磁共振成像物理学基础第1章
磁共振成像的物理基础
磁共振成像的物理基础
磁共振成像（MRI）的物理基础是核磁共振现象。
核磁共振是指原子核在外磁场作用下，发生能级跃迁，吸收能量后重新发射出电磁波的过程。
MRI利用了氢原子核（H）在外磁场中的自旋和轨道运动所产生的磁矩。
氢原子核的磁矩在外磁场中会发生取向和排列，当外磁场的强度和方向发生变化时，氢原子核的磁矩也会发生旋转，产生磁化强度。
当外磁场消失时，氢原子核的磁化强度会逐渐减弱，直到恢复到原来的状态。
MRI通过在人体内部放置强磁场和射频脉冲，激发人体内的氢原子核，使其吸收能量，然后再通过射频脉冲的反向信号检测氢原子核的位置和数量，进而生成人体内部的图像。
MRI成像的分辨率高，可以检测出人体内部的微小结构和异常情况，广泛应用于医学诊断和研究领域。
磁共振成像物理学基础
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纵向驰豫（自旋-晶格驰豫）
纵向驰豫时间也叫 T1时间
纵向磁距恢复到原 来的63%时所需的
时间为T1时间
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横向驰豫（自旋-自旋驰豫）
横向驰豫时间也叫T2 时间横向磁Biblioteka 减少到最大值 的37%时所需的时间为
T2时间
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通常生物组织的T1值大于T2值 T1大约为300-2000毫秒，T2大约为30-150毫秒
B． Bloch和Damadian A．T1、T2
γ为磁旋比 A．无外加磁场时，原子核的磁矩方向是随机
1，纵向驰豫（自旋-晶格驰豫）
2，横向驰豫（自旋-自旋驰豫） D．Bloch和Purcell
2、每次回波检测到的MR信号放入K空间的不同位置上， K空间中每一点的信号都来自整个激发层面。
纵向驰豫磁距分量设为MZ 横向驰豫磁距分量设为MXY
管的结构 任意层面成像 无电离辐射 可检查代谢物或功能成像等等
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磁共振成像的局限性：
成像速度相对较慢 禁忌症较多（起搏器，植入性支架，幽闭恐惧症
等)
对钙化灶和骨皮质不够敏感，对肺的检 查也较差
图像易受多种伪影影响 定量诊断难
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原子核共振特性
A．横向磁化矢量完全衰减所需要的时间 B．横向磁化矢量从最大值达到63%所需要
的时间 C．横向磁化矢量从最大值达到50%所需要
的时间 D．横向磁化矢量从最大值达到37%所需要
的时间 E．横向磁化矢量完全散相所需要的时间
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例题： MRI信号的空间定位，必须 具有：
A．选层梯度 B．频率编码梯度 C．相位编码梯度 D．RF脉冲 E．以上所有选项
磁共振成像(MRI)的基本原理
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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。
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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。
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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。
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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
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空间频率与K-空间
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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。
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第二节：磁场
• 磁场的概念 • 均匀磁场 • 稳定磁场 • 交变磁场
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磁场
• 物质场 • 对磁性物质的力效应 • 磁场的强度
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均匀磁场
大小方向恒定不变的磁场.
