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:

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:

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:

nebo ve vektorovém zápisu:

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:

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:

Později uvidíme, že tento vzorec je zjednodušený pózováním:

kde i je imaginární jednotka.

Získáváme:

Jako :

.

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:

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:

Blochovy rovnice se pak stanou:

, .

Jedná se o dvě nespojené lineární diferenciální rovnice. Jejich řešení jsou:

, .

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)  :

My máme :

, ,

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:

Jasně:

.

Pro M xy ′ ( t ) je transformace zapsána:

.

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:

Demonstrace

Evoluční rovnici získáme jednoduše odvozením veličiny M ' xy vzhledem k času  :

Vložením Blochovy rovnice:

Hypotéza předchozí části byla, že: B z ′ ( t ) = B z ( t ) = B 0 + Δ B z ( t ). Můžeme tedy pokračovat psaním:

Totéž platí pro rovnici M z .

Vysvětlení pojmů vpravo od této rovnice:

Rovnice nezávislé na čase v rotujícím referenčním rámci

Pokud má externí pole tvar:

,

Poté můžeme definovat:

a ,

Rovnice se poté zapíší jednoduše maticovým zápisem:

Demonstrace

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:

S podmínkou zjistíme, že formulace byla oznámena tak, že již neexistuje žádná výslovná závislost s ohledem na čas.

Jednoduchá řešení Blochových rovnic

Uvolnění příčné nukleární magnetizace M xy

Za předpokladu, že:

V rotujícím referenčním rámci se pohybová rovnice pro příčnou nukleární magnetizaci M xy '(t) redukuje na:

Jedná se o lineární obyčejnou diferenciální rovnici a její řešení je:

.

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:

V rotujícím referenčním rámci je pohybová rovnice pro podélnou nukleární magnetizaci M z (t) zjednodušena na:

Jedná se o lineární obyčejnou diferenciální rovnici a její řešení je:

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:

Pak pro 0 ≤ t ≤ τ:

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

externí odkazy

Reference

  1. F. Bloch , Nuclear Induction , Physical Review , 70, 4604–73, 1946
  2. 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 )
  3. „  Princip NMR: relaxační jevy  “ (přístup 25. dubna 2018 )
  4. (v) "  Bloch rovnic  " na otázky a odpovědi na MRI (přístupné 1 st květen 2018 )
  5. „  ENS Lyonský kurz nukleární magnetické rezonance  “ , na ens-lyon.fr ,1 st 08. 2014(zpřístupněno 30. dubna 2018 )
  6. 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 )