí ω 0 , příčná magnetizace M xy by se mu jevila jako stacionární.
To lze vyjádřit matematicky takto:
- (x, y, z) je pozemský kartézský souřadný systém nastavený jako referenční rámec;
- (x ′, y ′, z ′) = (x ′, y ′, z) je kartézský souřadný systém, který se otáčí kolem osy z pozemského referenčního rámce s úhlovou frekvencí Ω. Říká se tomu otočný referenční rámec . Fyzické proměnné v tomto úložišti jsou označeny apostrofem.
Jasně:
Mz′(t)=Mz(t){\ displaystyle M_ {z} '(t) = M_ {z} (t) \,}.
Pro M xy ′ ( t ) je transformace zapsána:
MXy′(t)=MXy(t)E+iΩt{\ displaystyle M_ {xy} '(t) = M_ {xy} (t) e ^ {+ i \ Omega t} \,}.
Rovnice pohybu magnetizace v rotujícím referenčním rámci
Pohybová rovnice M xy ′ ( t ) v poli B (t) = (B x (t), B y (t), B 0 + ΔB z (t)) je:
dMXy′(t)dt=i(Ω-ω0)MXy′(t)-iyΔBz(t)MXy′(t)+iyBXy′(t)Mz(t)-MXy′(t)T2{\ displaystyle {\ begin {aligned} {\ frac {dM '_ {xy} (t)} {dt}} & = i (\ Omega - \ omega _ {0}) M_ {xy}' (t) - i \ gamma \ Delta B_ {z} (t) M_ {xy} '(t) + i \ gamma B_ {xy}' (t) M_ {z} (t) - {\ frac {M_ {xy} '( t)} {T_ {2}}} \\\ end {zarovnáno}}}
dMz(t)dt=iy2(MXy′(t)BXy′(t)¯-MXy′(t)¯BXy′(t))-Mz(t)-M0T1{\ displaystyle {\ frac {dM_ {z} (t)} {dt}} = i {\ frac {\ gamma} {2}} \ left (M '_ {xy} (t) {\ overline {B' _ {xy} (t)}} - {\ overline {M '_ {xy} (t)}} B' _ {xy} (t) \ right) - {\ frac {M_ {z} (t) - M_ {0}} {T_ {1}}}}
Demonstrace
Evoluční rovnici získáme jednoduše odvozením veličiny M ' xy vzhledem k času :
dMXy′(t)dt=d(MXy(t)E+iΩt)dt=dMXy(t)dtE+iΩt+iΩMXy(t)E+iΩt=dMXy(t)dtE+iΩt+iΩMXy′(t){\ displaystyle {\ frac {dM_ {xy} '(t)} {dt}} = {\ frac {d \ left (M_ {xy} (t) e ^ {+ i \ Omega t} \ right)} { dt}} = {\ frac {dM_ {xy} (t)} {dt}} e ^ {+ i \ Omega t} + i \ Omega M_ {xy} (t) e ^ {+ i \ Omega t} = {\ frac {dM_ {xy} (t)} {dt}} e ^ {+ i \ Omega t} + i \ Omega M_ {xy} '(t)}Vložením Blochovy rovnice:
dMXy′(t)dt=[-iy(MXy(t)Bz(t)-Mz(t)BXy(t))-MXy(t)T2]E+iΩt+iΩMXy′(t)=[-iy(MXy(t)E+iΩtBz(t)-Mz(t)BXy(t)E+iΩt)-MXy(t)E+iΩtT2]+iΩMXy′(t)=-iy(MXy′(t)Bz′(t)-Mz′(t)BXy′(t))+iΩMXy′(t)-MXy′(t)T2{\ displaystyle {\ begin {aligned} {\ frac {dM_ {xy} '(t)} {dt}} & = \ left [-i \ gamma \ left (M_ {xy} (t) B_ {z} ( t) -M_ {z} (t) B_ {xy} (t) \ right) - {\ frac {M_ {xy} (t)} {T_ {2}}} \ right] e ^ {+ i \ Omega t} + i \ Omega M_ {xy} '(t) \\ & = \ left [-i \ gamma \ left (M_ {xy} (t) e ^ {+ i \ Omega t} B_ {z} (t ) -M_ {z} (t) B_ {xy} (t) e ^ {+ i \ Omega t} \ vpravo) - {\ frac {M_ {xy} (t) e ^ {+ i \ Omega t}} {T_ {2}}} \ vpravo] + i \ Omega M_ {xy} '(t) \\ & = - i \ gamma \ left (M_ {xy}' (t) B_ {z} '(t) - M_ {z} '(t) B_ {xy}' (t) \ right) + i \ Omega M_ {xy} '(t) - {\ frac {M_ {xy}' (t)} {T_ {2} }} \\\ end {zarovnáno}}}Hypotéza předchozí části byla, že: B z ′ ( t ) = B z ( t ) = B 0 + Δ B z ( t ). Můžeme tedy pokračovat psaním:
