材料科学与人类文明

材料科学与人类文明材料科学与工程学系王秀丽wangxl@试题填空（30分，每空0.5分）选择（30分，每题2分）判断（10分，每题1分）简答题（15分，每题5分）论述题（15分，共2题）时间：2012年1月11日晚18:30-20:30紫金港东2-203考试可携带资料：教材书、笔记、课件打印件（禁止携带电子文本及其他形式的资料，如手机存储等）授课课件提纲绪论:人类发展史与材料科学发展材料结构基础材料性能基础材料力学性能纳米材料专题新能源材料专题材料是人类社会进步的里程碑材料金属材料无机非金属材料：陶瓷，玻璃，玻璃陶瓷等高分子材料：橡胶，塑料，胶粘剂复合材料：金属基，陶瓷基，高分子基黑色金属：钢，铁，钨有色金属：铝，铜，钛，金，银等材料的分类—按价键结构金属键离子键和共价键共价键和分子键功能材料具有优良的光学、电学、磁学、声学、热学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的之高技术材料。定义

磁性材料软磁材料、硬磁材料、磁记录材料

电性材料电阻合金、电热合金、电触点材料、超导材料

光学材料光纤、光学传感器、激光材料

声学材料声光晶体、吸音材料、隔音材料力学材料弹性合金、恒弹性合金化学功能材料催化材料、耐蚀材料、燃料电池、气体传感器分类应用电子、信息、能源、医学、核工业、军工材料科学与工程研究材料制备（成分）——结构——性能之间关系的科学主要内容原子、离子和分子金属键、离子键和共价键晶体结构：晶胞，晶面指数，晶向指数晶体缺陷：点缺陷，线缺陷，面缺陷合金的基本相：固溶体和中间相化学键材料的性能是由以下因素决定的：内因成分——材料是由哪些物质（原子）构成的？化学键——构成材料的原子如何结合在一起？晶体结构——构成材料的原子是如何排列的？外因温度、压力和化学键关系密切的材料性能：密度、导电性、导热性、热膨胀、硬度金属金属由金属键结合，具有下列特征：良好的导电、导热性；良好的塑性变形能力（因为金属键没有方向性，原子间没有选择性）；不透明，呈现金属光泽；电阻随温度升高而增大。晶体和非晶体晶体：固体材料中原子在三维空间呈周期性规则排列，有规则外形，有一定熔点，各向异性。举例：食盐、蔗糖非晶体：原子不规则排列，无规则外形，无一定熔点，各向同性。举例：萘雪花六种形貌实际晶体SEM照片大多数固态金属內部的原子都在三微空间整齐规律地排列（晶体）。因此其原子位置可以画成三微空间立体格子形式，称为晶格

(crystallattice)；构成晶格的最小立体格子单位称晶胞(unitcell)。金属的主要晶体结格有三种：面心立方（Face-centeredcubic,FCC）体心立方（Body-centeredcubic,BCC）密排六方（Hexagonalclose-packed,HCP）金属晶体结构晶面间距越大，则该晶面上原子排列越密集晶面间距越小，则该晶面上原子排列越稀疏晶体缺陷实际晶体并不是完整的，含有许多缺陷。这些缺陷可分为点缺陷、线缺陷及面缺陷。“Crystalsarelikepeople,itisthedefectsinthemwhichtendtomaketheminteresting!”——ColinHumphreys点缺陷产生原因：①热运动；②射线辐射；③快速淬火点缺陷使周围晶格发生畸变，提高晶体内能，降低导电率，提高强度。空位置换原子自间隙原子杂质间隙原子合金的基本相几个概念合金(Alloy)——以一种金属元素为基础，加入其它金属或非金属而组成的具有金属特性的材料。组元(Constituent)——组成合金的最基本的独立的物质。可以是金属元素、非金属元素或稳定的化合物。相(Phase)——成分、结构相同，性能均一，并有界面与其它部分隔开的独立均匀的组成部分。合金中的基本相有固溶体和中间相两种。组织(Microstructure)——合金结构的微观形貌。可以是单相的，也可以是多相的。固溶体的分类置换固溶体：溶质原子取代晶格中溶剂原子原子的位置。形成无限固溶体的前提：溶质和溶剂金属的晶格型式相同。间隙固溶体：尺寸较小的溶质原子进入晶格空隙。固溶体的特点（1）晶格型式同溶剂；（2）性能和溶剂接近。固溶体中溶质原子使溶剂晶格发生畸变，因此其强度、硬度比溶剂元素高，塑性韧性变化不大——固溶强化中间相组成化合物的合金元素按一定比例结合；晶格型式不同于各组成元素的晶格；结合方式：金属键和其它键（离子键、共价键、分子键）相混合；化学分子式不符合化合价规律（因为结合含金属键形式）；具有金属的性质，但性能和组成元素原有性能差别较大。

合金组元之间发生化学反应，形成晶体结构不同于任一组元的新相。由于它们在二元相图上的位置总是位于中间，故通常把这些相称为中间相，也称为金属间化合物。其特点有：中间相的分类正常价化合物——由负电性差别较大的组元组成，组元的原子数比较符合化合价规律。如Mg2Sn、AuAl2、AlN、SiC、CaTe等。硬度高、脆性大。电子化合物——满足一定电子浓度值c时可以稳定存在的化合物。不符合化合价规律。c=e/a,e为价电子总数，a为原子总数。c为21/14，21/13，21/12时形成电子化合物，分别标为、、相。间隙化合物——过渡族金属元素与小原子尺寸的非金属元素（C、N、B）形成的化合物。如Fe3C。

常见材料的组织结构金属材料结构金属材料结构3层次：晶体结构：FCC、BCC、HCP相结构：固溶体、中间相组织结构：共晶组织、共析组织、非金属夹杂物等陶瓷材料的分类定义：传统上，陶瓷材料是指硅酸盐类材料，如陶器和瓷器，也包括玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦等；

