磁共振物理基础

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1、磁共振物理基础磁共振成像的物理学基础1・1概述1.1.1磁共振成像的起源及定义磁共振成像(magneticresonanceimaging,MRI)是利用射频(radiofrequency,RF)电磁波对置于磁场中的含冇口旋不为零的原子核的物质进行激发，发牛核磁共振(nuclearmagneticresonance,NMR),用感应线圈采集磁共振信号，按一定数学方法进行处理而建立的一种数字图像。1946年美国加州斯坦福大学Bloch和哈佛大学的Puree11教授同时发现了核磁共振现象，由于这一发

2、现在物理、化学、生物化学、医学上具有重人意义。此两人于1952年获得诺贝尔物理奖。1946〜1972年NMR主要用于有机化合物的分了结构分析，即磁共振波谱分析(magneticresonancespectroscopy,MRS)01971年美国纽约州立大学的达曼迪恩Damadian教授在《科学》杂志上发表了题为“NMR信号可检测疾病”和“癌组织中氢的Tl、T2时间延长”等论文。1973年美国人Lauterbur用反投影法完成了MRI的实验室的模拟成像工作。1978年英国第一台头部MRI设备投入临

3、床使用，1980年全身的MRI研制成功。1.1.2磁共振成像特点及其局限性1.1.2.1磁共振影像的特点・多参数成像，可提供丰富的诊断信息；•高对比成像，可得出祥尽的解剖图谱；•任意层而断层，对以从三维空间上观察人体成为现实；・人体能量代谢研究，有可能直接观察细胞活动的生化蓝图；・不使用对比剂，可观察心脏和血管结构；•无电离辐射，一定条件下可进行介入MRI治疗；•无气体和骨伪影的干扰，后颅凹病变等清晰可见。1.1.2.2磁共振成像的局限性•昱像速度慢；・对钙化灶和骨皮质症不够敏感;・图像易受多种

4、伪影影响;•禁忌证多;・定量诊断怵I难。1.2原子核共振特性1.2.1原子核的口旋1.1.1.1原子核的结构任何物质都是由分子组成的，分子是由原子组成的。人体内最多的分子是水，水约占人体重量的65%,氢原子是人体中含量最多的原子。原子又由原子核和绕核运动的电子组成，电子在原子核外快速运动，冇轨道运动和自旋运动。因为，电子有质量和电荷，其轨道运动产生轨道角动量和轨道磁矩，自旋运动产生自旋角动量和自旋磁矩。在许多情况下，轨道磁矩的贡献很小，分子的磁矩主要來自口旋，这种电子的运动在电子显微镜下视如云状

5、，称电子云。原子核位于原子的中心，曲质了和中了组成。原了核中的质了是带正电荷的，通常与原了核外的电了•数相等，以保持原子的电屮性，原子核屮的质子利中子可有不同，质子和中子决定原子的质量，原子核是主要决定该原了物理特性的。质了和中了如不成对，将使质了在旋转中产生角动量，一个质子的角动量约为1.41X10-26Tesla,磁共振就是要利用这个角动量的物理特性來进行激发、信号采集和成像的。1.2.1.2原子核的自旋特性原了核中的质了类似地球一样围绕着一个轴做自旋运动，正电荷附着于质了，并与质了一起以一

6、定的频率旋转，此称口旋。质子的口旋就好比电流通过环型线圈，根据法拉笫(Faraday)电磁原理，将产生一定值的微小磁场，它的能量是一个有方向性的矢量，称为角动量，是磁性强度的反应，角动量大，就是指磁性强。此时质了自旋分为两种：一种为与磁场方向一致，另一种为与磁场方向不一致。如果原子内的质子和中子是和等成对的，质了•的自旋运动在质量平衡的条件下作任何空间方向的快速均匀分布，总的角动量保持为零。但是，许多原子中的质子和中子是不成对的，在不成对的条件下，质子自旋运动产生的角动量将不能保持零状态，出现了

7、角动量。人体中的氢、碳、钠、磷原子都存在质子、中子不成对的情况，都可用來作磁共振成像的。1.2.2原了核在外加磁场中的H旋变化我们已经讨论了原了核的一些固有特性，下而介绍自旋核在静磁场屮的变化。在没河磁场的情况下，自旋屮的磁矩的方向是杂乱无章的。因此，对一个原子核宏观聚集体而言，就不可能看到任何宏观的核磁性现象。如果将含有磁性原于核的物质放置于均匀磁场中，情况就不一样了。这些微观的磁矩会在一定的时间(称为自旋一晶格弛豫时间)发生改变。下面，我们将详细加以说明。1.2.2.1质子自旋和角动量方向根

8、据电磁原理，质子口旋产生的角动量的空间方向总是与自旋的平而垂直。由于质子自旋的方向总是在变化的，因此角动量的方向也跟着变，在自然状态下，角动量方向随机而变。当人体处于强大的外加磁场（B0）中吋，体内的质子将发生显著的磁特性改变。介动量方向将受到外加磁场（也称主磁场）的影响，趋向于与外加主磁场平行的方向，与外加磁场同方向时处于低能级状态，而与外加磁场方向相反时处于高能态之极，极易改变方向。经过一定的时间后，终将达到相对稳定的状态，约一•半多一点的质子的角动量与主磁场方向一致，约一半少一点的质子的角