核磁共振、原子跃迁与医学成像
核磁共振成像原理浅析
核磁共振成像原理浅析一、引言核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，简称MRI）是一种利用核磁共振原理进行医学影像学检查的技术。
它通过高强度的磁场和射频脉冲激发体内的氢原子等核磁共振活性原子，分析其在不同环境中的响应，进而获取解剖结构和生理功能信息。
MRI因其无创、无辐射、成像清晰等优点，在现代医学中得到了广泛应用。
二、核磁共振基础核磁共振的基础在于原子核的自旋特性和外部磁场的相互作用。
以下是核磁共振的一些基本概念：1. 自旋和磁矩许多原子核自身具有自旋（spin），这是一种量子力学性质，可以想象为原子核围绕其轴自转。
自旋引起了原子核产生一个内在的磁矩（magnetic moment），使得原子核如同一个小磁铁。
当放置于外部磁场中时，这些自旋会发生排列，并且可以通过特定的能量来改变其取向。
2. 外部磁场当一个物体被放置在强大的外部静磁场中时，物体内的自旋将会受到影响。
这个现象可以用洛伦兹力（Lorentz force）来描述。
在静磁场作用下，自旋会倾向于沿着外部磁场方向排列，同时形成一定的能量状态差异。
3. 射频脉冲激发一旦处于稳态，自旋处于低能态，此时如果施加一个频率匹配、但能量高于环境能级的射频脉冲，部分自旋会吸收能量，从低能态跃迁至高能态。
这种能级跃迁会产生超声波信号，即为后续成像提供了信息基础。
4. 磁共振信号获取当射频脉冲停止后，自旋将逐渐返回到低能态，这个过程被称作弛豫（relaxation）。
在弛豫过程中，自旋释放的能量被探测器接收，形成了可供分析的信号。
三、MRI成像过程MRI成像主要经过以下几个步骤：1. 磁场均匀化在成像中，需要生成均匀的静磁场，这通常由超导磁体提供。
静磁场的强度一般在1.5特斯拉到3.0特斯拉之间。
2. 射频脉冲的施加使用射频线圈发射特定频率的脉冲，以激发体内氢核进行跃迁。
这个脉冲一般持续几百微秒至几毫秒，获得一定的信息数据。
3. 信号采集与转换当生成的信号经由接收线圈捕获后，会以数字形式输入计算机进行处理。
医学领域的磁共振成像革命_2003年诺贝尔生理及医学奖主要工作介绍
·2003 年诺贝尔奖介绍·医学领域的磁共振成像革命———2003 年诺贝尔生理及医学奖主要工作介绍王 波 钟 凯 3(中 国 科 学 院 研 究 生 院认知科学重点实验室 , 北京 100101)中国科学院生物物理研究所摘要 在磁场中 , 自旋的原子核会吸收频率与其自旋频率相同的电磁波 , 使自身能量增加 , 发生能级跃迁 , 当 原子核迁移回原能级时 , 就会把多余的能量以电磁波的形式释放出来 , 称为核磁共振 ( NMR ) . 磁共振成像 (MRI ) 利用这一原理 , 依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减 , 通过外加梯度磁场检测所发 射出的电磁波 , 即可得知构成这一物体原子核的位置和种类 , 据此可以绘制成物体内部的结构图像. 将这种技 术用于人体内部结构的成像 , 就产生出一种革命性的医学诊断工具. 快速变化的梯度磁场的应用 , 大大加快了 磁共振成像的速度 , 使该技术在临床诊断 、科学研究的应用成为现实 , 极大地推动了医学 、神经生理学和认知 神经科学的迅速发展.关键词 磁共振成像 , 核磁共振 , 梯度磁场 , 平面回波扫描 学科分类号 Q6233对于医学诊断 、治疗和康复而言 , 找到对人体 内部器官更准确 、更安全的成像方法 , 总是一个充 满诱惑力的巨大挑战. X 光和 CT 的出现 , 曾分别 带来了医疗诊断史上的革命 , 而磁共振成像则将医 学成像技术推上了新的高峰 , 成为当今医学诊断最 强有力的工具 (图 1) .Fig 11 Finger tapping function scan ( Beijing MRI Centre for Bra i n Research)图 1 手指运动功能扫描 ( 北京磁共振脑成像中心)2003 年的诺贝尔生理和医学奖即表彰了利用磁共振技术实现不同组织结构成像的革命性的发 现 , 得 主 是 美 国 科 学 家 保 罗 ·劳 特 布 尔 (P. C. Lauterbur ) 和英国科学家彼得·曼斯菲尔德( P. Mansfield ) .原子核在强静磁场中以一定的频率自旋 , 其自 旋频率取决于静磁场强度的大小. 原子核能够吸收 和其共振频率相同的电磁波 (共振) , 形成能级跃 迁. 当处于高能级的原子核恢复至原较低能级时 , 便发射出相应的电磁波 , 称为核磁共振现象. 