教学设计磁共振成像原理资料.docx
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教学设计磁共振成像原理资料
课题名称
医学影像成像理论
教师姓名
侯雪坤
学生年级
2016级
课时
2
教学重点
重点：
核磁共振原理的初步理解
教学难点
难点：
核磁共振原理的初步理解
主题
标题
内容
补充内容
磁共振概述
磁共振的初步印象
1.医院相关科室的设置；
2.磁共振价格、安全性；
3.磁共振的应用范围；
4.磁共振治疗的注意事项；
5.治疗过程；
1.六类人群不适宜进行核磁共振检查：
即使安装心脏起搏器的人、有或疑有眼球内金属异物的人、动脉瘤银夹结扎术的人、体内金属异物存留或金属假体的人、有生命危险的危重病人、幽闭恐惧症患者等。
不能把监护仪器、抢救器材等带进核磁共振检查室。
另外，怀孕不到3个月的孕妇，最好也不要做核磁共振检查。
2.由于金属会对外加磁场产生干扰，患者进行核磁共振检查前，必须把身体上的金属物全部拿掉。
不能佩戴如手表、金属项链、假牙、金属纽扣、金属避孕环等磁性物品进行核磁共振检查。
此外，戴心脏起搏器，体内有顺磁性金属植入物，如金属夹、支架、钢板和螺钉等，都不能进行磁共振成像检查。
进行上腹部（如肝、胰、肾、肾上腺等）磁共振检查时必须空腹，但检查前可饮足量水，有利于胃与肝、脾的界限更清晰。
磁共振的解释
通俗解释
广场舞大妈求婚仪式
1.伴奏相当于RF脉冲，大妈相当于磁核，摆出来的形状相当于成像，
2.不同大妈会不同的曲子
3.大妈的动作频率也不同
4.曲子的节奏也不同
5.曲子节奏要适当，不能快也不能慢，不能改编
6.大妈数量足够多，不然不清楚
定义
见XX
发展史
磁性发展史
1820年至1830年
1.1820年，丹麦科学家奥斯特就发现了电流的磁效应；
2.1821年，法国物理学家安培提出“分子电流学说”
3.1822年，法拉第做实验发对分子电流假说。
同年安培做实验反驳法拉第，同时错过了磁生电的发现。
4.1830年，法拉第发现电磁感应现象并发明人类第一台发电机。
磁共振发展史
从1930年到1993年
1.1930年，伊西多·拉比发现外加射频对磁性原子核的作用。
2.1946年，哈佛大学两位教授发现磁场中的磁性核在施加特定频率RF后出现了能量变化的现象。
3.核磁共振波谱学已经成为最成功的分析技术，应用范围包括化学的每一个分支学科。
4.1967年，第一次在活体测得磁共振信号，随后医学上通过NMR技术获取了水分子的分布。
5.1978年底，第一套磁共振系统在位于德国埃尔兰根的西门子研究基地的一个小木屋中诞生。
1979年底，当系统终于可以工作时，它的第一件作品是辣椒的图像。
6.张人脑影像于1980年3月获得，当时的数据采集时间为8分钟。
7.1983年，西门子在德国汉诺威医学院成功安装了第一台临床磁共振成像设备。
8.1993年，西门子成为全球第一个能够生产开放式磁共振成像系统的制造商。
磁共振成像系统的五大公司
国内主要做的永磁体。
1.通用电气（中国）医疗集团；
2.通用电气（中国）医疗集团
3.西门子医疗；
4.东软医疗系统有限公司；
5.华润万东医疗装备股份有限公司
磁共振检查的工作过程
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磁共振成像系统的组成
※磁体系统
※主磁场强度
解释单位特斯拉和高斯
MRI设备的磁体在其扫描检查孔径内、Z轴（沿磁体孔洞方向）一定长度范围内（1.5T超导MRI设备通常≤50厘米）产生磁场强度（即主磁场强度）均匀分布的静磁场，即主磁场B0。
