MRI基本原理
简述核磁共振的基本原理
简述核磁共振的基本原理核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是一种基于原子核磁矩与外加磁场相互作用的物理现象的分析技术。
它在医学、化学和材料科学等领域有着广泛的应用。
核磁共振的基本原理是基于原子核的自旋运动以及与外加磁场的相互作用。
原子核具有自旋磁矩，当置于外加磁场中时，原子核的自旋磁矩会沿着外加磁场方向取向。
在外加磁场作用下，原子核会产生共振吸收、共振散射等现象。
核磁共振的实验装置主要包括磁场系统、射频系统和检测系统。
磁场系统由强大的恒定磁场和磁体组成，用于产生均匀的静态磁场。
射频系统用于产生射频场，并与样品中的原子核磁矩相互作用，从而激发共振信号。
检测系统则用于接收和测量样品中的共振信号。
在核磁共振实验中，首先将样品放置在磁场中，样品中的原子核磁矩会取向于磁场方向。
然后，通过射频脉冲产生射频场，使原子核磁矩发生磁矩矢量的旋转。
当射频场的频率与原子核的共振频率匹配时，原子核会吸收能量并发生共振转动。
这个过程称为共振吸收。
共振吸收信号可以通过检测系统进行接收和测量。
检测系统通常采用感应线圈，将样品中的共振信号转换为电信号。
然后，通过信号放大和处理，可以得到原子核的共振吸收谱图。
核磁共振技术可以提供丰富的信息，包括化学位移、耦合常数、弛豫时间等。
通过测量样品中原子核的共振信号，可以确定样品的分子结构、成分和物理化学性质。
在医学中，核磁共振成像（MRI）技术可以用于非侵入性地观察人体内部结构和组织功能。
总结起来，核磁共振是一种基于原子核磁矩与外加磁场相互作用的分析技术。
通过射频场的激发和共振吸收，可以获得样品中原子核的共振信号，并通过信号处理得到有关样品的信息。
核磁共振技术在医学、化学和材料科学等领域有广泛应用，为科学研究和医学诊断提供了重要工具。
磁共振的原理和应用
磁共振的原理和应用磁共振的原理磁共振是一种基于原子核磁性的物理现象，广泛应用于医学领域。
它的原理是通过在强磁场中施加一定的电磁波，使原子核发生共振现象，从而得到关于原子核的信息。
具体来说，磁共振的原理可以概括为以下几个方面：1.磁共振现象：在进入强磁场后，原子核会对磁场产生响应，进而发生共振。
这是因为原子核具有自旋角动量，而磁场可以引起原子核自旋角动量的方向和能量的变化，从而产生共振信号。
2.拉莫尔频率：拉莫尔频率是原子核在特定磁场中的共振频率。
拉莫尔频率与原子核的磁性、电荷、核自旋等因素有关。
通过测量原子核的拉莫尔频率，可以确定物质的成分和结构。
3.磁共振信号的检测：磁共振信号可以通过接收原子核共振信号产生的电磁波来进行检测。
这种电磁波可以通过天线或探测器接收，并转换成能够被显示器或计算机处理的信号。
磁共振的应用磁共振在医学领域有着广泛的应用，特别是在诊断和研究方面。
以下是磁共振在医学领域的几个重要应用：1.磁共振成像（MRI）： MRI是利用磁共振原理进行医学影像诊断的一种非侵入性检查方法。
通过在患者身上产生特定的磁场和电磁波，可以获得高分辨率的人体结构和器官图像。
MRI在检测器官病变、肿瘤、中风和神经退行性疾病等方面有着广泛的应用。
2.功能性磁共振成像（fMRI）：fMRI是一种用于测量脑部活动的方法。
它通过观察患者大脑区域血液供应的变化来分析脑部功能活动。
fMRI在研究神经系统疾病、心理学和认知科学等领域有着重要的应用。
3.磁共振波谱学（MRS）： MRS用于测量生物体内的化学物质组成和代谢过程。
通过分析特定核磁共振信号的强度和频率，可以确定生物样本中各种化学物质的含量和类型。
MRS在生物医学研究中被广泛应用，例如在癌症和神经系统疾病的研究中。
4.磁共振弹性成像（MRE）： MRE是一种用于测量组织力学性质的成像技术。
它通过将机械振动引入到组织内，然后利用磁共振技术来检测和分析振动的传播和反射情况。
mri的基本概念