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交变磁场
大小或方向呈规律性变化的磁场
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Y BX=Bsina
B(RF) a
X BY=Bcosa
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第三节：磁场对样体的作用
磁共振成像(1)基础入门
Raymond Damadian与第一台MRI装置（1977）
MRI基本原理
普通CT成像示意图
螺旋CT原理示意图
磁共振没有射线
实现人体磁共振成像的条件:
利用人体内氢原子核作为磁共振中的靶子，它是人体内最 多的物质。H核只含一个质子不含中子，最不稳定，最易 受外加磁场的影响而发生磁共振现象。
磁共振发展史
发生事件
作者或公司
发现磁共振现象
Bloch Purcell
发现肿瘤的T1、T2时间长 Damadian
做出两个充水试管MR图像 Lauterbur
活鼠的MR图像
Lauterbur等
人体胸部的MR图像
Damadian
初期的全身MR图像
Mallard
磁共振装置商品化
诺贝尔奖金
Lauterbur Mansfierd
x
对Mz施加90度的射频脉冲
z
B0
代
MZ
表
主
磁 场
y
的 方
x
向
z
90度
y
MXY
x
A
B
在 A-B 这一过程中，产生能量
C
B0
射频脉冲激发使磁场偏转90度，关闭脉冲 后，磁场又慢慢回到平衡状态（纵向)
脉冲停止后，发生了一种物理学现象：弛豫
•弛豫
•Relaxation
•放松、休息
• 射频脉冲停止后，在主磁场的作用下，横向 宏观磁化矢量逐渐缩小到零，纵向宏观磁化 矢量从零逐渐回到平衡状态，这个过程称为
人体内的H核子可看作是自旋状态下的小星球。
自然状态下， H核进动杂乱无章，磁性相互抵消。
磁共振(MRI)成像原理
横向弛豫
七、横向弛豫
横向弛豫
七、横向弛豫 由于受磁场不均匀的影响，实际上90°射频脉冲关闭后，宏观横向磁化矢量将呈指数式
的快速衰减，我们把宏观横向磁化矢量的这种衰减称为自由感应衰减也称T2※弛豫。 利用180°聚焦脉冲可以剔除主磁场不均匀造成的宏观横向磁化矢量衰减，组织由于质
子群周围磁场微环境随机波动造成的宏观横向磁化矢量的衰减才是真正的横向弛豫，即T2弛 豫。T2弛豫的能量传递发生于质子群内部，即质子与质子之间，因此T2弛豫也称自旋一自 旋弛豫（spin-spin弛豫）。
横向弛豫
七、横向弛豫 90°脉冲关闭后，组织中的宏观横向磁化矢量将逐渐减小，最后将衰减到零。90°脉冲
使组织中原来相位不一致的质子群处于同相位进动，质子小磁场的横向磁化分矢量相互叠加， 从而产生旋转的宏观横向磁化矢量。
90°脉冲关闭后，宏观横向磁化矢量衰减的原因与之相反，同相位进动的质子群逐渐失 去了相位的一致，其横向磁化分矢量的叠加作用逐渐减弱，因此宏观横向磁化矢量逐渐减小 直至完全衰减。
子核中的质子数是相同的，所不同的是中子数，这种同一元素的不同原子 核被称为同位素，如元素氢的同位素就有H（氢核）、H（氘核）和H（氚 核），一般标为1H（氢核）、H（氘核）和3H（氚核）即可。
物质基础
一、物质基础：自旋和核磁共振 原子核具有一定大小和质量，可以视作一个球体，所有磁性原子核都有一个特性，就
弛豫
六、核磁弛豫
A.在激发前平衡状态下，组织中只有宏观纵向磁化矢量（向上空白 粗箭）； B.90°脉冲激发后即刻，组织中宏观纵向磁化矢量消失，产生一 个旋转（带箭头圆圈）的宏观横向磁化矢量（水平空白粗箭）； C.等待一段时间后，组织中的宏观横向磁化矢量有所缩小，宏观纵 向磁化矢量有所恢复； D.再等待一段时间后，组织中的宏观横向磁化矢量进一步缩小，宏 观纵向磁化矢量恢复更多； E.再过一段时间，组织中的宏观横向磁化矢量已经完全衰减，而宏 观纵向磁化矢量进一步恢复； F.到最后，组织中的宏观纵向磁化矢量已经完全恢复到平衡状态。
磁共振成像的物理学基础
