磁共振成像系统的原理及其应用PDF电子书下载

第一章 概述 1

第一节 核磁共振的发现和利用 1

第二节 磁共振成像的发展历程 4

一、磁共振成像的发展 4

二、磁共振成像的命名 10

三、早期的临床应用成果 10

第三节 我国磁共振成像的临床应用和开发研究 12

第四节 磁共振成像的评价 13

一、磁共振成像的特点 13

二、磁共振成像的局限性 16

三、磁共振成像与CT的比较 17

参考文献 19

第二章 核磁共振及其物理学 20

第一节 进动、磁矩与电磁波 20

一、转动和进动 20

二、磁场和磁矩 22

三、电磁场和电磁辐射 23

第二节 原子核的自旋与磁矩 26

一、原子核的一般特性 26

三、核外电子的磁矩 27

二、微观粒子的磁矩及其量子力学表达 27

四、原子核的自旋与磁矩 28

五、原子的磁矩 31

第三节 静磁场中的自旋核 31

一、自旋角动量的空间量子化 32

二、核磁矩的空间量子化 32

三、核磁矩在磁场中的能量和塞曼效应 33

四、自旋核在静磁场中的进动 35

一、概述 38

二、NMR的经典力学原理 38

第四节 核磁共振现象和共振条件 38

三、NMR的量子力学描述 41

四、NMR的经典力学和量子力学模型 41

五、关于NMR条件的讨论 42

第五节 核磁共振的宏观描述 44

一、自旋核的能级分布--玻尔兹曼分布 44

二、静磁化强度矢量 46

三、磁化强度矢量M的激发和章动 51

第六节 饱和现象 53

一、化学位移的来源 55

第七节 化学位移 55

二、化学位移的表达 56

三、标准物质的选择 58

四、化学位移与磁共振成像的关系 58

参考文献 58

第三章 弛豫和共振信号的检测 60

第一节 弛豫和弛豫时间 60

一、弛豫的物理意义 60

二、弛豫的分类 60

三、弛豫时间 61

第二节 磁化强度矢量M的弛豫过程 63

第三节 关于弛豫和弛豫时间的讨论 67

一、弛豫开始的时间问题 67

二、T1，T2的场强依赖性或频率依赖性 67

三、固体和液体的不同弛豫 69

四、纵向弛豫率和横向弛豫率 70

五、T2与T2的关系 71

六、弛豫的温度依赖性 72

第四节 弛豫的生物学意义 72

一、人体组织中的水及其弛豫特性 73

二、人体组织中其他成分的弛豫特性 74

三、弛豫的生物学机制 75

四、组织弛豫的决定因素 78

第五节 布洛赫方程及其应用 79

一、固定坐标系中的布各赫方程 79

二、旋转坐标系中的布洛赫方程 81

三、布洛赫方程的稳态解及其讨论 83

四、布洛赫方程的应用举例 87

第六节 自由感应衰减及其信号检测 89

一、自由感应衰减信号 90

二、动态磁化率 93

三、自由感应衰减信号的检测 95

第七节 磁性核的特性 97

一、磁性核与非磁性核 97

二、原子核的磁化和顺磁磁化率 98

三、医用磁性核的有关特性 98

四、NMR信号强度及其影响因素 100

参考文献 100

一、组织体素和像素 102

第一节 磁共振图像的品质因素 102

第四章 磁共振成像原理 102

二、灰度和对比度 103

三、信噪比 105

四、空间分辨率 108

五、图像的显示及窗口技术 109

第二节 傅里叶变换及梯度场 110

一、问题的提出 110

二、傅里叶变换简介 111

四、梯度场及其作用原理 117

三、MRI系统的坐标系 117

第三节 磁共振成像法 122

一、成像法及其分类 122

二、点成像法 123

三、线成像法 124

四、面成像法 125

五、多层面及三维体积成像 128

六、关于成像方法的讨论 128

第四节 磁共振成像的空间定位 129

一、层面选择 129

二、平面内信号的定位 133

三、梯度周期与成像时序 138

四、图像重建 139

第五节 梯度脉冲的相位效应 140

一、梯度脉冲的相位效应 140

二、射频脉冲和梯度场对相位的共同影响 141

