赖斯大学(Rice University)和橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的研究人员公布了一种基于物理学的磁共振弛豫模型，该模型将分子尺度动力学与宏观磁共振成像(MRI)信号连接起来，有望为对比剂如何与水分子相互作用提供新的见解。这一进展为实现更清晰的医学影像和更安全的MRI诊断铺平了道路。
该研究发表在《化学物理学杂志》(The Journal of Chemical Physics)上。
这种新方法被称为核磁共振本征模式框架(NMR eigenmodes framework)，它求解了完整的物理方程，可用于解释水分子如何在金属基成像剂周围发生弛豫，而此前的模型只能对此进行近似处理。这些发现可能会改变医学和材料科学中新对比剂的开发与应用。
"通过更好地对液体中核磁共振弛豫的物理过程进行建模，我们获得了一种不仅能预测现象，还能解释现象的工具，"化学与生物分子工程学William W. Akers讲席教授Walter Chapman表示，"当生命和科技依赖于准确的科学理解时，这一点至关重要。"
模拟分子过程
在MRI扫描过程中，通常使用对比剂来增强图像清晰度。这些对比剂通常基于被有机外壳包裹的钆离子(gadolinium ion)，它们会改变附近水分子对磁场的响应方式。这种改变被称为弛豫(relaxation)，能够增强组织图像的对比度。
迄今为止，描述这一过程的大多数科学模型都依赖于重大简化，对复杂分子运动的处理与实际系统行为的保真度有限，这限制了它们的预测准确性。研究人员试图改进这一点。
"我们之前的工作使用详细模拟来研究水分子如何与这些对比剂相互作用，"橡树岭国家实验室国家计算科学中心的高级计算生物医学科学家Dilipkumar Asthagiri表示。
"在本篇论文中，我们开发了一个全面的理论来解释先前的分子动力学模拟和实验发现。然而，该理论具有普遍性，可用于广泛理解液体中的核磁共振弛豫。"
基于物理学的框架
为了创建更有效的方法，研究团队转向了福克-普朗克方程(Fokker-Planck equation)，这是一个描述分子位置和速度概率如何演化的主方程。通过求解这个方程，他们能够捕捉到分子运动和弛豫的全谱系。
本质上，本征模式框架确定了水分子在微观层面上对对比剂响应的"自然模式"。与早期模型相比，这些模式提供了更详细、更准确的弛豫过程解释。
"这个概念类似于和弦由多个音符组成，"该研究的第一作者、赖斯大学化学与生物分子工程博士毕业生、橡树岭国家实验室化学科学部博士后研究员Thiago Pinheiro表示。
"先前的模型只捕捉到一两个音符，而我们的模型则捕捉到了完整的和声。"
该框架不仅能够高精度地重现临床MRI频率下的实验测量结果，还表明广泛使用的简化模型是一个更广泛、更全面理论的特定实例。
超越成像的广泛影响
这项研究的影响超出了医学成像的范畴。由于核磁共振弛豫被用于研究各种科学和工业应用中液体的行为，该框架还可应用于电池设计和地下流体流动等领域。
"这种详细的建模可以帮助我们了解流体在多孔岩石或生物细胞等受限空间中的行为，"赖斯大学化学与生物分子工程助理研究教授Philip Singer表示。
"这是一个将分子尺度动力学与可观察效应联系起来的基本工具。"
研究团队已将代码作为开源提供，以鼓励更广泛的应用和进一步开发。该研究的合著者还包括赖斯大学数学系的Betul Orcan-Ekmekci，她为数学建模提供了重要见解。
更多信息： Thiago J. Pinheiro dos Santos等人，《真实流体中偶极-偶极核磁共振弛豫的扩展分子本征模式处理》，《化学物理学杂志》(2025)。DOI: 10.1063/5.0299283
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