的摩尔浓度仅为0006,仅为H的1/15000 H是氢原子核,仅有一个质子而没有中子,由于人体MR图像一般采用H作为成像对象,因 此除非特殊说明,一般所指的MR图像即为H的共振图像
的摩尔浓度仅为 0.0066，仅为1 H的 1/15 000。 1 H是氢原子核，仅有一个质子而没有中子，由于人体MR图像一般采用1 H作为成像对象，因 此除非特殊说明，一般所指的MR图像即为1 H的共振图像
第三节进入主磁场前后人体内质子核磁状态的变化 进入主磁场前人体内质子的核磁状态 人体的质子不计其数,每亳升水中的质子数就达3×102个。每个质子自旋均能产生 个小磁场,人体内如此多的质子自旋将产生无数个小磁场,那么人体不就象块大磁体了吗? 事实并非如此,尽管每个质子均能产生1个小磁场,这种小磁场的排列是随机无序(即杂乱 无章)的,使每个质子产生的磁化矢量相互抵消(图3a),因此,人体自然状态下并无磁性, 即没有宏观磁化矢量的产生。MR仪仅能探测到宏观磁化矢量的变化,而不可能区分每个质 子微观磁化矢量变化。那么如何产生宏观磁化矢量呢?简单的做法就是把人体放进一个大磁 场(即主磁场)中 图3进入主磁场前后人体内质子的核磁状态变化 图a为进入主磁场前,尽管每个质子自旋都产生一个小磁场,但排列杂乱无章,磁化矢量相互抵消, 因此没有宏观磁化矢量产生。图b示进入主磁场后,质子自旋产生的小磁场与主磁场平行排列,平行同向 者略多于平行反向者,最后产生一个与主磁场方向一致的宏观纵向磁化矢量 二、进入主磁场后人体内质子的核磁状态 图3所示为进入主磁场前后人体内质子核磁状态的变化。进入主磁场后,人体内的质子 产生的小磁场不再是杂乱无章,呈有规律排列(图3b)。从图中可以看出,进入主磁场后, 质子产生的小磁场有两种排列方式,一种是与主磁场方向平行且方向相同,另一种是与主磁 场平行但方向相反,处于平行同向的质子略多于处于平行反向的质子。从量子物理学的角度 来说,这两种核磁状态代表质子的能量差别。平行同向的质子处于低能级,因此受主磁场的 束缚,其磁化矢量的方向与主磁场的方向一致;平行反向的质子处于高能级,因此能够对抗 主磁场的作用,其磁化矢量尽管与主磁场平行但方向相反。由于处于低能级的质子略多于处 于高能级的质子,因此进入主磁场后,人体内产生了一个与主磁场方向一致的宏观纵向磁化 矢量(图3b) 三、进动和进动频率 需要指出的是,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。如图4a所示,陀螺在自旋力
第三节 进入主磁场前后人体内质子核磁状态的变化 一、进入主磁场前人体内质子的核磁状态 人体的质子不计其数，每毫升水中的质子数就达 3×1022个。每个质子自旋均能产生 1 个小磁场，人体内如此多的质子自旋将产生无数个小磁场，那么人体不就象块大磁体了吗？ 事实并非如此，尽管每个质子均能产生 1 个小磁场，这种小磁场的排列是随机无序（即杂乱 无章）的，使每个质子产生的磁化矢量相互抵消（图 3a），因此，人体自然状态下并无磁性， 即没有宏观磁化矢量的产生。MRI仪仅能探测到宏观磁化矢量的变化，而不可能区分每个质 子微观磁化矢量变化。那么如何产生宏观磁化矢量呢？简单的做法就是把人体放进一个大磁 场（即主磁场）中。 S 宏观纵向磁化矢量 N a b 图 3 进入主磁场前后人体内质子的核磁状态变化 图 a 为进入主磁场前，尽管每个质子自旋都产生一个小磁场，但排列杂乱无章，磁化矢量相互抵消， 因此没有宏观磁化矢量产生。图 b 示进入主磁场后，质子自旋产生的小磁场与主磁场平行排列，平行同向 者略多于平行反向者，最后产生一个与主磁场方向一致的宏观纵向磁化矢量。 二、进入主磁场后人体内质子的核磁状态 图 3 所示为进入主磁场前后人体内质子核磁状态的变化。