2025年大学《物理学》专业题库- 磁学在磁共振成像中的应用

2025年大学《物理学》专业题库——磁学在磁共振成像中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（请将正确选项的字母填入括号内）1.在稳恒的静磁场B0中，氢核（质子）自旋角动量矢量S的取向只有两种可能，这是由于氢核具有()。A.整数自旋量子数B.半整数自旋量子数C.非零旋磁比D.磁偶极矩2.当射频脉冲的持续时间恰好为90度时，它能使处于纵向磁化Mz状态的氢核群体()。A.完全转变为横向磁化MxB.完全转变为纵向磁化MzC.沿垂直于B0的方向进动D.部分转变为横向磁化Mx3.梯度磁场在MRI中的作用是()。A.产生射频信号B.使不同位置的氢核进动频率不同C.引起T1弛豫D.使磁化矢量恢复到平衡状态4.自旋-晶格弛豫（T1弛豫）是指()。A.横向磁化Mxy衰减的过程B.纵向磁化Mz恢复的过程C.磁化矢量进动频率减小的过程D.Larmor频率增加的过程5.在SE（自旋回波）序列中，回波信号强度主要取决于()。A.RF脉冲的强度B.梯度场强度C.T1弛豫时间D.T2弛豫时间6.以下哪种伪影通常是由于患者体内存在移动或不规则结构引起的？()A.金属伪影B.信号丢失伪影C.椭圆伪影（Bohr-Maggi伪影）D.梯度场不均匀性伪影7.k空间中的中心点（k=0）对应的MRI图像信息是()。A.图像的相位信息B.图像的频率信息C.图像的对比度信息D.图像的平均强度（直流分量）8.高磁场强（如3T或7T）的MRI系统相比低磁场强系统，其主要优势在于()。A.信号噪声比显著提高B.梯度场体积更大C.T1弛豫时间变短D.对梯度线圈要求更低9.磁化传递（MT）效应是指()。A.自旋与晶格之间的能量交换B.自旋与自旋之间的能量交换C.纵向磁化向横向磁化的转换D.横向磁化向纵向磁化的转换10.成像时间与()成正比。A.k空间的采集时间B.信号采集频率C.梯度磁场强度D.重复时间（TR）二、填空题1.核自旋量子数I决定了原子核的________，从而决定了它在静磁场中的能级分裂情况。2.拉莫尔进动频率ωL正比于静磁场强度B0，其关系式为________，其中γ是旋磁比。3.RF脉冲使纵向磁化Mz分量翻转到横向平面，这个过程称为________。4.T2弛豫过程是横向磁化Mxy衰减的过程，其衰减遵循指数规律，衰减常数1/T2称为________。5.MRI系统中，层面选择梯度Gz通常施加在________方向，以选择特定层面的自旋。6.为了获取MR信号，需要施加________脉冲来激发自旋，并施加________脉冲来检测信号。7.MRI图像的对比度主要来源于不同组织间________、______和________的差异。8.自由感应衰减（FID）信号是射频脉冲激发后，未受激励的纵向磁化Mz恢复过程中，在横向磁化Mxy上产生的信号。9.傅里叶变换将k空间的数据转换为________空间的数据，从而得到最终的MR图像。10.为了抑制梯度回波（GRE）序列中T2*效应的影响，可以使用________序列。三、简答题1.简述核自旋如何表现出磁性，并解释拉莫尔进动现象。2.简述T1弛豫和T2弛豫的物理机制，并说明它们对MR信号的影响有何不同。3.解释什么是空间选择性，梯度磁场（Gz,Gx,Gy）分别如何实现层面选择、频率选择和相位选择？4.简述SE（自旋回波）序列的基本脉冲序列，并说明如何通过改变TR和TE时间来获得T1加权、T2加权图像。5.什么是伪影？列举三种常见的MRI伪影，并简述其产生原因。四、计算题1.氢核（质子）的旋磁比γ_H≈2.675×10^8radT^-1s^-1。在地球磁场（约50μT）中，氢核的进动频率是多少？在临床常用的1.5TMRI系统中，氢核的进动频率是多少？2.某组织的T1弛豫时间为800ms，T2弛豫时间为120ms。