现今意义上，陶瓷材料是指各种无机非金属材料的通称。

分类：通常分为玻璃、玻璃陶瓷和工程陶瓷（也叫烧结陶瓷）无机非金属材料的结构金刚石型结构：C、Si、Ge硅酸盐结构：滑石3MgO•4SiO2•H2O、高岭石Al2O3•2SiO2•2H2O玻璃结构：SiO2氧化物、非氧化物晶体结构：MgO、TiO2、Al2O3

、ZnO氧化物、非氧化物晶体结构主要取决于两个因素：阴阳离子电荷，决定了化学式；阴阳离子的半径，决定了阳离子周围的最近邻阴离子数（CN）。只有阳离子和周围阴离子全部接触的结构才是稳定的！普通陶瓷的显微组织普通陶瓷材料是由晶相、玻璃相和气相构成的多晶多相集合体。化学组成一定时，其性能取决于：晶相：种类、数量、分布，晶粒大小、形态，结晶特征、取向玻璃相：存在与分布气相（气孔）：尺寸、数量、分布。晶相玻璃相气孔高分子材料结构高分子材料概述高分子材料合成高分子材料结构高分子材料概述高分子材料合成高分子材料：塑料、橡胶、胶粘剂、合成纤维天然高分子材料：蛋白质、核酸、淀粉、纤维素高分子材料主要由高分子化合物组成高分子化合物通常由一种或几种低分子化合物（单体）聚合而成，又称高聚物。天然高分子材料——蚕丝高分子材料的结构高分子链的结构高分子材料的聚集态结构高分子链的形态线型和支化型分子链构成的聚合物统称线型聚合物，具有高弹性和热塑性，又称热塑性聚合物。如涤纶、尼龙、生胶等。交联型和网络型高分子链构成的聚合物称为体型聚合物，具有较高的强度和热固性，又称热固性聚合物。如酚醛塑料、环氧树脂、硫化橡胶等。高分子材料的聚集状态有三种：

晶态(分子链在空间规则排列)、

部分晶态(分子链在空间部分规则排列)

非晶态(分子链在空间无规则排列，亦称玻璃态)

通常线型聚合物在一定条件下可以形成晶态或部分晶态，而体型聚合物为非晶态(或玻璃态)。获得完全晶态的聚合物很困难，大多数聚合物都是部分晶态或完全非晶态。

高分子材料的聚集态聚集态对高分子性能的影响聚集态分子链特点性能特点晶态规则排列，分子间吸力大，运动困难熔点、相对密度、强度、刚度、耐热性好非晶态无规则排列，运动容易弹性、延伸率和韧性好部分晶态介于以上两者之间性能介于以上两者之间。随结晶度增加，熔点、相对密度、强度、刚度、耐热性提高，弹性、延伸率和韧性降低。材料性能基础物理性能：密度、熔点、热、电、光、磁化学性能：抗氧化、耐蚀性、催化性、生物相容性力学性能：弹性、强度、韧性、硬度、疲劳、高温力学性能、耐磨性改变材料力学性能的主要方法：金属材料强化方法（塑性变形、细化晶粒、合金化、热处理），无机非金属材料增强增韧、高分子材料增强与改性

材料性能概述材料的性能：表征材料在给定外界条件下的行为成分组织结构性能制备技术、加工过程等Fe-0.45wt%C不同组织下表现完全不同的性能：左边—F+P，较软、韧右边—M，较硬、脆化学键三大材料一般性能特点材料价键一般性能特点金属金属键强度硬度较高；塑性韧性好；导电导热性好无机非金属离子键、共价键强度硬度高；塑性韧性差；一般不导电；耐热；耐腐蚀高分子共价键、分子键强度硬度低；韧性中等；绝缘；不导热；耐热性差、易燃；轻；软；易加工材料的物理性能热学性能：热容、热传导、热膨胀、热辐射、耐热性电学性能：导电、介电、铁电、压电光学性能：光的透过、吸收和反射；荧光性磁学性能：铁磁、顺磁、抗磁Chap3-1根据热容选材：材料升高一度，需吸收的热量不同，吸收热量小，热损耗小。同一组成，质量不同，热容也不同，质量轻，热容小。对于隔热材料，需使用轻质隔热砖，便于炉体快速升温，同时降低热量损耗。热学性能：晶格热振动

--晶格点阵中的质点（原子、离子）围着平衡位置做微小振动热传导机制热传导的三种方式：自由电子传导、晶格振动传导和分子或链段传导

金属材料的热传导——自由电子传导金属的热导率较高（20-400W/m-K），随温度的升高、缺陷的增多而下降。

无机非金属材料的热传导——晶格振动传导热导率低，良好的绝热材料（一般陶瓷材料2-50W/m-K），随温度升高略微减小；陶瓷中的空洞明显降低热导率；玻璃的原子排列远程无序，不产生热弹性波，因此热导率更低；