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（magnetic resonance imaging，MRI）是利用射频（radio frequency，RF）电磁波对置于磁场中的含有自旋不为零的原子核的物质进行激发，发生核磁共振（nuclear magnetic resonance，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Purcell教授同时发现了核磁共振现象，由于这一发现在物理、化学、生物化学、医学上具有重大意义。
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子结构分析，即磁共振波谱分析（magnetic resonance spectroscopy，MRS）。
1971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T1、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；·任意层面断层，可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·呈像速度慢；·对钙化灶和骨皮质症不够敏感；·图像易受多种伪影影响；·禁忌证多；·定量诊断困难。
磁共振物理基础PPT课件
核——磁共振现象所涉及原子核 磁——磁共振过程发生强大磁体内，并用射频 场进行激励产生共振，用梯度场进行空间定位 并控制成像。 共振——原子核间能量吸收和释放可发生共振。
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磁共振成像的英文全称正确的是
A．Magnetic Resonance Image B．MagneticResorbent Image C．Magnetic Resonance Imaging D．Magnetic Resorbent Imaging E．Magnestat Resorbent Imaging
定义
1
• 磁共振成像（magnetic resonance imaging，
MRI）是利用射频（radio frequency，RF）电 磁波对置于磁场中含有自旋不为零的原子核的 物 质 进 行 激 发 ， 发 生 核 磁 共 振 （ nuclear magnetic resonance，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。
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处于高能级太费劲，并非人人能做到
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四、进动和进动频率： 1、进动（precession） ： 处于主磁场的质子，除了自旋运动外，还绕着 主磁场轴进行旋转摆动，称为进动。
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布洛赫 (Felix Bloch)
帕塞尔 (Edward Purcell)
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1973年——Lauterbur用反投影法完成MRI实 验室成像的工作。
1974年—Lauterbur 做出活鼠MR像。 1977年—英国阿伯丁大学的Hinshow和 Bottomley取得了第一幅人手腕关节剖面MR像。 Damadian 获得胸部 MR 像。 1978年——英国阿伯丁大学Mallard取得了人 体头部的磁共振图像。
MRI
磁共振成像（MRI）知识讲座引言我们将磁共振成像（MRI）的基本知识向大家略做介绍，希望能有所帮助。
第一章磁共振成像（MRI）基础知识一、磁共振成像（MRI）基本原理1、人体组织的化学特性人体内最多的分子是水，约占人体重量的65%，其次为脂肪成份。
