MR基础知识

根据电磁效应，带电粒子旋转产生磁场 质子带正电荷，自旋时能产生磁场 中子呈电中性，但内部电荷分布不均，自旋时 也能产生磁场 由于原子核内粒子自旋的随机性，当有偶数质 子及中子数时，因相互抵销，原子核不表现有 净自旋磁矩 只有奇数质子和/或奇数中子时，原子核才可有 净自旋磁矩 磁矩＝磁旋比*角动量 磁共振成像使用氢原子核，即氢质子
磁共振的条件


必须有外加能量源，即射频脉冲 射频脉冲频率须和质子Larmor频率一致

射频磁场对自旋系统的作用称激发或激 励

为什么需要相同频率呢？

相同频率的脉冲可看作旋转磁场，相对 自旋质子是静止的，使质子除了绕B0进 动还绕B1进动，从而诱导MZ转向MXY
磁共振的量子基础




自旋质子中的部分低能态者吸收相同频率射 频脉冲的能量，而跃迁为高能态的过程 众多自旋矢量的综合表现为宏观磁化矢量 （M0）的转变 平衡态：在温度和磁化强度确定后，物体进 入磁体后按磁体方向排列，形成稳定的磁化 矢量，称为平衡态 平衡态中低能态与高能态自旋质子仍在相互 转换，但处于平衡中
进动频率-拉莫频率（Larmor频率）



自旋磁体绕外加磁场方向旋进的特性频率 拉莫频率决定于两个因素： 原子核的种类 外加磁场的强度 0 = 0 （为磁旋比常数， 0为拉莫频 率） 外加磁场越强，拉莫频率越高
净宏观磁化矢量（M0）


存在于Z轴方向 XY平面由于各自旋相位随机分布相互抵消， 不显示宏观磁化矢量
影响净磁化矢量M0的因素

与组织的质子密度成正比 与磁场强度成正相关 与绝对温度成负相关 净磁化矢量是MR信号产生的基础。因此场 强越高，信噪比越好



自旋：质子的自旋运功，有时也指自旋 的质子 晶格：自旋质子的周围环境 PPM：parts per million，1x10-6，百万 分之一
自旋在磁场中的运动－进动

进动：进入主 磁场后，无论 是处于高能级 还是处于低能 级的质子，其 磁化矢量并非 完全与主磁场 方向平行，而 总是与主磁场 有一定的角度
质子的运动：进动频率0 = 0
进动（precession）


正如陀螺在重力场的运动一样 自旋磁矩在磁场中的运动除了自旋运动外， 还绕着主磁场轴进行旋转摆动 是由于磁场对自旋磁矩的偶合作用所致。 进动频率比自旋频率低的多，但还是很快
MRI基础原理
MRI发展重要事件及贡献者


美国斯坦福大学Felix Bloch和哈佛大学 的Edward Purcell在1946年各自独立发 现核磁共振现象 两人共同研制出第一台NMR谱仪 ，用 于物质分子结构的研究 为此共同获得1952年诺贝尔物理学奖



ห้องสมุดไป่ตู้


美国纽约州立大学Raymond Damadian， 一位物理学家、内科医生 1970年观测到恶性肿瘤的T1时间延长， 并认为NMR信号可用于诊断疾病 1977发明了第一台磁共振成像仪 扫描采集了第一幅人体图像，耗时近5 小时
选择氢原子的理由




1H是人体中最多的原子核，约占人体中 总原子核数的2/3以上 1H在人体中的自然丰度高、 摩尔浓度最 高、磁化率在磁性原子核中也是最高的 1H仅有一个质子而没有中子 人体MR图像，除非特殊说明，一般所指 的即为1H的磁共振图像。
人体进入磁场的结果
人体进入磁场前

体内各自旋矢量方向是随机分布的，所 以综合的净自旋为0，不显磁性


美国纽约州立大学Paul Lauterbur 1973创造了梯度磁场用于选择定位系统 创立了投影重建成像方法 1988年raymond damadian和Paul lauterbur获得里根颁发的国家技术勋章



英国诺丁汉大学peter mansfield 1973年几乎与Paul lauterbur同时撰文提出 梯度磁场，用于空间定位 提出具体的理论演算及解决方案 Paul Lauterbur和 peter Mansfield 共同获得 2003年诺贝尔生理学和医学奖，以表彰他 们在磁共振成像技术领域的突破性成果
人体进入磁场后



磁化：进入外磁场后，在磁场方向上产 生磁性的过程称磁化。 样体在磁场中被磁化产生磁性的能力称 为磁化率x，又称为磁敏感性。 产生净磁化矢量M=x*B0(磁场强度)
磁化的机理

各自旋按外磁场方向排列 自旋核在磁场中分为不同能态，称为能级劈 裂（塞曼劈裂） 能态级别：2I+1 （I为自旋量子数），氢质 子自旋量子数为1/2，所以有两种能态 低能态多于高能态，产生净磁化，与B0方向 一致 根据波尔兹曼公式，T=300K(室温)， B0=1Tesla，低能态比高能态自旋粒子多 6.59x10-7倍
射频脉冲



外来能量源：有大小和持续时间 通过脉冲强度大小和持续时间决定宏观 磁化矢量（M0）的翻转角 射频结束时，净磁化矢量M与Z轴的角 度称为翻转角(Flip angle) 磁共振信号是检测物体的宏观磁化信号， 所以一般考察宏观磁化矢量变化 接受射频脉冲后，M0转向XY平面还与 射频脉冲的聚相位作用有关

质子物理性质


原子核绕核轴线的转动称为自旋（spin） 自旋具有方向性，又称为自旋角动量，是 矢量，常用矢量表示 其方向与自旋轴一致，大小与原子核及原 子的质子和中子数有关，对应于一个自旋 磁动量。




任何原子核都具有自旋特性 自旋是微观粒子的自然属性，其来源尚 不清，就像万有引力如何使宇宙中星系 旋转运动一样 并非所有原子核的自旋运动均能产生核 磁矩 如果原子核内的质子数和中子数均为偶 数，则这种原子核的自旋并不产生核磁 矩



相位：平面内旋转的矢量与某一参照轴 的夹角称相位 多个旋转矢量在空间中的方向一致时为 同相位，不一致时为离相位 从同相位到离相位的过程称为聚相位， 反之为失相位
核磁共振现象


共振是自然界普遍规律 音叉的共振：一个振动的音叉可以将振动 能量传递给相同振动频率的另一个音叉 核磁共振：也就是磁化的自旋质子接受与 其进动频率（Larmor频率）相同的外来能 量，从平衡态变为激发态的过程