进入主磁场后，人体内的质子 产生的小磁场不再是杂乱无章，呈有规律排列（图 3b）。从图中可以看出，进入主磁场后， 质子产生的小磁场有两种排列方式，一种是与主磁场方向平行且方向相同，另一种是与主磁 场平行但方向相反，处于平行同向的质子略多于处于平行反向的质子。从量子物理学的角度 来说，这两种核磁状态代表质子的能量差别。平行同向的质子处于低能级，因此受主磁场的 束缚，其磁化矢量的方向与主磁场的方向一致；平行反向的质子处于高能级，因此能够对抗 主磁场的作用，其磁化矢量尽管与主磁场平行但方向相反。由于处于低能级的质子略多于处 于高能级的质子，因此进入主磁场后，人体内产生了一个与主磁场方向一致的宏观纵向磁化 矢量（图 3b）。 三、进动和进动频率 需要指出的是，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。如图 4a 所示，陀螺在自旋力
(以虚线为轴)与地球引力的相互作用下,不仅存在旋转运动,而且还出现绕着地球引力(以 带箭头的黑实线为轴,箭头表示地球引力方向)的旋转摆动,这种旋转摆动的频率远低于旋 转运动。如图4b所示,处于主磁场的质子也是一样,除了自旋运动外,还绕着主磁场轴(虚 线,箭头表示主磁场方向)进行旋转摆动,我们把质子的这种旋转摆动称为进动( precession) 图4a陀螺旋进运动示意图 图4b质子自旋及进动示意图 进动是磁性原子核自旋产生的小磁场与主磁场相互作用的结果,进动频率明显低于自旋 频率,但对于磁共振成像的来说,进动频率比自旋频率重要得多。进动频率也称 Larmor频 率,其计算公式为:ω=γB,式中o为 Larmor频率,γ为磁旋比(γ对于某一种磁性原子核来 说是个常数,质子的y约为425mHz/T),B为主磁场的场强,单位为特斯拉(T)。从式中可 以看出,质子的进动频率与主磁场场强成正比 如图5所示,由于进动的存在,质子自旋产生小磁场又可以分解成两个部分,一部分为 方向恒定的纵向磁化分矢量(条状虚线箭头),处于高能级者与主磁场方向相反,处于低能 级者与主磁场的方向相同:另一部分为以主磁场方向(B0)即Z轴为轴心,在X、Y平面旋 转的横向磁化分矢量(圆点虚线箭头)。就纵向磁化分矢量来说,由于处于低能级的质子略 多于处于高能级者,最后会产生一个与主磁场同向的宏观纵向磁化矢量。就横向磁化分矢量 来说,如图6所示,我们沿Z轴方向看XY平面上的横向磁化分矢量的分布,圆圈及其箭头 表示质子进动产生的横向磁化分矢量是绕Z轴旋转的,圆点虚线箭头代表各质子的横向磁化 分矢量,由于每个旋转的横向磁化分矢量所处的的相位不同,磁化矢量相互抵消,因而没有 宏观横向磁化矢量产生。 图5处于低能级和高能级状态下 图6各质子旋转的横向磁化分矢量 的质子由于进动产生纵向和旋转的 由于相位不同而相互抵消,没有宏观 横向磁化分矢量 向磁化矢量产生
（以虚线为轴）与地球引力的相互作用下，不仅存在旋转运动，而且还出现绕着地球引力（以 带箭头的黑实线为轴，箭头表示地球引力方向）的旋转摆动，这种旋转摆动的频率远低于旋 转运动。如图 4b 所示，处于主磁场的质子也是一样，除了自旋运动外，还绕着主磁场轴（虚 线，箭头表示主磁场方向）进行旋转摆动，我们把质子的这种旋转摆动称为进动（precession）。 图 4a 陀螺旋进运动示意图 图 4b 质子自旋及进动示意图 进动是磁性原子核自旋产生的小磁场与主磁场相互作用的结果，进动频率明显低于自旋 频率，但对于磁共振成像的来说，进动频率比自旋频率重要得多。进动频率也称 Larmor 频 率，其计算公式为：ω＝γ.B，式中ω为 Larmor 频率，γ为磁旋比（γ对于某一种磁性原子核来 说是个常数，质子的γ约为 42.5 mHz/T），B 为主磁场的场强，单位为特斯拉（T）。