核磁共振教学课件

核磁共振教学课件第一章核磁共振基础原理核磁共振的发现与发展11940年代核磁共振现象发现Felix Bloch（斯坦福大学）与Edward Purcell（哈佛大学）分别独立发现了核磁共振现象这一发现揭示了原子核在强磁场中的共振行为，为后续的医学应用奠定21952年诺贝尔物理学奖了理论基础Bloch和Purcell因核磁共振发现共同获得诺贝尔物理学奖，标志着这项技术得到国际科学界的高度认可，推动31970年代医学成像突破了核磁共振技术的进一步发展Paul Lauterbur发明了核磁共振成像技术，PeterMansfield发展了快速成像方法他们的工作使核磁共42003年诺贝尔医学奖振从实验室走向医院，开创了医学影像学的新时代什么是核磁共振（）？NMR核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance,NMR）是一种基于原子核自旋特性的物理现象当具有磁矩的原子核置于强磁场中时，会产生能级分裂通过施加特定频率的射频脉冲，可以激发核自旋从低能级跃迁到高能级，产生可检测的共振信号这种现象的本质是原子核磁矩在外磁场中的进动运动当射频脉冲停止后，激发态的原子核会回到基态，同时释放能量，形成我们能够检测到的核磁共振信号0102磁场作用射频激发原子核自旋在强磁场中产生能级分裂特定频率的射频脉冲激发核自旋跃迁03信号采集图像重建核自旋弛豫过程中释放的信号被检测器捕获经典核磁共振实验示意图中展示了核磁共振的基本实验装置强磁场使原子核自旋定向排列，射频线圈产生垂直磁场的射频脉冲，激发核自旋共振当核自旋从激发态回到基态时，会产生感应电流，这就是我们检测到的核磁共振信号核自旋与磁矩核自旋的基本特征原子核由质子和中子组成，它们都具有内禀的自旋角动量当质子数或中子数为奇数时，原子核具有非零的总自旋，从而产生核磁矩，表现得像一个微小的磁铁氢核（质子）是最简单的原子核，自旋量子数为1/2，具有最强的核磁信号由于人体约70%由水组成，氢核含量极为丰富，因此成为医学MRI成像的首选核种重要提示只有自旋不为零的原子核才具备核磁共振活性常见的核磁活性核包括¹H、¹³C、¹⁵N、¹⁹F、³¹P等拉莫尔频率（）Larmor Frequency拉莫尔方程物理意义临床参数拉莫尔频率描述了核磁矩在外磁场中的

1.5特斯拉磁场

63.87MHz

3.0特斯拉进动频率这个频率与磁场强度成正磁场

127.74MHz

7.0特斯拉磁场比，是核磁共振实验中射频脉冲的基准

297.18MHz₀拉莫尔频率旋磁比（核种特ωγ频率征常数）B₀静磁场强度拉莫尔频率的精确控制是核磁共振技术的核心通过调节射频脉冲频率，可以选择性激发特定的原子核，实现高精度的成像和谱学分析磁化矢量与自旋动态磁化矢量的物理概念平衡态磁化矢量M表示单位体积内所有核磁矩的矢磁化矢量沿z量和在热平衡状态下，由于低能级核自旋轴方向数目略多于高能级，磁化矢量沿外磁场方向（通常定义为z轴）排列，形成纵向磁化射频激发当施加垂直于主磁场的射频脉冲时，磁化矢矢量偏转至xy量会偏离z轴，在xy平面内产生横向磁化分平面量这种横向磁化的进动运动会在接收线圈中感应出交变电流，形成可检测的核磁共振信号信号检测横向分量产生感应信号磁化矢量动态演示此图详细展示了磁化矢量在射频脉冲作用下的动态变化过程初始状态下，磁化矢量平行于主磁场（B₀）方向当施加90°射频脉冲时，磁化矢量被翻转到横向平面，开始以拉莫尔频率进动这种进动运动产生的磁通量变化在接收线圈中感应出核磁共振信号弛豫过程与T1T2T1弛豫（纵向弛豫）T2弛豫（横向弛豫）T1是纵向磁化恢复到平衡值63%所需的时间常数这一过程涉及激发态核自旋向周围分子晶格释放能量，因T2是横向磁化衰减至初始值37%所需的时间常数这一过程源于相邻核自旋间的相互作用，导致相位一致性此也称为自旋-晶格弛豫T1值反映了组织的分子运动特性的丧失，也称为自旋-自旋弛豫T2值体现了局部磁场的均匀性组织类型T1值ms T2值ms特征脂肪240-25080-120T1短，T2中等肌肉870-90040-50T1长，T2短脑脊液40002000T1很长，T2很长灰质920100T1中等，T2中等第二章核磁共振成像技术从基础的核磁共振现象到复杂的医学成像系统，需要精密的硬件设备和巧妙的成像序列设计本章将详细解析MRI系统的各个组成部分，以及如何通过巧妙的脉冲序列实现高质量的医学图像重建系统组成MRI主磁体系统梯度线圈系统产生强大而均匀的静磁场，是整个MRI系统的核心临由X、Y、Z三个方向的梯度线圈组成，用于空间编码和床常用

