磁共振成像的物理学基础
1.1概 述
1.1.1磁共振成像的起源及定义
磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是利用射频（radio frequency，RF）电磁波对置于磁场中的含有自旋不为零的原子核的物质进行激发，发生核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR），用感应线圈采集磁共振信号，按一定数学方法进行处理而建立的一种数字图像。
1946年美国加州斯坦福大学Bloch和哈佛大学的Purcell教授同时发现了核磁共振现象，由于这一发现在物理、化学、生物化学、医学上具有重大意 义。此两人于1952年获得诺贝尔物理奖。1946～1972年NMR主要用于有机化合物的分子结构分析，即磁共振波谱分析（magnetic resonance spectroscopy，MRS）。1971年美国纽约州立大学的达曼迪恩Damadian教授在《科学》杂志上发表了题为“NMR信号可检测疾病”和 “癌组织中氢的T1 、T2时间延长”等论文。1973年美国人Lauterbur用反投影法完成了MRI的实验室的模拟成像工作。1978年英国第一台头部MRI设备投入临床使用，1980年全身的MRI研制成功。
1.1.2磁共振成像特点及其局限性
1.1.2.1磁共振影像的特点
·多参数成像，可提供丰富的诊断信息；
·高对比成像，可得出祥尽的解剖图谱；
·任意层面断层，可以从三维空间上观察人体成为现实；
·人体能量代谢研究，有可能直接观察细胞活动的生化蓝图；
·不使用对比剂，可观察心脏和血管结构；
·无电离辐射，一定条件下可进行介入MRI治疗；
·无气体和骨伪影的干扰，后颅凹病变等清晰可见。
1.1.2.2磁共振成像的局限性
·呈像速度慢； ·对钙化灶和骨皮质症不够敏感；
·图像易受多种伪影影响；
·禁忌证多；
·定量诊断困难。
1.2原子核共振特性
1.2.1原子核的自旋
核磁共振成像原理及其发展
核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance即NMR）是处于静磁场中的原子核在另一交变电磁场作用下发生的物理现象。通常人们所说的核磁共振指的是利用核磁共振现象获取分子结构、人体内部结构信息的技术。 并不是所有原子核都能产生这种现象，原子核能产生核磁共振现象是因为具有核自旋。原子核自旋产生磁矩，当核磁矩处于静止外磁场中时产生进动核和能级分裂。在交变磁场作用下，自旋核会吸收特定频率的电磁波，从
核磁共振(MRI)又叫核磁共振成像技术。是继CT后医学影像学的又一重大进步。自80年代应用以来，它以极快的速度得到发展。其基本原理：是将人体置于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发人体内氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被体外的接受器收录，经电子计算机处理获得图像，这就叫做核磁共振成像。
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核磁共振是一种物理现象，作为一种分析手段广泛应用于物理、化学生物等领域，到1973年才将它用于医学临床检测。为了避免与核医学中放射成像混淆，把它称为核磁共振成像术(MRI)。
根据量子力学原理，原子核与电子一样，也具有自旋角动量，其自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数决定，实验结果显示，不同类型的原子核自旋量子数也不同： 质量数和质子数均为偶数的原子核，自旋量子数为0 ，即I=0，如12C,16O,32S等，这类原子核没有自旋现象，称为非磁性核。质量数为奇数的原子核，自旋量子数为半整数 ，如1H,19F,13C等，其自旋量子数不为0，称为磁性核。质量数为偶数，质子数为奇数的原子核，自旋量子数为整数，这样的核也是磁性核。但迄今为止，只有自旋量子数等于1/2的原子核，其核磁共振信号才能够被人们利用，经常为人们所利用的原子核有： 1H、11B、13C、17O、19F、31P ，由于原子核携带电荷，当原子核自旋时，会由自旋产生一个磁矩，这一磁矩的方向与原子核的自旋方向相同，大小与原子核的自旋角动量成正比。将原子核置于外加磁场中，若原子核磁矩与外加磁场方向不同，则原子核磁矩会绕外磁场方向旋转，这一现象类似陀螺在旋转过程中转动轴的摆动，称为进动。进动具有能量也具有一定的频率。
