磁共振成像技术-基本原理
核磁共振成像技术的物理原理及应用
核磁共振成像技术的物理原理及应用核磁共振（NMR）是一种物理现象，它指的是被外加磁场激发了自旋的原子、分子或核子的向外发射能量的过程。
在医学领域，核磁共振成像技术（MRI）是一项重要的诊断工具，它可以帮助医生检测病人的内部结构，比如头部、胸部和肢体等部位。
本文将介绍MRI的物理原理、应用和未来的发展方向。
1. 物理原理在MRI中，磁共振所产生的信号来源于一些在人体内具有自旋的核子，比如氢原子中的质子和碳原子中的核子。
这些核子带有一个自旋量子数，它可以被外加磁场激发或者被核间相互作用激发。
在外加磁场的作用下，旋转时会发生Larmor进动，进动频率与外磁场大小成正比。
磁共振成像就是利用这一原理来获取人体内部的图像。
在成像前，患者需要先进入MRI机中，MRI机则会产生一个强磁场，使患者体内的核子同向排列，使得这些核子共同具有一个自发激发的“共振”状态。
为了进一步增强共振信号的强度，医生会在这个过程中通过向患者体内发射一些射频波，激发核子自发地发出信号，这些信号则由MRI机的探测器接收并处理，从而生成出最终的图像。
2. 应用MRI技术在医学领域有着广泛的应用，对于骨骼、软组织、脑部、心脏、肺部等内部器官扫描都有着良好的应用效果。
比如，MRI可以用来检测中风、脑出血、脑血管瘤等疾病。
在眼科领域中，MRI技术可以用来观察眼球内部的情况，处理虹膜和视网膜等部位的问答。
此外，MRI还具有标本研究方面的应用，可以提供组织影像和实时定位，可用于生物学研究、药物研究和疾病研究等领域。
MRI还被广泛应用于物理和工程学界，如石油勘探领域、新材料的制造等。
3. 未来发展方向MRI技术与人工智能、大数据等领域的结合会是一个有潜力的领域，如利用MRI成像技术的大数据，发掘背景丰富的图像数据，可以应用于疾病预测、疾病治疗等领域。
此外，磁共振技术的发展还提高了其对人类健康的重要性，值得期待的是，在未来几年内，MRI技术会继续得到改进和优化。
磁共振成像原理与检查技术(医学影像技术)
骨关节系统疾病诊断
关节病变
磁共振成像能够清晰地显示关节 软骨、肌腱、韧带等结构，对于 诊断关节炎、肌腱炎等关节病变
具有很高的准确性。
骨骼肿瘤
磁共振成像可以发现骨骼肿瘤的存 在，并评估肿瘤的性质、范围和程 度，为制定治疗方案提供依据。
脊柱疾病
对于腰椎间盘突出、颈椎病等脊柱 疾病，磁共振成像能够提供详细的 病变信息，有助于医生制定合适的 治疗方案。
。
04
CATALOGUE
磁共振成像的优缺点
优点
软组织对比度高
磁共振成像能够提供高分辨率 的软组织图像，有利于观察和
诊断各种软组织病变。
无辐射损伤
磁共振成像不涉及X射线或放射 性核素等放射性物质，因此对 患者的身体无辐射损伤。
任意平面成像
磁共振成像可以在任意平面进 行成像，有助于多角度观察病 变，提高诊断的准确性。
液体衰减反转恢复序列（FLAIR）
用于检测脑部病变，特别是对脑白质病变和脑脊液的显示效果较好。
扩散加权成像（DWI）
用于检测组织中的水分子扩散运动，常用于脑部和腹部疾病的诊断。
功能成像序列
1 2
灌注加权成像（PWI）
用于评估组织血流灌注情况，常用于脑缺血的诊 断。
磁敏感加权成像（SWI）
用于检测组织磁敏感性的差异，常用于脑部疾病 的诊断。
脑部肿瘤
神经退行性疾病
利用磁共振成像技术可以清晰地显示 肿瘤的位置、大小和形态，有助于医 生对脑部肿瘤进行诊断和评估。
如阿尔茨海默病、帕金森病等，磁共 振成像技术可以观察到脑部结构和功 能的异常，有助于这些疾病的早期诊 断和病情监测。
脑血管疾病
磁共振血管成像技术可以无创地评估 脑血管状况，发现脑血管狭窄、动脉 瘤等病变，对于诊断和预防脑血管疾 病具有重要意义。
磁共振成像(MRI)的基本原理
47
纵向磁化对比
由于各种组织的T1不同，在纵向弛豫过程中，不同时 刻各种组织在纵向磁化中的比例不同，因而产生了不 同组织间的纵向磁化对比。也称为T1对比。
48
T1加权图像
T1 weighted image
图像的对比主要依赖T1对比称为T1加权（权重） 图像。
80
傅立叶变换
• 将时间——强度的信号关系变换为频率——强度的信号关系。这 种数学变换模式称为傅立叶（Fourier transform)变换。
81
1DFT重建
• 梯度与梯度磁场 • 层面选择及相关因素Δω=γGz·ΔD • 体素的频率编码及投影
82
1
2
3
4
5
6
7
8
9
83
84
空间频率与K-空间
93
磁共振各种特殊成像技术
• 磁共振血管造影技术(MRA) • 时间飞跃法 (Time of flight) • 相位对比法(Phase contrast) • 幅度对比法(Magnitude contrast) • 对比剂增强法(Contrast enhance)
的磁共振靶核。
13
第二节：磁场
• 磁场的概念 • 均匀磁场 • 稳定磁场 • 交变磁场
14
磁场
• 物质场 • 对磁性物质的力效应 • 磁场的强度
15
均匀磁场
大小方向恒定不变的磁场.
