Equações de Bloch

Em física e química, especialmente em ressonância magnética nuclear (NMR) , em imagem por ressonância magnética (MRI) e em ressonância paramagnética eletrônica (EPR) , as equações de Bloch são um conjunto de equações macroscópicas usadas para calcular l ' magnetização nuclear M = ( M x , M y , M z ) em função do tempo quando os tempos de relaxação T 1 e T 2 estão presentes. As equações de Bloch são às vezes chamadas de equações de movimento de magnetização nuclear. Essas equações foram introduzidas por Félix Bloch em 1946 e são análogas às equações de Maxwell-Bloch que descrevem o efeito de um campo eletromagnético em um sistema de dois níveis e os relaxamentos que podem ser observados lá.

Essas equações não são microscópicas  : não descrevem a equação do movimento de momentos magnéticos individuais. Eles são governados e descritos pelas leis da mecânica quântica . As equações de Bloch são macroscópicas  : elas descrevem as equações de movimento da magnetização nuclear macroscópica que podem ser obtidas adicionando todos os momentos magnéticos nucleares da amostra.

Equações de Bloch em um referencial fixo

Seja M (t) = (M x (t), M y (t), M z (t)) , a magnetização nuclear. As equações de Bloch são então escritas:

onde γ é a razão giromagnética e B (t) = (B x (t), B y (t), B 0 + ΔB z (t)) é o campo magnético imposto aos núcleos atômicos. O componente z do campo magnético B consiste em dois termos:

M (t) × B (t) é o produto vetorial desses dois vetores. M 0 é o estado de equilíbrio da magnetização nuclear, ele é orientado na direção z.

Conteúdo físico

Quando T 1 e T 2 tendem ao infinito, ou seja, quando não há relaxamento, as equações se reduzem a:

ou em notação vetorial:

Esta é a equação da precessão de Larmor da magnetização nuclear M em um campo magnético externo B .

As equações de Bloch são então as equações de Larmor às quais adicionamos os seguintes termos de relaxamento:

A relaxação transversal é descrita pelo tempo característico T 2 e de forma semelhante o relaxamento longitudinal pelo tempo t 1 .

Esses termos traduzem interações com o ambiente externo, relaxamento longitudinal ( T 1 ) ou relaxamento spin-reticulado é o resultado de trocas entre os spins e o ambiente circundante para transferir o excesso de energia fornecido pelo campo magnético e, portanto, retornar ao equilíbrio termodinâmico. Transversal relaxamento ( T 2 ), ou mesmo spin-spin de relaxamento corresponde à mudança de fase gradual de todos os giros do material proveniente de inomogeneidades locais do campo magnético. Essas heterogeneidades implicam em pequenas diferenças na freqüência de Larmor. Na verdade, na ausência de relaxamento, os momentos estão em precessão coerente em torno do campo magnético e ocorre então uma magnetização transversal. Como a magnetização é a soma de todos os momentos magnéticos, sua descoerência progressiva resulta em um valor médio da componente transversal que tende a se cancelar.

Formas alternativas das equações de Bloch

A expansão do produto vetorial nas equações de Bloch leva a:

Veremos mais tarde que esta fórmula é simplificada colocando:

onde i é a unidade imaginária.

Nós obtemos :

Tal como :

.

Essas quantidades são os números complexos conjugados de M xy e B xy . As partes reais e imaginárias de M xy correspondem a M x e M y respectivamente. M xy é algumas vezes referido como magnetização nuclear transversal .

Forma matricial das equações de Bloch

As equações de Bloch podem ser retrabalhadas usando uma definição equivalente do produto vetorial a ser escrito em notação de matriz:

Equações de Bloch no referencial rotativo

Em uma moldura rotativa, é mais fácil de entender o comportamento da magnetização nuclear M .

Solução das equações de Bloch com T 1 , T 2 → ∞

Suponha que :

As equações de Bloch então se tornam:

, .

Estas são duas equações diferenciais lineares desacopladas . Suas soluções são:

, .

Assim, a magnetização transversal, M xy gira em torno do eixo z com a frequência angular ω 0 = γ B 0 no sentido horário (esta é a razão para o sinal negativo no expoente). A magnetização longitudinal M z permanece constante ao longo do tempo. É também por isso que a magnetização transversal aparece para um observador no referencial terrestre (visto por um observador estacionário ).

M xy ( t ) pode ser decomposto nas quantidades observáveis M x ( t ) e M y (t)  :

Nós temos :

, ,

onde Re ( z ) e Im ( z ) são funções que fornecem respectivamente a parte real e imaginária do número complexo z. Neste cálculo, foi assumido que M xy (0) é um número real.

