核磁共振成像原理
磁共振成像原理
磁共振成像原理磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是一种非侵入性的医学影像技术，能够提供人体内部高分辨率的图像，并利用不同组织对磁场的响应来获取详细的解剖和功能信息。
本文将介绍磁共振成像的原理和应用。
一、基本原理磁共振成像技术基于核磁共振现象，通过对人体内核自旋的激发和检测，构建出图像。
核磁共振现象是指在外加静磁场和射频场的作用下，原子核自旋状态发生变化。
1.1 磁矩预cession原子核具有一个磁矩，当置于外加静磁场中时，磁矩会进入磁场方向的低能态，即平行于外加磁场。
在平时状态下，磁矩呈现随机分布；然而，当外加射频场作用于系统时，磁矩会被扰动，进入一个高能态。
1.2 回到基态外加射频场撤去后，磁矩会重新回到基态，并释放出能量。
基于这个原理，MRI可以测量出放松时间，进而揭示组织的特性。
二、基本步骤2.1 建立静磁场在MRI扫描过程中，首先需要建立一个强大且稳定的静磁场，通常使用超导磁体产生静磁场。
静磁场方向对应MRI图像的头脚方向。
2.2 射频脉冲激发通过放置射频线圈产生的射频脉冲，对患者体内原子核进行激发。
射频线圈能够产生一个变化的射频场，使核磁矩从基态激发到高能态。
2.3 信号接收当射频场停止后，核磁矩会回到基态，并释放出能量。
这种能量的释放会产生一个弱的电磁信号，由接收线圈感应并转化为电信号。
2.4 信号处理与图像重建经过放大和滤波等处理，电信号被转化为数字信号并进行处理。
最后，通过数学算法重建出高分辨率的MRI图像。
三、优点和应用3.1 优点3.1.1 非侵入性与传统的X射线成像相比，MRI无需使用任何放射线，对人体无害。
3.1.2 高对比度MRI图像能够提供不同组织之间的高分辨率对比度，对于疾病的早期诊断和定量评估有很大帮助。
3.1.3 多参数测量除了提供解剖结构信息外，MRI还可以提供多种参数的测量，如T1和T2弛豫时间、扩散张量成像等，这些参数可用于脑功能活动的研究和疾病的定量评估。
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。
核磁共振成像技术原理
核磁共振成像（MRI，磁共振影像）是一种利用原子核在外磁场中的行为来生成高分辨率影像的医学成像技术。
以下是核磁共振成像技术的基本原理：
1. 核磁共振基础：
-原子核中的带电粒子，例如氢原子核（质子），具有自旋。
当这些原子核置于外部磁场中时，它们会产生磁矩，即一个磁场。
在医学成像中，常用的是质子的核磁共振。
2. 激发：
-当磁共振体（通常是人体组织中的水分子）置于强大的外部磁场中时，核磁矩会在外部磁场的作用下产生预cession运动，这是一种旋转运动。
通过应用额外的无线电频率（射频脉冲）来激发这些核磁共振体，使其离开平衡态。
3. 驰豫：
-一旦停止射频激发，核磁矩将重新恢复到平衡态。
这个过程称为核磁共振驰豫。
在这个过程中，核磁矩会释放出能量，产生一个旋转磁场。
4. 信号检测：
-放射出的能量产生的旋转磁场可以被检测。
在MRI中，探测器
会测量这个信号并传递给计算机。
5. 空间编码：
-为了获得空间信息，外加一组梯度磁场。
这些梯度场使得不同位置的核磁体经历不同的共振频率。
通过测量这些频率差异，可以获取关于空间位置的信息。
6. 图像重建：
-计算机将从探测器接收到的信号转换为二维或三维图像。
这涉及到使用数学算法对信号进行处理和图像重建。
总体而言，核磁共振成像技术利用核磁共振现象，通过对核磁体的激发、驰豫和信号检测，结合梯度磁场和计算机处理，实现对人体组织的高分辨率成像。
MRI对软组织有很好的分辨率，而且不涉及使用放射线。
核磁共振工作原理和成像过程
核磁共振工作原理和成像过程
核磁共振（NMR）是一种基于原子核在外加磁场作用下产生共振
