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《医用物理》磁共振成像MRI的简单原理

2021-11-18 10:29     来源:科普中国     PET/MRI磁共振成像
深入理解核磁共振需要复杂的量子物理知识,这里进行一个深入浅出的介绍。

在MRI(磁共振成像)中,磁场和无线电波脉冲相结合,从身体的氢原子中获得独特的医学反应。因为人体主要由水组成,这意味着体内的大量原子是氢原子。氢原子的核磁性对MRI的主磁场以及它发出的无线电波做出反应 。

在每个氢原子的原子核中,都有一个带正电的质子围绕一个轴旋转。这种旋转会产生自己的微小磁场,使质子拥有自己的北极和南极。

在正常情况下,这些氢质子的旋转轴取向很随机。有电流的地方就会存在着磁场。因此,单个氢质子类似于一个通电线圈,可以看成是一个小磁体。正常情况下,氢质子的自旋是杂乱无章的,处于无序排列,其宏观磁矩为零。

MRI扫描仪本质上是一块巨大的超导磁铁,激活磁场,氢质子的轴会与更强大的磁场重新对齐。其中大约一半面向磁场方向,大约另一半面向相反方向。在低能级(质子的南极面向磁场的北)中排列的原子多一些。那些少数“剩余”质子是MRI 扫描仪将使用的质子。

每个被检查者都有一个射频线圈,靠近被扫描的身体部位。该线圈是一种无线电收发器,可以通过射频(RF)波与氢原子进行通信。这些波的频率与常见FM电台的频率接近。技术人员使用该线圈向被检查的身体部位发送射频脉冲。脉冲经过精确定时以实现氢质子的共振。

质子吸收脉冲能量,导致它们在轴上翻转——仍然与磁场一致。当射频脉冲停止时,质子释放吸收的能量,返回到它们之前的排列,并在此过程中将信号发射回线圈。信号变成电流,扫描仪将其数字化。一个区域中的水含量越低,向射频线圈发射信号的氢质子就越少。不同的信号强度会转化为不同的灰色阴影,放射科医生将其识别为不同类型的骨骼和组织。

副作用

MRI扫描不同于CT扫描和X射线,因为它不使用潜在有害的电离辐射。患者在MRI扫描中出现副作用的情况极为罕见。


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