Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design

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Robin A. de Graaf《In Vivo NMR Spectroscopy: Principles and Techniques》

自旋動力學 核磁共振的基礎:https://avalokitesvari.blogspot.com/2026/06/blog-post_223.html
固態科學叢書1磁共振原理:https://avalokitesvari.blogspot.com/2026/06/springer-series-in-solid-state-sciences.html

Robin A. de Graaf《In Vivo NMR Spectroscopy: Principles and Techniques》Third Edition序文撰寫第三版的主要推動力，是因為較早版本，以及多數 NMR 教科書，對若干基本 NMR 現象的描述並不充分。NMR 的量子圖像提供了最一般性的描述，適用於所有 NMR 實驗。因此，NMR 的量子描述往往佔據核心地位，但代價是犧牲了物理上直觀的圖像。當量子力學被不正確地簡化為古典圖像時，就會產生對 NMR 的不恰當描述。

然而，自從 Felix Bloch 首次報告體相物質中的 NMR 以來，人們就已知道，對於許多化合物，例如水，NMR 現象可以根據古典論證作定量描述，而不必訴諸量子力學。本版採用這種古典描述，作為一種非常直觀且直接的 NMR 說明方式。活體 NMR 的許多方面，包括 MR 成像、磁化轉移與擴散，都可以成功地描述；不過，在存在標量耦合時，古典描述確實會變得不足。此時，古典描述會被半古典的關聯向量模型取代，而這個模型會自然導向量子力學的乘積算符形式主義。

第三版也藉此機會修正關於射頻脈衝與線圈本質的一些誤解，並且提供新方法的更新回顧，包括超極化 MR、氘代謝成像（DMI）、MR 指紋、進階磁場勻場，以及化學交換飽和轉移（CEST）方法。不過，必須強調的是，本書並不打算對活體 MRS 方法提出完整、詳細且深入的綜述。

本書的主要目標，一直是提供活體 NMR 的教育性解釋與概觀，同時不失去實驗 NMR 光譜學家所重視的實用面向。在本版中，這個目標透過將相當多的數學方程式移至習題中而得到加強；正文則更偏向直觀、描述性的說明，以及 NMR 現象的圖像化呈現。這些習題的設計目的，是複習、但也常常擴展書中所介紹的 NMR 原理與技術，包括更深入探索定量 MR 方程。關於 RF 脈衝的文字說明已被縮減，並由 PulseWizard 補充；PulseWizard 是一個以 Matlab 為基礎的 RF 脈衝產生與模擬圖形使用者介面，可於本書配套網站下載。

形成本第三版基礎的許多想法與改動，來自與同事們的多次討論。我想感謝 Henk De Feyter、Chathura Kumaragamage、Terry Nixon、Graeme Mason、Kevin Behar 與 Douglas Rothman 所帶來的許多富有成果的討論。

最後，我想感謝以下人士提供原始資料：Dan Green 與 Simon Pittard（Magnex Scientific）、Wolfgang Dreher（University of Bremen）、Andrew Maudsley（University of Miami）、Yanping Luo 與 Michael Garwood（University of Minnesota）、Bart Steensma、Dennis Klomp、Kees Braun、Jan van Emous 與 Cees van Echteld（Utrecht University），以及 Henk De Feyter、Zachary Corbin、Robert Fulbright、Graeme Mason、Terry Nixon、Laura Sacolick 與 Gerald Shulman（Yale University）。

2018 年 5 月

Robin A. de Graaf

美國康乃狄克州 New Haven

MRS簡介

光譜學是研究物質與電磁輻射之間交互作用的學問。原子與分子具有一系列離散能階，對應於不同且量子化的電子、振動或轉動狀態。原子與電磁輻射之間的交互作用，其特徵是吸收與放出光子，而光子的能量必須恰好等於兩個狀態之間的能階差。

由於光子的能量與頻率成正比，不同形式的光譜學常常根據所涉及的頻率來區分。例如，外層電子之電子態間的吸收與放射，通常需要紫外光（UV）範圍的頻率，因此產生紫外光譜學。分子振動模態的頻率略低於可見紅光，因此以紅外光（IR）光譜學研究。核磁共振（NMR）光譜學則使用射頻，其範圍通常在 10–1000 MHz。

NMR 是研究原子核的磁性質及其相關能量。當原子核置於一個強外加磁場中時，可以觀察到射頻能量的吸收。1945 年，MIT Cambridge 的 Purcell 等人，以及 Stanford 的 Bloch 等人，同時但彼此獨立地發現了 NMR。1952 年，Bloch 與 Purcell 因其開創性成就共同獲得諾貝爾物理學獎。