增加主磁场强度，可提高图像的信噪比（SNR），
※磁场分级
低场（0.1T～0.5T）、中场（0.6T～1T）
高场（1.5T～2T）
超高场（3T及以上）
目前应用于临床的MRI设备主磁场强度大多为0.15~3.0T，主磁场强度的高低与磁体以及整机的造价成正比，目前0.35TMRI设备市场价格一般在600万元人民币左右，而进口一台3.0TMRI设备则需花费2000万元人民币。
发达国家中1.5T以上的超导MRI设备已经相当普及；3.0TMRI设备从2005年起，开始大规模进入临床
※磁场均匀性
衡量磁场随空间变化强弱的指标，磁场均匀度的单位为ppm（partpermillion），即特定空间中磁场最大场强与最小场强之差除以平均场强再乘以一百万。
磁场稳定性
衡量磁场随时间变化多少的指标
磁体有效孔径
大约为60cm左右，
磁体种类
永磁铁（拼接而成）优点：
能耗低缺点：
最大场强仅能达到0.5T
电磁铁（超导的技术简介）超导型磁体（superconductingmagnet）是由电流通过超导体导线产生磁场，与常导型磁体的主要差别在于其导线由超导材料制成并将其置于液氦之中。
超导体线圈的工作温度在绝对温标4.2K的液氦中获得的超低温环境，达到绝对零度（–273°C），此时线圈处于超导状态，没有电阻
※梯度磁场系统
功能
功能是为MRI设备提供线性度优良、可达到高梯度磁场强度（又称梯度场强度）、并可快速开关的梯度场，以便动态地、依次递增地修改主磁场B0的磁场强度，实现成像体素的空间定位和层面的选择。
此外，在梯度回波和其他一些快速成像序列中，梯度场的翻转还起着射频激发后自旋系统的相关重聚作用。
梯度磁场的线性
并非像楼梯一样的梯度，而是连续梯度
三个方向的梯度场的关系
梯度场的方向按三个基本轴线X、Y、Z轴方向设计，这三个相互正交的任何一个梯度场均可提供层面选择梯度、相位编码梯度、频率编码梯度三项作用之一
梯度场强度
使用每米长度内梯度磁场强度差别的毫特斯拉量（mT/M）来表示。
射频系统
作用
负责实施射频（RadioFrequency，RF）激励并接收和处理射频信号，即MR信号
组成
发射射频和接收射频
计算机及图像处理
信号采集
信号采集系统的采样频率至少应在24～240kHz以上。
目前1.5T和3.0TMRI设备的射频信号采样率一般在700KHz到3MHz之间
数据处理和图像重建
图像重建的运算主要是快速傅里叶变换
低温保障冷却系统
磁共振检查的优势与特色
主题
磁核与其在静磁场的
相互作用
课时
3课时
注意事项
自然状态和静磁场状态等前提条件说清楚，运动和能量联系起来作图说明。
务必写板书
教学重点
重点：
用于成像的磁性核H质子
教学难点
难点：
静磁场下的氢质子的能级分布、运动状态、磁矩方向等描述。
明确目标
微观粒子，尤其是H粒子的运动和能量规律是MRI成像的物理基础
核磁共振
核磁共振中的“核”
原子核自旋（总角动量P）
类似于地球、陀螺等自转物体。
中子（自旋和公转）
质子（自旋和公转）
核外电子（自旋和公转）
自旋
不在静磁场的自旋
方向
与旋转平面垂直
大小
用量子数I表征
静磁场中的自旋
方向
2I+1种的可能方向
※核的自旋由量子数I决定，I由质子数和中子数决定。
质子和中子均为偶数——无自旋
如O,C,S
质子和中子至少一个是奇数——有自旋
H
练习
自旋核的判定，例如
自旋核
自旋不为零的原子核
有磁距u，矢量
大小
方向（与P同线）
磁核
自旋不为零的原子核
自旋核都是磁核
※磁性核才能与静电场相互作用。
练习
判断题：
O,C放在杂乱无序的静磁场中，会发生方向上的转动吗？
