影像物理学
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• 实质
–能量传递
体内进动的氢质子怎样才能发生共振呢？
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
1.0 0.083 0.066 0.016 0.093 0.0005 0.029 0.096 0.83
•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，
医学影像物理学
-----磁共振物理
• 物理学是研究物质的相互作用及其运动规 律的自然科学。
• 我们研究的对象：原子核中的质子
磁共振的射频信号
• 人类在对光的探索中不断前行，对其应用 也不断发展，现在我们学习的内容就是其 中一部分。磁共振的发展也是日新月异， 学好磁共振技术也非常重要。
• 我们的研究对象-----？人体当中的氢质子
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
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？？？
人体并不表现出宏观磁化矢量。
把人体放进大磁场
ຫໍສະໝຸດ Baidu
2、人体进入主磁体发生了什么？
• 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
1、人体MR成像的物质基础
一、原子核的自旋 在微观世界中，电子、中子、质子等微观粒子除具有 大小、电荷、质量等属性外还有一个固有属性----自旋
右手螺旋判定
质点角动量 自转物体角动量
原子核（质子）绕着自身的轴旋转－－自旋
( Spin )
自旋与核磁
•原子核总是不停地按一定频率绕着自身的
轴发生自旋 ( Spin )
观
使质子处于同相位，质子的微观横向磁化矢量相加，产生 效
宏观横向磁化矢量
应
90度脉冲激发使质子发生共振，产生最大的旋转 横向磁化矢量，这种旋转的横向磁化矢量切割接 收线圈，MR仪可以检测到。
氢 质 子 多
氢 质 子 少
•非常重要
• 无线电波激发后，人体内宏观磁场偏转了 90度，MRI可以检测到人体发出的信号
• 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。
共振
• 条件
–频率一致
射频脉冲激发后的效应是使宏观磁化矢量发生偏转 射频脉冲的强度和持续时间决定射频脉冲激发后的效应
低能量
宏观效应
中等能量
高能量
二、磁共振的宏观表现
90脉冲
二、磁共振的宏观表现 180脉冲
90
度
脉
冲
继
发
后
产
生
的
宏
观
低能的超出部分的氢质子有一半获得能量进入高能状态， 和
高能和低能质子数相等，纵向磁化矢量相互抵消而等于零 微
Precessing (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
：进动频率
Larmor 频率
：磁旋比
42.5兆赫 / 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 产生纵向和横向磁化分矢量，那么人体进
能级状态不同
•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）
• 氢质子含量高的组织纵向磁化矢量大，90 度脉冲后磁化矢量偏转，产生的旋转的宏 观横向矢量越大，MR信号强度越高。
• 此时的MR图像可区分质子密度不同的两 种组织
•非常重要
•检测到的仅仅是不同组织氢质 子含量的差别，对于临床诊断来 说是远远不够的。
进 动
入主磁场后到底处于何种核磁状态？
•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
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
•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）。
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
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：
•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
• 不同的组织由于氢质 子含量的不同，宏观 磁化矢量也不同
–1、1H的磁化率很高；（很容易被磁化） –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。
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
–能量传递
体内进动的氢质子怎样才能发生共振呢？
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
1.0 0.083 0.066 0.016 0.093 0.0005 0.029 0.096 0.83
•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，
医学影像物理学
-----磁共振物理
• 物理学是研究物质的相互作用及其运动规 律的自然科学。
• 我们研究的对象：原子核中的质子
磁共振的射频信号
• 人类在对光的探索中不断前行，对其应用 也不断发展，现在我们学习的内容就是其 中一部分。磁共振的发展也是日新月异， 学好磁共振技术也非常重要。
• 我们的研究对象-----？人体当中的氢质子
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
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？？？
人体并不表现出宏观磁化矢量。
把人体放进大磁场
ຫໍສະໝຸດ Baidu
2、人体进入主磁体发生了什么？
• 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
1、人体MR成像的物质基础
一、原子核的自旋 在微观世界中，电子、中子、质子等微观粒子除具有 大小、电荷、质量等属性外还有一个固有属性----自旋
右手螺旋判定
质点角动量 自转物体角动量
原子核（质子）绕着自身的轴旋转－－自旋
( Spin )
自旋与核磁
•原子核总是不停地按一定频率绕着自身的
轴发生自旋 ( Spin )
观
使质子处于同相位，质子的微观横向磁化矢量相加，产生 效
宏观横向磁化矢量
应
90度脉冲激发使质子发生共振，产生最大的旋转 横向磁化矢量，这种旋转的横向磁化矢量切割接 收线圈，MR仪可以检测到。
氢 质 子 多
氢 质 子 少
•非常重要
• 无线电波激发后，人体内宏观磁场偏转了 90度，MRI可以检测到人体发出的信号
• 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。
共振
• 条件
–频率一致
射频脉冲激发后的效应是使宏观磁化矢量发生偏转 射频脉冲的强度和持续时间决定射频脉冲激发后的效应
低能量
宏观效应
中等能量
高能量
二、磁共振的宏观表现
90脉冲
二、磁共振的宏观表现 180脉冲
90
度
脉
冲
继
发
后
产
生
的
宏
观
低能的超出部分的氢质子有一半获得能量进入高能状态， 和
高能和低能质子数相等，纵向磁化矢量相互抵消而等于零 微
Precessing (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
：进动频率
Larmor 频率
：磁旋比
42.5兆赫 / 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 产生纵向和横向磁化分矢量，那么人体进
能级状态不同
•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）
• 氢质子含量高的组织纵向磁化矢量大，90 度脉冲后磁化矢量偏转，产生的旋转的宏 观横向矢量越大，MR信号强度越高。
• 此时的MR图像可区分质子密度不同的两 种组织
•非常重要
•检测到的仅仅是不同组织氢质 子含量的差别，对于临床诊断来 说是远远不够的。
进 动
入主磁场后到底处于何种核磁状态？
•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
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
•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）。
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
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：
•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
• 不同的组织由于氢质 子含量的不同，宏观 磁化矢量也不同
–1、1H的磁化率很高；（很容易被磁化） –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。
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