dMXy′(t)dt=-iy(MXy′(t)(B0+ΔBz(t))-Mz(t)BXy′(t))+iΩMXy′(t)-MXy′(t)T2=-iyB0MXy′(t)-iyΔBz(t)MXy′(t)+iyBXy′(t)Mz(t)+iΩMXy′(t)-MXy′(t)T2=i(Ω-ω0)MXy′(t)-iyΔBz(t)MXy′(t)+iyBXy′(t)Mz(t)-MXy′(t)T2{\ displaystyle {\ begin {aligned} {\ frac {dM_ {xy} '(t)} {dt}} & = - i \ gamma \ left (M_ {xy}' (t) (B_ {0} + \ Delta B_ {z} (t)) - M_ {z} (t) B_ {xy} '(t) \ right) + i \ Omega M_ {xy}' (t) - {\ frac {M_ {xy} ' (t)} {T_ {2}}} \\ & = - i \ gamma B_ {0} M_ {xy} '(t) -i \ gamma \ Delta B_ {z} (t) M_ {xy}' ( t) + i \ gamma B_ {xy} '(t) M_ {z} (t) + i \ Omega M_ {xy}' (t) - {\ frac {M_ {xy} '(t)} {T_ { 2}}} \\ & = i (\ Omega - \ omega _ {0}) M_ {xy} '(t) -i \ gamma \ Delta B_ {z} (t) M_ {xy}' (t) + i \ gamma B_ {xy} '(t) M_ {z} (t) - {\ frac {M_ {xy}' (t)} {T_ {2}}} \\\ end {zarovnáno}}}Totéž platí pro rovnici M z .
Vysvětlení pojmů vpravo od této rovnice:
-
i (Ω - ω 0 ) M xy ′ ( t ) sleduje Larmorův člen v rotujícím referenčním rámci s úhlovou frekvencí Ω. Zruší se zejména, když Ω = ω 0 ;
- pojem -i γ Δ B z ( t ) M xy ′ ( t ) popisuje účinek nehomogenity magnetického pole na příčnou nukleární magnetizaci. Je to také termín, který odpovídá použití NMR během MRI: je vytvářen gradientními cívkami magnetického pole;
-
i γ Δ B xy ′ ( t ) M z ( t ) popisuje účinek radiofrekvenčního pole na nukleární magnetizaci (konkrétněji faktor Δ B xy ′ ( t ));
- - M xy ′ ( t ) / T 2 popisuje ztrátu koherence příčné magnetizace.
Rovnice nezávislé na čase v rotujícím referenčním rámci
Pokud má externí pole tvar:
BX(t)=B1cosωt{\ displaystyle B_ {x} (t) = B_ {1} \ cos \ omega t}
By(t)=-B1hříchωt{\ displaystyle B_ {y} (t) = - B_ {1} \ sin \ omega t}
Bz(t)=B0{\ displaystyle B_ {z} (t) = B_ {0}},
Poté můžeme definovat:
ϵ=yB1{\ displaystyle \ epsilon = \ gamma B_ {1}}a ,
Δ=ω-ω0{\ displaystyle \ Delta = \ omega - \ omega _ {0}}Rovnice se poté zapíší jednoduše maticovým zápisem:
ddt(MX′My′Mz′)=(-1T2Δ0-Δ-1T2ϵ0-ϵ-1T1)(MX′My′Mz′)+(00M0T1){\ displaystyle {\ frac {d} {dt}} \ vlevo ({\ begin {pole} {c} M '_ {x} \\ M' _ {y} \\ M '_ {z} \ end { array}} \ right) = \ left ({\ begin {array} {ccc} - {\ frac {1} {T_ {2}}} & \ Delta & 0 \\ - \ Delta & - {\ frac {1 } {T_ {2}}} & \ epsilon \\ 0 & - \ epsilon & - {\ frac {1} {T_ {1}}} \ end {array}} \ right) \ left ({\ begin {array } {c} M '_ {x} \\ M' _ {y} \\ M '_ {z} \ end {pole}} \ doprava) + \ doleva ({\ začátek {pole} {c} 0 \ \ 0 \\ {\ frac {M_ {0}} {T_ {1}}} \ end {pole}} \ vpravo)}
Demonstrace
