2
N RF
S
3
T
射 频 强 度
:
射频频率 F
4
磁共振的应用
• 物理化学|：利用磁共振波谱测定物质的 化学结构。
• 医学影象：磁共振成像及化学物质含量 测定。
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第一节：原子及其磁特性
• 原子的构成 • 自旋 • 自旋磁矩 • 净自旋
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• 原子核
原子的构成
• 质子（＋） • 中子
• 核外电子
• 核外电子（－）
• 磁化 :磁场对样体作用的过程。 • 磁化强度m：样体经过磁化而产生的磁矩
的大小。 • 磁化率：单位磁场强度的磁化强度 X=
m/B。顺磁性物质的磁化率为正值，抗磁 性物质的磁化率为负值。 • 影响磁化率的因素： 1、外层电子；2、原子核结构。
19
N
M:
S
20
磁场对磁矩的作用
垂直于磁场的磁矩，磁场对其 以磁转矩形式产生作用，即以磁场 为轴垂直于磁场转动。
F
34
核磁共振的条件
• 激发磁场的频率与自旋系统的进动频率 相等。
• 自旋系统吸收激发磁场能量内能增加
35
射频
• 射频及磁特性 • 射频的空间效应 • 射频激发与核磁共振 • 章动与翻转角θ= rB1t • 90°、180°脉冲，α脉冲 • 射频对自旋磁矩的相位相干效应
36
Y BX=Bsina
B(RF) a
X BY=Bcosa
37
Z
M0
Y B1
X
射频磁场对磁矩的激发
38
39
横向磁化的相位相干进动
MXY
射频激发使自旋的横向磁矩相位一致
（相位相干），产生一个大的横向磁
化矢量MXY。相位是矢量与参照轴间
的夹角
40
横向磁矩的相位
X
MXY
m1
am2 m3
Y
41
M0
MXY Y
B1
X
横向磁化的检测
• 影响M的因素：静磁场强度、温度、自 旋密度（单位体积的自旋数）。
• 纵向磁化：平行于磁场方向的磁化矢量 • 横向磁化：垂直于磁场方向的磁统
Z
Y X
32
第四节 核磁共振现象
• 单摆共振 • 核磁共振
33
单摆共振的条件
• 系统与激发源的固有频率相同 • 系统吸收能量内能增加
7
原子核的运动特性
• 自旋：物体沿一定方向绕自身某一轴的 转动
• 自旋角动量 I：由于自旋运动的矢量性， 自旋具有一定的角动量，自旋角动量I通 常也称为自旋I。I为矢量。
8
9
自旋磁矩
• 自旋粒子的磁性：带电粒子的自旋都可 产生磁矩。
• 原子核运动的自旋磁矩：每一个自旋I对 应于一个磁动μ， μ=гhI：
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自旋弛豫
• 自旋弛豫：自旋系统由激发态恢复到其 平衡态的过程。可分为纵向弛豫和横向 弛豫两个过程。
• 纵向弛豫（自旋晶格弛豫、T1弛豫）： 纵向磁化逐渐恢复的过程。
• 横向弛豫（自旋自旋弛豫、T2弛豫）： 横向磁化逐渐消失的过程
43
44
纵向弛豫的机理
波动的晶格磁场是一个连续频率的 波动磁场，Lamor 频率的晶格磁场可以 吸收激发态自旋所释放的量子化能量， 恢复其平衡态。晶格磁场的频率越接近 Lamor 频率，纵向弛豫的速度越快。人 体各种不同类型组织的晶格磁场频率有 差异。纵向弛豫速度不同。
13
第二节：磁场
• 磁场的概念 • 均匀磁场 • 稳定磁场 • 交变磁场
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磁场
• 物质场 • 对磁性物质的力效应 • 磁场的强度
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均匀磁场
大小方向恒定不变的磁场.
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交变磁场
大小或方向呈规律性变化的磁场
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Y BX=Bsina
B(RF) a
X BY=Bcosa
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第三节：磁场对样体的作用
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50
T1图像 T1 Image
• 每一个像素的亮度表示其所对应的构成 体素的组织的T1值,这种图像称为T1图像。
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M1
M2
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Z
M0 B1 X
Y
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24
自旋在磁场中的运动
• 进动（旋进）：自旋轴绕磁场方 向的圆周运动。遵循 lamor 定理， w=rB0
• 影响进动频率的因素：磁场强度。 • 进动的方向：上旋态与下旋态。
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26
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量子化与平衡态
• 量子化概念：在磁场的作用下，自旋只能 处于两种能级状态，低能态（上旋态）与 高能态（下旋态）自旋只有吸收或释放一 个特定能量值（ E）时才相互转化。
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影响纵向弛豫的因素
• 组织特异性：中等大小分子快，小分子 及大分子慢
• 晶格的物理状态：液态快、固态慢。 • 晶格的温度：低快，高慢。 • 周围大分子结构：加快。 • 磁场强度：低场快，高强慢
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纵向弛豫特征时间常数T1
• T1：射频激发停止后，纵向磁化弛豫至 其平衡态值的63%时所经历的时间。
• 量子化遵循波兹定律E(1/2)/E(1/2)=exp(rhI/kT)
• 平衡态：在磁场和温度的作用下，样体达 到稳定磁化的状态。是一种动态平衡。
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29
剩余自旋与净磁化
• 剩余自旋：平衡态时，上旋态与下态自 旋差。
• 净磁化M（宏观磁化）：自旋系统在磁 场作用下产生的磁化总量。是所有自旋 磁矩的矢量和 。M=ΔB0·N/T
10
3
11
净自旋
• 原子核的运动:自旋 • 净自旋：具有自旋磁动量的自旋。 • 零自旋/非零自旋：净自旋为零/净自旋不
为零 • 净自旋产生的条件:奇数质子和/或奇数中
子 • 净自旋的意义：是磁共振信号来源的基
础。 • 自旋系统：磁场中所有自旋的集合。
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1H的原子核结构及特性
1H原子核仅有一个质子，无中子。 其磁化敏感度高，在人体的自然 丰 富度很高，是很好的磁共振靶核。
• MZ = M0(1－e-t/T1) • T1的物理学意义：弛豫周期。
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纵向磁化对比
由于各种组织的T1不同，在纵向弛 豫过程中，不同时刻各种组织在纵 向磁化中的比例不同，因而产生了 不同组织间的纵向磁化对比。也称 为T1对比。
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T1加权图像
T1 weighted image 图像的对比主要依赖T1对比称 为T1加权（权重）图像。
磁共振成像(MRI)的基本原理 Magnetic Resonance Imaging
同济医科大学附属协和医院MR室 刘定西
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磁共振现象的发现及发展
1924年pauli在进行电在子波谱 试验中发现了许多原子核象带电的 自旋粒子一样具有角动量和磁动量。
1946年美国物理学家Block和 Purcell分别测出了在均匀物质中磁 共振的能量吸收，进一步证实了核 自旋的存在，并为此获得了1952年 诺贝尔物理学奖。