假设在该组织上施加SE序列，TR=1500ms，TE=30ms。计算此时纵向磁化恢复至63%需要多长时间？横向磁化衰减至初始值的37%需要多长时间？理论上获得的T1加权图像和T2加权图像的信号强度比值是多少？（假设其他因素理想）五、论述题1.试述梯度磁场在MRI成像中的多重作用，并分别解释其实现层面选择、频率编码和相位编码的物理原理。2.比较自旋回波（SE）序列和梯度回波（GRE）序列在基本原理、图像对比度、信噪比、对运动敏感性和对梯度场不均匀性敏感性等方面的主要异同点。试卷答案一、选择题1.B2.A3.B4.B5.D6.C7.D8.A9.B10.A二、填空题1.磁量子数2.ωL=γB03.激发4.弛豫时间常数5.Z6.射频（RF），梯度（Gradient）7.T1弛豫时间，T2弛豫时间，质子密度8.磁化传递（MT）9.图像（Image）10.自旋回波平面回波（Spin-EchoPlane-Echo,SE-PE）三、简答题1.解析思路：首先解释原子核具有自旋角动量，自旋带有一定的角动量等效于一个微小的磁偶极子。当置于静磁场B0中时，磁偶极子会倾向于与磁场方向对齐，但能量不同，存在多个稳定取向。由于自旋，这些取向会绕磁场方向做进动，如同小磁针在地球磁场中旋转。核自旋量子数I决定了可能的不同取向数量（2I+1个），从而决定了能级分裂。2.解析思路：T1弛豫是纵向磁化Mz恢复的过程。其物理机制是自旋与周围环境（晶格）发生能量交换，自旋将其吸收的能量传递给晶格，自身能量降低（从高能级向低能级跃迁），同时使晶格能量升高，表现为Mz逐渐恢复。T1时间常数表征了这种恢复速度。T2弛豫是横向磁化Mxy衰减的过程。其物理机制主要是自旋-自旋相互作用（偶极-偶极相互作用），一个自旋的磁矩会影响邻近自旋的相位，导致相干性逐渐丧失，Mxy呈指数衰减。T2时间常数表征了这种衰减速度。T1弛豫恢复的是纵向磁化，T2弛豫衰减的是横向磁化，且T1过程涉及能量传递，而T2过程不涉及。3.解析思路：空间选择性是指利用特定物理方法使得MR信号只来自感兴趣的区域。梯度磁场的作用是使磁场强度在空间中按一定方向变化（例如Gz使z向磁场不同，Gx使x向磁场不同）。当施加RF脉冲或梯度脉冲时，只有那些处于特定位置（例如z向磁场为B0）的自旋才容易被激发或发生特定的相位变化，从而实现了选择。层面选择通常用强Gz场，使不同z位置的共振频率不同，用特定频率的RF脉冲只激发特定z层面。频率选择（读出梯度Gx）利用不同x位置的Larmor频率不同，使RF脉冲只激发特定x位置的频率。相位选择（相位编码梯度Gy）利用不同y位置的Larmor频率不同，结合梯度脉冲，使不同位置的进动相位发生不同变化，从而在信号检测时区分不同y位置。4.解析思路：SE序列包括：①90°RF脉冲，使平衡态的纵向磁化Mz翻转到横向平面，产生初始的横向磁化Mxy。②应用Gz梯度场进行相位编码。③停止梯度场，经过TE时间后，采集横向FID信号。④应用180°RF脉冲，翻转失相的横向磁化Mxy，使其恢复相位（关于中心点对称），同时梯度场将产生的信号反转。⑤再次应用Gz梯度场，采集反转后的回波信号。获得T1加权图像需短TR（如1500ms）、短TE（如30ms），此时T1弛豫对信号衰减影响大，T2衰减相对小，T1短的组织信号恢复快，图像亮；获得T2加权图像需长TR（如2000ms）、长TE（如120ms），此时T1影响小，T2衰减影响大，T2长的组织信号衰减慢，图像亮。5.解析思路：伪影是指MRI图像中出现的、并非由组织本身病变引起的异常信号或图像失真。常见的伪影及其原因：①椭圆伪影（Bohr-Maggi伪影）：通常由梯度磁场不均匀性引起，特别是在头部成像时，梯度场在相位编码方向上随位置变化导致信号非对称采集，形成椭圆形失真。②金属伪影：体内金属（如假体、夹板、项链、牙托）会产生局部磁场干扰，导致信号丢失、扭曲、高信号或环形伪影。