16
交变磁场
大小或方向呈规律性变化的磁场
17
Y BX=Bsina
B(RF) a
X BY=Bcosa
18
第三节：磁场对样体的作用
核磁共振成像的原理与应用
核磁共振成像的原理与应用核磁共振成像(NMR)技术，也被称为磁共振成像(MRI)，是现代医学领域中应用广泛的无创成像技术。
该技术的原理基于核磁共振现象，通过对人体内的原子核进行激发和检测，获得人体内部结构的高清图像，这大大改进了人体内部疾病的诊断和治疗。
本文将从核磁共振成像的原理和应用两个方面进行详细介绍。
一、核磁共振成像的原理核磁共振现象是物理学中的一种基本现象。
当原子核处于强磁场中时，其会发生预cession（进动）现象，即前进和退后的往返运动，其中这一运动的频率与磁场的强度有着密切的关系。
当原子核在外部强磁场中的方向与磁场相连时，将构成高度秩序的、统一前进的状态。
在这一状态下，当对原子核提供一个特定的射频信号时，这些原子核将被激发，产生旋翼运动，并放出周围的能量。
通过激励原子核的磁场脉冲的强度和频率可以产生不同的共振响应，每一个响应都对应着具有不同的特征的原子核，然后我们可以对这些响应进行检测和汇总，最终得到被测量的物体的结构图像。
在核磁共振成像中，我们通常使用磁共振扫描仪来探测原子核，其原理是通过预设区域内的高强度均匀静磁场，使得被探测的原子核都处于同一方向，接着施加特定的射频脉冲，对区域内的原子核进行激发，之后切换成观测模式，检测每个原子核发出的信号，并将这些信号转换成 3D 扫描图像。
二、核磁共振的应用核磁共振成像技术可以被广泛地应用在不同领域，下面将分别介绍医学、生命科学和材料科学领域中的应用。
2.1 医学领域核磁共振成像技术是现代医学中极为重要的成像方法，它可以准确地捕捉人体内部的各种器官和组织的结构特征，从而在医疗精细化发展的进程中显得越发重要。
在肿瘤诊断中，核磁共振成像技术可以提供高精度的3D图像，协助医生更好地判断肿瘤的大小和位置，从而选择更加合适的治疗方案。
在神经科学领域中，核磁共振成像技术可以准确显示人脑中的各个功能区域，如医生可以利用磁共振技术来诊断失眠等神经系统的基础异常。
磁共振知识点总结
磁共振知识点总结一、磁共振成像（MRI）基本原理。
1. 原子核特性。
- 许多原子核都具有自旋特性，例如氢原子核（单个质子）。
当置于外磁场中时，这些自旋的原子核会发生能级分裂，产生两种不同的能量状态（平行和反平行于外磁场方向）。
- 两种状态的能量差与外磁场强度成正比，公式为Δ E = γℏ B_0，其中γ是旋磁比（不同原子核有不同的旋磁比），ℏ是约化普朗克常数，B_0是外磁场强度。
2. 射频脉冲（RF）的作用。
- 当施加一个频率与原子核进动频率相同（拉莫尔频率，ω_0=γ B_0）的射频脉冲时，原子核会吸收能量，从低能级跃迁到高能级，处于激发态。
- 射频脉冲停止后，原子核会释放能量回到低能级，这个过程产生磁共振信号。
3. 弛豫过程。
- 纵向弛豫（T1弛豫）- 也称为自旋 - 晶格弛豫。
是指处于激发态的原子核将能量传递给周围晶格（分子环境），恢复到纵向平衡状态的过程。
- T1值反映了组织纵向弛豫的快慢，不同组织的T1值不同。
例如，脂肪组织的T1值较短，水的T1值较长。
- 横向弛豫（T2弛豫）- 也称为自旋 - 自旋弛豫。
是指激发态的原子核之间相互作用，导致横向磁化矢量衰减的过程。
- T2值反映了组织横向弛豫的快慢，一般来说，纯水的T2值较长，固体组织的T2值较短。
二、MRI设备组成。
1. 磁体系统。
- 主磁体。
- 产生强大而均匀的外磁场B_0，是MRI设备的核心部件。
常见的磁体类型有永磁体、常导磁体和超导磁体。
- 永磁体：不需要电源，磁场强度相对较低（一般小于0.5T），维护成本低，但重量大。
