賴斯大學（Rice University）和橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）的研究人員公佈了一種基於物理學的磁共振弛豫模型，該模型將分子尺度動力學與巨集觀磁共振成像（MRI）信號連接起來，有望為對比劑如何與水分子相互作用提供新的見解。 這一進展為實現更清晰的醫學影像和更安全的MRI診斷鋪平了道路。
該研究發表在《化學物理學雜誌》（The Journal of Chemical Physics）上。
這種新方法被稱為核磁共振本徵模式框架（NMR eigenmodes framework），它求解了完整的物理方程，可用於解釋水分子如何在金屬基成像劑周圍發生弛豫，而此前的模型只能對此進行近似處理。 這些發現可能會改變醫學和材料科學中新對比劑的開發與應用。
"通過更好地對液體中核磁共振弛豫的物理過程進行建模，我們獲
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得了一種不僅能預測現象，還能解釋現象的工具，"化學與生物分子工程學William W. Akers講席教授Walter Chapman表示，"當生命和科技依賴於準確的科學理解時，這一點至關重要。 "
類比分子過程
在MRI掃描過程中，通常使用對比劑來增強圖像清晰度。 這些對比劑通常基於被有機外殼包裹的釙離子（gadolinium ion），它們會改變附近水分子對磁場的回應方式。 這種改變被稱為弛豫（relaxation），能夠增強組織圖像的對比度。
迄今為止，描述這一過程的大多數科學模型都依賴於重大簡化，對複雜分子運動的處理與實際系統行為的保真度有限，這限制了它們的預測準確性。 研究人員試圖改進這一點。
"我們之前的工作使用詳細類比來研究水分子如何與這些對比劑相互作用，"橡樹嶺國家實驗室國家計算科學中心的高級計算生物醫學科學家Dilipkumar Asthagiri表示。
"在本篇論文中，我們開發了一個全面的理論來解釋先前的分子動力學模擬和實驗發現。 然而，該理論具有普遍性，可用於廣泛理解液體中的核磁共振弛豫。 "
基於物理學的框架
為了創建更有效的方法，研究團隊轉向了福克-普朗克方程（Fokker-Planck equation），這是一個描述分子位置和速度概率如何演化的主方程。 通過求解這個方程，他們能夠捕捉到分子運動和弛豫的全譜系。
本質上，本徵模式框架確定了水分子在微觀層面上對對比劑回應的"自然模式"。 與早期模型相比，這些模式提供了更詳細、更準確的弛豫過程解釋。
"這個概念類似於和弦由多個音符組成，"該研究的第一作者、賴斯大學化學與生物分子工程博士畢業生、橡樹嶺國家實驗室化學科學部博士後研究員Thiago Pinheiro表示。
"先前的模型只捕捉到一兩個音符，而我們的模型則捕捉到了完整的和聲。"
該框架不僅能夠高精度地重現臨床MRI頻率下的實驗測量結果，還表明廣泛使用的簡化模型是一個更廣泛、更全面理論的特定實例。
超越成像的廣泛影響
這項研究的影響超出了醫學成像的範疇。 由於核磁共振弛豫被用於研究各種科學和工業應用中液體的行為，該框架還可應用於電池設計和地下流體流動等領域。
"這種詳細的建模可以幫助我們
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"這是一個將分子尺度動力學與可觀察效應聯繫起來的基本工具。"
研究團隊已將代碼作為開源提供，以鼓勵更廣泛的應用和進一步開發。 該研究的合著者還包括賴斯大學數學系的Betul Orcan-Ekmekci，她為數學建模提供了重要見解