高分子材料的热导率——分子或链段传导热量通过分子或链段的传递，速度慢，因此其热导率低，可用作绝热材料；结晶度增大，热导率增大；孔洞降低热导率。电学性能导电性能：欧姆定理、电导率、固体的能带结构、材料导电性半导体：本征半导体、掺杂半导体超导其它电性能：铁电、压电、介电材料的电导率=Jx/Ex=ne=ne2/m材料的电导率和载流子密度n，迁移率相关。金属键结合的材料：载流子为价电子，密度高，迁移容易，电导率高。共价键结合的材料：必须打开共价键后电子才能迁移，电导率低（半导体或绝缘体材料）。离子键结合的材料：载流子为整个离子，通过离子扩散导电。（电解液）超导体的性能1957年，美国物理学家巴丁-库柏-施里弗三人提出金属超导微观理论，即‘BCS’理论，获得了1972年的诺贝尔物理奖BCS该理论认为，当材料处于超导态时(Ｔ<Ｔc)，金属中的电子不再是单个地运动，而是通过与晶体振动离子的作用，结成一对对地存在(称为库柏对)。由于电子对结合紧密，运动过程不受晶格作用的阻碍，因而出现了超导态超导两个基本特征超导的两个特征：零电阻效应（完全导电性）迈斯纳效应（完全抗磁性）永磁环超导体超导三个性能指标临界超导温度Tc：低于此温度时，材料出现零电阻效应和迈斯纳效应临界磁场强度Hc：T<Tc时破坏超导态的最小磁场强度临界电流密度Jc：保持超导态的最大输入电流密度T<Tc时，输入电流产生的磁场和外加磁场之和超过Hc时也破坏超导态。此时的临界输入电流即为Jc。三者关系1）Hc增大，Jc变小；2）T<Tc时，Hc随温度升高而下降。一些金属Hc和T的关系MetalWTiAlSnHgPbNbLa3Se4SnTa3Nb3SnGaV3AlNb3TC/K0.0150.391.183.724.157.239.258.68.3518.0516.818.0表：一些材料的Tc值磁悬浮列车介电性能介电材料的价带和导带之间存在大的能隙，具有高电阻率。应用于绝缘材料和电容器。极化介电性能和电容器介电性能影响因素介电性能和绝缘体极化——产生介电作用的原因材料极化机制极化率P=Zqd,Z—单位体积电荷数，q—电荷，d—偶极子间距电子极化置于电场下的原子中，电子向接近正极的位置偏移产生极化。离子极化置于电场下的由离子键组成的材料中，在电场方向阳离子和阴离子相互靠近或分开产生极化。可引起材料形状变化。分子极化置于电场下的极性分子重新排列产生极化。电场去除后可永久存在。空间极化由于杂质等原因，材料相界面可能存在电荷，沿电场方向排列形成极化。不重要。光学性能光波:红外线(>800nm)、可见光(400-800nm)、紫外线(<400nm)不同材料对光的反射、吸收和透射金属材料陶瓷材料高分子材料反射对微波、红外线、可见光有强反射对可见光不反射反射率小吸收对微波、红外线、可见光吸收由于晶格振动,在红外波段吸收;含过渡金属、稀土金属离子的物质对可见光吸收.在可见光波段产生吸收;在红外波段产生吸收.透射对紫外线透过;厚10-50nm的薄膜透过可见光.近红外和可见光一般透过;杂质、气孔和多晶使透过率下降.透光性高材料对光波的作用与能带结构有关。材料的力学性能力学性能也称机械性能(Mechanicalproperty)，是材料抵抗外力作用引起的变形(Deformation)和断裂(Fracture)的能力。包括：强度(Strength)、硬度(Hardness)、塑性(Ductility)、韧性(Toughness)、耐磨性(Wearresistance)等。力学性能影响因素：内因——材料的成分、显微组织、应力状况；外因——载荷大小种类、加载速率、环境温度、介质。载荷静载荷：静拉伸、压缩、弯曲、扭转动载荷周期变动载荷：如交变载荷，大小方向均作周期性变动随机变动载荷静拉伸应力—应变曲线bKse/MPaeKE塑性材料拉伸应力—应变曲线塑性材料在静拉伸载荷作用下从开始变形到断裂可分为三个阶段：弹性变形阶段塑性变形阶段（加工硬化）断裂强度指标总结强度指标：s、b

（UTS）、K凡是阻碍位错运动的因素都提高材料的强度！硬度硬度——衡量材料软硬程度的性能指标，分压入法和刻划法两类压入法硬度表征材料弹性、微量塑性变形抗力及形变强化能力等，常用的有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）和维氏硬度（HV）。三种硬度的压头材料及几何形状淬火钢球金刚石四棱锥A、C—金刚石圆锥B—淬火钢球数值P—载荷，F—压痕面积e—压痕深度残余量k—常数，0.2mmHRB=HR+30材料强化技术金属材料强化技术基本原理：阻碍位错运动形变强化：位错增殖、缠结细晶强化：晶界对位错的阻碍作用固溶强化：晶体点阵畸变形成的弹性应力场阻碍位错运动弥散强化（时效强化）：第二相颗粒阻碍位错运动相变强化：不同组织有不同的性能（金属材料热处理）金属材料表面强化技术：表面淬火、表面化学热处理、表面合金化等。材料的磨损性能材料的三大失效形式：断裂、腐蚀和磨损磨损的主要形式：粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损（氧化磨损、微动磨损）、表面疲劳磨损时间磨损量跑合稳定磨损剧烈磨损机件正常运行的磨损一般过程：跑合（磨合阶段）阶段——摩擦表面磨平，实际接触面积增大，表面产生加工硬化，形成氧化膜，磨损速率逐渐减小；稳定磨损阶段——机件磨损速率稳定。跑合越好，磨损速率越小；剧烈磨损阶段——机件表面质量下降，磨损加剧，机件很快失效。陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的高强度：金属键——自由电子共有，位错运动相对容易；共价键——位错运动必须打开、重组化学键，相对困难；离子键——位错运动会引起电荷重新分布，因此也相对困难。键合强度：共价键、离子键>金属键复合材料是由两种或两种以上不同的材料组分复合而成的，除工艺因素外，基体和增强材料的性能必然影响复合材料的性能此外，增强材料的形状、含量、分布以及与基体的界面结合、结构也会影响复合材料的性能。混合法则RuleofMixtures

在已知各组分材料的力学性能、物理性能的情况下，复合材料的力学性能（如强度、弹性模量）和物理性能（密度、电导率、热导率、热膨胀系数等）主要取决于组成复合材料的材料组分的体积百分比（vol.%）体积分数复合材料力学性能二、纳米材料概述