阐述核磁共振原理及故障维修方法
一、核磁共振原理
核磁共振其实是一种物理现象，主要是静磁场中的原子核在另一交变磁场作用下发生的物理现象。可事实上，并不是是所有原子核都能产生这种现象，原子核能产生核磁共振现象是因为具有核自旋。原子核自旋产生磁矩，当核磁矩处于静止外磁场中时产生进动核和能级分裂。在交变磁场作用下，自旋核会吸收特定频率的电磁波，从较低的能级跃迁到较高能级。这种过程就是核磁共振。
事实上来说，核磁共振其实主要是由原子核的自旋运动引起的，带正电荷的原子核自转时具有磁性，它在磁场的赤道平面因受到力矩作用而发生偏转，核磁矩绕着磁场方向转动，而核“自转”的速度是不变的。一般情况下，原子核都会带有电荷，原子核自旋往往会产生一个磁矩，原子核的自旋与磁矩的方向相同。
二、核磁共振仪器常见典型故障和维修分析
（一）故障一：用仪器扫描图像是，画面一半清楚，一半模糊
以在医院用仪器扫描人体胸部为例，在机器成像图中，分布不均匀，右侧几乎黑的什么都看不到，而左侧一切正常。
那么，这种情况是怎样形成的呢？由于扫描出来的结果是图像不清楚，质量极差，到底是哪儿出了问题，需要对设备进行逐一的排查，把PF所有的测试项目都做一遍，肯定有一项指标是错误的，假设其他一切测试结果都正常，在做Mars测试时，pci-star结果为not ok，那就是这个部分出了问题，就要开始一一排除，一项项把相关的零件都更换一遍，然后重启机器，如果重启之后，设备扫描得到的图像恢复了正常，那么更换的就是发生故障了的零件。
故障维修分析主要思路是逐一测试，逐渐缩小范围，在对设备工作原理熟知的前提下，采用这种办法一定能很快的找出出故障的地方，及时的维修，解决问题。
（二）故障二：扫描出来的图像出现斜条伪影
遇到这种故障，先观察系统有没有错误报警提示，如果没有，重启机器后如果图像还是这种情况，只好先更换不同的线圈，最容易忽略的小细节，就是线圈接口是否都接好，接触不良也容易导致伪影地出现；如果伪影还是存在，就检查旁边的各辅助设备是否有异常，如果静态压力在正常范围内，而且磁体间的温度、湿度都在合理的范围内，那么问题就不在辅助设备上；核磁体所在的房间也有一定的影响，如房间内的灯光正好打在被扫描的物体上，导致了伪影，更换电灯泡在进行扫描，看是否还有重影；或者有其他交流电的存在，也会干扰扫描出来的效果，比如室内有一些干扰物存在，移走后可能扫描就正常了。
核磁共振教学仪实验报告
上海复旦天欣科教仪器有限公司
- 2 - 2 核 磁 共 振 实 验
一.实验概述
核磁共振现象最早在1946年由美国斯坦福大学的Bloch和哈佛大学的Purcell发现的，他们因此获得了1952年度的诺贝尔奖金。具有磁矩的原子核位于恒定磁场中时，一般将以一定的角速度围绕磁场轴做进动并最终沿磁场方向趋向。如果垂直于该恒定磁场外加一弱交变磁场，则当交变场的圆频率0和恒定磁场0B满足一定关系（00B，为旋磁比）时，核磁矩将会沿着固定的轨道绕恒定磁场进动，同时出现能量最大吸收。随后，Bloch、Landau等科学家分别从这一经典的物理图像出发，给出了核磁共振的经典描述。以后，又有了量子力学的解释。今天，核磁共振已经成为研究物质结构、研究原子核的磁性、进行各种化合物的分析和鉴定、测定各种原子核磁矩以及进行医学诊断的有利工具。
二.实验原理
Bloch根据经典理论力学和部分量子力学的概念推导出Bloch方程。Feynman、Vernon、Hellwarth在推导二能级原子系统与电磁场作用时，从基本的薛定谔方程出发得到与Bloch方程完全相同的结果，从而得出Bloch方程适用于一切能级跃迁的理论，这种理论被称之为FVH表象。
原子核具有磁矩：
L； （1）
称为回旋比，是一个参数；L表示自旋的角动量；
原子核在磁场中受到力矩：
BM； （2）
根据力学原理MdtLd，可以得到：
Bdtd； （3）
其分量式为： - 3 - 3 )()()(xyyxzzxxzyyzzyxBBdtdBBdtdBBdtd （4）