- 常导磁体：通过电流产生磁场，磁场强度一般在0.2 - 0.5T，需要大量电力供应，产生热量多。
- 超导磁体：利用超导材料在超导状态下的零电阻特性，通过强大电流产生高磁场（1.5T、3.0T甚至更高），磁场均匀性好，但需要液氦冷却，设备成本和维护成本高。
- 梯度磁场系统。
- 由X、Y、Z三个方向的梯度线圈组成，用于在主磁场基础上产生线性变化的梯度磁场。
磁共振成像技术的基本原理
磁共振成像技术的基本原理随着现代医学的不断发展，磁共振成像技术（magnetic resonance imaging，MRI）已成为常见的医学检查手段之一。
MRI以非侵入性的方式生成高质量二维或三维影像，被广泛用于诊断和研究许多疾病。
但是，对于很多人来说，MRI技术完全是个谜。
那么，让我们来探究一下MRI的基本原理。
1. 原子核的自旋MRI的基本原理涉及原子核自旋。
所有物质都由原子构成，而原子又是由正电荷的质子和带有负电荷的电子组成的。
质子有一个内部旋转运动，也称为自旋。
尽管这个过程非常微小，但因为质子是正电荷，所以原子的自旋具有电磁性质。
2. 磁场与磁共振MRI使用强大的磁场来测量原子核的自旋。
磁场是一种可感知的物理力，即使在不接触或触摸其表面的情况下也能对物质进行作用。
在MRI中，磁体产生磁场，将磁性物质中的质子排列到一个方向上，使其形成磁性形状。
这个方向比起自然环境下，使围绕原子核的电子更倾向于朝向一个方向。
当质子处于磁化状态时，可以通过引入一个短暂的无线电波来激发它们。
这个过程称为共振，也就是磁共振。
已经激发的质子被称为横向磁化，它们在磁场中环绕的平面上旋转。
这些状态的运动不会持续太久，大约在几毫秒后，它们会返回到磁化的状态，发出另一种电磁波，可以被接收到并用于图像生成。
3. 磁共振成像的图像识别MRI利用计算机技术对这些信号进行处理和分类，生成高质量的图像。
不同类型的组织对信号有不同的响应，这种差异在MRI图像中呈现出不同的亮度。
对具有磁性质的组织如髓鞘、血管和软骨等能够被MRI扫描显示，而对于其他组织如软组织，MRI图像显示的更为详细。
综上所述，MRI是一种先进的医学诊断技术，它利用原子核磁性及与其自旋状态有关的参数来产生具有丰富生物学信息的图像。
MRI图像构建需要经过信号采集、信号处理、图像重建和图像分析4个过程，而MRI图像的表现形式是结构与连接。
MRI技术的优点在于对人体没有明显的损伤和创伤，同时也不具有放射性；涉及到的磁场力度强，因此患者应该遵守特定的MRI安全规定才能进行检查，有一定的禁忌要求。
核磁共振技术的基本原理和应用
核磁共振技术的基本原理和应用引言：近年来，随着科技的不断发展，人类创造了许多先进的科学技术，其中之一就是核磁共振技术。
核磁共振技术作为一种非侵入性的检测手段，在医学、化学、生物学等领域中得到了广泛的应用。
本文将对核磁共振技术的基本原理以及其在不同领域中的应用进行探讨。
一、核磁共振技术的基本原理核磁共振技术是利用原子核自旋磁矩与外加准直磁场、射频场交互作用的一种技术。
其基本原理可简要概括为以下几点：1. 原子核自旋磁矩：原子核由质子和中子构成，质子和中子的自旋造成了原子核的自旋磁矩。
具体而言，核自旋磁矩是指带电粒子（比如质子）绕自身转动产生的旋转磁矩。
2. 磁共振：当核自旋磁矩遇到外加准直磁场时，核自旋会在磁场中取向，形成两个能级：平行与反平行。
能级差值与自旋的有效尺度、核数、外加磁场大小有关。
3. 预cession 磁滞：在外加均匀磁场和射频场诱导下，核自旋会绕着磁场方向进行进动，称为预cession。
预cession频率与环境中的磁场强度以及射频场频率有关。
4. 能级跳变：当射频场频率与系统能级之间的差值相等时，能级间会出现共振现象，这种跳变会引起固有信号。
