医学影像设备学课件：MRI的物理学原理

•人体内有无数个氢质子（每毫升水含氢 质子3×1022）
•每个氢质子都自旋产生核磁现象
•人体象一块大磁铁吗？
矢量的合成与分解
通常情况下人体内氢质子的核磁状态
通常情况下，尽管每个质子自旋均产生一个小的 磁场，但呈随机无序排列，磁化矢量相互抵消，
人体并不表现出宏观磁化矢量。
把人体放进大磁场
2、人体进入主磁体发生了什么？
•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 质子为偶数，中子为奇数
产生核磁
净自旋 • 只有奇数质子或奇数中子数的原
子核产生的自旋磁矩 • 泡利不相容原理：
原子核内成对质子或中子的自旋 相互抵消
MRI （Magnetic Resonance Imaging ）
历史、结构、原理及发展
MRI的物理学原理 MRI Prince
磁共振成像基本原理
•一个放射科工程师对磁共振成像的理解
•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
• 没有外加磁场的情况下，质子自旋 产生核磁，每个氢质子都是一个
“小磁铁”，但由于排列杂乱无章，
磁场相互抵消，人体并不表现出宏
观的磁场，宏观磁化矢量为0。
指南针与地磁、小磁铁与大磁场
组进 织入 质主 子磁 的场 核前 磁后 状人 态体
•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？？？
室温下（300k）
0.2T：1.3 PPM 0.5T：4.1 PPM 1.0T：7.0 PPM 1.5T：9.6 PPM
• 不同的组织由于氢质 子含量的不同，宏观 磁化矢量也不同
• 磁共振不能检测出纵 向磁化矢量
MR能检测到怎样的磁化矢量呢？？？
N S
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
如何才能产生横向宏观磁化矢量？
3.什么叫共振，怎样产生磁共振？
• 共振：能量从一个震动着的物体传递到另一
个物体，而后者以前者相同的频率震动。
• 二是它在自然界含量丰富。氢存于水和脂肪 中，因而在人体中极为丰富，每立方毫米软 组织中含有约1023个Ｈ原子，其所产生的磁 共振信号要比其他原子强1000倍。
• 由于1Ｈ只有一个质子，没有中子，所 以氢核的成像也称质子成像。
• 氢核有两个特性：
– 其一是它含有一个不在核中心的正电 荷；
– 其二是它有角动量或自旋。Pauli理论 ，具有奇数原子质量或奇数原子数的 核均具有角动量及具有特征性的、大 于零的自旋量子数。
共振
• 条件
–频率一致
• 实质
–能量传递
百度文库
核磁共振
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（相当于音锤）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
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：
–1、1H的磁化率很高； –2、1H占人体原子的绝大多数。
•通常所指的MRI为氢质子的MR图像。
• MRI主要是应用于氢核的成像，这是出于：
• 一是Ｈ对其磁共振信号的敏感性高；Ｈ的旋 磁比最高，因此最敏感，即MR信号被测出的 效率，随共振信号频率的增加而改善。
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
•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
：进动频率
Larmor 频率
：磁旋比
42.58兆赫 / T
B：主磁场场强
高
能
与
低
能
状
态
质
子
的
由于在主磁场中质子进动，每个氢质子均产生纵向和横
进
向磁化分矢量，那么人体进入主磁场后到底处于何种核
动
磁状态？
•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
初中数学 初中物理 加减乘除 平方开方
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
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）。
处于低能状态的氢
质子仅略多于处于
高能状态的质子
PPM为百万分之一
在主磁场中质子的磁化矢量方向是绝 对同向平行或逆向平行吗？？？
Precessing (进动 )
自旋和进动
•非常重要
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
自旋（spin)——MRI基础
自旋角动量 I
大小—原子核、 质子、中子数
方向—自旋轴
自旋磁矩
原子核自旋运动I产生的微观磁场
—磁旋比，磁矩与角动量之比
—约化普朗克常数
1.05457261034 J s
地磁、磁铁、核磁示意图
原子核总是绕着自身的轴旋转－－自旋 ( Spin )
原 子 核 自 旋 产 生 核 磁
人体元素 1H 14N 31P 13C 23Na 39K 17O 2H 19F
摩尔浓度 99.0 1.6 0.35 0.1 0.078 0.045 0.031 0.015 0.0066
相对磁化率 1.0 0.083 0.066 0.016 0.093 0.0005 0.029 0.096 0.83