磁共振的原理与结构-医学精品
mri原理知识要点概述
mri原理知识要点概述MRI（Magnetic Resonance Imaging）是一种利用核磁共振原理来获取人体内部结构图像的医学诊断技术。
本文将对MRI原理的关键知识点进行概述，包括核磁共振基本原理、磁场配置、信号检测与图像重建等内容。
一、核磁共振基本原理核磁共振是一种基于原子核自旋的物理现象。
在一个外加静态磁场的作用下，人体内的原子核会预cess和回复至稳定状态，产生的能量变化可以被探测到。
核磁共振基本原理主要包括以下几个方面：1. 能级结构：原子核具有自旋，其能级分为基态和激发态。
基态自旋向上（+1/2）的原子核数目略多于自旋向下（-1/2）的原子核数目，达到热平衡状态。
2. Larmor频率：外加静态磁场会影响原子核自旋的能级结构，导致自旋向上和向下的能级出现微细差异，产生Larmor频率。
Larmor频率与静态磁场强度成正比。
3. 共振吸收：通过施加射频脉冲场，可以使部分自旋的原子核发生能级跃迁，并吸收能量。
共振吸收时会出现相位积累，进而产生信号。
4. 脉冲序列：在核磁共振成像过程中，通过调节射频脉冲的频率、幅度和时序，可以实现对特定组织的激发与探测，从而获取图像信息。
二、磁场配置MRI使用强大的磁场来实现对人体组织的成像。
磁场配置是MRI 成像中的重要环节，主要包括以下几个方面：1. 主磁场：主磁场是MRI系统中最重要的磁场，用于产生使原子核进入Larmor预cess状态所需的静态磁场。
主磁场通常由超导磁体创建，其强度以特斯拉（T）为单位，常见的主磁场强度为1.5 T和3 T。
2. 梯度磁场：梯度磁场是MRI中用于定位不同空间位置的磁场。
通过改变梯度磁场的强度和方向，可以为不同的位置产生不同的Larmor频率，从而实现空间编码。
3. 射频线圈：射频线圈用于向特定组织发射射频脉冲，并接收组织发出的信号。
常见的射频线圈包括表面线圈和内腔线圈，根据需求选择不同的线圈。
三、信号检测与图像重建信号检测与图像重建是MRI技术中的核心环节，主要包括以下几个方面：1. 探测信号：通过射频线圈接收到的信号是非稳态的弱信号，需要经过一系列的调控和检测，包括放大、滤波、数字化等过程。
(医学课件)磁共振原理
2023磁共振原理•磁共振基本概念•磁共振成像原理•磁共振在医学中的应用目录•磁共振的优缺点•磁共振安全及防护措施01磁共振基本概念原子核在磁场中发生能级分裂，当受到射频脉冲激励时，原子核产生吸收和释放能量的现象。
核磁共振现象电子在磁场中发生自旋，当受到交变电磁场激励时，电子吸收和释放能量的现象。
电子顺磁共振现象磁共振现象原子核磁矩原子核具有自旋和磁矩，在外加磁场中产生磁偶极矩，使得原子核具有不同的能级。
磁矩的单位磁矩的单位是磁偶极矩单位，表示为核磁矩强度与核自旋数的乘积。
原子核的磁矩磁场的作用磁场使原子核在能级间发生跃迁，从而产生磁共振信号。
射频脉冲的作用射频脉冲使原子核发生跃迁，从而改变原子核的磁矩状态。
磁场和射频脉冲弛豫时间原子核从激发态恢复到平衡态所需的时间。
信号采集通过测量弛豫时间来推断样品中原子核的种类和数量，从而进行成像和分析。
弛豫时间和信号采集02磁共振成像原理坐标变换将物理空间坐标（x、y、z）转换为像素坐标（u、v、w），实现图像的数字化转换。
像素编码每个像素对应于物理空间中的一个体素，利用多个像素来测定相同体素中的不同信号，增加采样密度。
图像空间定位将信号转换为图像，直接利用傅里叶变换进行图像重建。
直接傅里叶变换法通过迭代计算逐步逼近真实图像，利用多种优化算法进行图像重建。
迭代重建法图像重建方法1影响成像质量的因素23信号与噪声的比值，信噪比越高，图像质量越好。
信噪比图像中两个相邻像素之间的最小距离，分辨率越高，图像细节表现越清晰。
分辨率在提高信噪比的同时，会降低分辨率；反之亦然。
需要根据实际应用需求来平衡。
SNR和分辨率的平衡常规磁共振成像利用强磁场和射频脉冲使人体组织产生磁共振信号，检测并重建图像。
