磁学在生物医学中的应用

磁学在生物医学中的应用——核磁共振成像

功能1401班高欣20143264 医用核磁共振成像是科学的一大进步，自从70年代梯度系统发明出来，使得核磁共振技术应用于医疗诊断，已经挽救了无数生命。核磁共振是为大家所熟知的一个名词，然而此前我对这个技术并不了解，通过这次作业我查阅了相关文献，对这门技术也有了一个比较清晰的认识。

一、核磁共振原理

简单来说，强磁场中平行排列的原子核若受到适当频率的电磁波的轰击，原子核吸收电磁波后会发生翻转，这种新的弛豫状态只能产生几分之一秒，之后会重新释放能量，回到原来的状态，原子核释放出的电子波频率与它吸收的频率一致，弛豫时间由化学成分决定，由此可以测定化合物的分子组成。

从微观角度看：由力学中可知，发生共振的条件有二: 一是必须满足频率条件，二是要满足位相条件。

原子核自旋产生一定的微弱磁场和磁矩（自旋的条件：质子数+中子数=奇数，成对质子和中子的自旋会抵消），将自旋的原子核放在一个均匀的静磁场中，受磁场作用，原子核的自旋轴会被强制定向，或与磁场方向相同，或与磁场方向相反。重新定向的过程中，原子核的自旋轴将类似旋转陀螺般的发生进动（拉莫尔进动）。不同类的原子核有不同的进动性质，这种性质就是旋转比，用γ表示。进动的角频率ω一方面同旋转比有关；另一方面同静磁场的磁场强

度B 有关。其关系有拉莫尔（Larmor）公式（ω又称拉莫尔频率）: ω=γ·B 静磁场中的原子核自旋时形成一定的微弱势能。当一个频率也为ω的交变电磁场作用到自旋的原子核时，自旋轴被强制倾倒，并带有较强的势能；当交变电磁场消除后，原子核的自旋轴将向原先的方向进动，并释放其势能。这种现象就是核磁共振现象（换言之，当电磁辐射的圆频率和外磁场满足拉莫尔公式时，原子核就对电磁辐射发生共振吸收），这一过程也称为弛豫过程，释放势能所产生的电压信号就是核磁共振信号．也被称为衰减信号。显然，核磁共振信号是一频率为ω的交变信号，其幅度随进动过程的减小而衰减。

二、核磁共振用于人体检查的过程

氢核是人体成像的首选核种，人体各种组织含有大量的水和碳氢化合物，所以氢核的核磁共振灵活度高，且氢核的磁旋比大，信号强，这是人们首选氢核作为人体成像元素的原因。NMR信号强度与样品中氢核密度有关，人体中各种组织间含水比例不同，即含氢核数的多少不同，则NMR信号强度有差异，利用这种差异作为特征量，把各种组织分开，这就是氢核密度的核磁共振图像。人体不同组织之间、正常组织与该组织中的病变组织之间氢核密度、弛豫时间T1、T2三个参数的差异，是MRI用于临床诊断最主要的物理基础。

将人体置于磁场中，组织被磁化，氢质子磁矩有规律地排列，在主磁场垂直方向施加射频脉冲，当脉冲等于质子进动频率时，质子吸收脉冲，发生质子能态跃迁，产生核磁共振，使组织磁化向量位置移动，围绕主磁场方向的进动角度发生改变，射频脉冲一停止，组织磁化恢复原来的状态，即发生弛豫。释

放的电磁能转化为磁共振信号。磁共振成像时受检脏器里的每一个质子都要经过这种激发和弛豫的过程，弛豫分为纵向弛豫和横向弛豫：

纵向弛豫：人体各种组织因成分不同纵向弛豫时间也不同，例如脂肪分子比水的弛豫快；

横向弛豫：时间比纵向弛豫短的多，对磁场强度不敏感。含水量多的组织中有较长的横向弛豫时间（如炎症，恶心肿瘤等）。

三、信号的收集与处理

关键问题，得到的信号，怎么知道它是哪个位置的？接收线圈接收到从人体质子群发出的磁共振信号是成千上万杂乱无章的信息，这些信号群只有强度和频率信息，没有空间方位信息。

根据磁共振的拉莫尔定律，人体组织在不同的磁场强度下，共振频率不同，可以通过梯度磁场达到定位的目的。

磁共振图像一般512*512像素。需要知道每一个像素的值才能画出一幅断面图像，一个部位可能需要几百个甚至上千个断面图像。确定一个像素在图像的位置，需要知道坐标X,Y。确定断层图像在人体的位置，还需要知道一个Z。

所以首先要确定这个图像所在的层面（坐标Z），然后确定像素它在这层面的位置（坐标X,Y）。此时，我们使用了三个梯度磁场。这三个磁场是线性均匀变化的，虽然相对于主磁场来说很小。通过Z轴梯度磁场的不同，我们可以确定层

面，比如当前层面正好通过眼角。通过XY轴不同，我们就确定层面上的位置。此时就可以知道这个信号具体是哪个位置了。逐个画出就得到想要的图像了。

四、结语

核磁共振对颅脑、脊髓等疾病是目前最有效的影像诊断方法，不仅可以早期发现肿瘤、脑梗塞、脑出血、脑脓肿、脑囊虫症及先天性脑血管畸形，还可以确定某些病症的病因，可见，核磁共振在医疗中起着十分重要的作用。