磁共振成像基本原理
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磁共振成像的基本原理
山东省千佛山医院 张经建
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1、磁共振成像的基本情况 2、磁共振成像的物理基础
（1）原子核与自旋 （2）静磁场BO （3）核磁共振成像条件 （4）磁共振信号的产生 （5）关于加权的概念 3、射频和射频脉冲序列 （1）射频RF （2）射频脉冲序列 4、磁共振信号的空间定位 （1）梯度磁场与梯度线圈 （2）磁共振成像的层面选择 （3）磁共振成像的层面内信号确定和层厚选择 5、MR设备的技术进展 （1）MR设备的硬件发展 （2）MR设备软件功能的发展
一 、磁共振成像的基本情况
（一）磁共振成像的发展史：
1、物理现象理论的建立的年代： MR的物理现象是1946年有美国加洲斯坦福大学的 布劳克和麻省哈佛大学的帕塞尔教授同时发现的， 并在1952年双双获得若贝尔物理奖。 2、磁共振成像完成的时间： 1977年磁共振技术进入体层摄影实验阶段，并获 的了人体胸部磁共振断层像，以及人手腕关节的剖 面像，1978年之后，磁共振进入了发展阶段，八十 年代初磁共振扫描仪商品化。 3、影像诊断涉及组织化学信息： 磁共振成像技术与其他影像学的不同之处之一，就 是一改过去以组织形态学研究疾病的影像学基础， 而涉及到利用分子物理学提供组织化学信息。
二、磁共振成像的理论基础：
（一）原子核与自旋：
世上一切物质的最小组成单位为分子，分子又是由 原子构成，原子由原子核和核外电子组成，原子的化 学特征，由核外电子的数目所决定，原子的物理特性 由原子核决定，原子核又是由质子和中子组成，质子 带有正电荷，中子不带电荷，核外电子带负电荷且电 量与质子的正电量相等，因此，原子表现为中性。
电子、质子、中子都有自旋特征，故此我们说原子 核也有自旋特征，带正电的原子核且自转，就会产生 和其它运动电荷一样的小磁场，这个小磁场可以用小 磁矩来描述。
1、奇数质子的电性：
原子核内的质子和中子都呈双数时，则其自旋都相互成对的抵消了， 因此，只有质子或中子为奇数时，原子核才具备自旋以及产生小磁场的 能力，才具备磁共振研究的物理条件。
2、氢原子结构：
结构最简单，原子核只有一个质子及一个轨道电子，在人体中的含 量最多，所以产生磁共振的能力最强。
3、核的自旋及环行电流以及小磁体现象：
由于质子的自旋而使原子核产生自旋，我们知道质子是带正电荷的，
这种运动的电荷就产生电流，所以核的自旋就会在自旋轴产生环行电流。 由右手法则知道将产生一个小磁场，因此，我们可以将自旋的氢质子看 成是一个小磁棒。其磁力的大小可用磁动量来表示，它是一个矢量，有 方向性。
磁动量公式： U=RPS （U=磁矩 RP=磁旋比 S=磁旋速度）
4、自由空间氢质子的分布情况：
在正常情况下，在自由空间中众多旋进质子表现为杂乱无章的排列。
虽然每一个质子都具有磁性，但从宏观整体看，整个质子群是无磁性。
小结：
通过以上学习，可以了解到。一切物质都是 由分子组成，分子由原子组成，原子核中的 质子和中子数为奇数时，原子才具有自旋的 能力，由于质子带正电荷，电荷的运动产生 电流，电流的产生有引发了磁场，我们将这 些小磁场看成小磁矩，而这些小磁矩在正常 情况下，表现为杂乱无章的排列，所以物质 是不显电性的。
（二）、静磁场B0
当我们要研究磁共振时，需要将研究的物质放入 一个外加磁场中，这个磁场的磁场强度需要是一个恒 定不变的，故我们称之为静磁场。
1、组织的磁化：
在自由空间质子的磁矩排列是杂乱无章的，是不显 磁性的。当我们将组织放入一个强大的磁场内，或者 说给组织外加一个强大的磁场后，在这个静磁场的作 用和影响下，对这些原本杂乱无章排列的质子产生磁 化作用，原本杂乱无章的磁矩开始沿静磁场的方向排 列，进而与静磁场方向一致，产生一个与静磁场方向 一致的磁化矢量，这就是组织的磁化。
2、磁矩的顺磁场排列取向和逆磁场排列取向：
组织磁化后，原本杂乱无章的磁矩就要沿静磁场的方 向排列，这也称之为质子在静磁场中取向。取向只能有 两个方向，其中大多数质子会朝静磁场方向取向，称之为 顺磁场排列取向，但也有一部分是朝静磁场的反方向取 向的，称之为逆磁场排列。
