核磁共振自由感應(yīng)衰減信號(FID信號) 原理展示

　　自由感應(yīng)衰減(free induction decay, FID)是核磁共振現(xiàn)象的表現(xiàn)形式。下面將對核磁共振中的自由衰減信號（FID）進行簡要的介紹。

　　核磁共振設(shè)備中會使用若干種不同種類的線圈。主要包括：梯度線圈和射頻線圈兩種，下面簡單介紹下射頻線圈的功能。

　　射頻線圈具有發(fā)射和接收兩個基本功能，包括發(fā)射線圈本接收線圈。發(fā)射線圈的功能是向檢測樣品發(fā)射射頻脈沖，使質(zhì)子的縱向磁化強度矢量發(fā)生翻轉(zhuǎn)。接收線圈的功能是接收樣品的核磁共振信號。

自由感性衰減信號（FID）

　　這里以π/2脈沖為例，在x軸方向通過發(fā)射線圈發(fā)射π/2脈沖，在旋轉(zhuǎn)坐標系內(nèi)，脈沖結(jié)束時，縱向磁化強度矢量M0翻轉(zhuǎn)到xOy平面內(nèi)并位于y‘軸方向。這樣在π/2脈沖以后，可以得到一個橫向磁化強度矢量。M_xy ，在xOy平面的運動是螺旋形衰減，見圖1。若把發(fā)射線圈作為接受線圈，依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的 M_xy穿過xOy平面內(nèi)位于x軸上的接收線圈，引起拖過線圈磁通量的變化時，就可在接收線圈內(nèi)產(chǎn)生一感應(yīng)電動勢（或感應(yīng)電流），這個感應(yīng)電動勢或感應(yīng)電流稱為核磁共振信號。

圖1.橫向磁化螺旋式衰減

　　由于M_xy是一個按正弦規(guī)律振蕩、按指數(shù)規(guī)律衰減，所以接受的信號也是按正弦規(guī)律振蕩，按指數(shù)規(guī)律衰減。信號變化如圖2（a）。因此，這種按正弦規(guī)律振蕩、按指數(shù)規(guī)律衰減的核磁共振信號習(xí)慣被稱為自由感應(yīng)衰減信號（free induction decay）

圖2. FID信號波形

　　需要特別注意的是：由于M_xy以角頻率ω₀繞外磁場轉(zhuǎn)動，接收到信號的角頻率也是ω₀，即信號的頻率與射頻脈沖相等，也就是產(chǎn)生核磁共振的頻率。當(dāng)一個較小的縱向磁化強度矢量M₀在π/2脈沖作用下翻轉(zhuǎn)到xOy平面內(nèi)，其產(chǎn)生的FID信號見圖2（b），這說明FID信號的大小與π/2脈沖停止后，M_xy初始大小或π/2脈沖作用前縱向磁化強度大小有關(guān)，M_xy越大，同一時刻產(chǎn)生的FID信號越強。

　　FID信號是強度隨時間的變化波形，經(jīng)傅立葉變換后偶可得到核磁共振信號強度隨頻率ν變化的波形，即核磁共振譜，如圖3，圖中ν₀為共振頻率。

圖3

核磁共振實驗教學(xué)案例展示：硬脈沖FID 序列測量拉莫爾頻率

圖4.偏振狀態(tài)下的FID信號

圖5.接近共振狀態(tài)下的FID信號

圖6.共振狀態(tài)下的FID信號