BXy′(t)=B1(cosωt-ihříchωt)EiΩt=B1Ei(Ω-ω)tdMz′dt=iy2B1(MXy′Ei(ω-Ω)t-MXy′¯E-i(ω-Ω)t)-Mz-M0T1=-yB1My′E-i(ω-Ω)t-Mz-M0T1dMXy′dt=i(Ω-ω0)MXy′+iyB1E-i(ω-Ω)tMz-MXy′T2{\ displaystyle {\ begin {aligned} B_ {xy} '(t) & = B_ {1} (\ cos \ omega ti \ sin \ omega t) e ^ {i \ Omega t} = B_ {1} e ^ {i (\ Omega - \ omega) t} \\ {\ frac {dM '_ {z}} {dt}} & = i {\ frac {\ gamma} {2}} B_ {1} (M_ {xy } 'e ^ {i (\ omega - \ Omega) t} - {\ overline {M_ {xy}'}} e ^ {- i (\ omega - \ Omega) t}) - {\ frac {M_ {z } -M_ {0}} {T_ {1}}} \\ & = - \ gamma B_ {1} M '_ {y} e ^ {- i (\ omega - \ Omega) t} - {\ frac { M_ {z} -M_ {0}} {T_ {1}}} \\ {\ frac {dM '_ {xy}} {dt}} & = i (\ Omega - \ omega _ {0}) M' _ {xy} + i \ gamma B_ {1} e ^ {- i (\ omega - \ Omega) t} M_ {z} - {\ frac {M '_ {xy}} {T_ {2}}} \ \\ end {zarovnáno}}}Protože a
můžeme rozdělit pohybovou rovnici M ' xy na dvě rovnice, jednu pro skutečnou část a druhou pro imaginární část, kterou identifikujeme na obou stranách rovnosti. To dává:
MX′=Re(MXy′){\ displaystyle M '_ {x} = {\ text {Re}} (M' _ {xy})}My′=Im(MXy′){\ displaystyle M '_ {y} = {\ text {Im}} (M' _ {xy})}
dMX′dt=(Ω-ω0)My′+yB1hřích((ω-Ω)t)Mz-MX′T2dMy′dt=-(Ω-ω0)MX′+yB1cos((ω-Ω)t)Mz-My′T2{\ displaystyle {\ begin {aligned} {\ frac {dM '_ {x}} {dt}} & = (\ Omega - \ omega _ {0}) M' _ {y} + \ gamma B_ {1} \ sin ((\ omega - \ Omega) t) M_ {z} - {\ frac {M '_ {x}} {T_ {2}}} \\ {\ frac {dM' _ {y}} {dt }} & = - (\ Omega - \ omega _ {0}) M '_ {x} + \ gamma B_ {1} \ cos ((\ omega - \ Omega) t) M_ {z} - {\ frac { M '_ {y}} {T_ {2}}} \\\ konec {zarovnáno}}}S podmínkou zjistíme, že formulace byla oznámena tak, že již neexistuje žádná výslovná závislost s ohledem na čas.
Ω=ω{\ displaystyle \ Omega = \ omega}
Jednoduchá řešení Blochových rovnic
Uvolnění příčné nukleární magnetizace M xy
Za předpokladu, že:
- jaderná magnetizace je vystavena stálému vnějšímu magnetickému poli ve směru z: B z ′ (t) = B z (t) = B 0 . Tedy ω 0 = γB 0 a ΔB z (t) = 0 ' ;
- neexistuje žádné radiofrekvenční pole, takže máme B xy ' = 0;
- rotace rotujícího referenčního rámce je na úhlové frekvenci Ω = ω 0 .
V rotujícím referenčním rámci se pohybová rovnice pro příčnou nukleární magnetizaci M xy '(t) redukuje na:
dMXy′(t)dt=-MXy′(t)T2{\ displaystyle {\ frac {dM_ {xy} '(t)} {dt}} = - {\ frac {M_ {xy}' (t)} {T_ {2}}}}Jedná se o lineární obyčejnou diferenciální rovnici a její řešení je:
MXy′(t)=MXy′(0)E-t/T2{\ displaystyle M_ {xy} '(t) = M_ {xy}' (0) e ^ {- t / T_ {2}}}.
kde M xy ' (0) je příčná nukleární magnetizace v rotujícím rámu v čase t = 0 . Představuje počáteční podmínku diferenciální rovnice.
Je třeba poznamenat, že když je rotace rotujícího referenčního rámce přesně na Larmorově frekvenci ω 0 , je příčný vektor nukleární magnetizace M xy (t) stacionární.