这种顺磁场取向和逆磁场取向的机理是什么呢？是因 为每个质子的稳定程度和能量不同引起的，朝正方向的 则是低能的稳态质子。朝反方向的则是高能不稳态。
3、顺、逆磁场取向的质子数目之差：
这种方向取向的质子从数目上讲几乎相等，逆方向的 若有一千万个，顺磁场的则有一千万零七个，所以顺、 逆之差为一千万分之七。就是这样的差别也足以产生 顺磁场的磁化矢量了。
4、磁化矢量三维空间的表示方法：
在三维坐标中把磁化矢量称MO，Z轴的静磁场称BO， X、Y是垂直于Z轴的平面。
5、静磁场强度与组织的磁化速度：
组织的磁化过程受时间和静磁场的影响，在开始磁化 增强很快，以后逐渐减慢，最后达到预定值，组织的 磁化速度除时间因素外，还受物质本身的特性影响， 不同的组织在相同的场强下的磁化速度是不同的。磁 场强度与磁化速度成正比。
6、进动的概念：
在静磁场中组织被磁化，产生了一个与磁场方向一致
的磁化矢量，这 个磁化矢量是由许多顺磁场方向取
向的质子组成的，这些质子在取向的同时，一方面沿
自身轴自旋，一方面绕静磁场的磁力线为轴作大回旋，
这种沿自身轴旋转的同时，又沿另外一个轴作回旋的
运动称之为进动。
7、Larmor频率公式：
WO=RBO
WO单位=弧度/秒
上面讲的进动速度叫进动频率，也就是自身轴绕中心
轴旋转的速度称为进动频率，用Larmor频率表示。
WO=进动频率 R=磁旋比 BO=静磁场强度。
由公式可以看出，每一种不同的物质，因有不同的旋
磁比，在相同的静磁场下，会有不同的进动频率，同
样，相同的物质，在不同的场强下进动频率也不同。
我们说：进动频率、 拉摸尔频率、共振频率，这三
个数据均为一贯常数。实际上它们都是表达在磁共振
系统中的共振频率。与场强成正比。
（三）、核磁共振成像的条件：
1、磁共振发生的条件： 磁共振必须具备三种磁场才能完成。 （1）静磁场： 这是磁共振系统中最为强大的磁场，平时我们评论磁 共振设备的大小就是指的静磁场的场强指数。单位用 特斯拉（Tesla）简称T，或高斯（GAUSS）1T=10000 （GAUSS）。 磁场的种类：永久型磁体：一般场强在0.3T以下，省 电，易维护，场强衰减极小，体积大，强度和均匀度 不稳，温度影响大。 常导磁体：场强在0.3以下，对电源要求高，耗点、 费水，信噪比差，图像质量差，现已淘汰。 超导磁体：场强在0.35~3T.
山东省千佛山医院 张经建
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1、磁共振成像的基本情况 2、磁共振成像的物理基础
（1）原子核与自旋 （2）静磁场BO （3）核磁共振成像条件 （4）磁共振信号的产生 （5）关于加权的概念 3、射频和射频脉冲序列 （1）射频RF （2）射频脉冲序列 4、磁共振信号的空间定位 （1）梯度磁场与梯度线圈 （2）磁共振成像的层面选择 （3）磁共振成像的层面内信号确定和层厚选择 5、MR设备的技术进展 （1）MR设备的硬件发展 （2）MR设备软件功能的发展
一 、磁共振成像的基本情况
（一）磁共振成像的发展史：
1、物理现象理论的建立的年代： MR的物理现象是1946年有美国加洲斯坦福大学的 布劳克和麻省哈佛大学的帕塞尔教授同时发现的， 并在1952年双双获得若贝尔物理奖。 2、磁共振成像完成的时间： 1977年磁共振技术进入体层摄影实验阶段，并获 的了人体胸部磁共振断层像，以及人手腕关节的剖 面像，1978年之后，磁共振进入了发展阶段，八十 年代初磁共振扫描仪商品化。 3、影像诊断涉及组织化学信息： 磁共振成像技术与其他影像学的不同之处之一，就 是一改过去以组织形态学研究疾病的影像学基础， 而涉及到利用分子物理学提供组织化学信息。
二、磁共振成像的理论基础：
（一）原子核与自旋：
世上一切物质的最小组成单位为分子，分子又是由 原子构成，原子由原子核和核外电子组成，原子的化 学特征，由核外电子的数目所决定，原子的物理特性 由原子核决定，原子核又是由质子和中子组成，质子 带有正电荷，中子不带电荷，核外电子带负电荷且电 量与质子的正电量相等，因此，原子表现为中性。
电子、质子、中子都有自旋特征，故此我们说原子 核也有自旋特征，带正电的原子核且自转，就会产生 和其它运动电荷一样的小磁场，这个小磁场可以用小 磁矩来描述。
1、奇数质子的电性：
原子核内的质子和中子都呈双数时，则其自旋都相互成对的抵消了， 因此，只有质子或中子为奇数时，原子核才具备自旋以及产生小磁场的 能力，才具备磁共振研究的物理条件。