二、核磁共振技术在医学领域的应用核磁共振技术在医学中的应用非常广泛，尤其在医学影像领域中发挥着重要的作用。
1. 核磁共振成像（MRI）：核磁共振成像是核磁共振技术在医学影像学中的应用，它能够通过对人体局部区域进行扫描和成像，帮助医生观察人体组织结构、器官病变以及异常功能等。
MRI成像不需要使用任何放射性物质，因此相比传统的X光照射方法更为安全。
2. 核磁共振波谱（NMR）：核磁共振波谱是利用核磁共振技术对蛋白质、药物、代谢物等进行分析的一种方法。
通过对样品中的核磁共振信号进行分析，可以推断样品中分子的结构、组成以及浓度等信息，从而达到检测和分析的目的。
三、核磁共振技术在生物学和化学领域的应用除了在医学领域，核磁共振技术还在生物学和化学领域中得到了广泛的应用。
核磁共振法的基本原理是什么
核磁共振法的基本原理是什么？在材料研究中的应用如何？１、核磁共振（ＮＭＲ）的基本原理：核磁共振是指原子核在外磁场作用下，其在能级之间共振跃迁的现象。
原子核磁性的大小一般用磁矩L表示，L具有方向性，L=γhI, h是普朗克常数, I为自旋量子数，简称自旋。
旋磁比γ实际上是原子核磁性大小的度量，γ值大表示原子核的磁性强，反之亦然。
在天然同位素中，以氢原子核(质子)的γ值最大(42.6 MHz /T),因此检测灵敏度最高，这也是质子首先被选择为NMR研究对象的重要原因之一。
当把有磁矩的核置于某磁场中,该原子核在磁场的行为就好似陀螺的运动－拉莫尔进动,其频率由下式决定:ω=2πγ。
式中ω为角频率,γ为拉莫尔进动频率。
当外加射频场的频率与原子核的拉莫尔频率相等时,处于低能态的核便吸收射频能,从低能态跃迁到高能态,此即核磁共振现象。
没有自旋的原子核(I=0)没有磁矩,这类核观察不到NMR 信号,如14C,16O,32S等, I=½的原子核是NMR中研究得最多的核,如:1H,13C,19F,15N等。
２、核磁共振技术的实验装置实现核磁共振可采取两种途径:一种是保持外磁场不变,而连续地改变入射电磁波频率；另一种是用一定频率的电磁波照射,而调节磁场的强弱。
图1为核磁共振现象的装置示意图:采用调节入射电磁波频率的方法来达到核磁共振，样品装在小瓶中,并置于磁铁两极之间,瓶外绕有线圈,通有由射频振荡器输出的射频电流。
于是,由线圈向样品发射电磁波。
调制振荡器的作用是使射频电磁波的频率在样品共振频率附近连续变化,当频率正好与核磁共振频率吻合时,射频振荡器的输出就会出现一个吸收峰。
这可以在示波器上显示出来。
同时由频率计即刻读出这时的共振频率值。
核磁共振谱仪是专门用于观测核磁共振的仪器,主要由磁铁、探头和谱仪三大部分组成。
磁铁的功用是产生一个恒定的磁场；探头置于磁极之间,用于探测核磁共振信号；谱仪是将共振信号放大处理并显示和记录下来。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
谢谢！
陀螺
共振
陀螺进动 质子进动
共振
N
Z
质子磁矩
X Y
S
质子在磁场中：进动速度非常快，例如在场强1.0T的 磁场中，质子的进动频率为42.5MHz，即每秒围绕Z 轴进动四千二百多万次。
宏观磁矩
共振
质子带正电荷，具有自旋性（就像旋转中的地球）， 并有自己的磁场，自然状态下，各个质子的磁场方向 （自旋轴方向）处于杂乱无章的排列状态，宏观磁矩
M=0。
共振
N
宏观磁矩
S
当质子进入强磁场，质子将重新排列，大多数质子（低 能态）自旋轴方向平行于磁场方向，少数质子（高能态） 反向，宏观磁矩为Mz。
射频脉冲
共振
90°脉冲
Mz
Mxy
90°RF的特点：Mxy衰减快，信号难以采集 ，自由感应衰减（FID）
180°脉冲
Mz 复相位
去相位
共振
Mxy
180°RF的特点：1、Mxy重聚焦，信号得以采集， 2、在TE/2激发 3、Mxy的衰减，是由于质子失相位