几十个原子、分子或成千个原子、分子“组合”在一起时，表现出既不同于单个原子、分子的性质，也不同于大块物体的性质。过渡区--纳米世界以原子、分子为主体------微观世界人类活动的-----宏观世界-----介观世界2、纳米材料是介于微观与宏观之间1、什么是纳米材料纳米（nm）：纳米材料（0.1~100nm）：三、纳米材料的特性

纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的效应：表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。

四、纳米材料的分类纳米材料根据三维空间违背纳米尺度约束的自由度计，可分为：特殊的光学性质特殊的热学性质特殊的磁学性质特殊的力学性质纳米材料的性能太阳能、氢能、核能、生物能、风能、地热、海洋能等被认为是新能源，但它们必须依靠新材料的开发与应用才能得以实现，并进一步提高效率、降低成本。新能源材料就是用于新能源生产、转换和应用所需的材料。新能源材料的特点新材料把原来已经使用的能源变成新能源。例如：半导体材料把太阳能有效地直接转变为电能，有别于人们利用太阳的烘烤；燃料电池能使氢与氧反应而直接产生电能，代替过去利用氢气燃料获得高温（热能）。一些新材料可提高储能和能量转化效果。金属氢化物镍电池、锂离子电池等都是依靠电极材料的储能效果和能量转化功能而发展起来的新型二次电池。新材料决定了核反应堆等新能源的安全。材料工艺决定着新能源的成本。2.2风能太阳能在地面上约2％转变为风能，全球风力用于发电功率可达11.3万亿kW，很有发展前景。风能与风速密切相关，我国沿海与西北地区的风力资源丰富，大有作为，但风车材料是关键。2.3贮氢材料氢气成本低且效率高，在能源日益显现不足和燃油汽车造成人类生存环境极大污染的今天，以氢燃料作为汽车燃料的呼声不断高涨。世界四大汽车公司，美国的通用和福特，日本的丰田，德国的戴姆勒—奔驰，都在加快研制氢燃料汽车的步伐。2.1太阳能太阳照射到地面的能量相当于全球能耗的数万倍，既无污染，又是永久性能源。但太阳辐射到地球的能量密度太低，还受时间、气候的影响。2.4新型二次电池

一次电池使用后，回收不及时或处理不当，常随普通垃圾一起被丢弃或被填埋，造成资源浪费，同时电池中的重金属元素的泄漏也污染了当地的水体和土壤。因此，开发二次新型电池是必要的。常用的二次电池的原理是通过充、放电过程实现的，即放电时通过化学反应可以产生电能，而施加反向电流时则可使体系回复到原来状态，即将电能以化学能形式重新储存起来的新型电池，它的充、放电反应是可逆的。新型的二次电池对环境的污染较小，可循环使用，性能优良，避免了一次电池的上述弊病。这些优势是导致二次电池迅速发展的主要原因推动力。新型二次电池的研究重点：储氢材料及金属氢化物镍电池；锂离子嵌入材料及液态电解质锂离子电池；聚合物电解质锂蓄电池或锂离子电池镍氢电池与锂离子电池MagneticResonanceImaging磁共振成像发生事件作者或公司磁共振发展史1946发现磁共振现象BlochPurcell1971发现肿瘤的T1、T2时间长Damadian1973做出两个充水试管MR图像Lauterbur1974活鼠的MR图像Lauterbur等1976人体胸部的MR图像Damadian1977初期的全身MR图像

Mallard1980磁共振装置商品化1989

0.15T永磁商用磁共振设备中国安科

2003诺贝尔奖金LauterburMansfierd时间MR成像基本原理实现人体磁共振成像的条件:人体内氢原子核是人体内最多的物质。最易受外加磁场的影响而发生磁共振现象(没有核辐射)有一个稳定的静磁场（磁体）梯度场和射频场：前者用于空间编码和选层，后者施加特定频率的射频脉冲，使之形成磁共振现象信号接收装置：各种线圈计算机系统：完成信号采集、传输、图像重建、后处理等

人体内的H核子可看作是自旋状态下的小星球。自然状态下，H核进动杂乱无章，磁性相互抵消zMyx进入静磁场后，H核磁矩发生规律性排列（正负方向），正负方向的磁矢量相互抵消后，少数正向排列（低能态）的H核合成总磁化矢量M，即为MR信号基础ZZYYXB0XMZMXYA:施加90度RF脉冲前的磁化矢量MzB:施加90度RF脉冲后的磁化矢量Mxy.并以Larmor频率横向施进C:90度脉冲对磁化矢量的作用。即M以螺旋运动的形式倾倒到横向平面ABC在这一过程中，产生能量

三、弛豫（Relaxation）回复“自由”的过程

1.

纵向弛豫（T1弛豫）：

M0（MZ）的恢复，“量变”高能态1H→低能态1H自旋—晶格弛豫、热弛豫

吸收RF光子能量（共振）低能态1H高能态1H

放出能量（光子，MRS）T1弛豫时间：

MZ恢复到M0的2/3所需的时间

T1愈小、M0恢复愈快T2弛豫时间：MXY丧失2/3所需的时间；T2愈大、同相位时间长MXY持续时间愈长MXY与ST1加权成像、T2加权成像

所谓的加权就是“突出”的意思

T1加权成像（T1WI）----突出组织T1弛豫（纵向弛豫）差别

T2加权成像（T2WI）----突出组织T2弛豫（横向弛豫）差别。

磁共振诊断基于此两种标准图像磁共振常规h检查必扫这两种标准图像.T1的长度在数百至数千毫秒（ms）范围T2值的长度在数十至数千毫秒（ms）范围

在同一个驰豫过程中,T2比T1短得多

如何观看MR图像：首先我们要分清图像上的各种标示。分清扫描序列、扫描部位、扫描层面。正常或异常的所在部位---即在同一层面观察、分析T1、T2加权像上信号改变。绝大部分病变T1WI是低信号、T2WI是高信号改变。只要熟悉扫描部位正常组织结构的信号表现，通常病变与正常组织不会混淆。一般的规律是T1WI看解剖,T2WI看病变。磁共振成像技术－－图像空间分辨力，对比分辨力一、如何确定MRI的来源（一）层面的选择1.MXY产生（1H共振）条件