MRI（磁共振成像）是一种非侵入性的医学影像技术，通过利用核磁共振现象来生成人体内部的高质量图像。
它已经成为临床诊断和研究中不可或缺的工具之一。
本文将介绍MRI的基本概念，包括其原理、构成、影像生成过程以及应用领域。
一、MRI的原理MRI基于核磁共振现象，该现象是指在恒定磁场中，一部分原子核在外加射频脉冲的作用下发生共振吸收和辐射能量。
具体来说，MRI使用强大的磁场将患者放置在其中，使得患者的原子核（如氢原子核）在磁场的作用下自旋预cession。
通过施加射频脉冲和观察原子核释放的信号，可以获得组织所特有的信号，从而生成图像。
二、MRI的构成MRI系统主要由磁场系统、射频系统和计算机控制系统三个部分组成。
1. 磁场系统：MRI使用超导磁体产生强大的静态磁场，通常为1.5T或3T。
磁场系统还包括脉冲梯度线圈，用于产生空间梯度磁场，以便在图像生成过程中定位和编码。
2. 射频系统：射频系统负责产生射频脉冲，用于激发患者体内的原子核，并接收原子核释放的信号。
射频线圈是射频系统的核心部件，根据不同的扫描部位和目的，可采用不同类型的线圈。
3. 计算机控制系统：计算机控制系统负责对磁场和射频系统进行控制，同时处理和重建原始数据，最终生成高质量的MRI图像。
三、MRI的影像生成过程MRI的影像生成过程包括激发、回波信号采集、数据处理和图像重建。
1. 激发：首先，通过射频脉冲激发患者体内的原子核。
不同类型的组织具有不同的共振频率，因此需要根据需要选择不同的激发参数。
2. 回波信号采集：激发后，原子核开始释放能量，产生回波信号。
射频线圈接收这些信号，并将其转换为电信号。
同时，脉冲梯度线圈产生空间梯度磁场，用于定位和编码。
3. 数据处理：采集到的原始数据包含了组织的空间分布和信号强度。
计算机对这些数据进行处理，包括去除噪声、校正估计的误差等。
4. 图像重建：最后，计算机将经过处理的数据进行图像重建，生成高质量的MRI图像。
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。
mri磁共振成像原理
mri磁共振成像原理
MRI成像是利用核磁共振现象的原理，通过对人体组织内的
水分子进行扫描和观察，得到高清晰度的图像。
具体原理如下：
1. 磁性原子核存在自旋，即核具有旋转的特性。
2. 在外加磁场的作用下，核会以不同的方式排列。
正常情况下，核自旋会沿着磁场方向对齐。
3. 在MRI中，通过在病人身上施加一个强大的磁场，使得人
体内的大部分水分子的核自旋方向与磁场方向一致。
4. 随后，施加一系列的辅助磁场，这些磁场的方向会短暂扰乱水分子自旋的排列。
5. 辅助磁场停止后，水分子的自旋会重新按照其能量状态重新排列。
6. 在此过程中，水分子释放出的能量会被探测器捕捉并转换为电信号。
7. 根据这些电信号的不同，MRI系统可以重建出人体内不同
组织的图像。
此外，MRI还可以通过改变辅助磁场的频率和强度，来获取
不同组织的信号。
这样就可以得到不同的对比度，进一步分辨不同组织的结构和功能。
核磁共振工作原理
核磁共振工作原理
核磁共振（NMR）是一种利用原子核的磁性来研究物质结构和性质的物理学和化学技术。
核磁共振成像（MRI）则是将核磁共振技术应用于医学影像学中，用来检查人体内部组织和器官的非侵入性成像技术。
核磁共振的原理基于原子核的磁性。
原子核带有电荷，因此在运动过程中会产生磁场，即磁矩。
当这些原子核置于外部磁场中时，它们会对外部磁场发生作用，使得原子核的磁矩方向发生改变，这种现象被称为磁共振。
核磁共振的工作原理可以简单地描述如下：
1. 样品置于外部强磁场中：将要研究的物质（比如水、蛋白质等）置于强磁场中，这个磁场通常是由大型超导磁体产生的。
2. 加入辅助磁场：在强磁场中加入一个辅助磁场，这个辅助磁场可以是一系列的脉冲磁场，它们的方向和大小可以控制，通过改变脉冲磁场的参数，可以控制样品内部原子核的磁矩方向和大小，使其发生磁共振。