1.5T和

3.0T超导磁体，需要液氦冷却维持超导状图像定位梯度线圈的快速切换产生空间相关的磁场变态磁场均匀性要求极高，通常小于1ppm化，实现层面选择、相位编码和频率编码射频系统计算机系统包括发射线圈和接收线圈，负责产生激发射频脉冲和接收控制整个成像过程，包括脉冲序列执行、数据采集、图像核磁共振信号现代MRI使用多通道相控阵线圈，显著重建和后处理配备高性能处理器和专用图像重建硬件，提高信噪比和成像速度实现实时成像梯度磁场与空间编码三维空间编码原理MRI通过三个正交方向的梯度磁场实现空间定位每个梯度线圈在其作用方向上产生线性变化的磁场，使不同位置的原子核具有不同的拉莫尔频率，从而实现空间分辨层面选择梯度（Gss）确定成像层面位置和厚度相位编码梯度（Gpe）在相位编码方向引入空间相关的相位差频率编码梯度（Gfe）在频率编码方向产生空间相关的频率差梯度切换噪声梯度线圈的快速通断电流会产生强烈的机械振动，形成MRI扫描时特有的敲击声现代MRI通过优化梯度波形和使用静音技术来减少噪声脉冲序列基础90°射频脉冲1将磁化矢量从纵向（平衡态）翻转到横向平面，产生最大的横向磁化分量，是获得核磁共振信号的基础脉冲持续时间通常为1-5毫秒180°射频脉冲2将磁化矢量翻转180°，主要用于自旋回波序列中重聚相位，消除磁场不均匀造成的信号衰减，提高图像质量梯度脉冲3与射频脉冲协同工作，实现空间选择性激发和信号采集梯度脉冲的时序和强度决定了最终图像的空间分辨率和对比度脉冲序列是MRI成像的程序，通过精确控制射频脉冲和梯度脉冲的时序、幅度和相位，实现不同的成像效果和诊断目标自旋回波脉冲序列详解自旋回波（Spin Echo,SE）是最基本也是最重要的MRI脉冲序列序列开始时，90°射频脉冲激发组织产生横向磁化；经过时间TE/2后，施加180°脉冲使失相的自旋重新聚焦，在TE时刻产生回波信号这种设计有效消除了磁场不均匀造成的信号损失，提供了优异的图像质量和组织对比度图像对比机制T1加权成像T2加权成像质子密度加权使用短TR和短TE参数，突出显示T1弛豫差使用长TR和长TE参数，突出显示T2弛豫差使用长TR和短TE参数，最大程度反映组织异脂肪组织T1短，信号亮；水分T1长，异水分T2长，信号亮；脂肪T2相对较中氢原子的浓度消除T1和T2效应的影信号暗T1WI适合显示解剖结构，脂肪、短，信号较暗T2WI对病变敏感，炎症、响，纯粹显示质子密度差异，适合显示软蛋白质等大分子物质信号较强水肿等病理改变表现为高信号骨、关节液等结构化学位移与谱学应用化学位移现象原子核周围的电子云会屏蔽外磁场，导致不同化学环境下的同种原子核具有略微不同的共振频率这种频率差异称为化学位移，通常以ppm（百万分之一）为单位表示在MRI中，脂肪和水的化学位移约为