这一 发现获得了 1952 年的诺贝尔物理学奖. 此后十余 年 , 核磁共振被主要应用于探索物质的化学结构. 在 20 世纪 70 年代初 , 保罗·劳特布尔和彼得·曼斯 菲尔德在磁共振成像领域取得突破性进展 , 为磁共 振成像成功应用于医学成像奠定了基础.劳特布尔 1929 年生于美国俄亥俄州小城悉尼 , 1951 年获凯斯理工学院理学士 , 1962 年获费城匹兹堡大学化学博士. 1963 年至 1984 年间 , 劳特布 尔作为化学和放射学系教授执教于纽约州立大学石 溪分校. 1985 年至今 , 他担任美国伊利诺伊大学 生物医学核磁共振实验室主任. 20 世纪 70 年代3通讯联系人.Tel : 0102648884622106 , E 2ma il:*****************收稿日期 : 2003211212 , 接受日期 : 2003211219初 , 劳特布尔发现在主磁场内附加一个不均匀的磁 场 , 即引进梯度磁场 , 可以逐点改变核磁共振电磁 波频率 , 通过对发射出的电磁波的分析 , 可以确定 其信号来源[ 1 ] . 这使得重建一幅物质内部结构的 二维图像成为可能.曼斯菲尔德 1933 年出生于英国伦敦 , 1959 年 获伦敦大学玛丽女王学院理学士 , 1962 年获伦敦 大学物理学博士学位 , 1962 年到 1964 年担任美国 伊利诺伊大学物理系助理研究员 , 1964 年在英国 诺丁汉大学物理系任讲师 , 现为该大学物理系教 授. 曼斯菲尔德进一步发展了有关在稳定磁场中使 用附加的梯度磁场理论 , 推动了其实际应用. 他发 现磁共振信号的数学分析方法 , 为该方法从理论走 向应用奠定了基础. 这使得 10 年后磁共振成像成为临床诊断的一种现实可行的方法. 曼斯菲尔德还 提出 了 极 快 速 的 EPI ( 平 面 回 波 扫 描) 成 像 技 术[ 2 ] , 成为 20 世纪 90 年代开始蓬勃兴起的功能磁 共振成像 (f MRI ) 研究的主要手段.1 相关物理原理111 核磁共振原子由原子核和绕核运动的电子组成. 核又分 为不带电的中子和带有正电核的质子. 电子 、中子 和质子都是微观粒子 , 有着自旋 ( spin ) 的特性. 自旋是粒子或原子核具有磁矩的原因. 原子核在其 自旋过程中 , 形成一微小环形电流 , 在核的周围感 生出 磁 场 , 因 此 , 自 旋 核 必 然 伴 有 核 磁 矩 μ (图 2) [ 3 ,4 ] .Fig 12 Spin in the statistic magnetic f ield ( Credit : K a i 2Hsiang Chuang)图 2 静磁场中的自旋核子 ( 原作者 : 庄凯翔)μ = γ h 2π= k I ( I + 1)(1) 人体 2/ 3 的重量为水分 , 如此高的比例正是磁 共振成像技术能被广泛应用于医学诊断的基础. 人 自旋核的基态能级在外加静磁场 B 0 中会发生 塞曼分裂 ( Zeeman effect ) , 形成塞曼能级(图 3) .Fig 13 Z eeman effect图 3 塞曼分裂ΔE = γk B 0 = 1g β B 0 (2) 2 N NE 1 = - 1g β B 0(211)2 N N E 2 = 1g N βN B 0(212)2 112 氢原子核体内器官和组织中的水分并不相同 , 很多疾病的病 理过程会导致水分形态的变化 , 即可由磁共振图像 反应出来.水分子由两个氢原子和一个氧原子组成. 氢原 子核就像一枚极其微小的磁针 , 在人体处于一个强 静磁场中时 , 便顺着磁场方向整齐地排列. 当施加 一射频脉冲信号时 , 氢核能态发生变化 , 射频过后 , 氢核返回初始能态 , 共振产生的电磁波便发射出来.原子核振动的微小差别可以被精确地检测到 , 经过进一步的计算机处理 , 即可能获得反应组织化 学结构组成的三维图像 , 从中我们可以获得包括组 织中水分差异以及水分子运动的信息. 这样 , 病理 变化就能被记录下来.113 有关的重要发现原子核的共振现象取决于静磁场强度和射频信 号频率的简单关系. 对于每一种具有不成对质子/ 中子的原子核 , 都有一个特征的常数确定波长为静I ( I + 1)磁场强度的函数.在静磁场 B 0 中, 核磁矩μ以定角θ作拉莫进动, 能量恒定, 系统处于稳定状态; 若在 B 0 的垂直平面内施加一个以ω角速度旋转的磁场B 1 ( B 1 ν B 0) , 产生xoy 平面上的净磁化矢量M 0 , 使μ的能量发生变化, 产生NMR 现象(图4) . 对于原子核来说, 其共振频率是由原子核的特性和静磁场强度共同决定的, 如拉莫尔方程所示[ 3 ,4 ] .