人体中的磁核
磁核间做对比
两个主要因素
H最终获胜（质子像）
自然状态下磁性核
磁性核在自然人体中
无序排列
宏观上不显示磁性
※静磁场中的自旋核
与磁场相互作用
（自旋）、（磁矩）
空间取向
※可能取值：
2I+1种
在BO方向的投影
举例说明
I=1/2Na、I=1N
量子的世界
现实生活中的连续性
温度、身高、体重、距离
宏观的世界更像连续的
量子力学的发展史——亚原子粒子的主要物理学理论
19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂，英国著名物理学家威廉.汤姆生他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作（两朵乌云）。
后来正是这两朵小小的乌云，终于酿成了一场大风暴。
1.1900年，普朗克提出辐射量子假说，假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式（能量子）实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数称为普朗克常数，从而得出普朗克公式，正确地给出了黑体辐射能量分布。
2.1905年，爱因斯坦引进光量子（光子）的概念，并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系，成功地解释了光电效应。
其后，他又提出固体的振动能量也是量子化的，从而解释了低温下固体比热问题。
3.1913年，玻尔在卢瑟福原有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。
按照这个理论，原子中的电子只能在分立的轨道上运动，在轨道上运动时候电子既不吸收能量，也不放出能量。
原子具有确定的能量，它所处的这种状态叫“定态”，而且原子只有从一个定态到另一个定态，才能吸收或辐射能量。
这个理论虽然有许多成功之处，对于进一步解释实验现象还有许多困难。
量子力学的理解
人体中的磁核
磁核间做对比
两个主要因素
H最终获胜（质子像）
自然状态下磁性核
磁性核在自然人体中
无序排列
宏观上不显示磁性
※静磁场中的自旋核
与磁场相互作用
（自旋）、（磁矩）、（能量）
把公式放在一起讲
空间取向
※可能取值：
2I+1种
在BO方向的投影
举例说明
I=1/2Na、I=1N
练习
I=5/2的空间量子化
※能级的区分
（配合图解释）
低能级
与静磁场同向
高能级
反向
方向的原因
低能级更容易区服
※总结
以氢质子为例总结
作图说明
1.自旋核的判断
一个质子，没有中子
2.自旋核就是磁核
自旋量子数为1/2
M=-1/2、0、1/2
3.自然状态的无序性
能级（基态）
指向（角动量、磁矩）
※4.静磁场下的氢质子
两种取向2I+1
两个能级2I+1
自旋核在静磁场中旋进
定义
一个自转的物体受外力作用导致其自转轴绕某一中心旋转
又叫进动
形象描述
陀螺
陀螺本身在自转、转轴又在绕着一条垂直线转动。
自旋核的旋进
定义/方向判断
强调是在静磁场作用下
※※拉莫尔进动方程
计算氢质子的进动频率
氢质子的运动
既有自旋又有旋进
主题
宏观磁化
课时
1课时
注意事项
静磁场状态下，磁化矢量的不同，以及低能级和高能级的数量区别。
教学重点
重点：
静磁场中氢核的磁化矢量
教学难点
难点：
静磁场下的氢质子的能级分布、运动状态、磁矩方向等描述。
教学目的
施加RF前，原子核群的状态。
回顾
回顾上节课所讲重点内容，主要回顾分布规律
孤立原子核
运动规律已明确
无法单个测量
