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）。

在通常情况下，电子在电流中的运动并不是没有阻力的。它们遇到各种类型的阻力。电路中阻碍电流流动的特点叫做阻抗。共有三种类型的阻抗，即电阻、电感、电容。如果电流的做功产生热量，阻抗就叫电阻；如果能量能产生磁场，阻抗即电感；如果能形成电场即电容。这三种阻抗在MRI中均有不同的作用，后面的章节将详细讨论。电流在电路中流动会做功，在单位时间内电流的总做功量称为功率。

磁学是物质的基本特性，就象电荷与质量一样。物质的磁性特点很大一部分是由电子的结构和运动决定的。非磁性的物质有非常小的排列方向紊乱的、结构紊乱的磁区，它们相互抵消。永磁体有大量的几乎排列方向一致磁区。排列越一致，磁场越强。

*备注：现在被称为土耳其的国家曾经认为天然磁体有磁性是很神秘的。几千年前，土耳其被称为Magnesia，这就是磁性这一词的由来。

当一种物质放在磁场中变的有磁性的程度被称为磁敏感性。真空的磁敏感性定义为0。如内

磁场与外磁场的方向一致，我们称之为正的磁敏感性，这种物质可以聚拢磁力线。如果内磁场的方向与外磁场的方向相反，这种物质具有负的磁力线，它会排斥外磁力线或方向与之方向相反，降低局部磁场。组织边缘磁敏感性的不同是MRI伪影的常见原因。（第11章）。

磁敏感性：Mi／BØ

内磁场与外磁场的比值

广义来说，所有物质的磁敏感性可以分为三大类：轻微的负性、轻微的正性、明显的正性（没有明显的负性）。反磁性物质无论放在任何磁场，都与之方向相反。碳和氢都是反磁性物质，而氧分子具有轻度的顺磁性。因此水和大多数器官的分子都是轻度的反磁性的，大约在-10-4到-10-6大小。钆的超顺磁性是其作为最常见的MRI造影剂的基础。一种物质的磁性特点由其电子决定。另一方面，MRI（NMR）就是利用原子核的顺磁性特点。

电荷具有最小、最确切的单位，或为正或为负。磁学没有最小单位。每一个小磁区都表示为南北双极。（任何一个发现独立磁极的人都会获得诺贝尔奖）。磁场的北极定义为磁力线的起点，磁场的南极为磁力线的回归处。与电荷相似，同种磁极相互排斥，不同磁极相互吸引。

如果电线中有电流流动，将电线弯曲成环状，每一段电线产生的磁场在环的内部相加导致磁场明显增加。越接近环的中心部，磁场的增加越慢，环的外部，磁场的外部场强降低迅速。将电线环绕多次，在环的内部，每一个环的场强都会叠加，这就是电磁场的成因。另外一种理解内部、外部长期的方法是：画一个曲线，使其两端相互接近，形成一个环，环的内部相互接近，环的外部相互分离。

在正常情况下，一个单一的电线环没有电流流动，就象没有电流的电灯泡。就象运动的电场产生磁场，运动的磁场也产生电场。电场的定义为单位电荷的电场。如果电荷运动形成闭和电路，就会有电流形成，此时就象通电的灯泡。运动的磁场可以在电线中诱导出电流。电流也会产生自己的非常微弱的磁场。这种诱导出的磁场的方向与最初运动的磁场方向相反。如果不是这样，诱导的磁场会与诱导的电流相加，使诱导磁场强度增加，就会增加…

这里将介绍Faraday定律数学公式。关键概念包括1）变化的磁场可以诱导电场。2）负值表示no free lunch效应。诱导的势能使产生磁场的电场与原先变化的磁场方向相反。你也可以将它看成惯量，本质上不希望有变化。

电磁辐射（电波、光、紫外线等）可以发生在任何有震动的磁场或震动的电场的区域。震动的磁场可以诱导出震动的电场，电场的方向与磁场的方向成90度，一般是90度的失相位。也就是说，最大的电场出现于磁场变化最快时其振幅经过0时。与只相似，当电场的振幅经过0点时，变化的电场诱导的磁场最大。磁场和电场继续以直角来回震动，这种震动的电磁场在和电场及磁场垂直的方向上以光速传播。

现在我们要讨论矢量这一概念。矢量用于描述⑴运动，⑵力量，⑶场（单位电荷、质量、极向的大小）矢量具有方向（角度）和幅度（大小）。有许多描述方向的方法，一种方法是采用方向角度和幅度的极性坐标，另一种方法是采用矩形（或称为Cartesian）坐标将矢量分为两个或三个相互垂直的矢量。例如，一量沿着偏离东方127度（偏离北方37度）方向的列车