《磁共振原理 针对临床医学生》由会员分享，可在线阅读，更多相关《磁共振原理 针对临床医学生（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一节 核磁共振现象与研究过程核磁共振现象（）是 1946 年美国哈佛大学的 E.M.Purcell 和斯坦福大学的 F.Bloch 两人各自独立发现的。由于这一发现在物理、化学上具有重大意义，他们两位于 1952 年获得了诺贝尔物理奖。的基本原理是：处于静磁场中的物质受到电磁波的激励，如果射频电磁波的频率与静磁场强度的关系满足拉莫尔方程，则组成物质的一些原子核会发生共振，即所谓核磁共振。原子核吸收射频电磁波的能量，当射频电磁波撤掉后，吸收了能量的原子核又会把这部份能量释放出来，即发射所谓核磁共振信号。通过测量和分析这种共振信号，可以得到物质结构中的许多化学和物理信息。1972 年美国医生RD
2、amadian 提出了利用原理测定活体组织的纵向弛豫时间( 1)和横向弛豫时间( T 2)值的差别来鉴别正常组织和异常组织，为此取得了专利。1973 年美国纽约州立大学石溪分校的教授 PCLauterbur 提出了磁共振成像（）的方法，即把核磁共振原理同空间编码技术结合起来，用一定方法使空间各点磁场强度有规律地变化，核磁共振信号中的不同频率分量即可同一定的空间位置对应，通过一定的数学变换即可实现核磁共振成像。随后这位化学教授在他的助手协助下研制成功核磁共振成像的实验样机。从 1978 年到1982 年，一些有实力、有远见的医疗器械公司注意到了的巨大潜力，相继开始了的商品化工作，他们投入了大量的
3、资金，从各个大学网罗了一批专家，竞相试制。20 世纪 80 年代初有几家公司的样机试制成功，并开始了临床试用。19831984 年美国仪器与药物管理局（）批准了 4 家公司生产的机器上市，这标志着核磁共振成像技术的基本成熟和商品阶段的开始。1989 年国产永磁型 0.15核磁共振仪器由中科院安科公司开发成功.-第二节 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，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
4、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： 、 、 ，它们的原子核的组成分别是质子、质子和中子、质子和中子，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 与 分别为 99.895与 0.015， 3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
5、是研究这部分具有磁性的原子核。 在原子中，电子围绕原子核运动而具有轨道磁矩；电子还因自旋具有自旋磁矩；原子核、质子、中子以及其他基本粒子也都具有各自的自旋磁矩。这些对研究原子能级的精细结构，磁场中的塞曼效应以及磁共振等有重要意义，也表明各种基本粒子具有复杂的结构。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，此即自旋磁矩，如图 5-1 所示。许多基本粒子(例如电子)都有内禀磁矩，这种磁矩和经典物理的磁矩不同，必须使用量子力学来解释它，核自旋与核磁矩和粒子的自旋
6、有关。而这种内禀磁矩即是许多在宏观之下磁力的来源，许多的物理现象也和此有关。这些内禀磁矩是量子化的，也就是它有最小的基本单位，常常称为“磁子”(magneton)或磁元，例如电子自旋磁矩的矢量绝对值即和玻尔磁子成比例关系：如右图。其中为电子自旋磁矩，电子自旋 g 因子 gs是一项比例常数，B 为玻尔磁子，s 为电子的自旋角动量。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
7、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。图 5-1 核磁可看作小磁棒 生物组织中含有 H、 C、 F、 23N、 311 P 等元素，有磁性的元素约百余种。但在现今中研究和使用得最多的为 ，这有两个原因，一是 为磁化最高的原子核，二是因为它占活体组织原子数量的/，形成 的 原子大部分位于生物组织的水和脂肪中。因 只有一个质子，故 的影像也称为质子像，文献中未特别注明者，均指的是生物组织的 像。 二、拉莫尔进动含有奇数质子或中子的原子核（以 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（）来表示，磁矩有其大小、方位和方向，
8、如图 5-3 所示。 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，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 表示），则质子自旋磁矩方向发生变化，结果是较多的质子磁矩指向与主磁场 B 相同的方向，而较少的质子磁矩与 B 方向相反，而与 B 方向相反的质子具有较高的位能 。 常温下， 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 B 方向一致的净宏观磁矩(或称为宏观磁化矢量），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 作圆周运动,将质子磁矩的这种运动称之为进动，