三、选层梯度与进动相位的关系 142

四、读出梯度与进动相位的关系 144

五、相位编码梯度与进动相位的关系 145

参考文献 147

一、磁学和磁铁 148

二、基本磁现象 148

第五章 磁性物理学基础 148

第一节 基本磁现象 148

三、磁场和电场的联系与区别 150

第二节 磁介质和磁感应强度 150

一、磁介质 150

二、磁感应强度 151

三、静磁场和均匀磁场 152

四、磁化强度和磁化率 153

五、铁磁质及其特性 154

一、电流元 157

二、直线电流的磁场 157

第三节 电流的磁场 157

三、环形电流的磁场 159

四、直螺线管电流内部的磁场 160

第四节 磁体及其分类 162

一、磁体 162

二、磁体的分类 163

参考文献 165

第一节 磁共振成像系统的组成 166

第六章 磁共振成像设备 166

第二节 磁体子系统 167

一、磁体的性能指标 168

二、成像用磁体的分类 170

三、磁体系统的组成 175

第三节 梯度子系统 175

一、梯度磁场的性能 176

二、梯度子系统的组成 176

三、梯度线圈 177

四、梯度控制器和数模转换器 179

五、梯度放大器 180

六、梯度冷却系统 180

七、涡流的影响 180

第四节 射频子系统 181

一、射频脉冲 182

二、射频线圈 183

三、射频脉冲发射单元 186

四、射频信号接收单元 188

第五节 信号采集和图像重建子系统 191

一、采样和采样保持 192

二、量化和量化误差 195

三、信号采集单元的组成 195

四、数据处理和图像重建 195

第六节 主计算机和图像显示子系统 197

一、主计算机及其功能 197

二、主计算机系统的组成 198

三、主计算机系统中运行的软件 203

四、图像显示 205

一、可供利用的生理信号及其获取 209

第七节 生理信号检测及控制子系统 209

二、生理信号的应用 211

三、生理信号检测与控制子系统 213

参考文献 215

第七章 磁共振成像的线圈技术 216

第一节 射频线圈的功能和分类 216

一、射频线圈的功能 216

二、射频线圈与普通天线的比较 216

三、射频线圈的分类 217

一、射频线圈的主要指标 221

第二节 射频线圈的指标和选用 221

二、射频线圈的选用 224

第三节 射频线圈的电路和电磁场基础 226

一、串联电路的谐振 226

二、串联谐振的特点 227

三、线圈的等效电阻 229

四、毕奥-萨伐尔定律 230

五、趋肤效应 230

六、集总参数和分布参数 231

八、均匀传输线及其匹配 232

七、谐振腔 232

九、波导 235

第四节 信号检测和射频线圈的基本要求 236

一、NMR信号的检测 236

二、射频线圈的基本要求 237

第五节 亥姆霍兹线圈 240

一、亥姆霍兹线圈的计算 240

二、实用亥姆霍兹线圈举例 242

一、螺线管线圈 244

第六节 螺线管线圈和四线结构线圈 244

二、四线结构线圈 245

第七节 管状谐振器 247

一、工作原理 247

二、管状谐振器线圈的组成 248

三、安尔德曼-格兰特线圈 249

第八节 笼式线圈 253

一、线圈结构与正弦电流分布 253

二、笼式线圈的原理 255

三、笼式线圈的电路结构 255

四、笼式线圈的分析 256

五、笼式线圈举例 257

第九节 表面线圈 259

一、表面线圈的原理 259

二、表面线圈的大小和成像深度的关系 260

三、表面线圈的改进和发展 261

四、表面线圈举例 261

第十节 射频线圈的接口 263

一、发射器-线圈接口 264

二、前置放大器-线圈-RF功放接口 266

三、前置放大器的保护和匹配 267

参考文献 268

第八章 磁共振对比度增强剂 270

第一节 概述 270

一、图像对比度及其增强 270

二、对比度增强剂的定义 270

三、对比度增强剂的产生 271