单个测量也没有意义
原子核群
回顾分布规律
离散性
2I+1
※磁化强度矢量M
（速度、加速度都是矢量）
大小和方向
圆锥轨迹（配图）
上旋进圆锥
下旋进圆锥
玻尔兹曼分布
能级分布
更趋向低能级
动态平衡（并非均匀分布，而玻尔兹曼分布）
温度变化引起能级跃迁
课外：
玻尔兹曼的生平
玻尔兹曼大脑
玻尔兹曼，热力学和统计力学的奠基人之一，在与恩斯特·马赫的经验主义和奥斯特-瓦尔德的唯能论论战中身心俱疲，于1906年9月5日自杀身亡。
公式
带入计算，举例说明
※处于低能级NL略对于处于高能级NH的数量
与各参数的关系
※B0提高，差异增大
※温度T升高，差异减小
磁化强度矢量分解
纵向矢量※MZ≠0
纵向和矢量
NL>NH（配图说明）
横向矢量※Mxy=0
横向和矢量
相位分布是等概率的
热平衡磁化矢量MO
平衡状态下，原子核在B0中的磁化矢量称为静磁化矢量
大小MZ=M0=M_+M+
影响因素：
密度越大、静磁场B，越大高低能粒子数差异越大，M0均越大，温度越高，M0越小。
方向：
与MZ同向
对比
M，M0，MZ，MXY的关系
注意区分这几个关系
原子核群在静磁场和不在静磁场的状态有何区别？
不在静磁场中，原子核群矢量和为0，在静磁场中，矢量和的方向与BO方向同向，大小等于M0
练习题
1.对顶旋转圆锥分布与能级的关系。
2.考察玻尔兹曼公式的关系。
3.考察静磁化矢量与各参数关系
主题
宏观磁化
课时
1课时
注意事项
射频磁场的方式较为抽象，最好配图说明；
教学重点
重点：
正确理解共振跃迁；
教学难点
难点：
射频磁场的“同相”作用和方式；
教学目的
施加RF后，磁核的能量分布和矢量有什么变化？
回顾
回顾上节课所讲重点内容，主要回顾静磁化矢量；
射频“磁”场
电磁波
电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场种电磁波在真空中速率固定，速度为光速。
电磁辐射由低频率到高频率，主要分为：
无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。
定义
射频简称RF射频就是射频电流，
它是一种高频交流变化电磁波的简称。
分类
在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；交变电流通过导体，导体周围会形成交变的电磁场，称电磁波
应用
射频除皱
射频除皱的原理是：
射频波穿透表皮基底黑色素细胞的屏障，使真皮层胶原纤维加热至55℃-65℃，胶原纤维收缩，使松弛的皮肤皱纹被拉紧，从而达到美容去皱的目的。
有线电视
将高频电流或波导形式的能量变换成电磁波并向规定方向发射出去或把来自一定方向的电磁波还原为高频电流。
RF信号
稳定状态下的M0
提问：
为什么MZ无法测量？
MZ比B0小太多，且震荡信号，导致M0无法检测
RF的方式
RF脉冲实际上就是在XY平面的旋转磁场B1，其磁场方向垂直于Z轴，沿着拉摩尔频率转动，发射时间非常短促。
RF信号的作用
低能级的质子数吸收RF磁场能量，跃迁高能级，结果MZ随之减小，甚至方向变化。
画图说明
同相作用，可得新的Mxy，Mxy绕着Z轴做w的旋进运动。
举例：
扇子的打开和合上
宏观矢量
见书，提醒学生注意区分。
宏观和分量的关系。
常用RF脉冲
分类
90°脉冲
M翻转到XY面
180°脉冲
M翻转到Z轴
信号检测
MR信号
电磁感应
Mxy的运动引起线圈的磁通量发生变化，产生感应电流。
MR现象
“共振”跃迁
射频提供的能量正好等于△E，射频频率与旋进频率相等发生共振。
※※※拉莫尔进动方程