现象的物理现象，它在医学影像学和化学分析等领域有着广泛的应用。
下面我将从工作原理和成像过程两个方面来详细解释。
首先是核磁共振的工作原理。
核磁共振利用原子核在外加静磁
场和射频脉冲作用下的共振吸收现象来获取样品的结构和成分信息。
当一个样品置于外加静磁场中时，样品中的原子核会产生磁偶极矩，并且这些原子核会在外加射频脉冲作用下发生共振吸收。
在共振吸
收时，原子核会吸收射频能量并发生磁共振，然后再释放出能量。
通过测量原子核吸收和释放能量的频率和强度，可以得到样品的结
构和成分信息。
其次是核磁共振的成像过程。
核磁共振成像（MRI）是一种利用
核磁共振原理来获取人体组织结构和功能信息的医学影像技术。
在MRI成像过程中，首先需要将患者放置在强大的静磁场中，然后通
过向患者施加梯度磁场和射频脉冲来激发原子核共振。
激发后，原
子核会释放出能量，接收线圈会捕获这些能量信号，并将其转换成
图像。
通过对这些信号进行处理，可以得到人体组织的高分辨率影像，从而实现对人体内部结构的非侵入式观测。
总的来说，核磁共振的工作原理是基于原子核在外加磁场和射频脉冲作用下的共振吸收现象，而核磁共振成像则是利用核磁共振原理来获取人体组织结构和功能信息的医学影像技术。
这种成像技术在临床诊断和科学研究中具有重要的应用价值。
核磁共振 成像原理
核磁共振成像原理
核磁共振成像（MRI）是一种医学影像技术，它利用人体组织中的原子核在外加磁场和射频场的作用下产生共振现象并进行成像。
核磁共振成像的原理主要涉及到以下几个方面：
1. 磁共振现象，在外加静磁场作用下，人体组织中的原子核会产生磁偶极矩，当施加射频脉冲时，原子核会吸收能量并进入激发态，随后释放能量回到基态。
这个过程中，原子核会发出特定频率的信号，即共振信号。
2. 空间编码，核磁共振成像利用梯度磁场对不同位置的原子核产生不同的共振频率，从而实现对空间位置的编码。
通过在不同方向施加梯度磁场，可以确定原子核共振信号的空间位置。
3. 信号检测，利用接收线圈来接收原子核产生的共振信号，并将信号转换成图像。
综合以上几点，核磁共振成像的原理可以简单概括为，利用外加静磁场和射频场使人体组织中的原子核产生共振现象，通过空间编码和信号检测实现对人体组织的成像。
这种成像技术能够提供高
对比度、高分辨率的解剖结构图像，对于诊断疾病和观察人体内部结构具有重要意义。
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（MRI）是一种常用的医学成像技术，它基于原子核的磁性行为来生成图像。
本文将浅析核磁共振成像的原理，并介绍它在医学领域中的应用。
核磁共振成像原理核磁共振成像的原理是基于原子核的自旋特性和磁矩的行为。
当一个物体被置于强磁场中时，其原子核会被激发并产生一个旋转磁矩。
该磁矩会与外部磁场相互作用，并在一定频率下发出信号。
为了获取图像，需要在被测物体周围施加一系列梯度磁场。
这些梯度磁场会导致原子核发出信号的频率与位置相关。
通过测量这些信号的强度和频率，可以重建出被测物体的图像。
核磁共振成像的应用核磁共振成像在医学领域中有着广泛的应用，特别是在诊断和研究方面。
以下是一些常见的应用：1.诊断疾病核磁共振成像可以提供高分辨率的图像，帮助医生准确诊断各种疾病。
例如，MRI可以用于检测脑部肿瘤、心脏病变、骨骼损伤等。
与传统的X射线成像相比，MRI不会产生辐射，因此更安全可靠。
2.研究器官结构和功能核磁共振成像还可以用于研究器官的结构和功能。
通过对不同脑区的MRI扫描，科学家可以了解大脑中不同区域的功能特点。
这对于研究神经系统疾病如阿尔茨海默病、帕金森病等非常重要。
3.观察生理和代谢过程利用核磁共振成像中的特殊技术，如功能性磁共振成像和磁共振波谱学，可以观察和测量人体内部的生理和代谢过程。