四、物质的磁性 272

一、弛豫、弛豫率和浓度弛豫率 273

第二节 对比度增强剂的信号增强机制 273

五、对比度增强剂的构成要素 273

二、顺磁性环境中的弛豫率 274

三、信号增强机制 275

四、金属离子的作用 277

五、弛豫的定量描述 277

第三节 对比度增强剂的配方 278

第四节 对比度增强剂的生物学特性 283

一、体内分布 283

三、毒性 284

二、清除和排泄 284

四、渗透性 287

第五节 常见对比度增强剂的药剂学 288

一、金属盐对比度增强剂 288

二、金属赘合物对比度增强剂 289

三、生物大分子对比度增强剂 290

四、微粒型对比度增强剂 291

第六节 对比度增强剂的发展趋势 293

参考文献 295

二、FID信号及其运动规律 296

一、问题的提出 296

第一节 脉冲序列的构成、表达和分类 296

第九章 磁共振成像术--脉冲序列概述 296

三、脉冲序列及其构成 298

四、脉冲序列的表达 299

五、脉冲序列的分类 300

第二节 脉冲序列参数的定义 301

一、时间参数 302

二、分辨率参数 302

三、其他参数 303

四、快速成像序列的参数 304

第三节 图像对比度与加权 305

一、T1值和T1图像对比度 305

二、T2值与T2图像对比度 306

三、质子密度值与质子密度图像对比度 308

四、图像的加权 309

参考文献 310

第十章 磁共振成像术--常规脉冲序列 312

第一节 部分饱和脉冲序列 312

一、部分饱和序列的检测原理 312

二、部分饱和序列的特点 313

第二节 反转恢复脉冲序列 314

一、反转恢复序列的时序 314

二、激发过程和信号检测原理 315

三、反转恢复序列的信号特点 316

四、反转恢复序列的改进序列 317

第三节 自旋回波脉冲序列 320

一、自旋回波及其产生 320

二、自旋回波序列的时序及信号强度 322

三、自旋回波信号的波形及其影响因素 323

四、自旋回波信号的应用 324

五、自旋回波序列的图像特征 325

六、自旋回波序列族 326

第四节 梯度回波脉冲序列 329

一、梯度回波及其产生 329

二、小角度激励及其应用 332

三、梯度回波序列的时序 333

四、扰相梯度和相位重聚梯度 334

五、梯度回波序列族 336

六、梯度回波序列的图像特点和应用 337

一、三维成像的概念 338

七、梯度回波序列的评价 338

第五节 三维成像及其脉冲序列 338

二、三维成像的激发特点和扫描带选取 339

三、三维成像的序列及其讨论 341

四、SNR与三维成像 343

参考文献 344

第十一章 磁共振成像术--快速成像序列 346

第一节 加快扫描速度的常用策略 346

一、K空间及其对称性 346

二、减少傅里叶行的采样策略 348

三、半傅里叶成像策略 349

四、长方形FOV或长方形扫描矩阵策略 350

五、钥孔成像策略 351

六、螺旋扫描策略 351

七、辐射扫描策略 352

八、减少翻转角的快速成像策略 353

第二节 快速自旋回波序列 353

一、传统SE序列的数据获取与K空间的对应关系 354

二、快速SE序列 355

三、多层面快速SE序列 357

四、快速SE序列的参数以及对图像的影响 358

五、快速SE序列的K空间重组 361

六、快速SE序列的图像特征和应用 362

七、快速SE序列族 362

第三节 快速梯度回波序列 363

一、概述 363

二、基本GRE序列 364

三、去除剩余磁化的GRE(FLASH类)序列 364

四、利用剩余磁化的GRE(FISP类)序列 365

五、TrueFISP类GRE序列 366

六、PSIF类GRE序列 367

七、TurboFLASH类GRE序列 368

八、快速GRE序列小结 373

第四节 回波平面成像序列 375

一、概述 375