总结
MR现象及时原子核在旋进中吸收外界能量产生的能级跃迁现象，外界能量是由垂直于B0,且以拉摩尔频率变化的交变磁场B1提供的。
核磁共振
核指的是人体中的氢核，磁指的是静磁场和射频磁场，共振指的是当射频频率与原子核旋进频率一致时，原子核的能级间发生共振跃迁。
简化知识点
RF是一个磁场，方向垂直于B0，作用就类似于小磁针在两个相互垂直的磁场中的运动。
练习题
1.考察RF作用，以30°RF脉冲为例
2.考察拉莫尔进动方程
3.稳定状态下与非稳状态下的异同
4.MR信号的检测
主题
弛豫
课时
1课时
注意事项
弛豫过程中纵向弛豫和横向弛豫的始末状态不同，应帮助学生记住并理解；
教学重点
正确理解弛豫的对于信号检测的作用，以及T1和T2弛豫的规律
教学难点
横向弛豫和纵向弛豫的表现形式和产生机制的对应关系。
教学目的
理解：
不同组织或病灶到底是发出的信号有什么区别？
回顾
基态
激发态
RF的作用与纵向矢量变化的关系
RF的作用与横向矢量变化的关系
弛豫
字面意思
放松，回到平常
举例：
1.考试前紧张，考完逐步放松
2.拉进的弹簧，撒开以后
以例子代入
RF作用非常短，类似于静磁场中的磁针拨动了一下，然后这种状态吸收了能量成为激发态，然后逐步的磁针方向要回到原来状态，也就是基态。
这个恢复的过程叫做弛豫
对顶圆锥上表示弛豫的过程
提问：
RF的作用过程，弛豫即为其反过程。
弛豫过程
弛豫过程
定义见书上191页
纵向矢量表现
被压的弹簧回弹
横向矢量表现
合住的扇子打开
纵向矢量
恢复到玻尔兹曼分布
横向矢量
散相
纵向矢量
增长到平衡
横向矢量（画图）
递减到0
纵向矢量（画图）
自旋-晶格
作用机制
自旋-自旋
T1弛豫
定义
T2弛豫
定义
相互独立性
普遍规律
横向弛豫速度快
理论：
RF激发时间超短，所以一般认为弛豫过程从RF结束后开始计时
弛豫时间
纵向弛豫时间T1
定义（图上表示）
横向弛豫时间T2
定义（图上表示）
看图说话
T1和T2和完全恢复时间的关系
举例
不同组织的弛豫时间
同一物质，不同RF下的弛豫时间（30°90°180°）
同一物质，不同静磁场下的弛豫时间
提问
弛豫时间的规律如何利用
以横向弛豫为例画图解答，不同时间点检测，信号不同。
总结重点
弛豫
弛豫过程
弛豫时间
90°后弛豫过程
主题
信号的产生与检测
课时
1课时
注意事项
教学重点
组织内氢核的稳态、激发态、弛豫过程、信号检测时间的选择
教学难点
知识链条的断裂或空白，对磁共振过程不够熟练
教学目的
捋顺之前的知识，以最简单FID序列进行理解。
检测时间
RF之后的某个时间点，根据不同组织的T1和T2规律进行设定。
线圈的布置
电磁感应的发现
法拉第的故事
在垂直于XY面上布置线圈
检测的是MXY变化过程，引起了电磁感应，检测感应电动势。
氢核
原子核的质子和中子数
氢核是自旋核，即为磁核，有磁距
平衡状态下的宏观磁化矢量
大量磁核放入静磁场中，磁距方向分布
宏观磁化矢量的影响因素
纵向磁距和横向磁距的特点
能级分布
对顶圆锥（上为低能级，下为高能级）
平衡状态下的玻尔兹曼分布，Nl>Nh
平衡状态下的纵向磁化矢量和横向磁化矢量
RF作用
激发态
RF的作用
纵向磁化矢量和横向磁化矢量的变化
弛豫与弛豫时间
RF撤销后,纵向磁化矢量变化过程，T1的定义
RF撤销后，横向磁化矢量变化过程，T2的定义
信号检测
只能检测横向磁化强度矢量变化产生的感应电动势。
FID
90°射频作用
纵向变化
横向变化
撤销脉冲
纵向变化
横向变化
检测
纵向无法检测
横向可以检测
应用
组织甲和组织乙的曲线
不同检测时间可以区分出来某组织的信号。