3.5ppm，在

1.5T磁场下对应约220Hz的频率差这种差异可能导致脂肪组织在图像上出现位移，需要通过脂肪抑制技术来解决磁共振波谱学（）MRSMRS利用化学位移现象检测组织内的代谢物，如N-乙酰天门冬氨酸（NAA）、胆碱（Cho）、肌酸（Cr）等这些代谢物的浓度变化能够反映组织的病理生理状态，为疾病诊断提供重要信息第三章核磁共振的临床应用与安全MRI作为现代医学不可缺少的诊断工具，在临床实践中发挥着重要作用然而，强磁场环境也带来了特殊的安全考虑本章将全面介绍MRI的临床应用价值以及必须严格遵守的安全规范临床的优势MRI无电离辐射优异软组织对比MRI使用磁场和射频波，不产生X射线等电离辐射，对人体无MRI对软组织具有极佳的对比分辨率，能够清晰显示大脑、脊害孕妇在必要时也可进行MRI检查，为儿科和妇产科提供了髓、关节软骨、肌肉等结构的细微差异，在神经系统和肌骨系安全的成像选择统疾病诊断中具有不可替代的优势多平面成像功能成像能力可以直接获得任意方向的断层图像，包括矢状面、冠状面、轴除了形态学成像，MRI还能进行功能成像，如弥散加权成像状面以及斜面成像，为外科手术规划和放疗定位提供精确的解（DWI）、灌注成像（PWI）、功能性MRI（fMRI）等，提剖信息供组织功能和生理状态的信息典型临床应用案例神经系统成像脊柱疾病诊断脑肿瘤的定位、分型和术前评估；脑梗死的早期诊断；多发性椎间盘突出、椎管狭窄、脊髓肿瘤、脊椎感染等疾病的精确诊硬化等脱髓鞘疾病的检测；癫痫病灶的定位等MRI在神经外断MRI能够同时显示骨性结构和神经组织，为脊柱外科提供科手术规划中发挥关键作用完整的诊断信息关节软组织评估心血管成像膝关节半月板撕裂、韧带损伤、软骨退变等运动损伤的诊断心肌梗死的定量评估、心肌病的诊断、先天性心脏病的形态学MRI对关节内软组织结构的显示能力远超其他影像学检查方分析心脏MRI能够提供心功能定量参数和心肌活力信息法脑部肿瘤对比成像MRI此图展示了脑部肿瘤在MRI上的典型表现肿瘤组织由于病理改变导致T

1、T2弛豫时间发生变化，在T1加权像上通常表现为低信号，在T2加权像上表现为高信号增强扫描后，由于血脑屏障破坏，造影剂进入肿瘤组织，使肿瘤边界更加清晰，有助于确定肿瘤的性质、范围和与周围正常组织的关系安全注意事项MRI强磁场安全风险植入物禁忌症飞行物效应铁磁性物品在强磁场中会被强烈吸引，可能以绝对禁忌心脏起搏器、神经刺激器、胰岛素泵、人工耳蜗极高速度飞向磁体，造成严重的人身伤害和设备损坏氧气等电子设备；眼内金属异物；早期的动脉瘤夹等这些植入瓶、轮椅、金属工具等必须严格管制物可能因磁场作用而移位或功能异常射频加热效应噪声防护要求SAR限制射频能量沉积可能导致组织温度升高现代听力保护MRI扫描噪声可达100分贝以上，所有进入扫描MRI系统严格监控比吸收率（SAR），确保患者安全金属室的人员必须佩戴耳塞或耳罩长期暴露可能导致听力损植入物周围尤需注意局部加热风险伤，特别是婴幼儿更需要加强保护最新技术进展超高场MRI技术功能性MRI分子影像技术7T及以上超高场MRI显著提高了图像分fMRI通过检测血氧水平依赖（BOLD）磁共振波谱成像（MRSI）和扩散张量成像辨率和信噪比，能够显示更加精细的解剖信号变化，实现脑功能活动的无创检测（DTI）提供了分子水平的组织信息DTI结构在神经科学研究中，7T MRI可以在神经外科术前评估中，fMRI能够定位能够显示白质纤维束的走行方向，为神经清楚显示大脑皮层的层状结构，为脑功能语言、运动等重要脑功能区，降低手术风外科手术路径规划提供重要参考研究提供前所未有的细节险特斯拉超高场设备7MRI图中展示的7T MRI代表了目前磁共振成像技术的最高水平与常规