二、EPI序列及其分类 376

三、振荡梯度和非振荡梯度 377

四、单激发的EPI和多激发的EPI 378

五、MS-EPI序列与FSE序列的比较 379

六、EPI序列的图像特征及其评价 380

第五节 其他快速成像序列 381

七、EPI序列小结 381

一、GRASE序列 382

二、TIR和TIRM序列 382

三、STEAM序列 383

第六节 快速成像序列的应用 384

一、功能成像 384

二、扩散成像 384

三、灌注成像 385

四、心脏成像及实时电影 386

五、血管造影 387

六、出血的表现 387

七、腹部成像 388

八、头颅成像 388

九、脊柱成像 388

十、肌肉骨胳系统成像 389

参考文献 389

第十二章 磁共振成像术--序列参数的优化 391

第一节 参数优化的意义 391

一、对比度的影响参数及其优化 392

第二节 参数优化的内容 392

二、空间分辨率的影响参数及其优化 396

三、信噪比的影响参数及其优化 398

四、成像区间的影响参数及其优化 402

五、参数选择与图像质量的关系 402

第三节 扫描方案的制定 404

一、扫描时间和扫描效率 404

二、脉冲序列的选用 404

三、图像质量与扫描时间的关系 405

五、扫描方案的优选及其举例 406

四、面向目标的扫描 406

参考文献 407

第十三章 磁共振脑功能成像及其应用 408

第一节 脑功能成像的概念 408

一、脑功能成像及其特点 408

二、磁共振脑功能成像的对比度产生机制 409

三、磁共振脑功能成像的方法及其评价 409

四、磁共振脑功能成像的发展历程 411

第二节 扩散和灌注 413

一、扩散 413

二、扩散与梯度场的关系及其测量 415

三、受限扩散和各向异性扩散 417

四、组织的扩散系数及其影响因素 418

五、灌注及其测量 419

第三节 脑功能成像的生理学和解剖学基础 421

一、组织与血液的物质交换 422

三、血脑屏障和脑的血液循环 422

三、脑的血液动力学 423

四、脑血流的调节和神经控制 424

五、脑的神经解剖学 426

一、指示剂稀释法和造影剂的应用 428

第四节 造影剂团块注射法脑功能成像原理 428

二、造影剂的检测 430

三、NMR信号强度与造影剂浓度的关系 433

四、造影剂团块注射法脑功能成像 434

第五节 血氧合水平法脑功能成像原理 435

一、血红蛋白及其生理学 435

二、血红蛋白的磁特性 436

三、氧合水平的定义 437

四、氧合水平法脑功能成像原理 437

六、BOLD加权信号的场强依赖性 439

五、氧合水平与NMR信号的关系 439

七、信号的时程 440

八、氧合水平的图像表现 442

九、用BOLD法取得的部分实验结果 442

第六节 磁共振脑功能成像的方法 444

一、脑功能成像的基本过程 444

二、脑功能成像对设备的要求 445

三、脉冲序列的选择 446

四、序列的血液相关特性 447

五、序列的参数选择 449

六、新序列的设计 452

七、数据处理 454

第七节 磁共振脑功能成像的应用 456

一、视觉研究 456

二、运动研究 457

三、听觉研究 459

四、语言研究 459

五、其他感觉研究 461

六、认识研究 461

九、癫？评价 462

七、手术前定位 462

八、化学刺激研究 462

第八节 磁共振脑功能成像所面临的挑战 463

一、成像场强的挑战 463

二、EPI序列的挑战 463

三、图像获取方面的挑战 464

四、其他挑战 464

第九节 脑功能成像术及其发展 464

参考文献 465

第一节 超导电性的概念 469

第十四章 超导电性及其应用 469

第二节 超导体的基本性质 470

一、完全导电性 470

二、完全抗磁性 471

第三节 超导材料的主要指标 471

一、临界温度 471

二、临界磁场 472