3. 探测信号：当样品内部原子核发生磁共振时，会产生一个高频信号，这个信号可以被外部探测器（如射频线圈）接收并转换成电信号。
4. 数据处理：通过对接收到的信号进行处理，可以获得物质结构和性质的信息。
核磁共振技术广泛应用于物理学、化学、生物学、医学等领域，可以用于分析物质的分子结构、动力学过程、疾病诊断、治疗监测等。
1/ 1。
合成mri原理
MRI技术，即磁共振成像技术，其原理如下：
1. 建立强磁场：在MRI扫描时，患者被置于一个强磁场中，该磁场通常是超过 1.5特斯拉的静态磁场。
这个强磁场会使人体内的原子的核磁矩（磁场作用下产生的磁偶极矩）产生定向，即沿着磁场方向排列。
2. 施加射频脉冲：医生会向患者的身体内部发送一系列射频脉冲，这些脉冲会使一部分原子的核磁矩发生共振，这个过程可以被称为激发。
3. 释放能量：被激发的原子核磁矩由于能级的跃迁会释放能量，这个能量可以被检测出来，也可以被用来建立图像。
因为不同的组织中原子核磁矩的数量和激发后释放能量的方式是不同的，所以这个能量可以被用来区分不同的组织，生成图像。
4. 信号处理和图像重建：MRI系统收集从被激发的原子核发出的能量信号，并将其转化为数字信号进行处理，最终重建成一个高分辨率的图像。
总的来说，MRI技术原理是利用原子核磁矩在强磁场中的共振现象，通过施加射频脉冲来激发原子核，从而获得人体内部组织的高清晰度图像。
磁共振的工作原理
磁共振的工作原理
磁共振（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是利用人体水分
子中的氢原子核产生共振信号来获取人体内部结构信息的一种医学成像技术。
它的工作原理如下：
1. 静态磁场：首先，在病人周围建立一个强大的静态磁场。
静态磁场通常是由超导磁体产生的，其磁场强度一般在1.5到
3.0特斯拉之间。
2. 矢量旋转：当病人进入静态磁场后，体内的氢原子核会受到静态磁场的影响，使得它们的自旋沿静态磁场方向发生矢量旋转。
3. 激励脉冲：然后，通过发送一系列的无线电波脉冲，使得体内的氢原子核发生共振。
这些脉冲将被发送到病人的身体部位，以激发特定的核自旋。
4. 信号接收：被激发的氢原子核将放射出共振信号，这些信号可以被特制的射频线圈接收到。
5. 数据处理：接收到的信号将经过复杂的数学计算和信号处理，来生成高质量的图像。
由于不同类型的组织对共振信号的时间和强度有不同的反应，这些图像可以提供人体内部结构的详细信息。
通过这样的工作原理，磁共振成像可以提供高分辨率的图像，并且可以在不使用放射线的情况下获取人体内部结构的信息。
然而，由于设备复杂、成本昂贵和对患者需要一定的合作度等限制，磁共振成像并不适用于所有人和情况。
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1高斯为距离5安培电流的直导线1厘米处检测到的磁场强度
5安培 1厘米 1高斯
地球的磁场强度分布图
特斯拉（Tesla,T）
Nikola Tesla (18571943), 奥地利电器工程 师，物理学家，旋转磁 场原理及其应用的先驱 者之一。
1 T = 10000G
•非常重要
进入主磁场后，质子自旋产生的 核磁与主磁场相互作用发生进动
进动使每个质子的核磁存在方向稳定的纵 向磁化分矢量和旋转的横向磁化分矢量
由于相位不同，只有宏观纵向磁化矢量产 生，并无宏观横向磁化矢量产生
• 进入主磁场后人体被
磁化了，产生纵向宏 观磁化矢量
• 不同的组织由于氢质
子含量的不同，宏观 磁化矢量也不同
晶格震动频率接近于质子进动频率
能量传递快－－脂肪，含中小分子蛋白质 晶格震动频率低于质子进动频率 能量传递慢－－含高浓度大分子蛋白
•T1弛豫是由于高能质子的能量释放回到低能状态 •用T1值来描述组织T1弛豫的快慢
不同组织有不同的T1弛豫时间
人体各种组织的T2弛豫要比T1弛豫快得多
T2 <<< T1
T2弛豫的原因