磁共振弥散成像利用水分子弥散运动的特性，观察组织中水分子弥散受限程度，对缺血、梗塞等疾病的早期诊断具有重要意义。
磁共振波谱成像利用不同组织中化学物质产生共振的频率差异，检测生物化学成分的变化，对肿瘤、代谢性疾病及脑损伤等的早期诊断具有重要价值。
核磁共振基本原理和结构鉴定
弛豫(relaxtion)—高能态的核以非辐射的方式回到低能态。
饱和(saturated)—低能态的核等于高能态的核。
在NMR中，弛豫过程有两种方式，即 自旋——晶格弛豫和自旋——自旋弛豫。 自旋——晶格弛豫，又称纵向弛豫，用T1表示； 自旋——自旋弛豫，又称横向弛豫，用T2表示。
第二节 核磁共振与化学位移
h
kT
磁场强度2.3488 T；25C；1H的共振频率与分配比：
共振频率
2
B0
2.68 108 2.3488 100.00MHz
2 3.2434 1.38066
100.00 106 1023 298
J J
s s1 K 1 K
0.999984
两能级上核数目差：1.610-5；
布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少；
(3)Ｉ＝1/2的原子核
1H，13C，19F，31P 原子核可看作核电荷均
匀分布的球体，并象陀螺一 样自旋，有磁矩产生，是核 磁共振研究的主要对象， C，H也是有机化合物的主要 组成元素。
磁性核在外磁场中的行为 拉莫尔进动
当置于外加磁场H0中时，相对于外磁场，可以有（2I+1）种 自旋取向：I=1/2的核，两种取向（两个能级）：
p h I(I 1) 2
自旋量子数（I）与质量数（A）、质子数（Z）、中子数（N）有关：
原子核的磁性
=>
核 磁 矩： p h I (I 1)（:磁旋比） 2
质量数 质子数 （A） （Z）
偶数 偶数
中子数 自旋量子数
（N） （I）
偶数
0
核磁性
实例
无
12C,16O,32S
偶数 奇数
奇数
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。
磁共振成像技术的原理和医学应用
磁共振成像技术的原理和医学应用磁共振成像技术（Magnetic Resonance Imaging, MRI）是一种基于原子核磁共振现象的成像技术，已经成为现代医学检查的重要手段之一。
MRI以其非侵入性、高分辨率、多参数成像等特点，在身体不同部位疾病的早期诊断、治疗、研究及评估方面受到广泛关注。
本文将从MRI的原理、分类和医学应用三个方面进行阐述。
一、MRI的原理MRI是一种基于核磁共振现象的成像技术。
在磁场中，原子核因为量子力学效应的作用，会产生自旋，这个自旋具有磁性。
若对物质进行放射激发，则原子核将吸收能量并进入激发状态，待刺激结束后，会产生相移，但方向大小不会改变。
在加磁场的作用下，不同位置的原子核产生不同的共振信号，通过测量这些共振信号，可以得出物质内部的信号强度和空间位置信息。
MRI的成像需要一个高强度静态磁场（通常是1.5T或3.0T）和弱变化的高频交变电场（通常是射频脉冲）。
磁共振信号是由梯度磁场作用下，被激发的原子核沿着空间坐标方向释放的。
梯度磁场的作用是制造空间上的微弱变化，使成像对象内部的原子核可以感受到梯度磁场的方向和大小，从而产生不同位置、不同方向的MRI信号。
二、MRI的分类MRI按成像所需的时间长度可分为快速成像和慢速成像两类。
常用的快速成像技术有短时重复时间（Short Time Repetition，STIR）、体液抑制成像（Fluid Attenuation Inversion Recovery，FLAIR）和弥散加权成像（Diffusion Weighted Imaging，DWI）等。
慢速成像技术有T1加权成像（T1 Weighted Imaging，T1WI）、T2加权成像（T2 Weighted Imaging，T2WI）和常规序列成像等。
