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核磁共振成像基础《医学成像的基本原理》11章一、微观描述核磁共振（NMR, nuclear magnetic resonance）：某些物质的原子核磁矩再外磁场的作用下能级发生分裂，并在外加磁场能量的作用下产生能级跃迁的和物理现象。（1942年提出核磁共振现象）普遍存在性。92种天然元素中，有核磁矩的元素有88种。高度选择性。不同类型的核具有不同的磁矩，NMR作用的谱线很窄，因此对特定核，NMR具有很高的分辨能力。功能检测。人体组织中广泛存在氢核，通过对氢核分布变化的检测，不但能了解生物组织的结构特征，也能对活体组织的生物过程和功能进行动态测量。1973年，Lauterbur发表在Nature杂志上的论文使得NMR的应用进入到成像领域，提出了核磁共振成像的方法和实验装置。随着Mansfield“选择激发序列”MRI成像方法论文的发表，核磁共振成像技术迅速走出实验室，进入医学临床诊断领域。拉莫尔进动（力学性质）+塞曼效应（能的性质）原子核进动的角频率w0和旋磁比γ及外磁场磁感应强度的大小B0成正比，与μ和B0之间的夹角无关。共振：自然界普遍存在的能量交换现象。一个以一定频率运动的系统在接受同样频率的外来能量运输时，运动系统最容易吸收外来能量，这就是共振。核磁共振：当自旋核处于外磁场B0时，核的能级讲产生塞曼分裂，分裂的结果是塞曼能级的出现，且两相邻塞曼能级之间的能量差为ΔE=gIμNB0=γ?B0。因此，处在外磁场B0中的一个自旋核要从低能态向高能态跃迁，就必须洗手ΔE的能量。这也就是说，处于低能态的自旋核在洗手ΔE的能量后会产生共振。通常用一定频率的射频脉冲为自旋核提供能量。满足w=2πf=γB0（拉莫尔方程），射频脉冲具有的能量正好等于自旋核两相邻塞曼能级间的能量差，自旋核会表现出对射频脉冲能量的强烈吸收，从低能态跃迁到高能态，这种现象称为核磁共振。MRI领域所用的射频信号可以视为一个交变的电磁场，只不过这里只考虑磁场分量。拉莫尔方程将共振频率w与外加磁场B0、自旋核的旋磁比用简单的数学关系连接起来，使计算各种自旋核的共振频率变得非常容易。根据拉莫尔方程，科学研究或工程实际中为了使核磁共振发生可以有多种方法，包括扫频法、扫场法、脉冲法等。扫频法（B0不变，w变），扫场法（w不变，B0变）都是连续波法。脉冲法需要使用傅里叶变换处理接收信号，所以有时也将脉冲法成为傅里叶变换法。对同一种自旋核来说，旋磁比保持不变，外磁场越强，原子核的进动频率就越高，磁共振发生的共振拉莫尔频率也就越高。0.2-2T是目前临床医学用MRI设备的常用场强。二、宏观描述磁化强度矢量，简称磁化强度，指单位体积ΔV内所有核磁矩μI的矢量和，常用M表示。在没有外磁场B0的情况下，自旋核群体中各原子的磁矩方向是杂乱无章的，从统计学的观点来看，所有磁矩的矢量和M=0，对外不显磁性。当自旋核群体置入外磁场B0以后，在外磁场作用下绕磁场方向以w0=γB0的角频率进动，且B0与μI的夹角保持不变，对于自旋与磁场平行的核θπ/2，对于自旋与外磁场反相平行的核θπ/2。不同核的磁矩在外磁场中只能取2I+1个确定的方向，氢原子I=1/2，磁矩只可能在两个方向上发生进动。从原子核的能量的角度上看，处于外磁场中的质子其核能呈现塞曼分裂。有些核因为自选方向与外场平行处于低能级，也就是上进动圆锥；而另外有些核则因为自选方向与外场反平行而处于高能级，也就是下进动圆锥。这是如果在垂直于外场方向施加角频率满足拉莫尔方程的激励脉冲，就会发生共振吸收，处在上进动圆锥上的低能级原子核就会吸收激励射频脉冲的能量而跃迁到下面的高能级圆锥上来。当然，当核磁矩从下进动圆锥跃迁到上进动圆锥，即从高能级跃迁到低能级上时，原子核会通过辐射的形式释放出能量。自旋核数的玻尔兹曼分布：常温下自旋核群体在静磁场中因塞曼分裂而处于不同的能级上，在低能级上的自旋核数目多余高能级上的自旋核数目。低能级和高能级上的核数之差非常小。事实上，MRI成像所需要的信号就是依靠不同能级上这一微小差值形成的。由此可以看出，NMR的灵敏度是很低的。随着外磁场B0的增大，高能级间的能量差变大，两能级的数量差也相应变大。可见，适当增加外磁场的强度有利于提高信号强度，增加图像的信噪比。由于低能级的自旋核和高能级的自旋核数目不对等，所以总的磁化强度M≠0，自旋核群体形成的系统被磁化了。（磁化：原来没有磁性的物体由于放入磁场而获得磁性的过程。）磁化强度的横向分量：外场B0方向的磁矩分量是可以确定的，但是由于xoy平面的进动核磁矩分布可以视为是均匀的，所以磁矩相互抵消，总的磁化强度M在xoy平面上的横向分量Mxy=0。纵向磁化：自旋核在热平衡后形成的磁化强度M仅在纵向存在分量，且M=M++M-=M0，这里的M0成为系统的最大纵向磁化强度矢量。影响纵向