ω = ω0 = γB0 (3)Fig14 NMR ( Credit : K a i2Hsiang Chuang)图4 NMR现象( 原作者: 庄凯翔)这一结果在1946 年被美国科学家费利克斯·布洛赫( F. Bloch ) 和爱德华· 珀塞尔( E. M. Purcell) 首先发现于质子(最小的核子) , 他们因此获得了1952 年的诺贝尔物理学奖.近年又有两项诺贝尔化学奖表彰了磁共振领域其他一些基础性的工作成果. 1991 年, 瑞士科学家理查德·厄恩斯特因其在高分辨核磁共振波谱学方法论发展中的重要贡献, 获得该年度诺贝尔奖; 2002 年, 瑞士科学家库尔特·维特里希, 因他进一步发展了利用核磁共振波谱探测溶液中生物大分子三维结构的方法而获得该年度诺贝尔奖.2 劳特布尔和曼斯菲尔德的贡献劳特布尔和曼斯菲尔德的主要贡献, 是成功地将磁共振技术应用到医学成像领域. 在20 世纪70 年代初期, 他们发表了关于物质内部结构成像技术的重要发现. 这一成果奠定了磁共振技术发展成为实用的医学成像方法的基础.劳特布尔发现了磁共振应用的另一种可能性, 即通过在磁场中加入(磁力)梯度而创造二维图像, 而当时用其他方式建立的图像是不可视的. 1973 年, 劳特布尔描述了他怎样把梯度磁体添加到主磁体中, 然后能看到沉浸在重水中的装有普通水试管的交叉截面[ 1 ] . 除此之外没有其他成像技术可以在普通水与重水之间区分图像.曼斯菲尔德进一步开拓了磁场梯度的应用, 利用磁场中的梯度更为精确地显示出共振中的差异[ 2 ] . 他找到了如何有效而迅速地分析探测到的信号, 并且把它们转化成图像的方法. 曼斯菲尔德的研究是这种技术转化成应用成果的关键一步. 他同时证明, 通过极其快速的梯度变化可以获得转瞬即逝的图像, 这在今天被称为平面回波扫描( EPI) . 以下简要介绍他们的主要发现.211 梯度磁场根据拉莫方程, 改变静磁场B 0 可以改变共振频率. 如果使扫描平面上每一点都具有不同的磁场强度, 被扫描物质不同部分受激发的原子核, 将在不同频率下共振. 20 世纪70 年代, 这种思想首先由劳特布尔和曼斯菲尔德同时独立提出: 在静磁场B 0 中附加一个变化的小磁场ΔB , 产生线性变化的叠加磁场, 可以编码受激原子核的空间信息, 即进行空间定位[ 3 ,4 ] .21111 梯度磁场的作用及产生: 梯度磁场(图5) ΔB 是随着时间t 的推移, 成比例上升或下降的变化的向量场, 并且只有在扫描周期才出现. 为了得到任意层面的空间信息, MRI 系统在x 、y 、z 三个方向使用同样的G x 、G y 、G z 三个互相垂直的梯度磁场, 分别由三个正交的梯度线圈产生.Fig 15 T he gradients in the magnetic f ield( Credit : J. P. Hornak)图 5 梯度磁场 ( 原作者 : J. P. Hornak)扫描过程中 , 梯度到达预定值后 , 需持续一段时间 ( t 1～ t 2) 才开始下降. ΔB max 为梯度场的预 定值 ; t 1～ t 0 为梯度上升 (预备) 时间 ; t 1～ t 2 为持续时间 ; t 3 后开始一个新的梯度场周期 (图 6) . 此过程的函数表达为 :21112 组合层析成像法 : 劳特布尔在利用 NMR 进行纯物质的波谱分析获得巨大成就之后 , 就致力于进行选择性激发的方法研究. 他假设 , 若在置有 样品的强静磁场上叠加一可控的弱梯度磁场 , 同一 频率的成像层就能被隔离 , 此时检测到的信号便可用来成像. 实验需要解决的问题是 : a 1 选择激发 的 NMR 信号应能产生一个成像区域 , 即它应集中 于一个层面内 ; b 1 这些信号要有足够大的幅度以 通过傅里叶变换得到空间图像 ; c 1 主磁体应有一 定的磁场均匀性以保证成像的质量. 1973 年 , 劳 特布尔采用 3 个线性梯度磁场 G x 、 G y 、 G z 来选 择性地激发样品 , 使之得到所需的成像层面. 这 3 个梯度场就是上文介绍的梯度磁场.劳特布尔以两根直径为 1 mm 的充水毛细管为 实验对象 , 放置于一个装有重水 (D 2O ) 的 、直径 为 412 mm 的玻璃试管中 , 加入对应氢核共振频率 为 700 Hz/ cm 的梯度磁场 , 逐点诱发核磁共振信 号 , 然后对这些一维投影值进行组合 , 最终获得一 幅二维的核磁共振图像. 这一成像方法被称为组合(6)层析成像法 (zeugmatography , 又译共轭成像法) .值得注意的是 , 采用线性变化的梯度磁场后 , 实验 样品在实验中无须被旋转 , 从而避免了成像过程中 的机械转动 , 对于医学应用来说 , 无疑是个实用方 便的创举.