T2（横向弛豫时间）： 90°脉冲停止后，Mxy衰减到原来值 的37%的时间。
Mz
Mz
Mz，Mxy
T1 63％
MXY
Mxy
T2 37 ％
共振
弛豫时间（T1、T2）与MRI成像
➢ 不同组织间的T1、T2值有差别，又相对 固定，这是MR的成像基础，用不同的灰 度表示。
➢ MRI图像主要反映组织间的T1的差别， 为T1加权（T1 weighted imaging, T1WI)。
➢ 主要反映组织间的T2的差别，为T2加权 （T1 weighted imaging, T2WI)。
3.成像
序列 FSE
IR
3DTOF
人体—受到射频脉冲—产生共振、 弛豫—接收信号—形成图像
4.总结磁共振成像名词
① 磁场 ② 磁场强度 ③ 共振 ④ 质子（1H） ⑤ 进动或旋进 ⑥ 进动频率 ⑦ 宏观磁矩 ⑧ 射频脉冲： 90°脉冲，180°脉冲 ⑨ T1时间 ⑩ T2时间
2.共振的概念
共振
共振：用一种频率与进动频率相同的射频脉冲激
发所检查的原子核将引起共振。
G
C D E F G AB
G
C D E G AB
共振条件
质子 进动频率 G
磁场
射频 G
共振
person in magnetic field
magnet
before transmitting RF
共振
person in magnetic field
磁共振成像技术 ——基本原理
EXCITE Technology
Accelerator
什么是磁共振成像（MRI）？
1. 磁 Magnetic 2. 共振 Resonance 3. 成像 Imaging
人体
磁场
磁
图像
人体富含 H2O—H+
共振发生的地方
采集信号-形成图像
磁
1.磁场
北极 N
S
南极
地球
1.5T超导磁体
磁
地磁、磁铁、核磁
磁
磁场强度
磁场强度
磁
磁
临床磁场强度: 0.05～3T
低场: ≤0.3T 中场: ＞ 0.3T, ≤ 1.0T 高场: ＞ 1.0T
广东医附院1.5T超导磁体
GE公司3.0T超导磁体
永
0.2T
磁
体
0.5T
常见MR机
0.35T
磁
0.7T
3.0T 1.5T 1.0T
RF Transceiver
magnet
transmitting RF
共振
person in magnetic field
RF Transceiver
RF Pulse
after transmitting RF
共振
person in magnetic field
RF Transceiver
MR Signal
核磁驰豫
共振
射频脉冲符合频率，被激励的质子群发生 共振，宏观磁化矢量（M）离开平衡状态， 当脉冲停止后，宏观磁化矢量又自发地回复 平衡状态，
这个过程称为“核磁驰豫”。
驰豫过程可用两个值描述：
纵向驰豫时间（T1）
横向驰豫时间（T2）
核磁弛豫
共振
T1（纵向弛豫时间）：90°脉冲停止后，Mz达到其最终平 衡状态63%的时间。
生物体内含1H、13C、19F、23Na、31P等有磁性的 元素，其中以1H的研究和使用最多。
进动频率
共振
在主磁场中，
1H 原子核在绕自身轴
旋转时，又沿主磁场方向做圆周运动，将质子磁
矩的这种运动称为进动或旋进。
宏观磁矩也做进动，其频率w ，可用Larmor公
式表示：
w = g Bo
B0 为主磁场强度，r 为磁旋比 42.5兆赫/T
什么是进动频率？
共振
人体MR成像的物质基础-原子核（1H）
Electron电子
Proton质子 1H
Billions of Hydrogen Atoms in the body
人体由大量氢原子构成
原子核的磁性
共振
含有单数质子、单数中子或两者均为单数的原 子核，其自旋可产生磁场，其方向的强度称为磁矩。