1 南昌航空大学课 程 论 文课程名称无损检测新技术题目核磁共振成像检测技术作者刘海朝学号 10081213 所属学院测试与光电工程学院写作时间 2013年 12 月2 目录一、核磁共振成像原理 错误！未定义书签。二、核磁共振国内外研究现状 3三、核磁共振设备组成及运用 7四、核磁共振的未来发展趋势 9五、参考文献 错误！未定义书签。3 核磁共振检测技术一 、核磁共振原理核磁共振成像（ Nuclear Magnetic Resonance Imaging ，简称 NMRI ） ，又称自旋成像（ spin imaging） ，也称磁共振成像（ Magnetic Resonance Imaging，简称MRI） ，台湾又称磁振造影，是利用核磁共振（nuclear magnetic resonnance ，简称NMR）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。将这种技术用于人体内部结构的成像，就产生出一种革命性的医学诊断工具。快速变化的梯度磁场的应用，大大加快了核磁共振成像的速度，使该技术在临床诊断、 科学研究的应用成为现实， 极大地推动了医学、 神经生理学和认知神经科学的迅速发展。物理原理核磁共振成像是随着计算机技术、电子电路技术、 超导体技术的发展而迅速发展起来的一种生物磁学核自旋成像技术。它是利用磁场与射频脉冲使人体组织内进动的氢核（即H+）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， MRI 即依赖水中氢原子。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。通过一个磁共振成像扫描人类大脑获得的一个连续切片的动画，由头顶开始，一直到基部。核磁共振成像是随着电脑技术、 电子电路技术、 超导体技术的发展而迅速发展起来的一种生物磁学核自旋成像技术。医生考虑到患者对 “ 核” 的恐惧心理， 故常将这门技术称为磁共振成像。 它是利用磁场与射频脉冲使人体组织内进动的氢核（即 H+）发生章动产生射频信号，经电脑处理而成像的。4 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 ” 。氢核-首选核种氢核是人体成像的首选核种： 人体各种组织含有大量的水和碳氢化合物，所以氢核的核磁共振灵活度高， 且氢核的磁旋比大， 信号强，这是人们首选氢核作为人体成像元素的原因。NMR 信号强度与样品中氢核密度有关，人体中各种组织间含水比例不同，即含氢核数的多少不同，则NMR 信号强度有差异，利用这种差异作为特征量， 把各种组织分开， 这就是氢核密度的核磁共振图像。人体不同组织之间、正常组织与该组织中的病变组织之间氢核密度、弛豫时间T1、T2三个参数的差异，是MRI 用于临床诊断最主要的物理基础。当施加一射频脉冲信号时， 氢核能态发生变化， 射频过后， 氢核返回初始能态， 共振产生的电磁波便发射出来。 原子核振动的微小差别可以被精确地检测到，经过进一步的计算机处理， 即可能获得反应组织化学结构组成的三维图像，从中我们可以获得包括组织中水分差异以及水分子运动的信息。这样，病理变化就能被记录下来。人体 2/3 的重量为水分， 如此高的比例正是磁共振成像技术能被广泛应用于医学诊断的基础。 人体内器官和组织中的水分并不相同，很多疾病的病理过程会导致水分形态的变化，即可由磁共振图像反应出来。MRI 所获得的图像非常清晰精细，大大提高了医生的诊断效率，避免了剖胸或剖腹探查诊断的手术。由于MRI 不使用对人体有害的X 射线和易引起过敏反应的造影剂，因此对人体没有损害。MRI 可对人体各部位多角度、多平面成像，其分辨力高， 能更客观更具体地显示人体内的解剖组织及相邻关系，对病灶能更好地进行定位定性。 对全身各系统疾病的诊断， 尤其是早期肿瘤的诊断有很大的价值。数学运算原子核带正电并有自旋运动， 其自旋运动必将产生磁矩， 称为核磁矩。 研究表明，核磁矩 与原子核的自旋角动量S 成正比，即5 式中 为比例系数，称为原子核的旋磁比。在外磁场中，原子核自旋角动量的空 间 取 向 是 量 子 化 的 ， 它 在 外 磁 场 方 向 上 的 投 影 值 可 表 示 为 ：m 为核自旋量子数。 依据核磁矩与自旋角动量的关系，核磁矩在外磁场中的取向也是量子化的，它在磁场方向上的投影值为：对于不同的核， m 分别取整数或半整数。 在外磁场中， 具有磁矩的原子核具有相应的能量，其数值可表示为：式中 B 为磁感应强度。可见，原子核在外磁场中的能量也是量子化的。由于磁矩和磁场的相互作用， 自旋能量分裂成一系列分立的能级，相邻的两个能级之差E = hB。用频率适当的电磁辐射照射原子核，如果电磁辐射光子能量h 恰好为两相邻核能级之差E，则原子核就会吸收这个光子，发生核磁共振的频率条件是：式中 为频率， 为角频率。对于确定的核，旋磁比 可被精确地测定。