三、临界电流 472

一、超导体的分类 473

二、Ⅰ类超导体及其磁特性 473

第四节 超导体的分类 473

三、Ⅱ类超导体及其磁特性 474

四、实用超导体 474

第五节 超导电性应用举例 474

一、超导磁体 475

二、磁悬浮 475

三、磁分离 475

四、高能物理实验 476

五、受控热核反应 476

六、核磁共振 476

第六节 高温超导体及其进展 477

一、超导材料的“温度壁垒” 477

七、磁共振成像 477

八、超导电子器件 477

二、高温超导体的历史回顾 478

三、高温超导体研究的重大突破 478

四、高温超导体展望 479

参考文献 480

第十五章 低温物理学和低温流体 481

第一节 概述 481

一、状态参量 482

第二节 低温物理中的基本物理量 482

三、理想气体、真实气体和等温线 484

二、理想气体的状态方程 484

四、气体的临界恒量 485

五、物质的相和相变 487

第三节 工程热力学基础 487

一、热力学系统 487

二、制冷介质和制冷系统 487

三、热量 487

五、热力学函数 489

四、热力学基本定律 489

六、热力过程 490

七、热力循环 491

第四节 纯物质的一阶相变 492

一、一阶相变的基本特征 492

二、纯物质的相图 494

三、纯物质的pVT图 494

第五节 氦及其性质 495

二、氦的用途 496

一、氦的来源 496

三、氦的两种同位素 497

四、氦的气液相变 498

五、He4的相图和λ相变 498

六、HeⅡ的超导热性和超流动性 500

七、小结 502

第六节 液氮 502

第七节 氦制冷 503

一、制冷的一般原理 503

二、氦制冷 505

三、氦压缩制冷机与磁体冷头的关系 507

四、氦的液化 508

第八节 低温技术的回顾和展望 511

参考文献 512

第十六章 低温操作技术 513

第一节 液氮、液氦的管理和贮存 513

一、液氮和液氦的管理 513

二、液氮和液氦的贮存 514

第二节 液氦消耗机理 518

一、输液率 519

第三节 液氦灌装技术 519

二、输液管 520

三、液氦注入口的封闭 521

四、输液的原理 523

五、输液的准备 523

六、输液注意事项 524

七、输液步骤 525

第四节 低温真空技术 526

二、描述真空状态的物理量 527

三、真空度的划分 527

一、真空的概念 527

四、真空获得设备 528

参考文献 529

第十七章 匀场和超导磁体的运行 530

第一节 磁场的测量 530

一、磁场测量仪器 530

二、磁场测量方案 531

三、高斯计的连接 533

四、磁场中心的测定 533

二、无源匀场 534

一、匀场的概念 534

五、磁场方向的确定 534

第二节 匀场 534

三、匀场线圈和有源匀场 536

四、匀场数据的处理 538

五、匀场操作步骤 538

六、关于匀场方法的讨论 538

第三节 超导磁体的内部结构 539

第四节 超导线圈的绕制材料 542

第五节 超导环境的建立和励磁 543

一、超导环境的建立 543

二、励磁 545

三、最佳电流的概念 547

四、持续电流模式 547

第六节 超导磁体的电源和持续电流开关 547

一、超导磁体的供电装置 547

二、持续电流开关 549

三、失超的原因 551

二、失超的简单过程 551

第七节 失超及其保护 551

一、失超的概念 551

四、失超保护 552

五、失超的处理 554

第八节 超导磁体的其他组成部分 555

一、致冷剂液面检测器 555

二、磁化急停单元 558

四、氧检测器和应急排风机 559

参考文献 559

三、失超管 559

第十八章 西门子Magnetom系列MRI系统分析 561

第一节 Magnetom系列MRI系统概况 561

第二节 Magnetom的组成 561

