磁共振成像原理解析

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1、第2节核磁共振原理一、原子与原子核   自然界中的任何物质都是由分子或原子组成的，分子是由原子组成的，如水分子Ｈ－Ｏ－Ｈ，是由2个氢原子与1个氧原子组成。原子由原子核与核外电子组成，核外电子数不同的原子具有不同的化学与物理性质，分属于不同的化学元素，化学元素周期表反映了核外电子的排布规律。原子核由质子和中子组成，质子有电荷，质子数等于核外电子数。对于一种化学元素，原子核中的质子数是一定的，但中子数有不同。同一化学元素中子数不同的原子属于不同的核素，不同的核素其物理性质是不同的。比如氢元素有3种核素：１Ｈ、２Ｈ、３Ｈ，

2、它们的原子核的组成分别是１质子、１质子和１中子、１质子和２中子，它们的共同点是原子核内都有一个质子核外有一个电子，因此都属于氢元素。对于某一种化学元素，不同核素在自然界，的含量是有很大差别的。比如１Ｈ与２Ｈ分别为99.895％与0.015％，3Ｈ是一种不稳定的核素，只有在特定的条件下才能生成，并且很快便会衰变。原子核除了它的构成不同，其中质子带有电荷以外，还有一部分核具有磁性，核磁共振就是研究这部分具有磁性的原子核。 图5-1核磁可看作小磁棒哪些原子核具有磁性呢？氢原子核中只有一个质子，质子有沿自身轴旋转（自旋）的固

3、有本性，质子距原子核中心有一定距离。因此质子自旋就相当于正电荷在环形线圈中流动，在其周围会形成一个小磁场，此即核磁，如图5-1所示。    不仅质子自旋可产生磁场，中子的自旋也可产生磁场，后者似乎难以理解，推测这种现象是中子内有几个正、负电荷相互补偿，因此中子自旋也相当于电荷在线圈中流动。如原子核含有的质子和中子数均为偶数，则其自旋所产生的磁场相互抵消，为非磁性。原子核含有奇数（不成对）的质子或中子，其自旋可产生磁场，也就是说凡是质子数或中子数，或者二者都为奇数的原子核都有磁性，如图5-2所示。    生物组织中含有

4、１H、１３C、１９F、23Nａ、311P等元素，有磁性的元素约百余种。但在现今ＭＲ中研究和使用得最多的为１Ｈ，这有两个原因，一是１Ｈ为磁化最高的原子核，二是因为它占活体组织原子数量的２/３，形成ＭＲＩ的１Ｈ原子大部分位于生物组织的水和脂肪中。因１Ｈ只有一个质子，故１Ｈ的ＭＲＩ影像也称为质子像，ＭＲＩ文献中未特别注明者，均指的是生物组织的１Ｈ像。 图5-2质子数或中子数为奇数的原子核带有磁性二、拉莫尔进动   含有奇数质子或中子的原子核（以１Ｈ为代表）自旋在其周围产生磁场，如同一个小磁体有南北极。磁场用磁矩（Ｍ）来表示

5、，磁矩有其大小、方位和方向，如图5-3所示。 图5-3磁矩有大小,方向和方位   无外加磁场时，质子群中的各个质子任意方向自旋，其磁矩相互抵消，因而单位体积内生物组织的宏观磁矩Ｍ＝０，如图5-4所示。   如将生物组织置于一个大的外加磁场中（又称主磁场，用矢量Ｂ０表示），则质子磁矩方向发生变化，结果是较多的质子磁矩指向与主磁场B０相同的方向，而较少的质子磁矩与B０方向相反，而与B０方向相反的质子具有较高的位能。常温 图5-4自由质子的磁矩下，顺主磁场排列的质子数目较逆主磁场排列的质子稍多，因此，出现与主磁场B０方向一

6、致的净宏观磁矩(或称为宏观磁化矢量）Ｍ，如图5-5所示。   此时，氢原子核在绕着自身轴旋转的同时，又沿主磁场方向Ｂ０作圆周运动,将质子磁矩的这种运动称之为进动，如图5-6所示。 图5-5净磁矩与主磁场同相   在主磁场中，宏观磁矩象单个质子磁矩那样作旋进运动，磁矩进动的频率符合拉莫尔（Larmor）方程：                                 ｆ＝ｒＢ0/２π式中：f----进动的频率     B0----主磁场强度 r----旋磁比（对于每一种原子核是恒定的常数）   换句话说，在主磁场

7、Ｂ0s一定的情况下，其原子核的旋进频率是一定的，氢原子核在  图5-6质子磁矩的进动不同磁场中的共振频率是不同的，如主磁场为1.0Ｔ时，氢原子核的旋进频率为42.6ＭＨｚ。沿主磁场旋进着的质子就好像在重力作用下旋进着的陀螺，如图5-7所示。兆赫（MegaHertz,MHz）是波动频率单位之一。波动频率的基本单位是赫兹，采千进位制；1兆赫相当于1000千赫（KHz），也就是10^6赫兹。值得注意的是，兆赫只是一定义上的名词，在量度单位上作100万解。频率划分在国际电信联盟定义的无线电频率划分当中：特低频（ULF）：3~

8、30千赫（KHz）低频（LF）：30~300千赫（KHz）中频（MF）：300~3000千赫（KHz）高频（HF）：3~30兆赫（MHz）甚高频（VHF）：30~300兆赫（MHz）特高频（UHF）：300~3000兆赫（MHz）超高频（SHF）：3~30秭赫（GHz）极高频（EHF）：30~300秭赫（GHz）2原理编辑电(电压或电流),有直