此外，还有大量有机分子，如蛋白质、酶、磷酯等。
这些物质中都含有大量的氢原子。
因此，氢原子是人体中含量最多的原子。
2、磁共振成像（MRI）原理目前的磁共振成像是氢原子的成像，实际上是脂肪和水为主的软组组成像，或者说磁共振成像（MRI）是利用身体细胞中的氢原子在磁场内共振产生信号，通过精密的电脑系统重建而获得高清晰的影像，以达到诊断目的的一种技术。
二、磁共振成像（MRI）技术的发展概况1、1977年：初期MRI全身图像产生；2、1980年：首台商品磁共振成像系统问世；3、1981年：首台超导全身磁共振成像系统建立；4、1983年：获准进入市场；5、1989年：我国0.15T永磁型磁共振成像系统（ASM-015P）问世；6、1992年：我国0.60T超导型磁共振成像系统（ASM-060S）问世；7、1999年：我国0.35T永磁型磁共振成像系统（NOVUS系列）开发成功；8、2000年：我国1.5T超导型磁共振成像系统（NOVUS系列）开发成功；9、目前： 3.0T超导磁共振应用于临床；10、目前：7.0T、10.0T磁共振进入临床前研究；三、磁共振成像（MRI）的一些基本概念1. 什么是Tesla?Tesla（T）是一个磁场强度单位，中文译为特斯拉，一单位T等于10000Gause，Gause中文译为高斯，地球的自然磁场强度为0.3~0.7Gs，南北极有所不同。
2. 什么是共振？共振是一种自然界普遍存在的物理现象，物质是永恒运动着的，物体的运动在重力作用下将会有自身的运动频率。
当某一外力作用在某一物体上时，而且有固定的频率，如果这个频率恰好与物体自身运动频率相同，物体将不断吸收外力，转变为自身运动的能量，随时间的积累，能量不断被吸收，最终导致物体的颠覆而失去共振状态。
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第1章磁共振成像物理学基础模拟题11.下面哪个是“磁共振成像”正确的英文表达A．Magnetic Resonance ImageB．Magnetic Resonance ImagineC．Magnetic Resonance ImaginationD．Magnetic Resonance ImagingE．Magnetic Resonance Imagism2.下面哪个观点是正确的A.利用音频电磁波对置于磁场中的含有自旋不为零的原子核的物质进行激发，产生核磁共振B.利用射频电磁波对置于磁场中的含有自旋不为零的原子核的物质进行激发，产生核磁共振C.利用音频电磁波对置于磁场中的含有自旋为零的原子核的物质进行激发，产生核磁共振D.利用射频电磁波对置于磁场中的含有自旋为零的原子核的物质进行激发，产生核磁共振E.利用射频电磁波对置于磁场中的不含有自旋为零的原子核的物质进行激发，产生核磁共振3. 哪一年发现磁共振现象A.1940年B.1946年C.1947年D.1952年E.1971年4. 哪一年由谁发现磁共振现象A.1940年由Ambrose和Purcell教授B.1942年由Bloch和Damadian教授C.1944年由Damadian和Lauterbur教授D.1946年由Bloch和Purcell教授E.1952年由Macleod和Hounsfield教授5.磁共振设备使用什么线圈采集磁共振信号A.感应线圈B.正交线圈C.体线圈D.相控阵线圈E.发射线圈6.1973年Lauterbu用何方法完成了MRI模拟成像工作A.迭代法B.投影法C.内插法D.表面阴影显示法E.反投影法答案：E7.世界上第一台头部MRI设备是哪一年在哪国投入临床使用A.1971年英国B.1973年美国C.1978年英国D.1980年德国E.1981年美国8.哪年全身的MRI研制成功A.1971年B.1973年C.1978年D.1980年E.1981年9.哪些不是磁共振成像的特点A.多参数成像，可提供丰富的诊断信息；B.任意层面断层，可以从三维空间上观察人体成为现实C.无电离辐射，一定条件下可进行介入MRI治疗D.使用造影剂，可观察心脏和血管结构E.