RF=ω=γB02.梯度磁场Z（GZ）

GZ→B0→ω

不同频率的RF

特定层面1H激励、共振

3.层厚的影响因素

RF的带宽↓

GZ的强度↑层厚↓〈二〉体素信号的确定1、频率编码2、相位编码

M0↑--GZ、RF→相应层面MXY----------GY→沿Y方向1H有不同ω

各1H同相位MXY旋进速度不同同频率一定时间后→→GX→沿X方向1H有不同ω沿Y方向不同1H的MXYMXY旋进频率不同位置不同（相位不同）〈三〉空间定位及傅立叶转换

GZ----某一层面产生MXYGX----MXY旋进频率不同

GY----MXY旋进相位不同（不影响MXY大小）

↓某一层面不同的体素，有不同频率、相位

MRS（FID）第三节、磁共振检查技术检查技术产生图像的序列名产生图像的脉冲序列技术名TRA、COR、SAGT1WT2WSETR、TE…….梯度回波FFE快速自旋回波FSE压脂压水MRA短TR短TE－－T1W长TR长TE－－T2W增强MR最常用的技术是：多层、多回波的SE（spinecho，自旋回波）技术磁共振扫描时间参数：TR、TE磁共振扫描还有许多其他参数：层厚、层距、层数、矩阵等序列常规序列自旋回波（SE）,快速自旋回波（FSE）梯度回波（FE）反转恢复（IR），脂肪抑制（STIR）、水抑制（FLAIR）高级序列水成像（MRCP,MRU,MRM）血管造影（MRA,TOF2D/3D）三维成像（SPGR）弥散成像（DWI）关节运动分析是一种成像技术而非扫描序列自旋回波（SE）必扫序列图像清晰显示解剖结构目前只用于T1加权像快速自旋回波（FSE）必扫序列成像速度快多用于T2加权像梯度回波（GE）成像速度快对出血敏感T2加权像水抑制反转恢复（IR）水抑制（FLAIR）抑制自由水梗塞灶显示清晰判断病灶成份脂肪抑制反转恢复（IR）脂肪抑制（STIR）抑制脂肪信号判断病灶成分其它组织显示更清晰血管造影（MRA）无需造影剂TOF法PC法MIP投影动静脉分开显示水成像（MRCP，MRU，MRM）含水管道系统成像胆道MRCP泌尿路MRU椎管MRM主要用于诊断梗阻扩张超高空间分辨率扫描任意方位重建窄间距重建技术大大提高对小器官、小病灶的诊断能力三维梯度回波（SPGR） 早期诊断脑梗塞

弥散成像MRI的设备一、信号的产生、探测接受1.磁体（Magnet）:静磁场B0（Tesla,T）→组织净磁矩M0

永磁型（permanentmagnet）常导型（resistivemagnet）超导型（superconductingmagnet）磁体屏蔽（magnetshielding）2.梯度线圈（gradientcoil）:

形成X、Y、Z轴的磁场梯度功率、切换率3.射频系统（radio-frequencesystem，RF）

MR信号接收二、信号的处理和图象显示数模转换、计算机，等等；MRI技术的优势1、软组织分辨力强（判断组织特性）2、多方位成像3、流空效应（显示血管）4、无骨骼伪影5、无电离辐射，无碘过敏6、不断有新的成像技术MRI技术的禁忌证和限度1.禁忌证

体内弹片、金属异物各种金属置入：固定假牙、起搏器、血管夹、人造关节、支架等危重病人的生命监护系统、维持系统不能合作病人，早期妊娠，高热及散热障碍2.其他钙化显示相对较差空间分辨较差（体部，较同等CT）费用昂贵多数MR机检查时间较长1.病人必须去除一切金属物品，最好更衣，以免金属物被吸入磁体而影响磁场均匀度，甚或伤及病人。2.扫描过程中病人身体（皮肤）不要直接触碰磁体内壁及各种导线，防止病人灼伤。3.纹身（纹眉）、化妆品、染发等应事先去掉，因其可能会引起灼伤。4.病人应带耳塞，以防听力损伤。扫描注意事项颅脑MRI适应症颅内良恶性占位病变脑血管性疾病梗死、出血、动脉瘤、动静脉畸形（AVM）等颅脑外伤性疾病脑挫裂伤、外伤性颅内血肿等感染性疾病脑脓肿、化脓性脑膜炎、病毒性脑炎、结核等脱髓鞘性或变性类疾病多发性硬化（MS）等先天性畸形胼胝体发育不良、小脑扁桃体下疝畸形等脊柱和脊髓MRI适应证1.肿瘤性病变椎管类肿瘤（髓内、髓外硬膜内、硬膜外），椎骨肿瘤（转移性、原发性）2.炎症性疾病脊椎结核、骨髓炎、椎间盘感染、硬膜外脓肿、蛛网膜炎、脊髓炎等3.外伤骨折、脱位、椎间盘突出、椎管内血肿、脊髓损伤等4.脊柱退行性变和椎管狭窄症椎间盘变性、膨隆、突出、游离，各种原因椎管狭窄，术后改变，5.脊髓血管畸形和血管瘤6.脊髓脱髓鞘疾病（如MS），脊髓萎缩7.先天性畸形胸部MRI适应证呼吸系统对纵隔及肺门区病变显示良好，对肺部结构显示不如CT。胸廓入口病变及其上下比邻关系纵隔肿瘤和囊肿及其与大血管的关系其他较CT无明显优越性心脏及大血管大血管病变各类动脉瘤、腔静脉血栓等心脏及心包肿瘤，心包其他病变其他（如先心、各种心肌病等）较超声心动图无优势，应用不广腹部MRI适应证主要用于部分实质性器官的肿瘤性病变肝肿瘤性病变，提供鉴别信息胰腺肿瘤，有利小胰癌、胰岛细胞癌显示宫颈、宫体良恶性肿瘤及分期等，先天畸形肿瘤的定位（脏器上下缘附近）、分期胆道、尿路梗阻和肿瘤，MRCP，MRU直肠肿瘤骨与关节MRI适应证X线及CT的后续检查手段－－钙质显示差和空间分辨力部分情况可作首选：1.累及骨髓改变的骨病（早期骨缺血性坏死，早期骨髓炎、骨髓肿瘤或侵犯骨髓的肿瘤）2.结构复杂关节的损伤（膝、髋关节）3.形状复杂部位的检查（脊柱、骨盆等）软件登录界面软件扫描界面图像浏览界面胶片打印界面报告界面报告界面2合理应用抗菌药物预防手术部位感染概述外科手术部位感染的2/3发生在切口医疗费用的增加病人满意度下降导致感染、止血和疼痛一直是外科的三大挑战，止血和疼痛目前已较好解决感染仍是外科医生面临的重大问题，处理不当，将产生严重后果外科手术部位感染占院内感染的14%～16%，仅次于呼吸道感染和泌尿道感染，居院内感染第3位严重手术部位的感染——病人的灾难，医生的梦魇

