医用物理学论文

课程论文 班级：2011 级生物医学工程 学号：11111032 姓名：陈颖怡 核磁共振的原理及医学应用 陈颖怡 11 级生物医学工程 内容摘要：核磁共振也称为磁共振，是物质原子核磁矩在外磁场的 作用下能级发生分裂，并在外加射频磁场的能量条件下产生的能级 跃迁的核物理现象。核磁共振现象是 1946 年发现的，这一发现最初 应用于波谱学。1950 年化学位移理论的提出使第一台核磁共振谱仪 诞生，经过 20 年的研究，核磁共振成像技术得到空前的发展，如今 已成为临床诊断的重要手段。核磁共振成像技术不仅能获得人体器 官和组织的解剖图像，而且还能显示它们的功能图像，从而提供了 与生理、病理变化有关的信息。 关键词：核磁共振、核磁共振成像原理、优点、医学应用 一 核磁共振 原子核除了具有电荷和质量外，约有半数以上的原子核具有自旋。没有外磁场 时，自旋方向是任意的。由于原子核具有自旋，它在周围空间激发磁场，因而 具有磁矩，磁矩方向与自旋方向相同。当原子核处在外磁场中时，不仅核自旋 空间取向量子化，而且同时绕外磁场进动，如果在与外磁场垂直的平面内再施 加一个射频脉冲，当射频脉冲的角频率与核磁矩绕外磁场的进动角频率相等时， 会产生核磁共振现象。此时磁场中的自旋核最大限度地吸收外界辐射进来的电 磁能量，发生能级跃迁，并产生强弱不同的吸收讯号。当射频脉冲关断后，处 于激发态的核系统释放能量而恢复到正常状态，这种现象称为弛豫。弛豫过程 按照观测方向可以分为纵向弛豫和横向弛豫，弛豫过程进行的快慢用弛豫时间 来描述。 二 核磁共振成像原理 核 磁 共 振 成像，也称磁共振成像。是利用核磁共振原理，依据所释放的能量在 物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁 场 检测所发射出的电 磁 波 ，即可得知构成这一物体原 子 核 的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的 结构图像。 它是利用磁场与射频脉冲使人体组织内进动的氢核发生章动产生射 频信号，经计算机处理而成像的。原子核在进动中，吸收与原子核进动频率相 同的射频脉冲，即外加交变磁场的频率等于拉 莫 频 率 ，原子核就发生共 振 吸收， 去掉射频脉冲之后，原 子 核 磁 矩 又把所吸收的能量中的一部分以电磁波的形式 发射出来，称为共振发射。共振吸收和共振发射的过程叫做“核磁共振” 。核磁 共振成像的“ 核” 指的是氢原子核，因为人体的约 70%是由水组成的。当把物体 放置在磁场中，用适当的电磁波照射它，使之共振，然后分析它释放的电 磁 波 ， 就可以得知构成这一物体的原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的 精确立体图像。 核磁共振波谱仪主要由 5 个部分组成。磁铁:它的作用是提供一个稳定的高强 度磁场。扫描发生器：在一对磁极上绕制的一组磁场扫描线圈，用以产生一 个附加的可变磁场，叠加在固定磁场上，使有效磁场强度可变，以实现磁场强 度扫描。射频振荡器：它提供一束固定频率的电磁辐射，用以照射样品。 吸收信号检测器和记录仪：检测器的接收线圈绕在试样管周围。当某种核的进 动频率与射频频率匹配而吸收射频能量产生核磁共振时，便会产生一信号。记 录仪自动描记图谱，即核磁共振波谱。试样管：直径为数毫米的玻璃管，样 品装在其中，固定在磁场中的某一确定位置。整个试样探头是迅速旋转的，以 减少磁场不均匀的影响。 核磁共振成像过程：自旋核吸收外来电磁辐射的能量，核系统的磁化矢量通过 进动而偏离磁场方向。当射频脉冲关断，处于受激共振状态的原子核通过弛豫 过程释放能量和恢复原来状态，并且向外发射电磁波，即核磁共振信号。用探 测线圈将核磁共振信号收集起来送到电脑系统作数据处理，借助梯度磁场对受 检体的层面和体素进行位置编码，以及使用特定的图像重建算法，可以获得被 扫描层面的磁共振图像。 核磁共振成像方法是将人体组织所发出的微弱的核磁共振信号重建成一幅二维 断面图像的方法。核磁共振成像方法主要有点成像法线成像法面成像法 体积成像法。点成像法是对每个组织体素信号逐一进行测量成像的方法。线成 像法是一次采集一条扫描线数据的方法。面成像法是同时采集整个断面数据的 成像方法。体积成像法是在面成像法的基础上发展起来的，不使用选层梯度进 行面的选择，而是施加二维的相位编码梯度和一维的频率编码梯度，同时对组 织进行整个三维体积的数据采集和成像方法。 三 核磁共振成像系统 核磁共振成像系统是根据核磁共振基本原理结合计算机断层图像重建原理而开 发的一种影像设备，因此又称为核磁共振断层扫描装置。核磁共振成像系统分 为：磁体子系统，射频子系统，梯度场子系统，谱仪子系统，计算机系统等。 磁体子系统是核磁共振成像装置的关键设备，用以产生主磁场，使组织在其中 产生沿磁场方向的宏观磁化。射频子系统是核磁共振系统中实施射频激励并接 收核磁共振信号的功能单元。由于核磁共振信号的幅值只有微伏级，因而射频 接收系统的灵敏度和放大倍数都非常高。梯度场子系统提供确定质子核磁共振 三维信号的磁场，即层面选择，频率编码，相位编码。