一、磁体 561

二、数据测量模块 562

三、数据处理模块 562

四、系统总框图 562

第二节 Magnetom的常用设备名 563

第三节 测量控制器的组成和功能 565

一、CSU的数据通讯方式 566

第四节 静态测量控制 566

二、加电和启动控制 567

三、CSU和“Pre-image ldle”状态 568

四、CSU的结构 568

五、CSU中断 569

六、CCU复位 569

第五节 动态测量控制 570

一、SCU的功能和结构 570

二、CCU的功能和结构 572

三、动态测量控制逻辑 573

四、SCU和CCU的控制字 575

第六节 数据采集子系统 576

一、A／D转换过程 577

二、A／D转换的控制信号及其时序 578

三、数据格式 579

第七节 西门子医学图像处理器 580

一、图像处理器的结构 580

二、图像处理器的单元电路 581

三、图像处理器中的数据流 584

四、图像生成器的组成和工作流程 585

一、梯度灵敏度 587

第八节 梯度子系统 587

二、梯度放大器的特点 588

三、梯度子系统的结构 589

第九节 主计算机系统(VAX)及其扫描软件 590

一、VAX内核 590

二、Q总线 591

三、Q总线与外围设备的接口 591

四、Magnetom的扫描软件 592

参考文献 593

第十九章 磁共振成像系统的生物效应 594

第一节 概述 594

第二节 静磁场的生物效应 595

一、温度效应 595

二、磁流体动力学效应 596

三、中枢神经系统效应 598

第三节 梯度磁场的生物效应 598

一、梯度场及其感应电流 598

三、磁致光幻视 599

四、梯度场的有关安全标准 599

二、梯度场的心血管效应 599

第四节 射频场的生物效应 600

一、射频能量的特殊吸收率 600

二、辐射“热点”及温度“热点” 600

三、射频场对体温的影响 601

四、射频场最易损伤的器官 602

参考文献 602

二、磁场对物质的作用 604

一、投射效应 604

第一节 铁磁性投射物 604

第二十章 磁共振成像的安全性 604

三、常见铁磁性投射物 605

第二节 体内植人物 605

一、体内植人物 606

二、体内植人物的安全性 606

三、体外铁磁性支持物 607

四、金属异物的预检查 607

第三节 梯度场噪声 608

第四节 孕妇的MRI检查 608

参考文献 609

第六节 生理信号监测 609

第五节 不良心理反应及其预防 609

第二十一章 磁共振成像系统的保障体系 611

第一节 磁场与环境的相互影响 611

一、等高斯线图 611

二、磁场对环境的影响 611

三、环境对磁场的影响 613

第二节 磁屏蔽 613

一、磁屏蔽的概念 613

二、磁屏蔽的分类 614

三、无源屏蔽的效率及其讨论 615

四、磁屏蔽材料 616

第三节 射频屏蔽 617

第四节 冷水系统 617

第五节 氦气回收系统 618

一、氦气回收装置 618

二、氦气的回收 619

第六节 其他保证系统 619

一、空调系统 619

二、不间断电源 619

参考文献 621

三、空气压缩机 621

四、安全监测 621

第二十二章 磁共振成像的进展及其发展趋势 622

第一节 磁共振成像的进展 622

一、快速和超快速扫描 622

二、主磁体及其发展趋势 624

三、高性能的梯度子系统 625

四、对计算机的要求及其网络化趋势 627

五、心血管检查的若干进展 627

七、介入磁共振 629

六、功能成像 629

八、岗位培训及考核 631

第二节 磁共振成像系统的展望 631

参考文献 632

附录一 主要符号一览表 635

附录二 主要缩写词表 637

附录三 物理常数表 639

附录四 对核磁共振做出贡献的14位诺贝尔奖得主简介 640

附录五 磁共振成像常用词汇 647

后记 674