在這個階段，NMR 純粹是物理學家用來測定原子核磁矩的實驗。直到人們發現，同一分子內的不同原子核會在不同的共振頻率吸收能量，NMR 才能發展為最具多功能性的光譜技術之一。這些所謂的化學位移效應，與原子核所處的化學環境直接相關，最早由 Proctor 與 Yu 於 1949 年觀察到，Dickinson 也獨立觀察到此現象。1951 年 Arnold 等人發表了乙醇的高解析度 ¹H NMR 光譜，其中可以清楚辨認出甲基、亞甲基與羥基質子的分離訊號；這使 NMR 能夠提供化合物詳細化學資訊的能力得到穩固確立。

在最初二十年中，NMR 光譜是以連續波模式記錄的：在固定磁場強度或射頻其中之一的同時，掃描另一個量，使其通過感興趣的光譜區域。1966 年，Ernst 與 Anderson 引入了脈衝式 NMR，並結合傅立葉轉換，NMR 因而發生革命性轉變。脈衝式 NMR，或傅立葉轉換 NMR，是所有現代 NMR 實驗的核心。

外加磁場在原子核中誘發的能階差，相較於室溫下的熱能非常小，使得這些能階幾乎被等量佔據。因此，光子的吸收非常低，這讓 NMR 與其他形式的光譜學相比，是一種非常不靈敏的技術。然而，這種低能量吸收也使 NMR 成為一種非侵入性、非破壞性的技術，非常適合活體測量。一般認為，Bloch 透過觀察自己手指中的水訊號，完成了第一個活體 NMR 實驗。

在接下來數十年中，NMR 研究被應用於多種生物樣本，例如蔬菜與哺乳動物組織製備物。人們持續關注如何界定與解釋生物組織中水的性質，這導向 Damadian 於 1971 年提出一項令人期待的報告：惡性腫瘤組織的 NMR 性質，即弛豫時間，與正常組織有顯著差異，暗示質子 NMR 可能具有診斷價值。

1970 年代初期，完整活體組織的 NMR 光譜實驗首次被報導。Moon 與 Richards 使用 ³¹P NMR 研究完整紅血球，並顯示如何由化學位移差異決定細胞內 pH。1974 年，Hoult 等人報導了第一個使用 ³¹P NMR 研究完整切除大鼠後肢的研究。

第一個 ¹H NMR 光譜的取得幾乎延遲了十年，原因是空間定位，以及水與脂肪抑制相關的技術困難。Behar 等人與 Bottomley 等人分別報導了來自大鼠與人腦的第一個 ¹H NMR 光譜。從這些樸素的開端以來，活體 MR 光譜學（MRS）已成長為研究疾病與健康狀態下代謝之靜態與動態面向的重要技術。

與活體 MRS 興起的同時，高解析度液態 NMR 的世界也因 Ernst 及其同事引入 2D NMR 而發生革命；這是基於 Jeener 於 1971 年提出的概念。隨後數十年發展出的數百種 2D 方法，使 NMR 穩固成為鑑定低分子量化學物質與決定其結構的主要分析工具。Richard Ernst 因其對 NMR 方法學發展的貢獻，獲得 1991 年諾貝爾化學獎。

將多維 NMR 應用於生物大分子研究，使得人們能夠在水溶液環境中決定蛋白質的三維結構，提供了 X 光晶體學之外的替代方法。Kurt Wüthrich 因其對蛋白質 NMR 與三維蛋白質結構決定的貢獻，獲得 2002 年諾貝爾化學獎。

大約在活體 MRS 報告出現的同一時期，Lauterbur 以及 Mansfield 與 Grannell 描述了現代 NMR 的一項主要組成，即活體 NMR 成像或磁共振成像（MRI）的最早報告。透過在靜磁場之外施加位置相依的磁場，他們能夠將核自旋的空間分布重建為影像。Lauterbur 與 Mansfield 共同獲得 2003 年諾貝爾醫學獎。自 MRI 出現以來，它已蓬勃發展成為結構與功能成像的主要方法，包括擴散張量成像（DTI）與血氧濃度相依（BOLD）功能性 MRI 等方法。

作為臨床與研究中主要的成像模態，MRI 的理論與實務面向已由許多優秀教科書廣泛涵蓋。雖然 MRS 與 MRI 基於相同的基本原理，但要獲得高品質 MRS，其實務考量非常不同.....。