可见，通过测定核磁共振时辐射场的频率 ，就能确定磁感应强度；反之，若已知磁感应强度，即可确定核的共振频率。二 、核磁共振国内外研究现状诺贝尔获奖者的贡献： 2003年 10 月 6 日， 瑞典卡罗林斯卡医学院宣布， 2003年诺贝尔生理学或医学奖授予美国化学家-zh-tw: 保罗 劳特伯 ;zh-cn:保罗 劳特布尔-（Paul C. Lauterbur）和英国物理学家彼得 曼斯菲尔德（ Peter Mansfield） ，以表彰他们在医学诊断和研究领域内所使用的核磁共振成像技术领域的突破性成就。 -zh-tw: 劳特伯 ;zh-cn:劳特布尔 -的贡献是，在主磁场内附加一个不均匀的磁场，把梯度引入磁场中， 从而创造了一种可视的用其他技术手段却看不到的物质内部结构的二维结构图像。 他描述了怎样把梯度磁体添加到主磁体中，然后能看到沉浸在重水中的装有普通水的试管的交叉截面。除此之外没有其他图像技术可以在普通水和重水之间区分图像。通过引进梯度磁场， 可以逐点改变核磁共振电磁波频率，通过对发射出的电磁波的分析，可以确定其信号来源。6 曼斯菲尔德进一步发展了有关在稳定磁场中使用附加的梯度磁场理论，推动了其实际应用。 他发现磁共振信号的数学分析方法，为该方法从理论走向应用奠定了基础。这使得 10 年后磁共振成像成为临床诊断的一种现实可行的方法。他利用磁场中的梯度更为精确地显示共振中的差异。他证明，如何有效而迅速地分析探测到的信号， 并且把它们转化成图像。 曼斯菲尔德还提出了极快速的梯度变化可以获得瞬间即逝的图像， 即-zh-tw: 面回讯成像 ;zh-cn:平面回波扫描成像 -（echo-planar imaging, EPI）技术，成为 20世纪 90 年代开始蓬勃兴起的功能磁共振成像（ functional MRI, fMRI ）研究的主要手段。雷蒙德 达马蒂安的 “ 用于癌组织检测的设备和方法” 值得一提的是， 2003年诺贝尔物理学奖获得者们在超导体和超流体理论上做出的开创性贡献，为获得2003 年度诺贝尔生理学或医学奖的两位科学家开发核磁共振扫描仪提供了理论基础，为核磁共振成像技术铺平了道路。由于他们的理论工作， 核磁共振成像技术才取得了突破，使人体内部器官高清晰度的图像成为可能。此外，在 2003 年 10 月 10 日的纽约时报和华盛顿邮报上，同时出现了佛纳（Fonar） 公司的一则整版广告： “ 雷蒙德 达马蒂安 （Raymond Damadian ） ，应当与彼得 曼斯菲尔德和保罗 劳特布尔分享 2003 年诺贝尔生理学或医学奖。 没有他，就没有核磁共振成像技术。” 指责诺贝尔奖委员会 “ 篡改历史 ” 而引起广泛争议。事实上，对 MRI 的发明权归属问题已争论了许多年，而且争得颇为激烈。而在学界看来，达马蒂安更多是一个生意人，而不是科学家。以下为 MRI 在有关方面的应用（一） 、MRI 在医学上的应用氢核是人体成像的首选核种： 人体各种组织含有大量的水和碳氢化合物，所以氢核的核磁共振灵活度高、 信号强，这是人们首选氢核作为人体成像元素的原因。NMR 信号强度与样品中氢核密度有关，人体中各种组织间含水比例不同，即含氢核数的多少不同，则NMR 信号强度有差异，利用这种差异作为特征量，把各种组织分开， 这就是氢核密度的核磁共振图像。人体不同组织之间、 正常组织与该组织中的病变组织之间氢核密度、弛豫时间T1、T2 三个参数的差异，是MRI 用于临床诊断最主要的物理基础。7 当施加一射频脉冲信号时，氢核能态发生变化，射频过后，氢核返回初始能态，共振产生的电磁波便发射出来。 原子核振动的微小差别可以被精确地检测到， 经过进一步的计算机处理， 即可能获得反应组织化学结构组成的三维图像，从中我们可以获得包括组织中水分差异以及水分子运动的信息。这样，病理变化就能被记录下来。人体 2/3 的重量为水分，如此高的比例正是磁共振成像技术能被广泛应用于医学诊断的基础。 人体内器官和组织中的水分并不相同，很多疾病的病理过程会导致水分形态的变化，即可由磁共振图像反应出来。MRI 所获得的图像非常清晰精细，大大提高了医生的诊断效率，避免了剖胸或剖腹探查诊断的手术。由于MRI 不使用对人体有害的X 射线和易引起过敏反应的造影剂，因此对人体没有损害。MRI 可对人体各部位多角度、多平面成像，其分辨力高， 能更客观更具体地显示人体内的解剖组织及相邻关系，对病灶能更好地进行定位定性。 对全身各系统疾病的诊断， 尤其是早期肿瘤的诊断有很大的价值。其优点为：与 1901 年获得诺贝尔物理学奖的普通X 射线或 1979 年获得诺贝尔医学奖的计算机层析成像（computerized tomography?, CT ）相比，磁共振成像的最大优点是它是目前少有的对人体没有任何伤害的安全、快速、准确的临床诊断方法。如今全球每年至少有6000 万病例利用核磁共振成像技术进行检查。具体说来有以下几点：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CT；2.