Uvolnění podélné nukleární magnetizace M z
Za předpokladu, že:
- nukleární magnetizace je vystavena stálému vnějšímu magnetickému poli ve směru z: B z ′ (t) = B z (t) = B 0 . Tedy ω 0 = γB 0 a ΔB z (t) = 0 ' ;
- neexistuje žádné radiofrekvenční pole, takže máme B xy '= 0 ;
- rotace rotujícího systému je na úhlové frekvenci Ω = ω 0 .
V rotujícím referenčním rámci je pohybová rovnice pro podélnou nukleární magnetizaci M z (t) zjednodušena na:
dMz(t)dt=-Mz(t)-M0T1{\ displaystyle {\ frac {dM_ {z} (t)} {dt}} = - {\ frac {M_ {z} (t) -M_ {0}} {T_ {1}}}}Jedná se o lineární obyčejnou diferenciální rovnici a její řešení je:
Mz(t)=M0-[M0-Mz(0)]E-t/T1{\ displaystyle M_ {z} (t) = M_ {0} - [M_ {0} -M_ {z} (0)] e ^ {- t / T_ {1}}}kde M z (0) je podélná nukleární magnetizace v rotujícím rámu v čase t = 0. Toto je počáteční podmínka pro diferenciální rovnici.
90 ° a 180 ° pulsy v radiofrekvenčním poli
Obvykle se v NMR používají pulzy při 90 ° a 180 ° v radiofrekvenčním poli. Vliv těchto pulzů na magnetizaci ukazuje následující obrázek:
Předchozí předpoklady jsou upraveny přidáním radiofrekvenčního pole B 1, jako například:
- při t = 0 se aplikuje radiofrekvenční puls konstantní amplitudy a frekvence ω 0 . Máme B ' xy (t) = B' xy konstantní a τ trvání tohoto pulzu;
-
T 1 a T 2 → ∞. V praxi to znamená, že τ je malá ve srovnání s T 1 a T 2 .
Pak pro 0 ≤ t ≤ τ:
dMXy′(t)dt=iyBXy′Mz(t){\ displaystyle {\ begin {aligned} {\ frac {dM_ {xy} '(t)} {dt}} = i \ gamma B_ {xy}' M_ {z} (t) \ end {aligned}}}
dMz(t)dt=iy2(MXy′(t)BXy′¯-MXy′¯(t)BXy′){\ displaystyle {\ frac {dM_ {z} (t)} {dt}} = i {\ frac {\ gamma} {2}} \ left (M '_ {xy} (t) {\ overline {B' _ {xy}}} - {\ overline {M '_ {xy}}} (t) B' _ {xy} \ right)}
V průběhu doby má magnetizace tendenci se vracet do stavu rovnováhy. Různé komponenty se chovají následovně:
Podívejte se také
Difúze MRI využívá zobecnění Bloch rovnice: Bloch-Torrey rovnic , které obsahují výrazy přidané v důsledku převodu magnetizace difúzí.
Bibliografie
Funguje
-
Charles Kittel , Úvod do fyziky pevných látek , kap. 13 , John Wiley & Sons, 8 th ed. , 2004 ( ISBN 978-0-471-41526-8 ) .
- Claude Le Sech a Christian Ngô, Nuclear Physics: From quarks to applications , Dunod, Paris, 2010 ( ISBN 978-2-10-055331-0 ) .
- Jean-Philippe Grivet, Aplikované numerické metody pro vědce a inženýry , kap. 13 , Řešení Blochových rovnic , EDP Sciences, kol. „Grenoble Sciences“, 2 nd ed. ,duben 2013( ISBN 9782759808298 ) .
externí odkazy
Reference
-
F. Bloch , Nuclear Induction , Physical Review , 70, 4604–73, 1946
-
Jacques Pescia, „ Relaxace elektronických točení se sítí (Základní teorie a metody měření času T1) “, Journal of Physics ,Listopad-prosinec 1966, str. 782-800 ( číst online )
-
„ Princip NMR: relaxační jevy “ (přístup 25. dubna 2018 )
-
(v) " Bloch rovnic " na otázky a odpovědi na MRI (přístupné 1 st květen 2018 )
-
„ ENS Lyonský kurz nukleární magnetické rezonance “ , na ens-lyon.fr ,1 st 08. 2014(zpřístupněno 30. dubna 2018 )
-
HC Torrey , „ Bloch rovnice s podmínkami difúze “, Physical Review , sv. 104, n o 3,
1956, str. 563–565 ( DOI 10.1103 / PhysRev.104.563 , Bibcode 1956PhRv..104..563T )