MRI按成像方式可分为断层成像和三维成像两类。
断层成像（Slice Imaging）是在一个平面内取得的图像，主要用于观察人体各组织在某个切片上的分布及形态特征。
磁共振成像设备的工作原理
磁共振成像设备的工作原理磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是一种常用于医学诊断的非侵入性扫描技术，它利用磁共振原理，通过对人体组织的磁性物质的成像进行分析，得出病灶位置和病理变化的信息。
下面将详细介绍MRI设备的工作原理。
MRI设备主要由主磁场系统、梯度线圈系统、射频系统和计算机系统组成。
1. 主磁场系统主磁场系统是MRI设备的核心组成部分，它由一个超导磁体构成。
这个超导磁体能产生一个稳定的高强度磁场，通常是1.5T或3T。
这个磁场可以将人体内的水和脂肪等有机分子的原子核（如氢核、氧核等）原子核自旋取向，从而为后续成像提供必要的条件。
2. 梯度线圈系统梯度线圈系统由三个互相垂直的线圈组成，即横向、纵向和轴向梯度线圈。
这些线圈的作用是产生稳定强度和变化频率的梯度磁场，用于在空间上定位图像中不同的区域。
梯度线圈系统的变化频率决定了成像的分辨率，变化强度决定了成像的对比度。
3. 射频系统射频系统由发射线圈和接收线圈组成，它的作用是产生高频电磁场和接收返回的信号。
在成像过程中，射频系统会向人体内部提供一个高频脉冲电磁场，导致人体内的原子核自旋发生能级跃迁。
原子核回到基态时，会发送出一个特定的信号，通过接收线圈接收并传回计算机系统进行处理。
4. 计算机系统计算机系统是MRI设备的控制中心，它负责控制整个设备的运行、数据采集、图像重建和存储。
在成像过程中，计算机会通过梯度线圈和射频线圈产生的信号，对人体内部的原子核进行测量和记录。
然后利用这些数据，通过复杂的数学计算和图像处理算法，生成最终的MRI图像。
具体工作流程如下：1. 开始扫描前，患者需要去除身上的金属物品，因为磁场会对金属产生吸引力和磁化。
2. 患者躺在MRI设备的扫描床上，床会进入主磁场系统中央，电脑通过脚踏开关控制床的位置。
3. 当主磁场系统通电后，会产生一个均匀的磁场。
此时，射频系统会向人体内部发送射频脉冲，使原子核自旋发生能级跃迁。
磁共振成像系统原理和功能结构
磁共振基本原理第一章主要讲述电荷、电流、电磁、磁感应方面的基本概念。
这里将介绍余下章节中将提到的大量的词汇。
你可以快速复习这些概念，但是要注意关键定义和一些重要的概念，因为这些概念有可能在考试中出现。
同时也包括一些对向量和复数关系的解释。
如果你有工程师的背景就请略过这些章节，否则请多花些时间研究2D、3D向量，振幅和相位、矢量和复数方面的知识。
矢量在MRI中有极其重要的作用，因此现在多花些时间学习是值得的。
静电学研究的是静止的电荷，在MRI中几乎没有太大意义。
我们以此作为开场白主要是因为电学和磁学之间有密切的关系。
静电学与静磁场非常相似。
最小的电荷存在于质子(正)和电子(负)中，集中在很小的一团或以量子形式存在。
虽然质子比电子重1840倍，但是他们有同样幅度的电荷。
电荷的单位是库仑，是6.24*1018个电子的总和,这是一个非常大的数量。
一道闪电包含10到50个库仑。
一个电子或质子的电荷为±1.6*10-19库仑。
与一个粒子所拥有的分离的电荷不同，电场是连续的。
关键的概念是相同的电荷相互排斥，不同的电荷相互吸引。
同时，你应该知道电场强度与电荷呈线形变化，和电荷的距离的平方成反比。
换句话说，如果总的电荷数增加，电场的强度也会增加，与电荷的距离越远，电场强度越弱。
将相同的电荷拉近，或将不同的电荷分开都需要能量。
当出现这种情况时，粒子就有做功的势能。
就象拉开或压缩一个弹簧一样。
这种做功的势能叫电动力（emf）。
当一个电荷被移动，并做功时，势能可以转化成动能。
每单位电荷的势能称电势能，它是电荷相对于电场的位置的函数（1/d2）。