这对于了解疾病发展机制和治疗效果评估具有重要意义。
4.导航和手术引导核磁共振成像可用于导航和手术引导。
通过在手术前进行MRI扫描，医生可以在手术期间准确定位病变区域，避免对正常组织的损伤。
核磁共振成像是一种重要的医学成像技术，它利用原子核的磁性行为生成高分辨率的图像。
通过对信号的测量和处理，能够获得物体的结构和功能信息。
在医学领域中，核磁共振成像被广泛应用于诊断、研究和手术引导等方面。
未来，随着技术的不断进步，核磁共振成像将在医学领域发挥更重要的作用。
磁共振成像原理
磁共振成像原理磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是一种利用核磁共振现象获取人体内部组织结构和功能信息的医学成像技术。
它通过利用强磁场、射频脉冲以及梯度线圈的作用，产生影响生物体内原子核的局部磁场，并探测其信号来生成图像。
下面将详细介绍磁共振成像的原理。
一、原子核的核磁共振现象核磁共振现象是指当原子核处于强磁场中时，其核自旋会与外界磁场发生共振，进而产生一种特殊的电磁辐射现象。
核磁共振现象的产生基于原子核自旋角动量与外部磁场相互作用的量子力学效应。
在强磁场中，原子核自旋的辐射频率与外部磁场强度成正比。
当外部射频脉冲的频率与原子核自旋的共振频率相同时，原子核将吸收能量并处于激发态，随后通过释放能量回到基态。
这种吸收和释放能量的过程被称为共振现象，也是磁共振成像的基础。
二、强磁场的建立磁共振成像使用强磁场来激发和探测被成像物体内部原子核的信号。
强磁场的建立是磁共振成像的第一步。
在MRI设备中，使用超导磁体来产生一个稳定而均匀的强静态磁场。
超导磁体内部通入液氦使其冷却到超导状态，从而消除了电阻，使得磁场可以持续很长时间。
这样的超导磁体可以产生高达1.5特斯拉至3特斯拉的强磁场。
稳定的强磁场将所有原子核的自旋定向在同一个方向，并使其具有较大的自旋角动量，为之后的成像提供了条件。
三、射频脉冲的应用在磁共振成像中，射频脉冲用于激发原子核自旋，以实现信号的产生和增强。
使用射频线圈产生与特定谐振频率相匹配的射频脉冲，将其传输到成像区域。
当脉冲的频率与原子核自旋的共振频率相同时，能量被吸收，原子核进入激发态。
此时，通过改变射频脉冲的参数，比如脉冲强度和脉冲宽度，可以控制原子核的激发程度。
四、梯度线圈的作用梯度线圈在磁共振成像中起到了定位和空间编码的作用。
梯度线圈是位于主磁场中的一组线圈，产生额外的磁场，其方向和强度可以根据需要进行调节。
梯度线圈通过在不同时间点产生不同强度的磁场，使得成像区域内的原子核处于不同的共振频率状态。
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。
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核+磁
它们仅在平行或反平行于 外磁场两个方向上排列
107+7 : 107 平行 反平行
能级分布
不同能级上分布的核数目可由Boltzmann 定律计算：
Ni Nj
exp
Ei E xp
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
氢核
核
65 % H2O
磁
• 发电； • 带动马达； • 磁带、录像带； • 磁盘； • 音响； • MRI的核心。
磁场的大小
• 单位：Tesla (T)； • 1T=10000Gs • 地球磁场的大小：0.00005T； • 冰箱表面的磁场，保持你最喜爱的手指
画不掉的大小约为 0.1T； • MRI中常用到的主磁场为0.1T到1.5T，并
1
软脉冲
弱而宽，频带窄，选择性激励； 带宽由脉宽决定（反比关系）； τ 不可调，因此通过调整输出功率进行调节角度；
