磁共振基本原理第一章主要讲述电荷、电流、电磁、磁感应方面的基本概念。

这里将介绍余下章节中将提到的大量的词汇。

你可以快速复习这些概念，但是要注意关键定义和一些重要的概念，因为这些概念有可能在考试中出现。

同时也包括一些对向量和复数关系的解释。

如果你有工程师的背景就请略过这些章节，否则请多花些时间研究2D、3D向量，振幅和相位、矢量和复数方面的知识。

矢量在MRI中有极其重要的作用，因此现在多花些时间学习是值得的。

静电学研究的是静止的电荷，在MRI中几乎没有太大意义。

我们以此作为开场白主要是因为电学和磁学之间有密切的关系。

静电学与静磁场非常相似。

最小的电荷存在于质子(正)和电子(负)中，集中在很小的一团或以量子形式存在。

虽然质子比电子重1840倍，但是他们有同样幅度的电荷。

电荷的单位是库仑，是6.24*1018个电子的总和,这是一个非常大的数量。

一道闪电包含10到50个库仑。

一个电子或质子的电荷为±1.6*10-19库仑。

与一个粒子所拥有的分离的电荷不同，电场是连续的。

关键的概念是相同的电荷相互排斥，不同的电荷相互吸引。

同时，你应该知道电场强度与电荷呈线形变化，和电荷的距离的平方成反比。

换句话说，如果总的电荷数增加，电场的强度也会增加，与电荷的距离越远，电场强度越弱。

将相同的电荷拉近，或将不同的电荷分开都需要能量。

当出现这种情况时，粒子就有做功的势能。

就象拉开或压缩一个弹簧一样。

这种做功的势能叫电动力（emf）。

当一个电荷被移动，并做功时，势能可以转化成动能。

每单位电荷的势能称电势能，它是电荷相对于电场的位置的函数（1/d2）。

电荷位于周边，它尽量要处于一个舒服的位置，但这也不是一件容易做到的事。

它不断地运动、做功。

运动的电荷越多，每个电荷做功越多，总功越大。

运动的电荷叫做电流。

电流的测量单位为安培（A）。

第一个电流图描绘的是电池产生直流电（DC）。

电厂里的发电机产生的是变化的电压，也称为交流电（AC）。

在通常情况下，电子在电流中的运动并不是没有阻力的。

它们遇到各种类型的阻力。

电路中阻碍电流流动的特点叫做阻抗。

共有三种类型的阻抗，即电阻、电感、电容。

如果电流的做功产生热量，阻抗就叫电阻；如果能量能产生磁场，阻抗即电感；如果能形成电场即电容。

这三种阻抗在MRI中均有不同的作用，后面的章节将详细讨论。

电流在电路中流动会做功，在单位时间内电流的总做功量称为功率。

磁学是物质的基本特性，就象电荷与质量一样。

物质的磁性特点很大一部分是由电子的结构和运动决定的。

非磁性的物质有非常小的排列方向紊乱的、结构紊乱的磁区，它们相互抵消。

永磁体有大量的几乎排列方向一致磁区。

排列越一致，磁场越强。

*备注：现在被称为土耳其的国家曾经认为天然磁体有磁性是很神秘的。

几千年前，土耳其被称为Magnesia，这就是磁性这一词的由来。

当一种物质放在磁场中变的有磁性的程度被称为磁敏感性。

真空的磁敏感性定义为0。

如内磁场与外磁场的方向一致，我们称之为正的磁敏感性，这种物质可以聚拢磁力线。

如果内磁场的方向与外磁场的方向相反，这种物质具有负的磁力线，它会排斥外磁力线或方向与之方向相反，降低局部磁场。

组织边缘磁敏感性的不同是MRI伪影的常见原因。

（第11章）。

磁敏感性：Mi／BØ内磁场与外磁场的比值广义来说，所有物质的磁敏感性可以分为三大类：轻微的负性、轻微的正性、明显的正性（没有明显的负性）。

反磁性物质无论放在任何磁场，都与之方向相反。

碳和氢都是反磁性物质，而氧分子具有轻度的顺磁性。