ΔB max为梯度场的斜率 , 同 t 1 - t 0梯度上升时间同样是梯度系统的重要指标. 在ΔB max 一定的情况下 , 上升时间越短 , 系统的性能 就越优.Fig 16 T he time curse of gradients( Credit : J. P. Hornak)图 6 梯度磁场强度的时间曲线( 原作者 : J. P. Hornak)Gx、G y 、 G z 三个梯度的性能完全相同 , 均可作为选层梯度 、频率编码梯度和相位编码梯度 , 取决于扫描层面所在的位置 (矢状位 、冠状位或横轴 位) .212 EPI1977 年 , 曼斯菲尔德与同事在一次自旋回波实验中 , 使数据采集的速度达到了毫秒的量级 , 并 于第二年提出 EPI 技术. EPI 通常可以在 30ms 之 内采集完一幅完整的图像 , 能使运动器官 “冻结” 而清晰成像 , 可时实准确地显示心脏等的动态图 像 , 几乎对所有的临床应用都是最有前途的方法. 此 外 , 在 脑 功 能 成 像 ( f unctional MRI ) 、弥 散 (diffusion ) 成像以及灌注 (perfusion ) 成像等方面 都有重要的应用 , 是 MRI 技术的重大进步.EPI 技术[ 3 ,4 ] : EPI 利用在采样读出方向连续 施加梯度场的方法产生多个梯度回波 , 信号被直接 填入 K 空间 ( K 2space , 数据空间) . 所需的回波数 与 K 空间的傅里叶线数相同. 在典型的 EPI 序列 中 , 读出梯度是一种正弦振动的梯度 , 另一组脉冲 作用于相位编码梯度 , 对所得信号进行相位编码. 采样使用非线性方法 , 对读出梯度幅度的变化进行 校正. 每个梯度回波均被分别进行编码 , 使得 64 ～128 条相位编码线可在 30～100 ms 内收集 , 即 可在如此短的时间内完成一幅图像的采集. EPI 序列以及多重回波 EPI 原理示意图见下 ( 图 7 , 图 8) : 其中 R F 为射频脉冲 , G s , G Φ , G f 分别代表 选层 、相位编码以及信号读出三个梯度磁场 , S 即 为信号读出.Fig 17 E PI sequence ( Credit : J. P. Hornak)图 7 多回波 E PI 序列 ( 原作者 : J. P. Hornak)Fig 18 E PI RF and readout ( Credit : J. P. Hornak)图 8 E PI 原理图示 ( 原作者 : J. P. Hornak)1985 年 , 曼斯菲尔德在伦敦召开的医学磁共 振杂志年会上关于 EP I 成像技术的展示 , 以事实说明 EPI 成像不仅在心血管的运动方面 , 而且在 血流的显示等方面均有潜在的应用价值 , 在儿科的 心脏学研究上尤其有意义. 这一研究对于 EPI 技 术的发展产生了重要影响.3 临床和科学意义311 医学领域中的迅速发展磁共振成像技术在医学领域中的发展十分迅 速. 卫生领域中的第一台 MRI 设备是 20 世纪 80 年代初研发出来的. 到了 2002 年 , 全球已经大约 有 212 万台 MRI 照相机在使用 , 每年完成 6000 多 万例 MRI 检查.MRI 的最大优点是它是目前少有的对人体没 有任何伤害的安全 、快速 、准确的临床诊断方法.与 1901 年获得诺贝尔物理学奖的普通 X 光线或 1979 年获得诺贝尔医学奖的计算机 X 线断层照相 术 (CT ) 相比 , MRI 的主要优点之一是无伤害性. 当然 , 由于强磁场的原因 , MRI 对诸如体内 有磁金属或起搏器的特殊病人却不能适用.MRI 的另一主要优点是其灵活性和无可比拟 的成像质量. 由于它有大量参数可以灵活调配 , 可 以针对具体病症 、部位选择最佳成像方式. 而其图 像质量通常远胜于其他任何技术.以下试举几例说明 MRI 的应用价值.31111 对于大脑和脊髓诊断的特殊价值 : 今天 MRI 已用于检查几乎所有的人体器官. 它的特殊价值在于提供大脑和骨髓清晰的图像 , 以帮助对这 些部位疾病的确诊. 几乎所有大脑疾病都导致大脑 水含量的变化 , 这就可能在 MRI 图像中表现出来. 在多重硬化症中 , 使用 MRI 检查十分有利于 诊断和跟踪治疗. 大脑和脊髓的局部炎症会导致多 重硬化症的病灶反应 , 利用 MRI 即可对神经系统 的炎症部位进行定位 , 以确定炎症强度和治疗 效果.另一个例子是长期下肢疼痛 , 导致病患极大的 痛苦 , 以及昂贵的社会医疗支出. 区分是肌肉痛还 是神经或脊髓压迫痛十分重要. 