从式中可 以看出，质子的进动频率与主磁场场强成正比。 如图 5 所示，由于进动的存在，质子自旋产生小磁场又可以分解成两个部分，一部分为 方向恒定的纵向磁化分矢量（条状虚线箭头），处于高能级者与主磁场方向相反，处于低能 级者与主磁场的方向相同；另一部分为以主磁场方向（B0）即Z轴为轴心，在X、Y平面旋 转的横向磁化分矢量（圆点虚线箭头）。就纵向磁化分矢量来说，由于处于低能级的质子略 多于处于高能级者，最后会产生一个与主磁场同向的宏观纵向磁化矢量。就横向磁化分矢量 来说，如图 6 所示，我们沿Z轴方向看XY平面上的横向磁化分矢量的分布，圆圈及其箭头 表示质子进动产生的横向磁化分矢量是绕Z轴旋转的，圆点虚线箭头代表各质子的横向磁化 分矢量，由于每个旋转的横向磁化分矢量所处的的相位不同，磁化矢量相互抵消，因而没有 宏观横向磁化矢量产生。 B0 图 5 处于低能级和高能级状态下 的质子由于进动产生纵向和旋转的 横向磁化分矢量 图 6 各质子旋转的横向磁化分矢量 由于相位不同而相互抵消，没有宏观 横向磁化矢量产生
因此,人体进入主磁场后被磁化了,但没有宏观横向磁化矢量产生,仅产生了宏观的纵 向磁化矢量,某一组织(或体素)产生的宏观矢量的大小与其含有的质子数有关,质子含量 越高则产生宏观纵向磁化矢量越大。我们可能认为MRI已经可以区分质子含量不同的组织 了。然而遗憾的是MRⅠ仪的接收线圈并不能检测到宏观纵向磁化矢量,也就不能检测到这 种宏观纵向磁化矢量的差别。那么接收线圈能够检测到怎样的宏观磁化矢量呢? 接受线圈能够检测到的是旋转的宏观横向磁化矢量,因为旋转的宏观橫向磁化矢量可以切 割接收线圈产生电信号。那么如何才能产生接收线圈能够探测到的旋转宏观橫向磁化矢量呢?
因此，人体进入主磁场后被磁化了，但没有宏观横向磁化矢量产生，仅产生了宏观的纵 向磁化矢量，某一组织（或体素）产生的宏观矢量的大小与其含有的质子数有关，质子含量 越高则产生宏观纵向磁化矢量越大。我们可能认为 MRI 已经可以区分质子含量不同的组织 了。然而遗憾的是 MRI 仪的接收线圈并不能检测到宏观纵向磁化矢量，也就不能检测到这 种宏观纵向磁化矢量的差别。那么接收线圈能够检测到怎样的宏观磁化矢量呢？ 接受线圈能够检测到的是旋转的宏观横向磁化矢量，因为旋转的宏观横向磁化矢量可以切 割接收线圈产生电信号。那么如何才能产生接收线圈能够探测到的旋转宏观横向磁化矢量呢？
第四节磁共振现象 共振的概念和磁共振现象 共振是广泛存在于日常生活中的物理学现象,举个例子,一个人手上拿着一个中号音叉 在邻近的实验台上竖放着大号、中号、小号三个音叉,如果用一个锤子轻轻敲击手中的音叉, 就会发现实验台上的中号音叉振动并发声,而大号和小号的音叉没有反应,这就是典型的共 振现象。物理学上,共振被定义为能量从一个振动着的物体传递到另一个物体,而后者以前 者相同的频率振动。从这个概念可以看出,共振的条件是相同的频率,实质是能量的传递。 如果我们给处于主磁场中的人体组织一个射频脉冲,这个射频脉冲的频率与质子的进动 频率相同,射频脉冲的能量将传递给处于低能级的质子,处于低能级的质子获得能量后将跃 迁到高能级,我们把这种现象称为磁共振现象。从微观角度来说,磁共振现象是低能级的质 子获得能量跃迁到高能级。从宏观的角度来说,磁共振现象的结果是使宏观纵向磁化矢量发 生偏转,偏转的角度与射频脉冲的能量有关,能量越大偏转角度越大。射频脉冲能量的大小 与脉冲强度及持续时间有关,当宏观磁化矢量的偏转角度确定时,射频脉冲的强度越大,需 要持续的时间越短。当射频脉冲的能量正好使宏观纵向磁化矢量偏转9°,即完全偏转到ⅹ Y平面,我们称这种脉冲为90°脉冲。如果射频脉冲使宏观磁化矢量偏转的角度小于90°, 我们称这种脉冲为小角度脉冲。