因此水和大多数器官的分子都是轻度的反磁性的，大约在-10-4到-10-6大小。

钆的超顺磁性是其作为最常见的MRI造影剂的基础。

一种物质的磁性特点由其电子决定。

另一方面，MRI（NMR）就是利用原子核的顺磁性特点。

电荷具有最小、最确切的单位，或为正或为负。

磁学没有最小单位。

每一个小磁区都表示为南北双极。

（任何一个发现独立磁极的人都会获得诺贝尔奖）。

磁场的北极定义为磁力线的起点，磁场的南极为磁力线的回归处。

与电荷相似，同种磁极相互排斥，不同磁极相互吸引。

如果电线中有电流流动，将电线弯曲成环状，每一段电线产生的磁场在环的内部相加导致磁场明显增加。

越接近环的中心部，磁场的增加越慢，环的外部，磁场的外部场强降低迅速。

将电线环绕多次，在环的内部，每一个环的场强都会叠加，这就是电磁场的成因。

另外一种理解内部、外部长期的方法是：画一个曲线，使其两端相互接近，形成一个环，环的内部相互接近，环的外部相互分离。

在正常情况下，一个单一的电线环没有电流流动，就象没有电流的电灯泡。

就象运动的电场产生磁场，运动的磁场也产生电场。

电场的定义为单位电荷的电场。

如果电荷运动形成闭和电路，就会有电流形成，此时就象通电的灯泡。

运动的磁场可以在电线中诱导出电流。

电流也会产生自己的非常微弱的磁场。

这种诱导出的磁场的方向与最初运动的磁场方向相反。

如果不是这样，诱导的磁场会与诱导的电流相加，使诱导磁场强度增加，就会增加…这里将介绍Faraday定律数学公式。

关键概念包括1）变化的磁场可以诱导电场。

2）负值表示no free lunch效应。

诱导的势能使产生磁场的电场与原先变化的磁场方向相反。

你也可以将它看成惯量，本质上不希望有变化。

电磁辐射（电波、光、紫外线等）可以发生在任何有震动的磁场或震动的电场的区域。

震动的磁场可以诱导出震动的电场，电场的方向与磁场的方向成90度，一般是90度的失相位。

也就是说，最大的电场出现于磁场变化最快时其振幅经过0时。

与只相似，当电场的振幅经过0点时，变化的电场诱导的磁场最大。

磁场和电场继续以直角来回震动，这种震动的电磁场在和电场及磁场垂直的方向上以光速传播。

现在我们要讨论矢量这一概念。

矢量用于描述⑴运动，⑵力量，⑶场（单位电荷、质量、极向的大小）矢量具有方向（角度）和幅度（大小）。

有许多描述方向的方法，一种方法是采用方向角度和幅度的极性坐标，另一种方法是采用矩形（或称为Cartesian）坐标将矢量分为两个或三个相互垂直的矢量。

例如，一量沿着偏离东方127度（偏离北方37度）方向的列车以每小时50米的速度前进，实际上它是以每小时30米的速度向西移动，同时亦以每小时40米的速度向北移动。

*矢量由方向和幅度组成*矢量可以分成数个垂直成分。

这些概念非常重要，因为⑴磁共振信号是由有幅度和相位的旋转的矢量组成，⑵磁共振信号的空间编码是采用将三个垂直方向上的梯度，即X、Y、Z三个方向的矢量结合而得到的。

复数是另外一种描述矢量的坐标系统。

注意这一表格与上面表格相似。

i值相当于-1的平方根，在数学上具有非常重要的意义，但是你并没有必要去理解。

你所要了解的是复数可以分成两个相互垂直的成分。

通过转换，X轴相当于实部，Y轴相当于虚部。

相位和角度不变地用于表示振幅和幅度（虽然在这两个或更多概念中有一些微小的差别）。

*实部和虚部是矢量的两个成分X、Y轴的另一种称呼。

实部（X轴）是与矢量相位一致的成分，虚部（Y轴）是与矢量相位偏移90度的方向。

到目前为止，我们讨论的都是2维矢量。

在MRI中，我们要经常要用到3D矢量。

我们经常用X、Y、Z三方向的矩形坐标描述矢量。