自旋质子磁场暴露在大磁场与临近自旋质子的小磁 场中 由于分子的运动，质子周围的小磁场不断波动
每个质子感受的磁场不均匀
根据Lamor定律
磁场高－质子进动快
场强低－质子进动慢
同相位进动的 质子失相位
•T2弛豫是由于进动质子的失相位 •用T2值来描述组织T2弛豫的快慢
不同的组织横向弛豫速度不同（T2值不同）
按与检查部位的关系分
体线圈 表面线圈
第一代为线性极化表面线圈
第二代为圆形极化表面线圈
第三代为圆形极化相控阵线圈 第四代为一体化全景相控阵线圈
•利 用 2 . 3 c m 显微线圈采 集的指纹MR 图像
3D-FFE Matrix 512×512
FOV
2.5cm
4、计算机系统及谱仪
• 数据的运算
• 控制扫描
•非常重要
•检测到的仅仅是不同组织氢质 子含量的差别，对于临床诊断来 说是远远不够的。
•我们总是在90度脉冲关闭后过 一定时间才进行MR信号采集。
4、射频线圈关闭后发生了什么？
无线电波激发使磁场偏转90度，关闭无线 电波后，磁场又慢慢回到平衡状态（纵向)
•弛豫
•Relaxation
•放松、休息
• 显示图像
5、其他辅助设备
空调 检查台 激光照相机 液 氦 及 水 冷 却系统 自 动 洗 片 机 等
二、MRI的物理学原理
1、人体MR成像的物质基础
• 原子的结构
电子：负电荷 中子：无电荷
质子：正电荷
原子核总是绕着自身的轴旋转－－自旋 ( Spin )
自旋与核磁
•地球自转产生磁场 •原子核总是不停地按一定频率绕着自身的 轴发生自旋 ( Spin ) •原子核的质子带正电荷，其自旋产生的磁 场称为核磁，因而以前把磁共振成像称为 核磁共振成像（NMRI）。
•主磁场的均匀度
•MRI要求磁场高度均匀，??? •空间定位需要
•频谱分析（各种代谢物之间的共振频率 相差极小）
•脂肪抑制（脂肪和水分子中的氢质子共 振频率很接近）
磁场均匀度-频率半高宽
–50厘米球表面均匀度应该控制在<3 PPM –45厘米球体均匀度可控制在<1 PPM
2、梯度线圈
• 作用：
• MR只能采集旋转的横向磁化矢量
MR不能检测到纵向磁化矢量，但能检测到旋转的横向磁化矢量
•在任何序列图像上，信号采集时刻旋转横 向的磁化矢量越大，MR信号越强
T2加权成像 （T2WI)
•重
• 不同组织有着不同
– 质子密度 – 横向(T2)弛豫速度 – 纵向(T1)弛豫速度
要 提 示
• 这是 MRI 显示解剖结 构和病变的基础
读后感：
• T2（横向---质子失相位）T1（纵向---高 能质子放出能量成为低能质子），不同 组织有不同的T2，T1值 • 相同组织的T2远小于T1
5、磁共振“加权成像”
纵向弛豫
• 也称为T1弛豫，是指90度脉冲关闭后，在主 磁场的作用下，纵向磁化矢量开始恢复，直 至恢复到平衡状态的过程。
90度 脉冲
纵向弛豫的机理
90度激发 纵向弛豫 低能的质子获能进入高能状态 高能的质子释放能量
高能的质子把能量释放给周围的晶格 （分子）
晶格震动频率高于质子进动频率 能量传递慢－－纯水
高 能 与 低 能 状 态 质 子 的 进 动
•处于低能状态的质子略多于处于高能状态 的质子，因而产生纵向宏观磁化矢量
尽管每个质子的进动产生了纵向和横向磁化矢量，但 由于相位不同，因而只有宏观纵向磁化矢量产生，并 无宏观横向磁化矢量产生
由于相位不同，每个质子的横向磁化分矢量 相抵消，因而并无宏观横向磁化矢量产生
• 脉冲线圈的作用 • 如同无线电波的天线 – 激发人体产生共振（广 播电台的发射天线） – 采集MR信号（收音机 的天线）
•脉冲线圈的分类
•按作用分两类 –激发并采集MRI信号（体线圈） –仅采集MRI信号，激发采用体线 圈进行（绝大多数表面线圈）
接收线圈与MRI图像SNR密切相关
接收线圈离身体越近，所接收到的信号越强 线圈内体积越小，所接收到的噪声越低
• 一般的MRI仪由以下几部分组成
– – – – – 主磁体 梯度线圈 脉冲线圈 计算机系统 其他辅助设备