9、如图 5-6 所示。 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：图 5-2 质子数或中子数为奇数的原子核带有磁性图 5-3 磁矩有大小,方向和方位图 5-4 自由质子的磁矩图 5-5 净磁矩与主磁场同相 0/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0s 一定的情况下，其原子核的旋进频率是一定的，氢原子核在 不同磁场中的共振频率是不同的，如主磁场为1.0 时，氢原子核的旋进频率为 42.6。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。（进动角度？，进
10、动频率）三、施加射频脉冲后(氢)质子状态 当生物组织被置于一个大的静磁场中后， 其生物组织内的氢质子顺主磁场方向的处于低能态而逆主磁场方向者为高能态。在低能态与高能态之间根据静磁场场强大小与当时的温度，势必要达到动态平衡，称为“热平衡”状态。这种热平衡状态中的氢质子，被施以频率与质子群的旋进频率一致的射频脉冲时，将破坏原来的热平衡状态，从微观上讲，将诱发两种能态间的质子产生能态跃迁，被激励的质子从低能态跃迁到高能态，出现核磁共振。从宏观上讲，受到射频脉冲激励的质子群偏离原来的平衡状态而发生变化，其变化程达的位置度取决于所施加射频脉冲的强度和时间。施加的射频脉冲越强，持续时间越长，在射频脉冲停止
11、时，离开其平衡状态 越远。在技术中使用较多的是90、180射频脉冲。施加 90脉冲时，宏观磁化矢量以螺旋运动的形式离开其原来的平衡状态，脉冲停止时，垂直于主磁场 ,如图 5-8 所示。 图 5-6 质子磁矩的进动图 5-7 旋进的质子与旋进的陀螺的比较 如用以 为轴方向的直角座标系表示，则宏观磁化矢量平行于平面，而纵向磁化矢量，横向磁化矢量 Mxy 最大，如图 5-9 所示。这时质子群几乎以同样的相位旋进。施加 180脉冲后，与 平行，但方向相反，横向磁化矢量 为零，如图 5-10 所示。 总之，施加 90、180或其他角度的射频脉冲后，人体组织内受检部位的氢质子因接受了额外能量，其磁化矢量偏
12、离了静磁场方向而转动90、180或其他角度，部分处于低能级的氢质子因吸收能量而跃迁到高能态，这一接收射频场电磁能的过程就称为磁共振的激励过程。在激励过程中氢质子吸收了额外的电磁能，由低能态升入高能态，从而进入了磁共振的预备状态。四、射频脉冲停止后（氢）质子状态脉冲停止后，宏观磁化矢量又自发地回复到平衡状态，这个过程称之为“核磁弛豫”。当 90 脉冲停止后，仍围绕 轴旋转，末端螺旋上升逐渐靠向 ，如图 5-11 所示 。图 5-11 90脉冲停止后宏观磁化矢量的变化 图 5-8 射频脉冲作用质子磁矩后的进动路径及到达的位置图 5-9 90脉冲后横向磁化矢量达到最大图 5-10 180脉冲后的横向
13、磁化分量为 0 在脉冲结束的一瞬间，在平面上分量达最大值，在轴上分量 为零。当恢复到平衡时，纵向分量重新出现，而横向分量 消失。由于在弛豫过程中磁化矢量强度并不恒定，纵、横向部分必须分开讨论。弛豫过程用 2 个时间值描述，即纵向弛豫时间( )和横向弛豫时间( )。纵向弛豫时间（ ）90脉冲停止后，纵向磁化矢量要逐渐恢复到平衡状态，测量时间距射频脉冲终止的时间越长，所测得磁化矢量信号幅度就越大。弛豫过程表现为一种指数曲线， 值规定为 达到最终平衡状态的时间，如图 5-12 示。 进一步的物理意义的理解，只有从微观的角度分析。由于质子从射频波吸收能量，处于高能态的质子数目增加， 弛豫是质子群通过释
14、放已 吸收的能量，以恢复原来高低能态平衡的过程， 弛豫也称为自旋晶格弛豫。横向弛豫时间（ ）90脉冲的一个作用是激励质子群使之在同一方位，同步旋进（相位一致），这时横向磁化矢 图 5-11 90 度脉冲停止后宏观磁化矢量的变化图 5-12 纵向弛豫时间T1图 5-13 90 度脉冲停止后宏量 值最大，但射频脉冲停止后，质子同步旋进很快变为异步，旋转方位也由同而异，相位由聚合一致变为丧失聚合而各异，磁化矢量相互抵消， 很快由大变小,最后趋向于零，称之为去相位。横向磁化矢量衰减也表现为一种指数曲线， 值规定为横向磁化矢量衰减到其原来值所用的时间，如图 5-13 所示。横向磁化矢量由大变小直至消失的
15、原因是：组织中水分子的热运动持续产生磁场的小波动,周围磁环境的任何波动可造成质子共振频率的改变，使质子振动稍快或稍慢，使质子群由相位一致变为互异，即质子热运动的作用使质子间的旋进方位和频率互异，但无能量交换纵向弛豫。这种弛豫也称为自旋-自旋弛豫。-医学影像设备 第三节 核磁共振成像原理一、磁共振信号 在弛豫过程中通过测定横向磁化矢量 可得知生物组织的磁共振信号。横向磁化矢量 垂直并围绕 主磁场 以 Larmor 频率旋进，按法拉第定律，磁矢量 的变化使环绕在人体周围的接收线圈产生感应电动势，这个可以放大的感应电流即信号。90脉冲后，由于受 、 的影响，磁共振信号以指数曲线形式衰减，称为自由感应衰减（ free induction decay，），如图 5-14。磁共振信号的测量只能在垂直于主磁场的平面进行。由于脉冲发射和接收生物组织原子核的共振信号不在同一时间，而射频脉冲和生物