无气体和骨伪影的干扰，后颅凹病变等清晰可见10.不完全是磁共振成像的特点的是A.高对比成像，可得出祥尽的解剖图谱B.人体能量代谢研究，有可能直接观察细胞活动的生化蓝图C.无电离辐射，一定条件下可进行介入MRI治疗D.没有气体和骨伪影的干扰，后颅凹病变观察满意E.可任意层面重建，可以从三维空间上观察人体成为现实11.反映原子结构错误的有A.原子由原子核和绕核运动的电子组成B.电子有质量C.原子核位于原子中心，由质子和中子组成D.质子决定该原子的化学特性E.原子核决定原子的物理特性12.原子核中一个质子的角动量约为A.1.41×10-26 TeslaB. 1.41×10-2 TeslaC. 1.41×10-10 TeslaD. 2.37×10-2 TeslaE. 1.52×10-6 Tesla13.人体内含量最多的原子A.氢-1B.碳-13C.氧-17D.钠-23E.磷-3114.人体内那些原子不可以用来磁共振成像A.氢-1B.碳-13C.氧-17D.钠-23E.磷-3115.根据电磁原理，质子自旋产生的角动量的空间方向总是A.在随机变化,角度不定B.与自旋的平面垂直C.与自旋的平面平行D.与自旋的平面成30°的夹角E.与自旋的平面成120°的夹角16.下面关于原子核特性哪个描述是错误的A.原子核中质子围绕着一个轴做自旋运动B.质子自旋产生角动量C.角动量的总和产生磁距D.在B0作用下，原子核在自旋的同时还在围绕B0旋转E.含有磁性原于核的物质放置于均匀磁场中，微观的磁矩会在自旋－晶格弛豫时间发生改变。
17.关于磁距的描述错误的是A.氢核（质子）具有最强的磁距B.磁距是一个矢量和C.磁距是一个动态形成过程D.人体置于强磁场中，质子总的磁距围绕B0旋转的角度也相对恒定E.外加磁场的大小决定着磁距与B0轴角度18.拉莫频率又称为A.进动频率B.自旋频率C.磁矩值D.法拉第频率E.采样频率19.不属于磁共振产生条件的有A.有外力反复作用B.外力作用有固定频率C.外力频率和物体自身运动频率相同D.物体吸收外力能量E.不能转变为自身的能量20.原子核在外加RF(B1)作用下产生共振后A.磁距旋进的角度变大，实际上偏离B0轴的角度加大了，原子核处在了较高的能态中B.磁距旋进的角度变小，实际上偏离B0轴的角度加大了，原子核处在了较高的能态中C.磁距旋进的角度变大，实际上偏离B0轴的角度减小了，原子核处在了较高的能态中D.磁距旋进的角度变大，实际上偏离B0轴的角度加大了，原子核处在了较低的能态中E.磁距旋进的角度变小，实际上偏离B0轴的角度加大了，原子核处在了较低的能态中21.在磁共振中我们通常将哪一个方向的空间中线轴线定义为纵轴A.平行于B0方向B.垂直于B0方向C.平行于B1方向D.垂直于B1方向E.和B0方向呈45º夹角22.在外加的B1作用下，B0将发生偏离纵轴的改变，此时A.B1作用时间越长横向弛豫越短B.B1作用时间越长横向弛豫越长C. B0方向上的磁距将增加D.B1作用时间越长纵向弛豫越短E.B1作用时间越短纵向弛豫越长23.在外加的B1作用下，B0将发生偏离纵轴的改变，此时A.B1作用时间越长横向弛豫越短B.B1作用时间越长横向弛豫越长C. B0方向上的磁距将增加D.B1作用时间越长纵向弛豫越短E.B1作用时间越长纵向弛豫时间为零24.关于T1值正确的说法是A.横向磁距减至最大时的37%时所要时间B.横向磁距减至最大时的63%时所要时间C.纵向磁距减到到原来的63%时所需时间D.纵向磁距恢复到原来的63%时要的时间E.纵向磁距恢复到原来的37%时所需要的时间25.关于T2值正确的说法是A.纵向磁距减到到原来的63%时所需时间B.纵向磁距恢复到原来的63%时所需时间C.纵向磁距恢复到原来的37%时所需时间D.横向磁距减至最大时的63%时所需时间E.横向磁距减至最大时的37%时所需时间26.关于MR信号的说法中哪个是错误的A.磁共振图像是MR信号通过计算机处理得到的B.MR信号具有一定的频率、强度C. MR信号是通过电磁波经过转化得到的D. MR信号是通过接收线圈接收的E. 接收线圈接收到的MR信号是数字信号27.