谱仪子系统是核磁共振 系统设备的中心控制系统，负责产生，控制序列的各个环节的协调运行，如射 频的发射时序，梯度的配合施加时序，接收线圈的接收等等。计算机子系统的 功能包括三个方面：一 负责将操作者选择的成像软件用网络发送给谱仪子系统。 二 负责将 K 空间中存储的数据进行重建和显示。三 对图像进行一些基本的处 理。 四 优点 1 对软 组 织 有极好的分辨力。对膀 胱 、直 肠 、子 宫 、阴 道 、骨 、关 节 、肌 肉 等部位的检查优于计算机层析成像； 2 各种参数都可以用来成像，多个成像参数能提供丰富的诊断信息，这使得医 疗诊断和对人体内代谢和功能的研究方便、有效。可区别良性肿 瘤 与恶性肿瘤； 3 通过调节磁场可自 由 选 择 所需剖面。能得到其它成像技术所不能接近或难以 接近部位的图像。对于椎间盘和脊髓，可作矢状面、冠状面、横断面成像，可 以看到神 经 根、脊 髓 和神经节等。不像计算机层析成像只能获取与人体长轴垂 直的横断面； 4 对人体没有电 离 辐 射 损伤； 5 原则上所有自旋不为零的核元素都可以用以成像。 五 医学应用 大量实验证明：由于整个人体各组织器官内自由水和结合水的相对含量存在明 显差异，所以各个组织具有不同的纵向弛豫时间和横向弛豫时间，并且正常组 织与病变组织之间横向弛豫时间和纵向弛豫时间也不相同。利用这种差异，可 以建立人体组织解剖学图像，为临床诊断提供依据。核磁共振成像在医学上的 应用主要有两个方面，一是采用核磁共振一维技术，有效地研究人体的代谢过 程，根据疾病所引起的代谢异常在光谱上的改变进行诊断。二是采用核磁共振 多维谱技术，可以给出人体组织解剖学上的平面像或立体像，还可以测量血流。 核磁共振的成像可以与几个参数有关，这些参数包括：核自旋密度，纵向驰豫 时间与横向驰豫时间，化学位移及血流等。用不同的脉冲序列突出或抑制某些 参数在成像中的作用，使像的灰度在相当大的范围内变化，从而得到更多的信 息。它可以对人体脊髓，脑，肝，肺等各个器官直接成像，勿需借助造影剂， 并有较理想的清晰度，可以观测出血流量，显示心脏活动。它不仅能显示形态， 还能提供有关功能的生化信息，从而大大地提高了诊断的准确性，有利于对突 发性心肌梗塞和肝瘤等疾病的早期诊治。核磁共振技术在创新药物研究及药物 质量控制方面具有广泛的应用，不仅能定性定量分析药物及杂质，而且可以用 它分析各种中药和西药的结构。核磁共振技术在活性药物化合物的筛选方面有 着巨大的潜力，尤其在基于靶分子的筛选能够节省大量的时间和费用及其发现 活性化合物方面的有效性是其它方法所不可替代的。核磁共振技术在体内药物 分析中也有较广泛的应用，具有简便性、无损伤性、连续性、高分辨性等优点。 结语 核磁共振是指原子核在外加恒力磁场作用下产生能级分裂，从而对 特定的电磁波发生共振吸收的现象。它通过利用原子核在磁场中的 能量变化来获得关于原子核的信息，具有迅速、准确、分辨率高等 优点。核磁共振成像技术是核磁共振在医学领域的应用。核磁共振 成像技术是一种非介入探测技术，相对于 X-射线透视技术和放射造 影技术，核磁共振成像对人体没有辐射影响，相对于超声探测技术， 核磁共振成像更加清晰，能够显示更多细节，此外相对于其他成像 技术，核磁共振成像不仅仅能够显示有形的实体病变，而且还能够 对脑、心、肝等功能性反应进行精确的判定。在疾病的诊断方面， 核磁共振成像技术发挥了非常重要的作用。 英文摘要 Nuclear magnetic resonance, also known as magnetic resonance, nuclear magnetic moment is substances under the influence of external magnetic field-level split, and external RF energy of the magnetic field under the condition of energy levels of transition phenomena of nuclear physics. Nuclear magnetic resonance phenomenon is 1946 years discovered, this discovery was originally applied to spectroscopy. 1950 years theory of chemical shifts the first NMR spectrometer was born,after 20 years of research, the unprecedented development of magnetic resonance imaging, now have become important means for clinical diagnosis. Magnetic resonance imaging Anatomy of human organs and tissues can be not only images, but also displaying ima