利用 M RI 就可准 确判断是否是神经受到压迫 , 是否立即需要手术.31112 重要的外科手术前工具 : M RI 还是外科手 术的重要工具. 由于 M RI 可以产生清晰的三维图像 , 便可以用来查清受损部位的位置 , 这样的信息在手术前弥足珍贵. M RI 图像清晰得足以让电极 置入中枢大脑神经核 , 以治疗剧烈疼痛和帕金森氏 疾病的运动障碍.31113 肿瘤诊断的进步 : M RI 检查对于肿瘤的诊 断 、治疗和康复监控至关重要. 其图像可以精确地 揭示肿瘤的范围 , 由此指导更为精确的手术和放射 治疗. 在手术前知道肿瘤是否浸润周围组织也相当 重要. M RI 比其他方式能够更精确地判断组织之 间的界线 , 因此能改进手术质量.MRI 还可以确定肿瘤的时期 , 这对于选择正 确的治疗方案十分重要. 举例来说 , MRI 可以确 定肿瘤是否浸润周围组织 , 浸润多深 , 近局部的淋 巴结是否受到影响.31114 病患痛苦的减轻 : MRI 还可以替代以前的 侵入性检查 , 因而能减轻许多病人的痛苦. 一个突出的例子是 , 注射对比物用内窥镜检查胰腺和胆 道 , 会在不同程度上导致严重的并发症. 而今天情 况就大不同了 , 用 MRI 就可以获得相关的准确信 息. 同样 , MRI 也可以替代关节镜检查 , 后者是 用光学仪器插入关节中诊断. 用 MRI 可以获得关节软骨和十字韧带的清晰图像, 由于没有侵入性仪器的介入, 感染的危险也随之消失.312 MRI 应用于脑功能研究重要前沿领域.参考文献在这两位科学家成果的基础上, 1991 年, S. Ogawa等用基于血氧水平(BOLD) 的原理第一次用MRI 成功获得了人脑初级视皮层的神经功能活动信号, 使MRI 成为探索大脑功能的一种快速、准确的成像工具. 从此, M RI被进一步广泛应用到心理学、认知科学、神经科学等各个领域. 目前, 功能磁共振(f M RI) 的研究同磁共振的医学临床诊断和研究一起, 已经成为当代科学研究中的1Laut erbur P C. Image f ormation by induced local interactions : Examples employing NMR. Nature , 1973 , 242 : 1902Mansf ield P , Grannell P K. NMR‘dif fraction’in solids ? J PhysC : Solid State Phys , 1973 , 6 : L4223 赵喜平. 磁共振成像系统的原理及其应用. 北京: 科学出版社, 2000 . 1～632Zhao X P. Principle , Equipment and Applications of MagneticResonance Imaging. Beijing : Science Press , 2000 . 1～6324 Hornak J P. The Basics of MRI. New York : Rochester Instituteof Technology Press , 1998 . 1～319Revolution of MRI in Medicine :The Introduction of The 2003 Nobel Prize in Physiology or MedicineWAN G Bo , ZHON G Kai 3( Key L aboratory of Cog nitive Science , Grad uate School an d Ins tit ut e of Biophysics , Th e Chinese A cad emy of Sciences , B eijin g 100101 , China)Abstract Atomic nuclei in a st rong magnetic field rotate at a f requency that is dependent on the st rength of the magnetic field. Their energy can be increased if they absorb radio waves with the same f requency (resonance) . When the atomic nuclei return to their previous energy level , radio waves are emitted , called nuclei magnetic resonance (NMR) . Based on