1.5T或

3.0T设备相比，7T MRI的信噪比提高了一倍以上，空间分辨率可达亚毫米级然而，超高场也带来了技术挑战，包括射频不均匀性、化学位移增大、特定吸收率升高等问题，需要专门的技术解决方案核磁共振教学总结物理基础掌握序列设计原理深入理解核自旋、磁化矢量、弛豫过程脉冲序列的设计直接决定了图像的质等基本概念是掌握MRI技术的关键只量、对比度和诊断价值掌握不同序列有扎实的物理基础，才能理解各种成像的特点和适用范围，是临床MRI应用的现象和优化成像参数核心技能安全意识培养临床应用实践MRI的强磁场环境具有特殊的安全风MRI在临床各科室都有广泛应用，了解险，严格遵守安全规范是保障患者和医不同疾病的影像表现和诊断价值，能够务人员安全的基本要求，绝不能掉以轻为临床决策提供有力支持心课后思考题123氢核成像优势加权图像对比空间定位机制思考要点为什么氢核（¹H）是MRI分析重点T1与T2加权图像在组织对技术原理梯度线圈是如何实现空间成像的首选核种？请从自旋特性、体比上有何主要区别？脂肪、水、病变定位的？请详细说明层面选择、相位内含量、信号强度等角度分析氢核的组织在两种加权图像上的信号特点如编码、频率编码的工作原理，以及它优势对比其他核磁活性核种（如何？这些差异如何指导临床诊断？们如何协同实现三维空间编码¹³C、³¹P）的成像特点参考文献与推荐学习资源核心教材在线学习平台专业期刊•Steffen Ringgaard•全国高校微课教学平台核磁共振•《MagneticResonancein《Introduction toNMR》-核技术视频课程Medicine》-顶级MRI研究期磁共振基础理论权威教材刊•中国大学MOOC医学影像学专业•Muhannad Al-Mukhtar课程•《中华放射学杂志》-国内影像《Principles ofMRI》-MRI学权威期刊•Coursera斯坦福大学MRI物理成像原理详解学课程•《NMR inBiomedicine》-生•Sarah Bohndiek《The物医学NMR应用期刊•YouTube MRI教育频道优质内Physics ofMRI》-MRI物理容合集学深度解析•《医学影像物理学》-中文核磁共振教学参考书核磁共振设备内部结构详解此详细的剖面图展示了MRI扫描仪的复杂内部结构最外层是液氦冷却系统，维持超导磁体在

4.2K的极低温度下工作主磁体线圈产生强大的静磁场，梯度线圈系统嵌套在主磁体内部，射频线圈位于最内层与患者最近这种精密的多层结构设计确保了磁场的高度均匀性和系统的稳定运行常见误区与解答误区MRI有辐射危害误区MRI能检测所有疾病误区轻视金属物品管制正确认识MRI使用磁场和射频波，不客观评价MRI在软组织成像方面优势安全警示强磁场对铁磁性物品的吸引产生任何电离辐射，与X射线、CT完全明显，但对骨折、肺部疾病、胃肠道疾力可达数千倍重力加速度，小到回形针不同射频能量远低于手机辐射，对人病的检测能力有限骨折首选X射线或也可能成为致命武器必须严格执行金体无害这是MRI相对于CT的重要优CT，肺部疾病首选胸片或胸部CT属探测和安全检查，绝不能有侥幸心势之一理谢谢聆听！欢迎提问与交流通过今天的学习，我们全面了解了核磁共振从基础物理原理到临床应用的完整知识体系MRI作为现持续学习代医学的重要诊断工具，其发展历程体现了科学技术进步对医学实践的巨大推动作用MRI技术不断发展，保持学习热情希望同学们能够深入思考所学内容，将理论知识与实际应用相结合，为今后的专业学习和临床工作打下坚实基础实践应用理论结合实际，提升专业能力安全第一时刻牢记安全规范，保障医疗质量。