磁共振成像过程中组织经过B1激发后吸收的能量，将通过发射与激发RF 频率相同的电磁波来实现能量释放，这个电磁波称之为A. Larmor频率B.脉冲频率C.发射脉冲D.回波E.梯度脉冲28.磁共振成像过程中组织受射频激励后，当RF停止后A. 产生垂直于B0的横向磁化矢量B. 产生垂直于B0的纵向磁化矢量C. 产生感应电流D. 产生平行于B0的纵向磁化矢量E. 产生平行于B0的横向磁化矢量29.根据法拉第定律MR接收线圈产生的感应电流的特点是A.感应电流的大小和横向磁化矢量成反比B.感应电流随时间周期的增加而增加的振荡电流C.感应电流又称之为自由感应增益D.感应电流的幅度呈线性变化E.感应电流的幅度呈指数变化30.关于MR接收线圈产生的感应电流的特点描述中正确的是A. 感应电流随时间周期的增加而增加的振荡电流B. 感应电流的大小和横向磁化矢量成正比C. 感应电流的幅度呈线性降低变化D. 感应电流的振幅随时间周期而增大E. 感应电流的幅度呈指数性升高变化31.自由感应衰减是A. FIDB. MTFC. FLAD. MEDICE. MTC32.自感应衰减信号描述的是A.信号频率与幅度的对应关系B.信号瞬间幅度与时间的对应关系C.信号瞬间频率与幅度的对应关系D.信号幅度和回波的对应关系E.信号频率和回波的对应关系33.由于不同物质的自由感应衰减过程不相同，所得到的叠加信号也不是一个简单的指数衰减曲线，因此，就需要振幅随时间变化的函数变成振幅随频率分布变化的函数。
这就需要A. 通过“反投影法”来实现B. 通过“迭代法”来实现C.通过“半傅里叶变换”来实现D.通过“傅立叶变换”来实现E.通过“K空间”来实现34.不同组织在MRI的同一序列上存在着亮暗差别，这是由于FID信号受下面哪些因素的影响A.质子密度B.T1值C.T2值D.运动状态E.以上都是35.磁共振成像中采用不同脉冲组合序列及其相关的TR、TE值、翻转角等都是为了A.显示组织特性B.显示结构特性C.显示密度特性D.显示性质特性E.显示氢质子36.磁共振的空间定位是由A.B0决定的B.梯度磁场决定的C.射频脉冲决定的D.傅里叶变换决定的E.人体的空间定位决定的37.MRI和CT的不同之处A.不需要患者移动就可进行各方位扫描B.MRI的空间分辨率高C.MRI的信噪比高D.可以做更薄的层厚E.以上都是38.梯度磁场是由几个梯度场组成的A.一个B.两个E.五个39. 如果MR检查时需要得到一个横轴位图像是，需要选择那一个梯度磁场A. GzB. GxE. GXY40. 如果MR检查时需要得到一个矢状位图像是，需要选择那一个梯度磁场C. GyD. GXZE. GYZ41.如果MR检查时需要得到一个冠状位图像是，需要选择那一个梯度磁场A. GzC. GyD. GXZE. GXY42.关于MRI平面信号定位过程的描述，正确的是A.频率编码和成像时间有关B.频率编码决定上下空间位置C.相位编码和成像时间有关D.相位编码决定左右空间位置E.以上都不对43.关于K空间的说法错误的是A.K空间实际上是MR信号的定位空间B.在K空间中相位编码是上下、左右对称的C.K空间就是我们平时所说的三维空间D.K空间中心位置确定了最多数量的像素的信号E.在傅利叶转换过程中处于K空间周边位置的像素的作用要小很多44.MR成像中为节约时间采用K空间零填充技术是因为A. K空间中心位置确定了最多数量的像素的信号B. K空间周边位置的像素的作用要小很多C.周边区域的K空间全部作零处理，不化时间去采集D.处于K空间中心区域的各个数值对图像重建所起的作用要比周边区域的更大E.以上都对45．填充K空间周边区域的MR信号（K空间线）主要决定图像的A．图像的细节B．图像的边缘C．图像的轮廓D．图像的对比E．图像的信噪比46.关于傅里叶变换法的说法错误的是A. 傅里叶变换法是将频率函数变成时间函数的方法B. 傅里叶变换法可将K空间的信息填补到真正的空间位置上C. 二维傅里叶变换可分为频率和相位两个部分D. 二维傅里叶变换法是MRI最常用的图像重建方法E. 二维傅里叶变换法是MRI特有的图像重建方法。