极性坐标采用的是幅度和两个旋转的角度作为坐标，这两个角度被称为α和θ。

在MR成像中，你必须要将一个三维的磁矩分为两种成分，一个为纵向或称为Z向，另一个为横向位于位于XY平面。

X、Y方向又可以分成X、Y或相位一致、相位相反，及实部、虚部。

后面将会讨论到Z轴成分可以被激励，但MR信号只能在XY平面采集到。

如果你已经对矢量的概念比较了解，那么你可以跳过矢量的确定及如何增加矢量直接学习第一章最后一段。

如果你对相位角度、直角成分和矢量增加还不是很了解，请你反复学习本段及后面几段。

这些概念了解的越深，后面的磁共振原理就越好理解。

磁共振成像的每一个问题都与小磁矩的振幅和相位有关。

因此一定要多花些时间学习下面几段内容。

在以下的章节中我们会讨论到，单一的体素的信号是该体素内上亿个质子的信号总和。

这里我化了一个小盒子代表一个体素，里面有大量的磁矩，我们假设所有这些磁矩用盒子表面的5个2维磁矩代表。

这5个磁矩如何形成最终的信号呢？正如我们早些提到的那样，磁矩可以使用极性或矩形坐标，当将磁矩结合起来，就非常容易描述矩形坐标，作用于X轴成分的磁矩与作用于Y轴方向的磁矩之间无关。

将两个或更多个磁矩结合起来，只需要分别处理X、Y轴即可。

任何一组磁矩的总效应相当于在X、Y、Z三个轴向的总和。

当各个磁矩都指向同一个方向时，就会产生最大的效应。

*象素：是一个图像成分，即图像上的一点。

体素：是单位体积象素，即是三维的象素。

在这一例子中，所有的磁矩都不同程度地指向上方，但有不同程度的左偏或右偏。

也就是说，它们都有正的Y轴成分，但是X轴成分有正有负。

如果X轴成分具有Gaussian分布，平均值为0，X轴成分的总和是θ。

注意总的方向仍然是向上，但是幅度会降低25到15。

在最后一个例子中，磁矩是完全分散的，总的X轴成分为0，总的Y轴成分为5。

通过这些你会很容易明白如何将一个盒子（体素）内的所有磁矩完全、均匀分散开，使各方向上总的效果为0。

沿着一个环旋转的磁矩可以被描述成为一个正弦波形。

旋转的越快，频率越高，磁矩越大、越高，正弦波的幅度也越大。

这里显示的是三个有轻微差别的正弦波。

三个波形有同样的振幅，最上面的一组表示的是两个波形具有同样的频率，但是相位相差90度，一个图形比另一个超前90度。

确切地说，前面的波形是余弦波，后面的是正弦波。

下面的一组显示的是一组正弦波比另一组的震动频率快两倍。

两组正弦波在开始处处于相位一致状态，但很快就失去了相位的一致性。

当快的正弦波震动两次时，这两组正弦波又回到相位一致。

*振幅：在单位震动周期内，偏离零点的最大绝对值。

大小：它是一个定量的数值，是相似的量比较的基础。

相位：两个磁矩的角度，磁矩的相位或信号总是被定义为方向或信号的参考值。

在讲述到旋磁比这一概念时，我们将会用到本章讲述的内容。

我认为你必须对这些概念非常熟悉。

我想也许你永远也不必去了解磁极、Gauss、Tesla是如何定义的，但是你必须知道这些都是与电学相对应的磁学的测量值。

这两个概念非常重要，你必须铭记在心。

第三章硬件磁体的类型--永磁型磁体--常导型磁体--超导型磁体MRI--匀场--屏蔽磁场梯度--垂直方向--梯度场强度--梯度场变化率--脉冲波形--涡流--屏蔽射频系统--合成器--发射单元--接收单元--线圈类型--屏蔽计算机系统--控制--数据处理以上复习了核磁共振的基本概念，下面介绍获得磁共振图像的基本硬件。

我们讨论的第一个题目是三种磁体。

事实上广义地来讲，只有两种，永磁型和电磁型，其中电磁型有分为常导型和超导型。

永磁型磁体的磁场强度一般不超过0.3T。