Springer Series in Solid-State Sciences, Volume 1《Principles of Magnetic Resonance》, Third Enlarged and Updated Edition序

自旋動力學:https://avalokitesvari.blogspot.com/2026/06/blog-post_223.html

磁共振物理學成為進入固態科學的一個入口~,

Springer Series in Solid-State Sciences, Volume 1《Principles of Magnetic Resonance》, Third Enlarged and Updated Edition序

本書第一版寫於 1961 年，當時我在哈佛大學擔任 Morris Loeb 物理學講師。在第一版序言中，我寫道：

「今日初學者所面臨的問題非常龐大。若他試著閱讀一篇當代論文，常常會發現第一段就提到一篇更早的論文，而整篇文章都建立在那篇論文之上；作者也自然假定讀者熟悉那篇論文。而那篇被引用的論文，又建立在另一篇論文之上。於是這位無助的學生發現自己似乎陷入一場永無止境的回溯之中。

我一直覺得，研究生或其他剛開始從事磁共振研究的人，需要一本真正深入計算細節、但又是寫給初學者而非專家的書。」

本書最初的目標，是只處理那些對理解文獻而言真正必要的主題。因此，目標是有所選擇，而不是包羅萬象。隨著時間推移，一些重要的新概念變得無所不在，使我覺得有必要把它們加入書中。這導致了第二版的誕生；Springer-Verlag 的物理編輯 Lotsch 博士鼓勵我撰寫第二版，而那本書也幫助開創了 Springer 的「固態科學叢書」。

現在，十年之後，那本書以及 1980 年的修訂印刷版都已不再供應。與此同時，磁共振領域的研究者仍持續發展出令人驚奇的新見解。有些新主題是如此重要，以至於任何一本想作為導論教材的書都必須納入它們。原本的課程是一學期；而那本書所涵蓋的主題，已經比我在一學期內實際教授的還要多。新的版本顯然需要一整年的課程時間。

在本書的整個歷史中，我一直把它視為一本教科書。因此，本書的目標是以嚴謹但具有物理直覺的方式，解釋磁共振學生必須掌握的概念。我的意圖不是對任何單一主題作窮盡式處理，而是幫助學生準備好去閱讀該主題的文獻。

本版主要新增內容包括：擴充並適度重寫雙共振主題；解釋一維與二維傅立葉轉換方法；說明相干轉移、多重量子相干，以及與偶極耦合相關的重要主題，這些主題構成了自旋翻轉線窄化方法的基礎。在早期版本中，密度矩陣那一章幾乎完全聚焦於它在分析弛豫過程中的用途。新版則說明了密度矩陣在分析射頻場效應時的用法。

本書第一版出版時，距離 Anatole Abragam 那本後來成為經典的《Principles of Nuclear Magnetic Resonance》問世不久。當時市面上並沒有太多其他書籍。如今，關於磁共振的書已經很多，其中相當大一部分是由此領域最傑出的創建者與技藝精湛的實踐者所寫。這些書的風格，就像其作者的科學風格一樣多樣。我在閱讀這些精彩著作時，深深感受到今日讀者有一個難得的機會：能夠體會這些偉大科學家的科學思想風味。

當我在哈佛撰寫本書第一版時，除了準備與講授課程之外，沒有其他職責。第三版則是在我一邊維持正常工作活動、一邊利用晚上與週末時間寫成的。若沒有我的秘書 Ann Wells 專業、投入且總是愉快的支持，這本書是不可能完成的。她與本書的關係很長，因為她也曾協助打字完成最初的版本。我也感謝 Jamie Froman 在最後階段所提供的幫助。

Urbana, Illinois

1989 年 6 月

Charles P. Slichter

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PS:Slichter的博士班指導教授就是Purcell. 

Slichter 的《Principles of Magnetic Resonancee》是把磁共振當成凝態物理／固態物理的探針：

spin→local field→hyperfine interaction→relaxation→solid-state many-body physics

關心的是：

• 固體中的核自旋、電子自旋
• 局部磁場與超精細作用
• 晶格、金屬、絕緣體、磁性材料
• 弛豫、線寬、交互作用
• 用磁共振看物質內部的微觀自由度

這即是 solid-state sciences 的核心精神：不是只看晶體結構，而是用光譜、磁性、輸運、熱力學去理解凝聚態物質。

如作者Slichter在序中提到 己說第二版受到 Springer-Verlag 物理編輯鼓勵，而那本書 helped launch the Springer Series in Solid-State Sciences。所以這本成為第 1 冊，某種程度上就是這套叢書的「開山冊」。