软脉冲主瓣的宽度一 半的倒数对应着其频 谱宽度
2
如果此时去掉RF脉冲，质子将会恢复到原来状态，当然 恢复有一个时间过程，这个过程就叫弛豫过程。
弛豫Relaxation：松弛、舒张、放松
纵向弛豫时间T1
T1与静磁场的强度大小有关，一般静磁场 强度越大， T1就大
T1长短取决于组织进行能量传递的有效性。
一般大分子
（如生物蛋白）和小分子（如水）由于共振频率与拉莫尔频率 差别较大，对能量传递有效性差，因此T1较长。上图中白线表 示的脑脊液的t1为3秒。
中等分子
（如脂肪）的共振频率接近于拉莫尔频率，能量传递越有效， 因此T1较短。上图中红线代表的脑白质的t1为0.9秒
正常情况下，质子处于杂乱无章的排列状态 净磁矩为0
核子群
质子群系统置入静磁场中,净磁 矩不为0，朝着磁场方向
核+磁
B0
MZ
两个能级上的质子并非禁 止排列，而是飞速运动
核+磁 进动(Precession)
质子在静磁场中以进动方式运动
这种运动类似于陀螺的运动
质
陀
子
螺
进
运
动
动
拉莫进动
静磁场中磁化矢量进动
在临床用上，以氢质子为主，主要是因其含量最多，共振能力 也最强，其他常用的核有13C,19F，23Na及31P
哪些原子核可以产生NMR信号？
质量数（a） 原子序数（Z）自旋量子（I） 例子
奇数 偶数
奇或偶 偶数
1 , 3 , 5 222
0
I
1 2
,1H1
,
13C6 ,19F9 ,15N7
I
3 2
经典电磁学观点—Bloch 核感应现象
对放入静磁场 的质子群施加 一射频脉冲将 会出现什么现 象呢？
如果在 X 方向添加一个静磁场B1，会出
现什么现象？
Z
回顾
M
平行磁场分量无效果
垂直磁场分量绕磁场旋转
B1
Y
X
如果在 X 方向添加一个静磁场B1，会出
现什么现象？
Z
M
B1
Y
X
如果磁场B1随进动同速度一起旋转，站 在磁场B1的角度看，相当于进动停止。
,11B5
,
35Cl17
,
I
5 2
,17O8
12C6
,16O8
,
S 32 16
偶数
奇数
1，2，3„„
I 1,2H1,14N7 , I 3,10B5
核 磁 矩： g I (I 1)
核磁子=eh/2M c；I为自旋量子数
1 H 2.79270
13C 0.70216
自旋量子数不为零的核都具有磁矩
的T2值要比固体的T2值长。
一般组织分子的大小均匀性越好（如水），散 相效果越差，则T2越长；上图中红线白线代表的 脑脊液其T2为2秒；
组织分子的大小越不均匀（如肌肉），散相越 快，则T2越短；上图中白线代表的脑白质其t2为 0.1秒；
几种常见组织在不同场强下的T1，T2及质子密度值
T1 组织
0.2T 1.0T 1.5T
横 向 弛 豫 过 程
a、射频结束瞬间，横向磁化达到最大,进动相位一致 b、c、内部小磁场的不均匀性使得进动相位分散，横向磁化 矢量逐渐减小 d 、最终相位完全分散，横向磁化矢量为零
弛豫
纵向弛豫（自旋-晶格弛豫）过程的本质是自旋原子核 把从射频脉冲吸收的能量通过与周围晶格的作用传递 给周围物质，实现自身能量释放，而从高能级返回至 低能级。
T2
质子密度 (%)
脂肪 240
---
---
60
9.6
白质 390 620 718
76
10.6
灰质 490 810 998
91
10.6
脑脊液 1400 2500 3000 140 10.8
肌肉 370 730 860
50
9.3
补充说明3点
•组织的弛豫时间是组织的一种固有属性，与组织 的密度类似，在场强和环境确定后其时间是一个 确定不变的值；
23Na 3/2
11.26
100 80mM 1×10-3
31P 1/2
17.23
100 10mM 4×10-5
39K 3/2
1.99
93.1 45mM 1×10-4
核 1.核磁共振信号的产生 质子自旋产生磁场? =
N
核
65 % H2O
