2025年大學《物理學》專業(yè)題庫——磁學在磁共振成像中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項的字母填入括號內(nèi)）1.在穩(wěn)恒的靜磁場B0中，氫核（質(zhì)子）自旋角動量矢量S的取向只有兩種可能，這是由于氫核具有()。A.整數(shù)自旋量子數(shù)B.半整數(shù)自旋量子數(shù)C.非零旋磁比D.磁偶極矩2.當射頻脈沖的持續(xù)時間恰好為90度時，它能使處于縱向磁化Mz狀態(tài)的氫核群體()。A.完全轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向磁化MxB.完全轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向磁化MzC.沿垂直于B0的方向進動D.部分轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向磁化Mx3.梯度磁場在MRI中的作用是()。A.產(chǎn)生射頻信號B.使不同位置的氫核進動頻率不同C.引起T1弛豫D.使磁化矢量恢復到平衡狀態(tài)4.自旋-晶格弛豫（T1弛豫）是指()。A.橫向磁化Mxy衰減的過程B.縱向磁化Mz恢復的過程C.磁化矢量進動頻率減小的過程D.Larmor頻率增加的過程5.在SE（自旋回波）序列中，回波信號強度主要取決于()。A.RF脈沖的強度B.梯度場強度C.T1弛豫時間D.T2弛豫時間6.以下哪種偽影通常是由于患者體內(nèi)存在移動或不規(guī)則結構引起的？()A.金屬偽影B.信號丟失偽影C.橢圓偽影（Bohr-Maggi偽影）D.梯度場不均勻性偽影7.k空間中的中心點（k=0）對應的MRI圖像信息是()。A.圖像的相位信息B.圖像的頻率信息C.圖像的對比度信息D.圖像的平均強度（直流分量）8.高磁場強（如3T或7T）的MRI系統(tǒng)相比低磁場強系統(tǒng)，其主要優(yōu)勢在于()。A.信號噪聲比顯著提高B.梯度場體積更大C.T1弛豫時間變短D.對梯度線圈要求更低9.磁化傳遞（MT）效應是指()。A.自旋與晶格之間的能量交換B.自旋與自旋之間的能量交換C.縱向磁化向橫向磁化的轉(zhuǎn)換D.橫向磁化向縱向磁化的轉(zhuǎn)換10.成像時間與()成正比。A.k空間的采集時間B.信號采集頻率C.梯度磁場強度D.重復時間（TR）二、填空題1.核自旋量子數(shù)I決定了原子核的________，從而決定了它在靜磁場中的能級分裂情況。2.拉莫爾進動頻率ωL正比于靜磁場強度B0，其關系式為________，其中γ是旋磁比。3.RF脈沖使縱向磁化Mz分量翻轉(zhuǎn)到橫向平面，這個過程稱為________。4.T2弛豫過程是橫向磁化Mxy衰減的過程，其衰減遵循指數(shù)規(guī)律，衰減常數(shù)1/T2稱為________。5.MRI系統(tǒng)中，層面選擇梯度Gz通常施加在________方向，以選擇特定層面的自旋。6.為了獲取MR信號，需要施加________脈沖來激發(fā)自旋，并施加________脈沖來檢測信號。7.MRI圖像的對比度主要來源于不同組織間________、______和________的差異。8.自由感應衰減（FID）信號是射頻脈沖激發(fā)后，未受激勵的縱向磁化Mz恢復過程中，在橫向磁化Mxy上產(chǎn)生的信號。9.傅里葉變換將k空間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為________空間的數(shù)據(jù)，從而得到最終的MR圖像。10.為了抑制梯度回波（GRE）序列中T2*效應的影響，可以使用________序列。三、簡答題1.簡述核自旋如何表現(xiàn)出磁性，并解釋拉莫爾進動現(xiàn)象。2.簡述T1弛豫和T2弛豫的物理機制，并說明它們對MR信號的影響有何不同。3.