this principle , knowing that the energy released attenuates at different rate in different materials , images of internal st ructures of an object can be acquired using magnetic resonance imaging (MRI) by applying a gradient and detecting radio wave signals which reveal the positions and kinds of certain nuclei constituting the object . The attempts of utilizing this technique on human by P. Lauterbur and P. Mansfield have led to a revolutionary tool for medical diagnose. Extremely rapid imaging could be achieved by very st rong and fast gradients , which helped realizing MRI in medical imaging and research , and promoted the development of medicine , neurophysiology as well as cognitive neuroscience remarkably.Key words magnetic resonance imaging , nuclei magnetic resonance , gradients , EPI3 Corresponding author. Tel : 862102648884622106 , E2ma il:*****************Received : November 12 , 2003 Accepted : Novermber 19 , 2003。
临床医学核医学成像医学影像技术
临床医学核医学成像医学影像技术xx年xx月xx日CATALOGUE 目录•临床医学核医学成像技术总览•核医学成像技术基础•临床核医学成像技术细分领域•核医学成像技术在临床实践中的案例分析•展望未来：核医学成像技术的临床应用前景与挑战01临床医学核医学成像技术总览核医学成像技术是一种利用核素示踪技术和现代医学影像设备，对机体组织结构和功能进行显像的技术。
核医学成像技术定义具有灵敏度高、特异性好、可进行功能显像等优势，为临床医学诊断提供了重要手段。
核医学成像技术特点核医学成像技术的定义与特点1核医学成像技术在临床医学中的应用23利用核医学成像技术检测肿瘤标志物、肿瘤细胞代谢等，有助于早期发现肿瘤并判断其恶性程度。
肿瘤诊断通过核医学成像技术评估心脏功能、检测冠心病、心肌梗死等疾病，具有较高的诊断价值。
心血管疾病如骨龄测定、甲状腺疾病、肾功能评估等，为临床医生提供可靠的诊断依据。
其他领域发展趋势随着科技的不断进步，核医学成像技术将朝着更高效、更安全、更便捷的方向发展。
挑战核医学成像技术仍面临一些挑战，如设备成本高、操作复杂、对工作人员要求高等。
此外，放射性污染和辐射防护问题也需要得到更好的关注和处理。
核医学成像技术的发展趋势与挑战02核医学成像技术基础同位素衰变同位素发射出粒子和射线，这些粒子和射线被探测器捕获并形成图像。
核磁共振利用强磁场和射频脉冲使原子核自旋能级跃迁，检测产生的信号并形成图像。
核医学成像的基本原理通过探测放射性同位素发出的γ射线，形成平面图像。
γ相机利用γ相机进行三维成像，可观察放射性示踪剂在体内的分布情况。
SPECT利用正电子发射示踪剂，通过探测器进行三维成像，可观察生物分子代谢和功能情况。
PET 核医学成像的常用设备与仪器核医学成像的常用示踪剂与药物18F-FDG葡萄糖类似物，用于PET成像，观察肿瘤、神经系统病变等。
11C-choline用于观察前列腺癌、肺癌等恶性肿瘤的病变情况。
核磁共振成像原理浅析
核磁共振成像原理浅析核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是一种非侵入性的医学成像技术，通过利用核磁共振现象来获取人体内部组织的高分辨率图像。
本文将对核磁共振成像的原理进行浅析，包括核磁共振现象、信号获取和图像重建等方面。
1. 核磁共振现象核磁共振现象是指在外加静磁场和射频脉冲作用下，原子核会发生能级跃迁并释放能量。