思考题
以现有知识，利用90°和180°脉冲组合，检测T1不同的两种组织的信号。
答案：
1个用90°，一个用180°，合适时间后再都用90°即可。
纵向矢量表现
被压的弹簧回弹
纵向矢量
恢复到玻尔兹曼分布
纵向矢量（画图）
增长到平衡
作用机制
自旋-自旋
普遍规律
横向弛豫速度快
主题
信号的产生与检测
课时
4课时
注意事项
本节内容比较抽象，对各分量梯度磁场空间分布和作用需要介绍清楚
教学重点
空间定位的理解
教学难点
频率编码和相位编码的正确理解
教学目的
直接采集的信号不具有空间信息，如何对这些信息与空间坐标相对应？
静磁场的坐标系
空间坐标系
图片形式展示
符合右手定则
检查床上的静磁场方向
方向与Z轴的方向反向
举例，头部冲里时
回顾磁共振现象的条件
直接加RF脉冲的后果
MR信号无重点，无空间信息
梯度场
生活中的梯度
楼梯
离散的
MR中应用的梯度
上坡或者下坡
连续的
☆梯度磁场
定义
向量场
三个方向均有梯度磁场
每个方向加入一个梯度场，叠加上主磁场就会有连续变化的磁场
提问？
如果可以直接加梯度场，为什么还需要静磁场？
叠加效果
主磁场和梯度场叠加
图片表示
沿着坐标进行动态修改
☆叠加效果的影响
1.磁场影响
☆2.共振频率的影响
☆选层
选层梯度
解释9-31的图
按照书上解释公式
例题
梯度磁场计算对应
给出RF频率
☆☆结合MR共振公式
Z轴方向上每点磁场强度都不同
每点的共振所需频率也不同。
方波脉冲
方波脉冲、视域脉冲、高斯脉冲
例题
梯度磁场计算对应
给出RF频率
层厚
影响参数
带宽
正比
梯度强度
反比
最小层厚
RF脉冲一定的前提下，最小层厚却矩矱梯度场能达到最大强度
强度越大，获得层面越薄
提问
Gz信号的给定时间
RF信号给定时
练习题
回顾
相位的表示方法和理解。
进动角频率与静磁场强度关系。
☆提问：
区分清楚拉莫尔进动频率和共振频率
（1.拉莫尔频率是原始属性，2.共振频率=拉莫尔进动频率）
引入问题
层厚选择后，信号是否具有空间信息？
举例魔方和教室内的声音。
信号特点
只有某层发生磁共振现象，但是发出信号中不具有空间信息。
（复合共振信号）
相位编码
利用相位差标定空间位置的方法
相位编码梯度磁场
梯度场方向与z轴共线
磁场大小仅随Y轴的变化而变化
作用区分出来不同y轴坐标（作图表示）
旋进频率
1.不同Y值上旋进频率不同
2.旋进频率的计算
3.相位差的计算
相位记忆
GY施加前，所有Mxy自旋频率一致
Gy作用过程中，所有的Mxy之间的频率不一致。
☆GY施加后，所有的Mxy自旋频率恢复一致，相位差被保留。
二维图示
图9-35a
解释上点
图9-35b
准备梯度
作用时间：
很短
作用期间信号不被检测
为检测信号做准备
三维图示
解释
相位
编码步
定义（见书）
数据采集周期=梯度接通次数=脉冲幅度变化次数
举例128x100，需要多少次？
答案100次
练习题
1-进动频率计算
2-相位差计算
3-等量关系
回顾
层厚选择、相位选择与梯度磁场的关系
引入问题
两排学生起来，每列学生发生频率一致，仍不能确定学生的具体位置。
频率编码
利用不同频率标定空间位置的方法
频率编码梯度磁场
梯度场方向与z轴共线
磁场大小仅随X轴的变化而变化
作用区分出来不同X轴坐标（作图表示）
区分方法
1.不同Y值上旋进频率不同
2.旋进频率的计算
3.不同频率的计算
二维图示
图9-36（同幅度，不同频率）
读出梯度
频率编码梯度一般只在MR信号出现时施加（检测信号时持续施加）
主题
总结空间定位
课时
1课时
空间定位的总结
比较层内与层
升级会员 