预防手术部位感染（surgicalsiteinfection,SSI)

手术部位感染的40%–60%可以预防围手术期使用抗菌药物的目的外科医生的困惑★围手术期应用抗生素是预防什么感染？★哪些情况需要抗生素预防？★怎样选择抗生素？★什么时候开始用药？★抗生素要用多长时间？定义：指发生在切口或手术深部器官或腔隙的感染分类：切口浅部感染切口深部感染器官／腔隙感染一、SSI定义和分类二、SSI诊断标准——切口浅部感染

指术后30天内发生、仅累及皮肤及皮下组织的感染，并至少具备下述情况之一者：

1．切口浅层有脓性分泌物

2．切口浅层分泌物培养出细菌

3．具有下列症状体征之一：红热，肿胀，疼痛或压痛，因而医师将切口开放者（如培养阴性则不算感染）

4．由外科医师诊断为切口浅部SSI

注意：缝线脓点及戳孔周围感染不列为手术部位感染二、SSI诊断标准——切口深部感染

指术后30天内（如有人工植入物则为术后1年内）发生、累及切口深部筋膜及肌层的感染，并至少具备下述情况之一者：

1.切口深部流出脓液

2.切口深部自行裂开或由医师主动打开，且具备下列症状体征之一：①体温＞38℃；②局部疼痛或压痛

3.临床或经手术或病理组织学或影像学诊断，发现切口深部有脓肿

4.外科医师诊断为切口深部感染

注意：感染同时累及切口浅部及深部者，应列为深部感染

二、SSI诊断标准—器官／腔隙感染

指术后30天内（如有人工植入物★则术后1年内）、发生在手术曾涉及部位的器官或腔隙的感染，通过手术打开或其他手术处理，并至少具备以下情况之一者：

1.放置于器官/腔隙的引流管有脓性引流物

2.器官/腔隙的液体或组织培养有致病菌

3.经手术或病理组织学或影像学诊断器官/腔隙有脓肿

4.外科医师诊断为器官/腔隙感染

★人工植入物：指人工心脏瓣膜、人工血管、人工关节等二、SSI诊断标准—器官／腔隙感染

不同种类手术部位的器官/腔隙感染有：

腹部：腹腔内感染（腹膜炎，腹腔脓肿）生殖道：子宫内膜炎、盆腔炎、盆腔脓肿血管：静脉或动脉感染三、SSI的发生率美国1986年～1996年593344例手术中，发生SSI15523次，占2.62%英国1997年～2001年152所医院报告在74734例手术中，发生SSI3151例，占4.22%中国？SSI占院内感染的14～16%，仅次于呼吸道感染和泌尿道感染三、SSI的发生率SSI与部位：非腹部手术为2%～5%腹部手术可高达20%SSI与病人：入住ICU的机会增加60%再次入院的机会是未感染者的5倍SSI与切口类型：清洁伤口 1%～2%清洁有植入物 ＜5%可染伤口＜10%手术类别手术数SSI数感染率(%)小肠手术6466610.2大肠手术7116919.7子宫切除术71271722.4肝、胆管、胰手术1201512.5胆囊切除术8222.4不同种类手术的SSI发生率：三、SSI的发生率手术类别SSI数SSI类别（%）切口浅部切口深部器官/腔隙小肠手术6652.335.412.3大肠手术69158.426.315.3子宫切除术17278.813.57.6骨折开放复位12379.712.28.1不同种类手术的SSI类别：三、SSI的发生率延迟愈合疝内脏膨出脓肿，瘘形成。需要进一步处理这里感染将导致:延迟愈合疝内脏膨出脓肿、瘘形成需进一步处理四、SSI的后果四、SSI的后果在一些重大手术，器官/腔隙感染可占到1/3。SSI病人死亡的77%与感染有关，其中90%是器官/腔隙严重感染