解釋什么是空間選擇性，梯度磁場（Gz,Gx,Gy）分別如何實現(xiàn)層面選擇、頻率選擇和相位選擇？4.簡述SE（自旋回波）序列的基本脈沖序列，并說明如何通過改變TR和TE時間來獲得T1加權、T2加權圖像。5.什么是偽影？列舉三種常見的MRI偽影，并簡述其產(chǎn)生原因。四、計算題1.氫核（質(zhì)子）的旋磁比γ_H≈2.675×10^8radT^-1s^-1。在地球磁場（約50μT）中，氫核的進動頻率是多少？在臨床常用的1.5TMRI系統(tǒng)中，氫核的進動頻率是多少？2.某組織的T1弛豫時間為800ms，T2弛豫時間為120ms。假設在該組織上施加SE序列，TR=1500ms，TE=30ms。計算此時縱向磁化恢復至63%需要多長時間？橫向磁化衰減至初始值的37%需要多長時間？理論上獲得的T1加權圖像和T2加權圖像的信號強度比值是多少？（假設其他因素理想）五、論述題1.試述梯度磁場在MRI成像中的多重作用，并分別解釋其實現(xiàn)層面選擇、頻率編碼和相位編碼的物理原理。2.比較自旋回波（SE）序列和梯度回波（GRE）序列在基本原理、圖像對比度、信噪比、對運動敏感性和對梯度場不均勻性敏感性等方面的主要異同點。試卷答案一、選擇題1.B2.A3.B4.B5.D6.C7.D8.A9.B10.A二、填空題1.磁量子數(shù)2.ωL=γB03.激發(fā)4.弛豫時間常數(shù)5.Z6.射頻（RF），梯度（Gradient）7.T1弛豫時間，T2弛豫時間，質(zhì)子密度8.磁化傳遞（MT）9.圖像（Image）10.自旋回波平面回波（Spin-EchoPlane-Echo,SE-PE）三、簡答題1.解析思路：首先解釋原子核具有自旋角動量，自旋帶有一定的角動量等效于一個微小的磁偶極子。當置于靜磁場B0中時，磁偶極子會傾向于與磁場方向?qū)R，但能量不同，存在多個穩(wěn)定取向。由于自旋，這些取向會繞磁場方向做進動，如同小磁針在地球磁場中旋轉(zhuǎn)。核自旋量子數(shù)I決定了可能的不同取向數(shù)量（2I+1個），從而決定了能級分裂。2.解析思路：T1弛豫是縱向磁化Mz恢復的過程。其物理機制是自旋與周圍環(huán)境（晶格）發(fā)生能量交換，自旋將其吸收的能量傳遞給晶格，自身能量降低（從高能級向低能級躍遷），同時使晶格能量升高，表現(xiàn)為Mz逐漸恢復。T1時間常數(shù)表征了這種恢復速度。T2弛豫是橫向磁化Mxy衰減的過程。其物理機制主要是自旋-自旋相互作用（偶極-偶極相互作用），一個自旋的磁矩會影響鄰近自旋的相位，導致相干性逐漸喪失，Mxy呈指數(shù)衰減。T2時間常數(shù)表征了這種衰減速度。T1弛豫恢復的是縱向磁化，T2弛豫衰減的是橫向磁化，且T1過程涉及能量傳遞，而T2過程不涉及。3.解析思路：空間選擇性是指利用特定物理方法使得MR信號只來自感興趣的區(qū)域。梯度磁場的作用是使磁場強度在空間中按一定方向變化（例如Gz使z向磁場不同，Gx使x向磁場不同）。當施加RF脈沖或梯度脈沖時，只有那些處于特定位置（例如z向磁場為B0）的自旋才容易被激發(fā)或發(fā)生特定的相位變化，從而實現(xiàn)了選擇。層面選擇通常用強Gz場，使不同z位置的共振頻率不同，用特定頻率的RF脈沖只激發(fā)特定z層面。頻率選擇（讀出梯度Gx）利用不同x位置的Larmor頻率不同，使RF脈沖只激發(fā)特定x位置的頻率。相位選擇（相位編碼梯度Gy）利用不同y位置的Larmor頻率不同，結合梯度脈沖，使不同位置的進動相位發(fā)生不同變化，從而在信號檢測時區(qū)分不同y位置。4.解析思路：SE序列包括：①90°RF脈沖，使平衡態(tài)的縱向磁化Mz翻轉(zhuǎn)到橫向平面，產(chǎn)生初始的橫向磁化Mxy。②應用Gz梯度場進行相位編碼。③停止梯度場，經(jīng)過TE時間后，采集橫向FID信號。④應用180°RF脈沖，翻轉(zhuǎn)失相的橫向磁化Mxy，使其恢復相位（關于中心點對稱），同時梯度場將產(chǎn)生的信號反轉(zhuǎn)。