自旋的原子核
=
N
S 自旋核的磁效应
磁共振成像常用原子核有：
临床磁共振成像通常选择：
第二章 核磁共振成像原理
一、核磁共振现象
• 1）核磁共振信号的产生 • 2）经典电磁学解释核磁共振
二、核磁共振图像
•1）信号的空间定位 •2）图像的重建
三、核磁共振成像脉冲序列
•1) 基本成像序列 •2) 序列参数对图像权重的影响
1
原子的结构
电子
质子
原子核
中子
原子的表示
注：原子序数= 质子数= 核外电子数=核电荷数 质量数A= 质子数Z + 中子数N
思考：会出现什么现象？ Z M
B1
Y
X
讨论： 如何能够得到旋转的B1？
r
在X或Y方向(垂直主 磁场方向)上，施加和
进动频率相等的电磁 波RF pulse（射频脉 冲）。
射频脉冲激励下M0的运动
90度射频脉冲的作用：使磁化矢量以射频场为轴做进动； 以进动的角度定义射频脉冲，如90度脉冲、180度脉冲、α 脉冲等；
磁共振信号为什么是指数衰减的、正弦变化的？
横向弛豫（自旋-自旋弛豫）过程的本质是质子进动相 位的一致性逐渐散相（即逐渐失去相位一致性）的过 程，其散相的有效程度与质子所处的周围分子结构的 均匀性有关。
弛豫时间T
纵向恢复时间T1是由于被激发的反平行于静磁场的 质子恢复到平行状态，所以纵向磁化增大。弛豫快慢遵 循指数递增规律，把从0增大到最大值的63%的所需时 间称定义为纵向驰豫时间(T1)。
1 T2
B0
2
主磁场均匀性越低，T2*越短，弛豫越快，FID信号的拖尾越短
核 磁 共 振 信 号 的 检 测
磁共振信号为什么是指数衰减的、正弦变化的？
宏观磁化弛豫轨迹 自由感应衰减信号
MR信号检测示意图
V(t) M0 sin cos(0t)et /T2*
原始幅值正比于横向磁化矢量的大小，即正 比于翻转前瞬时的纵向磁化矢量； 振荡频率与磁化矢量切割线圈的频率，即与 拉莫尔频率相同； 衰减包络线遵循以样品的T2*时间为指数的 衰减规律。
各种MR核的对比
spin
r /2π 自然產 體內含 相對靈敏
(MHz/T) 率(%) 量
度
1H 1/2
42.58 99.98 100M
1
13C 1/2
10.71 1.108 10mM 3×10-3
14N
1
3.08
99.63 10mM 2×10-7
19F 1/2
40.05
100 10mM 9×10-5
横向恢复时间T2是由于相位同步质子的又开始 变得不同步,所以横向磁化减小。弛豫快慢遵循指数 递减规律，把从最大下降到最大值的37%的时间定义 为横向弛豫时间(T2)。
组织T2时间的分析
T2的长短取决于组织内部的局部小磁场 的均匀性对小磁化散相的有效性。
T2与磁场强度无关。 不同成分和结构的组织T2不同，例如水
正是由于有了看似很微弱的排列方式差 别才有了核磁共振这门新科学，才有了今天 利用核磁共振来为人类谋福利，也才有了核 磁共振成像这一医学科学领域内最有生命力 的科学技术
如果把病人置于磁体中，人体 也会感应出磁化矢量，通过该 矢量就可以对组织进行分析， 但是该磁化矢量方向与外磁场 一致，我们不可能测量出其值， 我们需要获取一个不沿外磁场 方向的磁化矢量。
磁矩 平行磁场分量无效果 垂直磁场分量绕磁场旋转
核
拉莫尔方程
拉莫尔频率
旋磁比
磁场强度
进动频率(Precession Frequency)
拉莫尔方程
0 B0
其中 ω0 ：进动的频率 （Hz或MHz） B0 ：外磁场强度(单位T，特斯拉)。 γ ：旋磁比；质子的为 42.58MHz / T。
当具有磁矩的原子核存在于磁场中时， 有两件事情同时发生 （1）、拉莫尔进动 （2）、能级分裂
90° pulse, 180° pulse
“90° pulse”
“180° pulse”
硬脉冲
强而窄；频带宽；
非选择性激励；
脉宽决定了激励频带 范围，脉宽越窄，带 宽越宽；