——InfectControlandHospEpidemiol,1999,20(40:247-280SSI的死亡率是未感染者的2倍五、导致SSI的危险因素（1）病人因素：高龄、营养不良、糖尿病、肥胖、吸烟、其他部位有感染灶、已有细菌定植、免疫低下、低氧血症五、导致SSI的危险因素（2）术前因素：术前住院时间过长用剃刀剃毛、剃毛过早手术野卫生状况差（术前未很好沐浴）对有指征者未用抗生素预防五、导致SSI的危险因素（3）手术因素：手术时间长、术中发生明显污染置入人工材料、组织创伤大止血不彻底、局部积血积液存在死腔和/或失活组织留置引流术中低血压、大量输血刷手不彻底、消毒液使用不当器械敷料灭菌不彻底等手术特定时间是指在大量同种手术中处于第75百分位的手术持续时间其因手术种类不同而存在差异超过T越多，SSI机会越大五、导致SSI的危险因素（4）SSI危险指数（美国国家医院感染监测系统制定）：病人术前已有≥3种危险因素污染或污秽的手术切口手术持续时间超过该类手术的特定时间（T）

（或一般手术＞2h)六、预防SSI干预方法根据指南使用预防性抗菌药物正确脱毛方法缩短术前住院时间维持手术患者的正常体温血糖控制氧疗抗菌素的预防/治疗预防

在污染细菌接触宿主手术部位前给药治疗

在污染细菌接触宿主手术部位后给药

防患于未然六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用136预防和治疗性抗菌素使用目的：清洁手术：防止可能的外源污染可染手术：减少粘膜定植细菌的数量污染手术：清除已经污染宿主的细菌六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用137需植入假体，心脏手术、神外手术、血管外科手术等六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用预防性抗菌素使用指征：可染伤口(Clean-contaminatedwound)污染伤口（Contaminatedwound）清洁伤口（Cleanwound）但存在感染风险六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用外科预防性抗生素的应用：预防性抗生素对哪些病人有用?什么时候开始用药?抗生素种类选择?使用单次还是多次?采用怎样的给药途径？六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用预防性抗菌素显示有效的手术有：妇产科手术胃肠道手术(包括阑尾炎)口咽部手术腹部和肢体血管手术心脏手术骨科假体植入术开颅手术某些“清洁”手术六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用外科预防性抗生素的应用：预防性抗生素对哪些病人有用?什么时候开始用药?抗生素种类选择?使用单次还是多次?采用怎样的给药途径？六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用

理想的给药时间？目前还没有明确的证据表明最佳的给药时机研究显示：切皮前45～75min给药，SSI发生率最低，且不建议在切皮前30min内给药影响给药时间的因素:所选药物的代谢动力学特性手术中污染发生的可能时间病人的循环动力学状态止血带的使用剖宫产细菌在手术伤口接种后的生长动力学

手术过程

012345671hr2hrs6hrs1day3-5days细菌数logCFU/ml六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用143术后给药，细菌在手术伤口接种的生长动力学无改变

手术过程抗生素血肿血浆六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用Antibioticsinclot

手术过程

血浆中抗生素予以抗生素血块中抗生素血浆术前给药，可以有效抑制细菌在手术伤口的生长六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用145ClassenDC,etal..NEnglJMed1992;326:281切开前时间切开后时间予以抗生素切开六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用不同给药时间，手术伤口的感染率不同NEJM1992;326:281-6投药时间感染数（%）相对危险度(95%CI)早期（切皮前2-24h）36914(3.8%)6.7(2.9-14.7)4.3手术前（切皮前45-75min)170810(0.9%)1.0围手术期（切皮后3h内）2824(1.4%)2.4(0.9-7.9) 2.1手术后（切皮3h以上）48816(3.3%)5.8(2.6-12.3)

5.8全部284744(1.5%)似然比病人数六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用结论：抗生素在切皮前45-75min或麻醉诱导开始时给药，预防SSI效果好147六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用切口切开后，局部抗生素分布将受阻必须在切口切开前给药！！！抗菌素应在切皮前45～75min给药六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用外科预防性抗生素的应用：预防性抗生素对哪些病人有用?什么时候开始用药?抗生素种类选择?使用单次还是多次?采用怎样的给药途径？有效安全杀菌剂半衰期长相对窄谱廉价六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用抗生素的选择原则：各类手术最易引起SSI的病原菌及预防用药选择六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用

手术最可能的病原菌预防用药选择胆道手术革兰阴性杆菌，厌氧菌头孢呋辛或头孢哌酮或

(如脆弱类杆菌）头孢曲松阑尾手术革兰阴性杆菌，厌氧菌头孢呋辛或头孢噻肟；

(如脆弱类杆菌）＋甲硝唑结、直肠手术革兰阴性杆菌，厌氧菌头孢呋辛或头孢曲松或

(如脆弱类杆菌）头孢噻肟；＋甲硝唑泌尿外科手术革兰阴性杆菌头孢呋辛；环丙沙星妇产科手术革兰阴性杆菌，肠球菌头孢呋辛或头孢曲松或

B族链球菌，厌氧菌头孢噻肟；+甲硝唑莫西沙星（可单药应用）注:各种手术切口感染都可能由葡萄球菌引起六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用外科预防性抗生素的应用：预防性抗生素对哪些病人有用?什么时候开始用药?抗生素种类选择?使用单次还是多次?采用怎样的给药途径？六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用单次给药还是多次给药？没有证据显示多次给药比单次给药好伤口关闭后给药没有益处多数指南建议24小时内停药没有必要维持抗菌素治疗直到撤除尿管和引流管手术时间延长或术中出血量较大时可重复给药细菌污染定植感染一次性用药用药24h用药4872h数小时从十数小时到数十小时六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用用药时机不同，用药期限也应不同短时间预防性应用抗生素的优点：六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用减少毒副作用不易产生耐药菌株不易引起微生态紊乱减轻病人负担可以选用单价较高但效果较好的抗生素减少护理工作量药品消耗增加抗菌素相关并发症增加耐药抗菌素种类增加易引起脆弱芽孢杆菌肠炎MRSA（耐甲氧西林金黄色葡萄球菌）定植六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用延长抗菌素使用的缺点：六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用外科预防性抗生素的应用：预防性抗生素对哪些病人有用?什么时候开始用药?抗生素种类选择?使用单次还是多次?采用怎样的给药途径？正确的给药方法：六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用应静脉给药，2030min滴完肌注、口服存在吸收上的个体差异，不能保证血液和组织的药物浓度，不宜采用常用的-内酰胺类抗生素半衰期为12h，若手术超过３４h，应给第２个剂量，必要时还可用第３次可能有损伤肠管的手术，术前用抗菌药物准备肠道局部抗生素冲洗创腔或伤口无确切预防效果，不予提倡不应将日常全身性应用的抗生素应用于伤口局部（诱发高耐药）必要时可用新霉素、杆菌肽等抗生素缓释系统（PMMA—青大霉素骨水泥或胶原海绵)局部应用可能有一定益处六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用不提倡局部预防应用抗生素：时机不当时间太长选药不当，缺乏针对性六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用预防用药易犯的错误：在开刀前45-75min之内投药按最新临床指南选药术后24小时内停药择期手术后一般无须继续使用抗生素大量对比研究证明，手术后继续用药数次或数天并不能降低手术后感染率若病人有明显感染高危因素或使用人工植入物，可再用1次或数次小结预防SSI干预方法