电荷位于周边，它尽量要处于一个舒服的位置，但这也不是一件容易做到的事。
它不断地运动、做功。
运动的电荷越多，每个电荷做功越多，总功越大。
运动的电荷叫做电流。
电流的测量单位为安培（A）。
第一个电流图描绘的是电池产生直流电（DC）。
电厂里的发电机产生的是变化的电压，也称为交流电（AC）。
磁共振的原理与结构通用课件
为了获得高质量的图像，需要保持磁场均匀度。
梯度系统
梯度磁场的作用
在磁共振成像过程中，梯度磁场用于定位和空间编码。
梯度磁场的性能参数
包括最大梯度强度、梯度效率和切换速度等。
梯度磁场的噪音
梯度磁场的噪音对受检者和操作员的影响需要考虑。
射频系统
发射系统
用于产生高频磁场和射频脉冲，激发氢原子核 。
磁共振的原理与结构通用课件
目录
CONTENTS
• 磁共振原理 • 磁共振设备结构 • 磁共振成像技术 • 磁共振应用 • 安全与防护
01
CHAPTER
磁共振原理
核自旋与磁矩
核自旋
原子核具有自旋运动，类似于小型的 陀螺。
磁矩
由于原子核的自旋，它们具有磁性， 被称为磁矩。
磁场中的自旋能级分裂
1
在外部磁场的作用下，核自旋的磁矩会取向并产 生能级分裂。
2
能级的分裂大小取决于所施加的磁场强度。
3
不同能级之间存在能量差异，这为磁共振成像提 供了基础。
射频脉冲与自旋激发
为了在磁共振成像中 获得信号，需要使用 射频脉冲来激励自旋 。
当射频脉冲施加时， 低能级的核自旋会被 激发到高能级，产生 能量交换。
射频脉冲具有特定的 频率，与能级之间的 能量差异相匹配。
总结词
利用磁共振技术对分子进行标记和成像 的技术。
详细描述
分子成像技术是磁共振成像中的一种前沿技术，它利 用磁共振技术对分子进行标记和成像。分子成像技术 可以用于研究生物分子结构和功能，以及在药物研发 、基因治疗等领域的应用。分子成像技术有助于深入 了解疾病的发病机制和生物学过程，为疾病的早期诊 断和治疗提供新的思路和方法。
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（六〕核磁共振弛豫
（六〕核磁共振弛豫
RF脉冲停止后，质子很快失去相位一致 性,这是由于原子核之间的相互作用，而没 有能量从原子核向周围晶格中的转移，所以 也成为自旋-自旋弛豫。
（三〕电磁感应现象
•电流通过金属导线可以产生磁场 •金属导线切割磁力线产生电流 •变化磁场强度在金属导线（线圈〕 内可以产生感应电压和感应电流
（四〕射频脉冲
电场和磁场随时间而变化称为电磁辐射。 射频（RF〕脉冲是一种无线电波，也是 电磁波的一种，它的主要作用是扰乱沿 外加磁场方向宁静进动的质子的进动。 只有RF脉冲与自旋质子的进动频率相同 时，才能向质子传递能量。
磁共振成像（MRI〕原理 与磁共振机的结构
邵逸夫医院放射科
朱碧波
一、磁共振成像
磁共振成像： Magnetic Resonance Imaging，MRI 是利用人体内原子核在磁场内与外加射
频磁场发生共振而产生影像的一种成像技术, 它既能显示形态学结构，又能显示原子核水 平上的生化信息及某些器官的功能状况，更 有无辐射的优点，其发展潜力巨大。
磁共振设备中，接收信号用的线圈平面与主 磁场平行，工作频率接近拉莫频率。
当质子磁化矢量只受主磁场作用时，由于自 由进动与主磁场方向一致，所以无法测量。而 当RF脉冲对组织激励又停止后，组织出现了弛 豫过程，横向磁化矢量的变化能使位于被检体 周围的接收线圈产生随时间变化的感应电流， 其大小与横向磁化矢量成正比，将这个电流信 号放大后即为MR信号，它是一个随时间周期性 不断衰减的电流，又因为它是由自由进动感应 产生的，所以叫自由感应衰减。
MRI的成像基础。有如CT时，组织间吸 收系数（CT值）差别是CT成像基础的 道理。但MRI不像CT只有一个参数，即 吸收系数，而是有T1、T2等几个参数。 因 此 ， 获 得 选 定 层 面 中 各 种 组 织 的 T1 （或T2）值，就可获得该层面中包括 各种组织影像的图像。
