AL123 人文社科会员免费专区文学 2025-05-12

医学影像设备学_李真林；雷子乔主编；赵雁鸣；张晖；李军副主编_AZW3_MOBI_EPUB_PDF_电子书（无页码）_李真林；雷子乔主编；赵雁鸣；张晖；李军副主编

内容节选

第一节磁共振成像的原理 MRI的物理学基础是磁共振（NMR）现象。其基本内容是：置于稳定磁场中的材料样品，附加交变磁场后，如果交变磁场的频率合适，样品就会从交变磁场中获取能量，在交变磁场停止后，能量又会释放。因此，如果制作出加载和接受磁共振能量的装置，并设计释放能量的空间位置的算法，便有可能对人体内部进行探测。一、磁性原子核宏观世界常见的固体、液体和气体的基本单位可以是原子。原子由原子核和核外电子构成；原子核由带正电的质子和不带电的中子组成。宏观世界中物体的磁性源自微观世界中原子核的磁性，原子核的磁性源自原子核的磁矩，原子核的磁矩由原子核的自旋角动量产生。要理解MRI的工作原理，有必要说明磁性核的相关特性。（一）核外电子的运动与磁矩在微观世界中，自旋和质量、电荷、体积等一样，是粒子的基本属性，但自旋是微观粒子特有的属性，没有宏观物理量可以对应，我们只能参照宏观物体角动量（angular momentum）去理解微观粒子的角动量：将原子核和核外电子的自旋运动与轨道运动简单的看作自转与轨道运动。参照经典力学中运动的概念，电子的轨道运动等效于闭合电路中的电流（图4-1-1）。其磁矩等于电流与电子轨道包围面积的乘积，如公式4-1-1。 μ=iS （公式4-1-1）公式中，i（单位A）表示电流，S（单位m2）表示电子轨道包围的面积，那么磁矩μ的单位为A·m2。图4-1-1 环形电流的模式图（二）原子核的自旋与磁矩原子核是由质子和中子组成的精密物理系统。质子是带1单位正电的稳定粒子，具有自旋，可假想为电荷均匀地分布在表面，成环形电流，其周围出现磁场。中子不带电，但实验亦能测量到自由中子与磁场有很微弱的作用，说明中子的自旋磁矩不为零。于是把中子假想成外壳带负电荷，中间层带正电荷，中心带有负电荷的结构，由于内外电流环的面积不同，所以磁矩不能抵消，整体表现出较小的负磁矩。独立的非成对电子、质子和中子的自旋量子数都是1/2，符号可以是正或负；在原子核中，质子和中子的磁矩符号相反，绝对值不等，不能相互抵消。例如，核由一个非成对质子和一个非成对中子构成，核自旋数是1，核磁矩接近质子和中子磁矩的矢量和，不严格相等的原因是由于除自旋外，还受到轨道运动的影响。两个以上符号相反的自旋粒子在结合后可观测自旋减小，例如核。设原子核的自旋磁矩为μN，它和自旋角动量JN之间的关系如公式4-1-2。 μN=γNJN=γNħI （公式4-1-2）公式中，γN是原子核的磁旋比，是自旋磁矩与自旋角动量之比，γN由实验测得，是原子核的特征常数，与核所处运动状态无关。ħ=h/2π是约化普朗克常数（普朗克常数h=6.626 068 96×10-34J·s），I是自旋量子数。（三）用于磁共振成像的原子核自旋不为零的原子核都是磁性核，也只有磁性核才能发生磁共振现象。几乎元素周期表中的所有元素都具有非零自旋核的同位素，但磁共振检测仅能利用自然界满足要求的同位素。MRI中可用的部分同位素核见表4-1-1。在MRI中，磁性核产生信号的强度与其能量吸收（共振）和释放（弛豫）有关，且对图像质量和成像时间亦有重要影响。因此采用哪种磁性核作为成像的物质是后期设计MRI设备的基础，主要取决于：①磁性核在组织中的含量；②磁性核的相对灵敏度。在生物组织中可占总原子数量的2/3，是含量最多的原子核；同时在人体常见的磁性核中，的磁化强度也最高，等量的磁性核可产生的信号最强；此外的自旋量子数I=1/2，是球对称的核，无电四极矩，较不易与电场梯度相互作用产生磁场。因此，临床MRI设备采用的是核成像。表4-1-1 部分磁性核的特征参数二、静磁场对原子核的作用无外磁场的情况下，磁性核处于无规则的热运动状态，磁矩μ在空间各方向上均匀分布。例如，在未处于磁场的生物组织中，全部磁性核都有因自旋产生等效磁场，但这些等效磁场在各个方向上随机分布，整体上生物组织对外不显磁性。当磁性核处于外磁场B0时（通常规定B0的方向为z轴方向），磁矩μ就会在B0的作用下重新排布，只沿着几个特定的空间方向分布，这就是空间量子化。空间量子化后，磁性核的运动状态和能量均发生变化（图4-1-2）。图4-1-2 磁性核置于静磁场前后磁矩的变化 A.磁化前，磁性核无规则分布；B.磁化后，磁性核在磁场方向成统计学分布（一）原子核的磁化与空间量子化微观粒子的运动符合量子力学规律。磁性核置于外磁场B0后，其自旋轴与B0方向平行，但自旋方向与B0存在一些不连续的特定夹角，可以用式4-1-3来表示自旋角动量J在z轴上的投影Jz： Jz=Izħ=mħ （公式4-1-3）公式中m=-I，-I+1，…，I-1，I，是原子核的磁量子数，共有（2I+1）种可能取值。例如，用于医用MRI成像的是I=1/2的自旋核，具有m=-1/......