Transformação em um quadro rotativo de referência

Esta é a conclusão da parte anterior: em um campo magnético constante B 0 ao longo do eixo z , a magnetização transversal M xy gira em torno desse eixo no sentido horário com a frequência angular ω 0 . Se o observador girasse em torno do mesmo eixo na mesma direção e com frequência angular Ω, M xy pareceria a ele girando com frequência angular ω 0 - Ω. Mais particularmente, se o observador girasse em torno do mesmo eixo no sentido horário com a frequência angular ω 0 , a magnetização transversal M xy parecer-lhe-ia estacionária.

Isso pode ser expresso matematicamente da seguinte forma:

Claramente :

.

Para M xy ′ ( t ) a transformação é escrita:

.

Equação do movimento da magnetização no referencial rotativo

A equação do movimento de M xy ′ ( t ) em um campo B (t) = (B x (t), B y (t), B 0 + ΔB z (t)) é:

Demonstração

Obtemos a equação de evolução simplesmente derivando a quantidade M ' xy em relação ao tempo  :

Ao injetar a equação de Bloch:

A hipótese da parte anterior era que: B z ′ ( t ) = B z ( t ) = B 0 + Δ B z ( t ). Podemos, portanto, continuar escrevendo:

O mesmo vale para a equação de M z .

Explicação dos termos à direita desta equação:

Equações independentes do tempo no quadro de referência rotativo

Se o campo externo tiver o formato:

,

Podemos então definir:

e ,

As equações são então escritas simplesmente em notação matricial:

Demonstração

Como e podemos separar a equação de movimento de M ' xy em duas equações, uma para a parte real e outra para a parte imaginária que identificamos em ambos os lados da igualdade. Isto dá :

Com a condição , encontramos a formulação anunciada de tal forma que não há mais nenhuma dependência explícita com respeito ao tempo.

Soluções simples das equações de Bloch

Relaxamento da magnetização nuclear transversal M xy

Assumindo que :

No sistema de referência rotativo, a equação do movimento para a magnetização nuclear transversal, M xy '(t) é reduzida a:

É uma equação diferencial ordinária linear e sua solução é:

.

onde M xy ' (0) é a magnetização nuclear transversal no referencial rotativo no tempo t = 0 . Constitui a condição inicial da equação diferencial.

Deve-se notar que quando a rotação do referencial rotativo está exatamente na freqüência de Larmor ω 0 , o vetor de magnetização nuclear transversal M xy (t) é estacionário.

Relaxamento da magnetização nuclear longitudinal M z

Assumindo que :

No referencial rotativo, a equação de movimento para a magnetização nuclear longitudinal M z (t) é simplificada para:

É uma equação diferencial ordinária linear e sua solução é:

onde M z (0) é a magnetização nuclear longitudinal no referencial rotativo no tempo t = 0. Esta é a condição inicial para a equação diferencial.

Pulsos de 90 ° e 180 ° no campo de radiofrequência

Comumente, pulsos a 90 ° e 180 ° no campo de radiofrequência são usados ​​em NMR. O efeito desses pulsos na magnetização é mostrado na imagem a seguir:

As premissas anteriores são modificadas pela adição de um campo de radiofrequência B 1 , como:

Então, para 0 ≤ t ≤ τ:

Com o tempo, a magnetização tende a retornar ao estado de equilíbrio. Os diferentes componentes se comportam da seguinte forma:

Veja também

A difusão MRI usa uma generalização das equações de Bloch: as equações de Bloch-Torrey , que incluem termos adicionados devido à transferência da magnetização por difusão.

Bibliografia

Trabalho

links externos

Referências

  1. F. Bloch , Nuclear Induction , Physical Review , 70, 4604-73, 1946
  2. Jacques Pescia, "  O relaxamento dos spins eletrônicos com a rede (teoria elementar e métodos de medição do tempo T1)  ", Journal de Physique ,Novembro a dezembro de 1966, p.  782-800 ( ler online )
  3. "  Princípio de NMR: fenômenos de relaxamento  " (acessado em 25 de abril de 2018 )
  4. (in) "  equações de Bloch  " em Perguntas e Respostas em MRI (acessada 1 st maio 2018 )
  5. "  Curso de Ressonância Magnética Nuclear ENS Lyon  " , em ens-lyon.fr ,1 r agosto 2014(acessado em 30 de abril de 2018 )
  6. HC Torrey , “  Bloch Equations with Diffusion Terms  ”, Physical Review , vol.  104, n o  3, 1956, p.  563-565 ( DOI  10.1103 / PhysRev.104.563 , Bibcode  1956PhRv..104..563T )