③运动伪影：患者呼吸、心跳、身体移动等会导致图像模糊、信号丢失或出现条带状伪影。四、计算题1.解析思路：使用拉莫尔进动频率公式ωL=γB0计算地球磁场中的频率。将γ_H和B_earth代入。使用拉莫尔进动频率公式ωL=γB0计算临床磁场中的频率。将γ_H和B_clinical代入。解：地球磁场B_earth=50μT=50×10^-6T。ωL_earth=(2.675×10^8radT^-1s^-1)×(50×10^-6T)=1.3375×10^3rads^-1=216.5Hz。临床磁场B_clinical=1.5T。ωL_clinical=(2.675×10^8radT^-1s^-1)×(1.5T)=4.0125×10^8rads^-1=6.437×10^5Hz≈643.7kHz。2.解析思路：T1恢复：使用T1恢复公式Mz(t)=Mz_eq(1-exp(-t/T1))，令Mz(t)=0.63*Mz_eq，解出t。T2衰减：使用T2衰减公式Mxy(t)=Mxy_0exp(-t/T2)，令Mxy(t)=0.37*Mxy_0，解出t。T1加权/T2加权信号比：T1加权信号与TR成反比（理想情况下S_T1~1/exp(-TR/T1)），T2加权信号与TE成正比（理想情况下S_T2~exp(-TE/T2)）。所以比值S_T1/S_T2≈(TE/T1)*exp(-(TR+TE)/(T1+T2))。由于TR(1500ms)远大于T1(800ms)+T2(120ms)，近似为exp(-TR/(T1+T2))。但题目要求理论比值，可直接使用S_T1/S_T2≈(TE/T1)*exp(-(TR+TE)/(T1+T2))，代入数值计算。解：①T1恢复时间：0.63*Mz_eq=Mz_eq*(1-exp(-t/800ms))=>0.63=1-exp(-t/800ms)=>exp(-t/800ms)=0.37=>-t/800ms=ln(0.37)=>t=-800ms*ln(0.37)≈839ms。②T2衰减时间：0.37*Mxy_0=Mxy_0*exp(-t/120ms)=>0.37=exp(-t/120ms)=>-t/120ms=ln(0.37)=>t=-120ms*ln(0.37)≈256ms。③T1加权/T2加权信号强度比值：S_T1/S_T2≈(TE/T1)*exp(-(TR+TE)/(T1+T2))S_T1/S_T2≈(30ms/800ms)*exp(-(1500ms+30ms)/(800ms+120ms))S_T1/S_T2≈0.0375*exp(-1530ms/920ms)S_T1/S_T2≈0.0375*exp(-1.663)S_T1/S_T2≈0.0375*0.189≈0.0071。（注意：此为理论计算值，实际比值受多种因素影响）五、论述题1.解析思路：首先概述梯度磁场是产生空间编码的基础。然后分点详细阐述其三种主要作用及原理：①层面选择：利用Z梯度场使不同Z位置的自旋Larmor频率不同，通过施加特定频率的RF脉冲（匹配目标层面频率），只激发该层面自旋。②频率编码（读出）：利用X梯度场使不同X位置的自旋Larmor频率不同。施加RF脉冲激发后，让读出梯度Gx随时间线性变化，不同位置的频率偏移也不同，经过采样时间TE后，自旋的相位信息就编码在最终的FID信号中，经FFT后得到频率（X轴）方向的空间信息。③相位编码：利用Y梯度场使不同Y位置的自旋Larmor频率不同。在信号采集期间（如采集k空间的某一行），施加一个线性变化的Y梯度Gy。由于Y梯度频率随时间变化，不同Y位置的自旋相位会随时间线性累积不同的相位，这个相位差异被读出梯度Gx检测并编码到FID信号的频率成分中，经FFT后得到相位（Y轴）方向的空间信息。2.解析思路：从基本原理入手，对比两种序列的脉冲序列结构（RF类型、梯度使用）。然后对比图像对比度来源：SE主要依赖