如果射频脉冲脉冲的能量足够大,使宏观磁化矢量偏转180°, 即产生一个与主磁场方向相反的宏观纵向磁化矢量,我们把这种射频脉冲称为180°脉冲。 二、90°射频脉冲的微观和宏观效应 如前一节所述,接收线圈仅能接收旋转的宏观横向磁化矢量,因此在MR成像中必须 有宏观横向磁化矢量的产生。在各种角度的射频脉冲中,90°射频脉冲产生的横向宏观磁化 矢量最大。90°脉冲是MRI序列中最常用的射频脉冲之一,让我们来看看90°脉冲激发后的 微观效应 图7所示为90°脉冲的微观效应。从微观上讲,90°脉冲的效应可以分解成两个部分来理 解:(1)90°脉冲使处于低能级多出处于高能级的那部分质子,有一半获得能量进入高能级状 态,这就使处于低能级和高能级的质子数目完全相同,两个方向的纵向磁化分矢量相互抵消 因此宏观纵向磁化矢量等于零。(2)90°脉冲前,质子的横向磁化分矢量相位不同,90°脉冲可 使质子的横向磁化分矢量处于同一相位,因而产生了一个最大旋转宏观横向磁化矢量 Y 图790°脉冲激发前后微观和宏观磁化矢量的变化 X、Y、Z虚线坐标分别代表X、Y、Z轴。左图为90°脉冲激发前,表示平衡状态下,处于低能级的质
第四节 磁共振现象 一、共振的概念和磁共振现象 共振是广泛存在于日常生活中的物理学现象，举个例子，一个人手上拿着一个中号音叉， 在邻近的实验台上竖放着大号、中号、小号三个音叉，如果用一个锤子轻轻敲击手中的音叉， 就会发现实验台上的中号音叉振动并发声，而大号和小号的音叉没有反应，这就是典型的共 振现象。物理学上，共振被定义为能量从一个振动着的物体传递到另一个物体，而后者以前 者相同的频率振动。从这个概念可以看出，共振的条件是相同的频率，实质是能量的传递。 如果我们给处于主磁场中的人体组织一个射频脉冲，这个射频脉冲的频率与质子的进动 频率相同，射频脉冲的能量将传递给处于低能级的质子，处于低能级的质子获得能量后将跃 迁到高能级，我们把这种现象称为磁共振现象。从微观角度来说，磁共振现象是低能级的质 子获得能量跃迁到高能级。从宏观的角度来说，磁共振现象的结果是使宏观纵向磁化矢量发 生偏转，偏转的角度与射频脉冲的能量有关，能量越大偏转角度越大。射频脉冲能量的大小 与脉冲强度及持续时间有关，当宏观磁化矢量的偏转角度确定时，射频脉冲的强度越大，需 要持续的时间越短。当射频脉冲的能量正好使宏观纵向磁化矢量偏转 90°，即完全偏转到 X、 Y 平面，我们称这种脉冲为 90°脉冲。如果射频脉冲使宏观磁化矢量偏转的角度小于 90°， 我们称这种脉冲为小角度脉冲。如果射频脉冲脉冲的能量足够大，使宏观磁化矢量偏转180°， 即产生一个与主磁场方向相反的宏观纵向磁化矢量，我们把这种射频脉冲称为 180°脉冲。 二、90°射频脉冲的微观和宏观效应 如前一节所述，接收线圈仅能接收旋转的宏观横向磁化矢量，因此在 MR 成像中必须 有宏观横向磁化矢量的产生。在各种角度的射频脉冲中，90°射频脉冲产生的横向宏观磁化 矢量最大。90°脉冲是 MRI 序列中最常用的射频脉冲之一，让我们来看看 90°脉冲激发后的 微观效应。 图 7 所示为 90°脉冲的微观效应。从微观上讲，90°脉冲的效应可以分解成两个部分来理 解：（1）90°脉冲使处于低能级多出处于高能级的那部分质子，有一半获得能量进入高能级状 态，这就使处于低能级和高能级的质子数目完全相同，两个方向的纵向磁化分矢量相互抵消， 因此宏观纵向磁化矢量等于零。（2）90°脉冲前，质子的横向磁化分矢量相位不同，90°脉冲可 使质子的横向磁化分矢量处于同一相位，因而产生了一个最大旋转宏观横向磁化矢量。 Z Y X Z Y X 图 7 90°脉冲激发前后微观和宏观磁化矢量的变化 X、Y、Z 虚线坐标分别代表 X、Y、Z 轴。左图为 90°脉冲激发前，表示平衡状态下，处于低能级的质