⑤再次應用Gz梯度場，采集反轉(zhuǎn)后的回波信號。獲得T1加權圖像需短TR（如1500ms）、短TE（如30ms），此時T1弛豫對信號衰減影響大，T2衰減相對小，T1短的組織信號恢復快，圖像亮；獲得T2加權圖像需長TR（如2000ms）、長TE（如120ms），此時T1影響小，T2衰減影響大，T2長的組織信號衰減慢，圖像亮。5.解析思路：偽影是指MRI圖像中出現(xiàn)的、并非由組織本身病變引起的異常信號或圖像失真。常見的偽影及其原因：①橢圓偽影（Bohr-Maggi偽影）：通常由梯度磁場不均勻性引起，特別是在頭部成像時，梯度場在相位編碼方向上隨位置變化導致信號非對稱采集，形成橢圓形失真。②金屬偽影：體內(nèi)金屬（如假體、夾板、項鏈、牙托）會產(chǎn)生局部磁場干擾，導致信號丟失、扭曲、高信號或環(huán)形偽影。③運動偽影：患者呼吸、心跳、身體移動等會導致圖像模糊、信號丟失或出現(xiàn)條帶狀偽影。四、計算題1.解析思路：使用拉莫爾進動頻率公式ωL=γB0計算地球磁場中的頻率。將γ_H和B_earth代入。使用拉莫爾進動頻率公式ωL=γB0計算臨床磁場中的頻率。將γ_H和B_clinical代入。解：地球磁場B_earth=50μT=50×10^-6T。ωL_earth=(2.675×10^8radT^-1s^-1)×(50×10^-6T)=1.3375×10^3rads^-1=216.5Hz。臨床磁場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恢復：使用T1恢復公式Mz(t)=Mz_eq(1-exp(-t/T1))，令Mz(t)=0.63*Mz_eq，解出t。T2衰減：使用T2衰減公式Mxy(t)=Mxy_0exp(-t/T2)，令Mxy(t)=0.37*Mxy_0，解出t。T1加權/T2加權信號比：T1加權信號與TR成反比（理想情況下S_T1~1/exp(-TR/T1)），T2加權信號與TE成正比（理想情況下S_T2~exp(-TE/T2)）。所以比值S_T1/S_T2≈(TE/T1)*exp(-(TR+TE)/(T1+T2))。由于TR(1500ms)遠大于T1(800ms)+T2(120ms)，近似為exp(-TR/(T1+T2))。但題目要求理論比值，可直接使用S_T1/S_T2≈(TE/T1)*exp(-(TR+TE)/(T1+T2))，代入數(shù)值計算。解：①T1恢復時間：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衰減時間：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加權/T2加權信號強度比值：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：此為理論計算值，實際比值受多種因素影響）五、論述題1.解析思路：首先概述梯度磁場是產(chǎn)生空間編碼的基礎。然后分點詳細闡述其三種主要作用及原理：①層面選擇：利用Z梯度場使不同Z位置的自旋Larmor頻率不同，通過施加特定頻率的RF脈沖（匹配目標層面頻率），只激發(fā)該層面自旋。②頻率編碼（讀出）：利用X梯度場使不同X位置的自旋Larmor頻率不同。施加RF脈沖激發(fā)后，讓讀出梯度Gx隨時間線性變化，不同位置的頻率偏移也不同，經(jīng)過采樣時間TE后，自旋的相位信息就編碼在最終的FID信號中，經(jīng)FFT后得到頻率（X軸）方向的空間信息。③相位編碼：利用Y梯度場使不同Y位置的自旋Larmor頻率不同。在信號采集期間（如采集k空間的某一行），施加一個線性變化的Y梯度Gy。由于Y梯度頻率隨時間變化，不同Y位置的自旋相位會隨時間線性累積不同的相位，這個相位差異被讀出梯度Gx檢測并編碼到FID信號的頻率成分中，經(jīng)FFT后得到相位（Y軸）方向的空間信息。2.解析思路：從基本原理入手，對比兩種序列的脈沖序列結構（RF類型、梯度使用）。然后對比圖像對比度來源：SE主要依賴