（七〕自由感应衰减
(二)外磁场对原子核自旋的影响
在一定温度和磁场条件下，自旋质子 就产生了一个沿外磁场方向的宏观磁矩， 这样当原子核围绕自己的轴作自旋运动 时，外加磁场又会产生一个旋力臂作用 于自旋质子的磁矩上，使得质子旋进于 一个锥形的磁矩轴上，称为拉莫进动。
(二)外磁场对原子核自旋的影响
质子进动的速度用 进动频率来衡量，也 就是质子每秒进动的 次数，进动频率与外 加磁场的强度成正比， 场强越高，进动频率 越高。
（七〕自由感应衰减
（八〕MR信号的空间编码
一幅MR影像由垂直方向的象素行和水 平方向的象素列共同组成，同时又对应 着一定层厚的体素组成的一个层面，称 为MR信号的空间位置。
采 集 MR 信 号 空 间 位 置信息的方法称为空 间编码，拉莫方程， 0＝0是空间编码技 术的基础。
（九〕原理总结
此过程中，横向磁化矢量逐步抵消而变小 直至为零。实际中把横向磁化矢量衰减至其 最大值的37%的时间定义为横向弛豫时间， 简称T2 。
T2 与 人 体 组 织 的 固 有 小 磁 场 有 关 , 如 大 分 子比小分子快,结合水比游离水快。
（六〕核磁共振弛豫
（六〕核磁共振弛豫
（六〕核磁共振弛豫
小结： 这种组织间弛豫时间上的差别，是
综上所述，磁共振成像主要包括三 方面的内容： 1、激发产生磁共振现象并测量磁共 振信号的RF脉冲序列； 2、确定信号位置的空间编码； 3、将所测量的磁共振信号及其位置 信息重建成磁共振影像。
二、MRI基本原理
•MRI影像形成的基本原理
(一)、原子核的自旋特性
含单数质子的原子核，例如人体内广泛 存在的氢原子核，其质子有自旋运动，带正 电，产生磁矩，有如一个小磁体。
(一)原子核的自旋特性
在有自旋特性的原子核周围存在的这 个微观磁场是磁偶极子，就是所谓的原 子核的自旋磁矩。
在没有外加磁场时，各个质子由于热 运动而处于杂乱无章的任意排列状态， 磁矩方向各不相同，相互抵消，所以在 宏观上不显磁性。
（六〕核磁共振弛豫
在磁共振领域中，将质子周围的原子统称为 晶格。纵向弛豫就是质子自旋磁矩将能量释放 传递给晶格原子的过程，所以也叫自旋-晶格弛 豫。
RF脉冲停止后，纵向磁化矢量恢复到原来的 数值所需要的时间称为纵向弛豫时间，简称T1, 实际中将纵向磁化矢量从0恢复到最大值的63% 所需的时间定义为T1 时间。
（五〕核磁共振现象
当RF脉冲频率与质子进动频率相同时，质 0＝0
（五〕核磁共振现象
施加RF脉冲后，质子吸收了能量，能级 就会提高，这会产生两方面的效应： 1、质子能级提高，使得纵向磁化矢量 减小，最终为零，称为饱和状态。
（五〕核磁共振现象
(二)外磁场对原子核自旋的影响
当外部施加一个恒定磁场后，则质子 沿外加磁场方向排列，产生净磁化。
1.低能级--自旋方向 与磁场方向一致 2.高能级--自旋方向 与磁场方向相反
(二)外磁场对原子核自旋的影响
在外磁场作用下，低能级的质子数目 要多于高能级的质子，在大量原子分布 的情况下，原子在不同能级上分布的数 目与温度与外磁场强度有关。
2、进动的质子相位一 致，做同步同速运动， 使得在横轴方向上的 磁化矢量得以叠加， 并产生一个新的横向 磁 化 矢 量 ， RF 脉 冲 的 强度越大，持续时间 越长，横向进动偏转 的角度就越大。
（六〕核磁共振弛豫
当质子系统达到饱和状态后，停止RF 磁场后，激励过程结束。随后，吸收能 量跃迁到高能级的质子将释放吸收的能 量，很快回到外加磁场原先排列的平衡 位置，这一过程称为核磁弛豫。 横向磁化矢量逐渐消失，称为横向弛豫 纵向磁化矢量恢复原状，称为纵向弛豫
(二)外磁场对原子核自旋的影响
0＝0
：磁旋比常数 0：外加磁场强度 0:质子进动频率
拉莫（Larmor)频率 原子核的共振频率
(二)外磁场对原子核自旋的影响
由于有无数个质子在 进动，其磁矩在X和Y轴 方向上的分量将相互抵 消，只有沿Z轴方向的 分量叠加起来形成了纵 向磁化矢量，它不能被 直接测量。