具体来说，当原子核处于外加静磁场中时，其自旋会沿着静磁场方向取向。
当外加射频脉冲与原子核的共振频率相匹配时，原子核会吸收能量并发生能级跃迁。
当射频脉冲停止后，原子核会重新释放吸收的能量，并产生一个特定的信号。
2. 信号获取在核磁共振成像中，首先需要建立一个强大且稳定的静磁场。
这个静磁场可以使得人体内的原子核自旋取向，并保持稳定。
然后，通过发送射频脉冲来激发原子核的共振，使其吸收能量并发生能级跃迁。
接下来，通过接收原子核释放的信号来获取图像信息。
信号获取的过程可以分为两个步骤：激发和接收。
在激发阶段，通过发送射频脉冲来激发原子核的共振。
在接收阶段，通过接收原子核释放的信号来获取图像信息。
这些信号经过放大、滤波等处理后，被转换成数字信号，并送入计算机进行进一步处理。
3. 图像重建图像重建是核磁共振成像中的关键步骤，它将接收到的信号转化为人体内部组织的图像。
图像重建的过程可以分为两个步骤：空间编码和图像生成。
在空间编码阶段，通过应用梯度磁场来对信号进行空间编码。
梯度磁场可以使得不同位置的原子核具有不同的共振频率，从而实现对空间位置的编码。
通过改变梯度磁场的强度和方向，可以对不同位置的原子核进行编码。
在图像生成阶段，利用空间编码的信息来重建图像。
通过对接收到的信号进行傅里叶变换，可以得到频域上的图像信息。
然后，通过逆傅里叶变换将频域图像转换为空域图像，从而得到最终的核磁共振成像图像。
4. 应用领域核磁共振成像在医学领域有着广泛的应用。
它可以提供高分辨率、无辐射的人体内部组织图像，对于诊断和治疗疾病具有重要意义。
磁共振现象
对图像进行定量和定性分析，提取有关样品的信息，如化学 位移、耦合常数等。
实验安全注意事项
磁场安全
确保磁场强度在安全范围内，避免对生物体造成 影响。
射频安全
合理控制射频场的功率和暴露时间，避免对实验 人员和样品造成热损伤。
样品安全
确保样品无毒、无害，避免对实验人员和环境造 成危害。
THANKS
3
射频脉冲的强度和持续时间可以调节，以控制原 子核的激发程度。
信号的接收与处理
01
当射频脉冲停止后，原子核会释放能量并回到低能 级状态。
02
释放的能量以电磁信号的形式被接收器捕捉，经过 处理后形成磁共振图像。
03
信号的处理包括信号放大、滤波、数字化等步骤， 以提取有用的信息。
磁共振图像的形成
通过将多个像素点的信号进行处 理，可以得到一幅磁共振图像。
谢谢
射频脉冲安全性
射频脉冲在人体组织中产生热效应， 需要控制热效应在安全范围内，避免 对组织造成损伤。
新技术发展与展望
人工智能辅助诊断
利用人工智能技术对磁共振图像进行自动分 析和诊断，提高诊断准确性和效率。
高磁场强度
高磁场强度可以提高图像分辨率和信噪比，是未来 磁共振成像的重要发展方向。
功能成像
功能成像技术可以提供更多关于人体生理和 病理过程的信息，有助于疾病的早期诊断和 治疗评估。
02
CHAPTER
磁共振原理
原子核的磁矩
01
原子核具有磁矩，即自旋角动量和磁矩。
02
原子核磁矩在外磁场中的取向不同，具有不同的能级。
当外界磁场变化时，原子核磁矩会受到能量变化的激发，产生
03
பைடு நூலகம்
核磁共振技术在生物医学和生命科学中的应用
核磁共振技术在生物医学和生命科学中的应用核磁共振技术（NMR），是一种利用核物质特征能级间的跃迁产生共振信号的技术。
它可以非常清晰地显示分子之间的三维结构，是生物医学和生命科学研究中必不可少的重要手段之一。
下面，我们将详细讲述核磁共振技术在这些领域中的具体应用。
1. 体内成像核磁共振成像（MRI）是一种无创的体内成像手段，其原理是通过利用高强度的磁场和特定的无线电波，来获取人体内部的高分辨率图像。
MRI不仅可以对人体内部的组织和器官进行精确的诊断，还可以显示人体内分子级别的信息。
例如，MRI可以用于检测脑部疾病，如脑肿瘤、脑出血等。
它可以显示脑部血管和白质结构，并可以检测脑损伤的深度。
此外，MRI还可以用于检测肝脏疾病和心脏病等其他疾病。
2. 蛋白质结构研究蛋白质是细胞中最重要的分子之一，其结构可以决定其功能和相互作用。
利用核磁共振技术可以结合X-射线晶体学成像来研究蛋白质结构。
这能够帮助人们更好地理解蛋白质的功能并为新药物的研发提供基础信息。
例如，核磁共振和X-射线晶体学成像可以用于研究HIV抑制剂和抗癌药物的分子细节。
研究表明，这种技术也可以用于断裂DNA修复酶的结构研究和信号转导的研究。
3. 分子动力学模拟分子动力学模拟是研究分子运动和相互作用的计算方法，通常使用NMR来确定分子的结构。
它可以模拟分子的运动和相互作用，使物理学的常规理论可以应用于生命科学领域中的问题。