——正确的脱毛方法用脱毛剂、术前即刻备皮可有效减少SSI的发生手术部位脱毛方法与切口感染率的关系：备皮方法 剃毛备皮 5.6%

脱毛0.6%备皮时间 术前24小时前 ＞20%

术前24小时内 7.1%

术前即刻 3.1%方法/时间 术前即刻剪毛 1.8%

前1晚剪/剃毛 4.0%THANKYOUMagneticResonanceImagingPART01磁共振成像发生事件作者或公司磁共振发展史1946发现磁共振现象BlochPurcell1971发现肿瘤的T1、T2时间长Damadian1973做出两个充水试管MR图像Lauterbur1974活鼠的MR图像Lauterbur等1976人体胸部的MR图像Damadian1977初期的全身MR图像

Mallard1980磁共振装置商品化1989

0.15T永磁商用磁共振设备中国安科

2003诺贝尔奖金LauterburMansfierd时间PART02MR成像基本原理实现人体磁共振成像的条件:人体内氢原子核是人体内最多的物质。最易受外加磁场的影响而发生磁共振现象(没有核辐射)有一个稳定的静磁场（磁体）梯度场和射频场：前者用于空间编码和选层，后者施加特定频率的射频脉冲，使之形成磁共振现象信号接收装置：各种线圈计算机系统：完成信号采集、传输、图像重建、后处理等

人体内的H核子可看作是自旋状态下的小星球。自然状态下，H核进动杂乱无章，磁性相互抵消zMyx进入静磁场后，H核磁矩发生规律性排列（正负方向），正负方向的磁矢量相互抵消后，少数正向排列（低能态）的H核合成总磁化矢量M，即为MR信号基础ZZYYXB0XMZMXYA:施加90度RF脉冲前的磁化矢量MzB:施加90度RF脉冲后的磁化矢量Mxy.并以Larmor频率横向施进C:90度脉冲对磁化矢量的作用。即M以螺旋运动的形式倾倒到横向平面ABC在这一过程中，产生能量

三、弛豫（Relaxation）回复“自由”的过程

1.

纵向弛豫（T1弛豫）：

M0（MZ）的恢复，“量变”高能态1H→低能态1H自旋—晶格弛豫、热弛豫

吸收RF光子能量（共振）低能态1H高能态1H

放出能量（光子，MRS）T1弛豫时间：

MZ恢复到M0的2/3所需的时间

T1愈小、M0恢复愈快T2弛豫时间：MXY丧失2/3所需的时间；T2愈大、同相位时间长MXY持续时间愈长MXY与ST1加权成像、T2加权成像

所谓的加权就是“突出”的意思

T1加权成像（T1WI）----突出组织T1弛豫（纵向弛豫）差别

T2加权成像（T2WI）----突出组织T2弛豫（横向弛豫）差别。

磁共振诊断基于此两种标准图像磁共振常规h检查必扫这两种标准图像.T1的长度在数百至数千毫秒（ms）范围T2值的长度在数十至数千毫秒（ms）范围

在同一个驰豫过程中,T2比T1短得多

如何观看MR图像：首先我们要分清图像上的各种标示。分清扫描序列、扫描部位、扫描层面。正常或异常的所在部位---即在同一层面观察、分析T1、T2加权像上信号改变。绝大部分病变T1WI是低信号、T2WI是高信号改变。只要熟悉扫描部位正常组织结构的信号表现，通常病变与正常组织不会混淆。一般的规律是T1WI看解剖,T2WI看病变。磁共振成像技术－－图像空间分辨力，对比分辨力一、如何确定MRI的来源（一）层面的选择1.MXY产生（1H共振）条件

RF=ω=γB02.梯度磁场Z（GZ）

GZ→B0→ω

不同频率的RF

特定层面1H激励、共振

3.层厚的影响因素

RF的带宽↓

GZ的强度↑层厚↓〈二〉体素信号的确定1、频率编码2、相位编码

M0↑--GZ、RF→相应层面MXY----------GY→沿Y方向1H有不同ω

各1H同相位MXY旋进速度不同同频率一定时间后→→GX→沿X方向1H有不同ω沿Y方向不同1H的MXYMXY旋进频率不同位置不同（相位不同）〈三〉空间定位及傅立叶转换

GZ----某一层面产生MXYGX----MXY旋进频率不同

GY----MXY旋进相位不同（不影响MXY大小）

↓某一层面不同的体素，有不同频率、相位

MRS（FID）第三节、磁共振检查技术检查技术产生图像的序列名产生图像的脉冲序列技术名TRA、COR、SAGT1WT2WSETR、TE…….梯度回波FFE快速自旋回波FSE压脂压