2、氢原子结构：
结构最简单，原子核只有一个质子及一个轨道电子，在人体中的含 量最多，所以产生磁共振的能力最强。
3、核的自旋及环行电流以及小磁体现象：
由于质子的自旋而使原子核产生自旋，我们知道质子是带正电荷的，
这种运动的电荷就产生电流，所以核的自旋就会在自旋轴产生环行电流。 由右手法则知道将产生一个小磁场，因此，我们可以将自旋的氢质子看 成是一个小磁棒。其磁力的大小可用磁动量来表示，它是一个矢量，有 方向性。
磁动量公式： U=RPS （U=磁矩 RP=磁旋比 S=磁旋速度）
4、自由空间氢质子的分布情况：
在正常情况下，在自由空间中众多旋进质子表现为杂乱无章的排列。
虽然每一个质子都具有磁性，但从宏观整体看，整个质子群是无磁性。
小结：
通过以上学习，可以了解到。一切物质都是 由分子组成，分子由原子组成，原子核中的 质子和中子数为奇数时，原子才具有自旋的 能力，由于质子带正电荷，电荷的运动产生 电流，电流的产生有引发了磁场，我们将这 些小磁场看成小磁矩，而这些小磁矩在正常 情况下，表现为杂乱无章的排列，所以物质 是不显电性的。
（二）、静磁场B0
当我们要研究磁共振时，需要将研究的物质放入 一个外加磁场中，这个磁场的磁场强度需要是一个恒 定不变的，故我们称之为静磁场。
1、组织的磁化：
在自由空间质子的磁矩排列是杂乱无章的，是不显 磁性的。当我们将组织放入一个强大的磁场内，或者 说给组织外加一个强大的磁场后，在这个静磁场的作 用和影响下，对这些原本杂乱无章排列的质子产生磁 化作用，原本杂乱无章的磁矩开始沿静磁场的方向排 列，进而与静磁场方向一致，产生一个与静磁场方向 一致的磁化矢量，这就是组织的磁化。
2、磁矩的顺磁场排列取向和逆磁场排列取向：
组织磁化后，原本杂乱无章的磁矩就要沿静磁场的方 向排列，这也称之为质子在静磁场中取向。取向只能有 两个方向，其中大多数质子会朝静磁场方向取向，称之为 顺磁场排列取向，但也有一部分是朝静磁场的反方向取 向的，称之为逆磁场排列。
这种顺磁场取向和逆磁场取向的机理是什么呢？是因 为每个质子的稳定程度和能量不同引起的，朝正方向的 则是低能的稳态质子。朝反方向的则是高能不稳态。
3、顺、逆磁场取向的质子数目之差：
这种方向取向的质子从数目上讲几乎相等，逆方向的 若有一千万个，顺磁场的则有一千万零七个，所以顺、 逆之差为一千万分之七。就是这样的差别也足以产生 顺磁场的磁化矢量了。
4、磁化矢量三维空间的表示方法：
在三维坐标中把磁化矢量称MO，Z轴的静磁场称BO， X、Y是垂直于Z轴的平面。
5、静磁场强度与组织的磁化速度：
组织的磁化过程受时间和静磁场的影响，在开始磁化 增强很快，以后逐渐减慢，最后达到预定值，组织的 磁化速度除时间因素外，还受物质本身的特性影响， 不同的组织在相同的场强下的磁化速度是不同的。磁 场强度与磁化速度成正比。
6、进动的概念：
在静磁场中组织被磁化，产生了一个与磁场方向一致
的磁化矢量，这 个磁化矢量是由许多顺磁场方向取
向的质子组成的，这些质子在取向的同时，一方面沿
自身轴自旋，一方面绕静磁场的磁力线为轴作大回旋，
这种沿自身轴旋转的同时，又沿另外一个轴作回旋的
运动称之为进动。
7、Larmor频率公式：
WO=RBO
WO单位=弧度/秒
上面讲的进动速度叫进动频率，也就是自身轴绕中心
轴旋转的速度称为进动频率，用Larmor频率表示。
WO=进动频率 R=磁旋比 BO=静磁场强度。
由公式可以看出，每一种不同的物质，因有不同的旋
磁比，在相同的静磁场下，会有不同的进动频率，同
样，相同的物质，在不同的场强下进动频率也不同。
我们说：进动频率、 拉摸尔频率、共振频率，这三
个数据均为一贯常数。实际上它们都是表达在磁共振
系统中的共振频率。与场强成正比。
（三）、核磁共振成像的条件：
1、磁共振发生的条件： 磁共振必须具备三种磁场才能完成。 （1）静磁场： 这是磁共振系统中最为强大的磁场，平时我们评论磁 共振设备的大小就是指的静磁场的场强指数。单位用 特斯拉（Tesla）简称T，或高斯（GAUSS）1T=10000 （GAUSS）。 磁场的种类：永久型磁体：一般场强在0.3T以下，省 电，易维护，场强衰减极小，体积大，强度和均匀度 不稳，温度影响大。 常导磁体：场强在0.3以下，对电源要求高，耗点、 费水，信噪比差，图像质量差，现已淘汰。 超导磁体：场强在0.35~3T.