例如，分子动力学模拟可以用于研究DNA复制和DNA切割酶的结构。
它还可以用于研究药物与蛋白质之间的相互作用，从而提高药物的开发效率。
4. 代谢组学代谢组学是对生物体内代谢产物的综合分析，通常使用NMR 技术来检测和量化代谢产物。
通过分析代谢产物的种类和数量，可以对生物体内的代谢状态进行综合评估，并进一步了解疾病的发生和发展。
例如，代谢组学可以用于检测脂肪肝和糖尿病，并评估心血管疾病的风险。
此外，代谢组学还可以用于监测癌症病人的治疗进展。
核磁共振成像原理浅析
核磁共振成像原理浅析核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）是一种无创的医学成像技术，通过利用核磁共振原理，能够在不损害组织结构的前提下，得到高分辨率的内部组织图像。
它在各类医学影像学检查中发挥着关键作用，包括脑部、脊柱、关节以及内脏器官的成像。
本文将对核磁共振成像的基本原理、设备构成、成像过程等进行详细分析。
核磁共振的基本原理核磁共振的物理基础是原子核内的自旋特性和外部磁场的相互作用。
多种具有自旋的原子核（如氢-1、碳-13等）在外部静态磁场中会产生不同程度的能级分裂。
氢原子核由于其丰度高（人体内约有70%是水分，水分中的氢原子数量极多），成为了MRI成像中的主要靶标。
自旋与能级分裂在外部磁场B0的作用下，自旋具有的能量状态可被描述为基态与激发态。
处于较低能级的氢原子核在加入射频脉冲（RF）的能量后，会跃迁到较高的能级。
当外部射频信号停止后，氢原子核会返回到基态，并在此过程中释放出能量，这一现象就是所谓的弛豫过程。
弛豫时间弛豫过程包括T1（纵向弛豫时间）和T2（横向弛豫时间）两个方面。
T1代表吸收能量后氢原子核回到基态所需要的时间，它反映了组织中氢质子的恢复速度，与组织的性质密切相关。
而T2则代表氢质子之间相互作用导致信号衰减所需的时间。
不同类型组织对这两种弛豫时间具有不同特征，使得MRI成像能够有效区分不同组织。
MRI设备构成MRI设备主要由以下几个部分组成：主机、梯度线圈、射频线圈和计算机工作站。
主机主机是MRI设备心脏部分，通常由高性能超导磁体构成，提供稳定且强大的静态磁场（B0）。
磁场强度单位是特斯拉（T），目前商业设备主要以1.5T和3.0T为主，更高强度的磁场用于某些特定医学研究。
梯度线圈梯度线圈位于主机内部，责任为在主静态磁场上叠加变化的梯度磁场。
这一组合使得不同位置上的氢质子能够响应不同频率的射频脉冲，从而实现空间编码。
通过精确控制梯度线圈，在投影过程中可以获得不同层面及截面的图像信息。
磁共振成像原理简介
磁共振成像原理简介磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging ，MRI ）是利用原子核在磁场内共振所产生信号经重建成像的一种技术。
在诞生之初被称为核磁共振，但为了避免与核医学成像技术相混淆，并且为了突出这项技术不会产生电离辐射的优点，因此将“核磁共振成像”简称为磁共振成像。
核磁共振是自旋的原子核在磁场中与电磁波相互作用的一种物理现象。
我们知道，原子由原子核和绕核运动的电子组成，其中，原子核由质子和中子组成。
电子带负电，质子带正电，中子不带电。
根据泡里不相容原理，原子核内成对的质子或中子的自旋相互抵消，因此只有质子数和中子数不成对时，质子在旋转中产生角动量，磁共振就是利用这个角动量来实现激发、信号采集和成像的。
用于人体磁共振成像的原子核为氢原子核（1H ），主要原因如下：1、1H 是人体中最多的原子核，约占人体中总原子核数的2/3以上。
2、1H 的磁化率在人体磁性原子核中是最高的。
质子以一定频率绕轴高速旋转，称为自旋。
自旋是MRI 的基础。
自旋产生环路电流，形成一个小磁场叫做磁矩。
在无外磁场情况下，人体中的质子自旋产生的小磁场是杂乱无章的，每个质子产生的磁化矢量相互抵消，因此，人体在自然状态下并无磁性，即没有宏观磁化矢量的产生。
进入主磁场后，人体中的质子产生的小磁场不在杂乱无章，呈有规律排列。
一种是与主磁场平行且方向相同，另一种与主磁场平行但方向相反，处于平行同向的质子略多于平行反向的质子。
从量子物理学角度，平行同向的质子处于低能级，因此受主磁场的束缚，其磁化矢量的方向与主磁场的方向一致；而平行反向的质子处于高能级，因此能够对抗主磁场的作用，其磁化矢量方向与主磁场相反。
由于低能级质子略多于高能级质子，因此在进入主磁场后，人体产生了一个与主磁场方向一致的宏观纵向磁化矢量。
进入主磁场后，无论是处于高能级还是处于低能级的质子，其磁化矢量并非完全与主磁场方向平行，而总是与主磁场有一定的角度。