磁共振成像系统的原理及其应用

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1、第一章概述磁共振成像(magnetic附onan附lma伊吨，MRI)是根据生物体磁性核(氧核)在磁场中的表现特性成像的高新技术.近20年米，随着磁体技术、超导技术、低温技术、电子技术和计算机等相关技术的进步，MRl技术得到了飞速发展.如今，它巳广泛应用于临床‘成为现代医学影像领域中不可缺少的一员.MRl的应用，不仅代表医院现代化程度的提高，而且标志其珍断水平的飞跃.磁共振成{象的物理摹础为核磁共振(nuclearmagneticresona时e，NMR)理论.所谓NMR，是指与物质磁性和磁场有关的共振现象.也可以说，它是低能量电磁波，即射频波与既有角

2、动量义有磁矩的核系统在外磁场中相互作用所表现出的共振特性.'.!MR的本质为一种能银间跃迁的最+效应.实验结果表明，利用这一现象可以研究物质的做观结胸，据此，人们以不同的射频脉冲序列对生物组织进行激励，并用线周技术检测组织的弛豫和质子密度信息，就出现了MRI技术.正因为这样，磁共振成像曾被称做核碰共振成像(NMRJ)和核础共振CT(NMR-CT).作为本书的开篇，这取首先概述M阳的发展历程，然后综述其临床应用价值.第一节核磁共振的发现和应用处于静磁场中的原子核系统受到一定顿率的电磁i皮作用时，将在它川的磁能级间产生共振跃迁，这就是我们现在所说的核聪共振

3、现象.但是，从NMR的发现到MRI装置的诞生，这中间经历了几代物理学家及医学家长达数1年的努力.因此，介绍MRI的发展历程，应追溯到NMR的发现和应用，核磁共振属于原子核物理的研究范畴，而原子核物理学起濒于对放射性的研究，是19世纪末兴起的崭新课题.在此之前，人类对这)锁城毫无所知.科学的发展到了20世纪，就进入了原子物理的时代.20世纪初，许多科学家尤其是物理学家致力于核物理的研究.1师年，爱因斯坦(Alb州Einstein)用他的质能联系定律(E=:2mc)说明了物质和能量的问一性.对于陈子的结构，人们曾提出多种模型.1911年，卢瑟幅(Emesl

4、Rutherford)在他的α粒子散射实验基础上所提出的核型结构为:原子中的全部正电荷和几乎全部质最都集中在原子中央→个很小的体积内，称为原子核;原子中的电子挠核转动.同年，汤普森(J.J.Thom严on)证实了核外电子的存在，从而使卢瑟桶的原子销构模翻得到了公认.显然，卢瑟桶的方法和理论为原子结构的研究开辟了一条正确的途径.但是，根据经典的电磁理论，绕核运功的电子在其变速运动过程中，必将以电磁坡的形式不断辐射能量，其辐射颇率等于电子绕核转功的频率.这样，整个原F系统的能量就会不断减少，频卒也将逐渐改变，卢3幸福的核剧结构就不可能是…个稳定的系统.两年

5、后，丹麦物理学家破尔(NielsHohr)在卢瑟福结构的基础上，把量子概念应用于原子系统，使人们对氢睬子核外电子分布规律的认识向前推进了…大步.同年，也就是1913年，斯特恩.1-(0ttoStern)建立起测量磁偶极子运动的装置，泡利(WolfgangPauli)提出核磁共振一词，拉比(lsidorIsaacRabi)设计和完成世界上第一个核磁共振实验.由此可见，这一年在NMR发展史上揭开了重要的一页.由于对原子物理学的开拓性贡献，泡利获得了1922年的诺贝尔奖.此后，他仍致力于对原子物理的探索.1924年，随着原子谱线中超精细结构的发现，泡利又指出

6、:正如电子具有自旋和磁矩一样，许多核中也存在着角动量和核磁矩，使得原子核像带电的小球一样自旋;分析原子谱线的超精细结构，便可决定核的角动量和磁矩.泡利认为，上述表现可能是原子核和核外电子相互偶合的结果.核自旋的概念由于发现正氢和仲氢分子(通过热容量测定)而得到进一步加强.这两种氢分子的惟一差别，在于它们各自的两个核分别具有相同和相反方向的核自旋.早在1920年，斯特恩和盖拉赫(Gerlach)就发现，当原子束通过不均匀磁场时，它将相对于磁场的取向而偏转.10年之后的1930年，上述二人对其采用的Stern-Gerlach实验方法进行改进并通过它观测到十

7、分微弱的核磁矩.1937年，拉瑟里尤(B.G.Lasarew)和舒伯尼科(L.W.Schubnikow)对固态氢开展了研究，并用传统的方法测出氢的核磁矩值，其误差约10%.他们还发现，即使在2K的实验温度下，微观核磁矩在很短的时间内就可达到热平衡.拉瑟里尤和舒伯尼科被认为是最早发现核磁现象的人.1939年，拉比及其同事对核磁矩的测量方法进行了大幅度改进.他们使氢分子先后通过不均匀磁场和均匀磁场，同时用一射频信号照射均匀磁场中的分子.结果发现，分子束在某一确定频率处就会吸收射频能量而发生细小但可测量的偏转.这实际上是对核磁共振现象的首次观察.但是，当时的

8、实验都是在高真空条件下通过分子束进行的.这一年，拉比对不同核子的角动量进行了对照研究，证实质子