1、主磁体
分类 磁场强度 磁场均匀度
•MRI按磁场产生方式分类
主 磁 体
永磁
常导
电磁 超导
0.35T 永磁磁体
1.5T 超导磁体
•按磁体的外形可分为
•开放式磁体 •封闭式磁体 •特殊外形磁体
•处于高能状态太费劲，并非人人都能做到
•处于低能状态的略多一点，007
进入主磁场后磁化矢量的影响因素
温度、主磁场强度、质子含量
•温度
•温度升高，磁化率降低
•主磁场场强
•场强越高，磁化率越高，场强几乎与磁化 率成正比
•质子含量
•质子含量越高，与主磁场同向的质子总数 增加（磁化率不变）
处于低能状态的质子到底比处于高能 状态的质子多多少？？？
无线电波激发使磁场偏转90度，关闭无线 电波后，磁场又慢慢回到平衡状态（纵向)
• 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， 这个过程称为核磁弛豫。 • 核磁弛豫又可分解为两个部分： • 横向弛豫 • 纵向弛豫
90度脉冲
横向弛豫
• 也称为T2 弛豫，简 单地说， T2弛豫就 是横向磁 化矢量减 少的过程。
磁共振成像基本原理
刘淼
医学影像科
•MRI基本原理
•非常重要 •难以理解
•非常重要
学习MRI前应该掌握的知识
• • • • 电学 磁学 量子力学 高等数学 • • • • 初中数学 初中物理 加减乘除 平方开方
磁共振成像基本原件构成
进动是核磁（小磁场）与主磁 场相互作用的结果 进动的频率明显低于质子的自 旋频率，但比后者更为重要。
= .B ：进动频率
Larmor 频率
：磁旋比
42.5兆赫 / T
B：主磁场场强
矢量的合成与分解
由于在主磁场中质子进动，每个氢质子均 产生纵向和横向磁化分矢量，那么人体进 入主磁场后到底处于何种核磁状态？
度 脉 冲 继 发 后 产 生 的 宏 观 和 微 观 效 应
90度脉冲激发使质子发生共振，产生最大的旋转 横向磁化矢量，这种旋转的横向磁化矢量切割接 收线圈，MR仪可以检测到。 氢 质 子 多 氢 质 子 少
•非常重要
• 无线电波激发后，人体内宏观磁场偏转了 90度，MRI可以检测到人体发出的信号 • 氢质子含量高的组织纵向磁化矢量大，90 度脉冲后磁化矢量偏转，产生的旋转的宏 观横向矢量越大，MR信号强度越高。 • 此时的MR图像可区分质子密度不同的两 种组织
地磁、磁铁、核磁示意图
原 子 核 自 旋 产 生 核 磁
•非常重要
核磁就是原子核自旋产生的磁场
所有的原子核都可产生核磁吗？
质子为偶数，中子为偶数 不产生核磁
质子为奇数，中子为奇数 质子为奇数，中子为偶数 产生核磁
质子为偶数，中子为奇数
何种原子核用于人体MR成像？
•用于人体MRI的为1H（氢质子），原因有：
• 实质
– 能量传递
体内进动的氢质子怎样才能发生共振呢？
给低能的氢质子能量，氢质子获得能 量进入高能状态，即核磁共振。
怎样才能使低能氢质子获得能量， 产生共振，进入高能状态？
微观效应
磁共振现象是靠射频线圈发射无线电波（射频脉冲）激 发人体内的氢质子来引发的，这种射频脉冲的频率必须 与氢质子进动频率相同，低能的质子获能进入高能状态
OpenMark 3000
•MR按主磁场的场强分类
–MRI图像信噪比与主磁场场强成正比
–低场: 小于0.5T –中场：0.5T－1.0T
–高场: 1.0T－2.0T（1.0T、1.5T、2.0T）
–超高场强：大于2.0T（3.0T、4.7T、7T）
高斯（gauss, G）。 Gauss (1777-1855)
– 空间定位 – 产生信号 – 其他作用
• 梯度线圈性能的 提高 磁共振成 像速度加快 • 没有梯度磁场的 进步就没有快速、 超快速成像技术
梯度、梯度磁场
梯度磁场的产生
Z轴方向梯度磁场的产 生
X、Y、Z轴上梯度磁场的产生
•梯度线圈性能指标
–梯度场强 –切换率 25 / 60mT/m 120 / 200mT/m.ms