2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫——核磁共振成像技術(shù)的研究與發(fā)展考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題1.原子核自旋量子數(shù)決定了其具有角動(dòng)量，并在外部磁場(chǎng)中圍繞磁場(chǎng)方向進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)頻率與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，這一現(xiàn)象稱為__________。2.當(dāng)射頻脈沖的頻率等于特定原子核的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率時(shí)，該原子核會(huì)吸收射頻能量，發(fā)生從低能級(jí)到高能級(jí)的躍遷，這一過程稱為__________。3.在核磁共振信號(hào)衰減過程中，T1弛豫代表自旋-晶格弛豫，即原子核將其吸收的能量通過__________方式傳遞給周圍環(huán)境，使縱向磁化矢量恢復(fù)到平衡狀態(tài)。4.T2弛豫過程描述的是自旋-自旋相互作用導(dǎo)致橫向磁化矢量衰減的現(xiàn)象，其衰減遵循指數(shù)規(guī)律，反映的是自旋系統(tǒng)內(nèi)部__________的平均時(shí)間。5.MRI圖像的對(duì)比度主要來源于不同組織間不同的__________和__________。6.自旋回波（SE）序列通常能產(chǎn)生__________加權(quán)圖像，而梯度回波（GE）序列由于存在梯度場(chǎng)的影響，圖像帶有__________偽影。7.并行采集技術(shù)（如SENSE或GRAPPA）通過減少采集的__________數(shù)量來加速圖像采集，其前提是利用了K空間中__________的稀疏性。8.磁共振波譜（MRS）技術(shù)利用原子核的__________差異，無創(chuàng)地檢測(cè)體內(nèi)特定代謝產(chǎn)物的濃度。9.功能磁共振成像（fMRI）主要基于血氧水平依賴（BOLD）效應(yīng)，即神經(jīng)活動(dòng)引起的局部腦血流量和血氧飽和度變化，進(jìn)而導(dǎo)致MRI信號(hào)的變化。10.高場(chǎng)強(qiáng)MRI系統(tǒng)通常采用__________磁體，以獲得更強(qiáng)的主磁場(chǎng)，從而提高信噪比和空間分辨率。二、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述化學(xué)位移現(xiàn)象的物理基礎(chǔ)及其在MRI中的應(yīng)用意義。2.簡(jiǎn)述梯度線圈在MRI中的作用及其主要類型。3.簡(jiǎn)述T1加權(quán)圖像、T2加權(quán)圖像和質(zhì)子密度加權(quán)圖像在成像原理和對(duì)比度表現(xiàn)上的主要區(qū)別。4.簡(jiǎn)述并行采集（如GRAPPA）技術(shù)的基本原理及其帶來的優(yōu)勢(shì)。三、論述題1.論述核磁共振信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)制，并說明影響信號(hào)強(qiáng)度的主要因素。2.比較并論述自旋回波（SE）序列和梯度回波（GE）序列在脈沖序列設(shè)計(jì)、圖像特性（信噪比、對(duì)比度、偽影）以及臨床應(yīng)用方面的主要異同。3.闡述磁共振成像技術(shù)（MRI）近年來在研究與發(fā)展方面的重要趨勢(shì)，并舉例說明其潛在的應(yīng)用價(jià)值。四、計(jì)算題1.某質(zhì)子的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率在1.5T的主磁場(chǎng)中為63.86MHz。試計(jì)算該質(zhì)子的旋磁比（γ）。（10分）2.假設(shè)某個(gè)T1加權(quán)成像序列的重復(fù)時(shí)間（TR）為500ms，回波時(shí)間（TE）為20ms。已知某組織的T1弛豫時(shí)間為800ms，T2弛豫時(shí)間為120ms。請(qǐng)定性分析該組織在T1加權(quán)圖像上的信號(hào)強(qiáng)度（相對(duì)于質(zhì)子密度參考圖像）。（10分）3.在一個(gè)使用GRAPPA重建的MRI圖像采集中，假設(shè)初始采集了kx×ky=64×64個(gè)k空間線，通過GRAPPA重建算法，最終獲得了完整的k空間數(shù)據(jù)。如果重建因子（r）為2，請(qǐng)簡(jiǎn)述GRAPPA如何利用相鄰k空間線的信息進(jìn)行欠采樣數(shù)據(jù)的插值，并說明使用重建因子為2的GRAPPA相比不完全采集節(jié)省了多少原始采集數(shù)據(jù)量？（10分）試卷答案一、填空題1.拉莫爾進(jìn)動(dòng)2.共振吸收3.自旋-晶格弛豫4.自旋-自旋相互作用5.T1弛豫時(shí)間，T2弛豫時(shí)間6.T1，失相位7.k空間線，相位8.共振頻率9.血氧水平依賴（BOLD）10.超導(dǎo)二、簡(jiǎn)答題1.解析思路：化學(xué)位移源于不同化學(xué)環(huán)境中的原子核周圍的局部磁場(chǎng)（化學(xué)環(huán)境磁場(chǎng)）不同，導(dǎo)致其共振頻率發(fā)生微小差異。MRI中，不同組織的化學(xué)環(huán)境不同，引起原子核共振頻率的微小差別，使得它們?cè)谥鞔艌?chǎng)中的進(jìn)動(dòng)頻率不同。通過施加特定頻率的射頻脈沖，可以分別激發(fā)這些具有不同共振頻率的原子核，從而獲得組織間基于化學(xué)位移的差異信息，這在代謝物檢測(cè)、分子成像等方面有重要應(yīng)用。答案要點(diǎn)：化學(xué)環(huán)境導(dǎo)致局部磁場(chǎng)不同，共振頻率有微小差異；MRI利用此差異進(jìn)行組織區(qū)分或代謝物檢測(cè)。2.解析思路：梯度線圈在MRI中用于產(chǎn)生隨空間位置變化線性或二次方變化的磁場(chǎng)梯度。其主要作用包括：1)產(chǎn)生層面選擇梯度，選擇需要成像的特定層面；2)產(chǎn)生頻率編碼梯度，對(duì)MR信號(hào)進(jìn)行頻率編碼，實(shí)現(xiàn)空間分辨率；3)產(chǎn)生相位編碼梯度，對(duì)MR信號(hào)進(jìn)行相位編碼，完成空間信息重建；4)在梯度回波序列中，用于產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)，進(jìn)行自旋回波采集。主要類型有梯度線圈、梯度波導(dǎo)、梯度反饋線圈等。答案要點(diǎn)：產(chǎn)生空間位置依賴的磁場(chǎng)梯度；作用：層面選擇、頻率/相位編碼、梯度回波采集；主要類型。3.解析思路：T1加權(quán)圖像（T1WI）通過選擇較短的重復(fù)時(shí)間（TR）和較長的回波時(shí)間（TE）采集。短TR使得T1弛豫恢復(fù)較好，長TE使得T2衰減影響相對(duì)較小，因此圖像對(duì)比度主要反映組織中T1弛豫時(shí)間的差異，T1弛豫時(shí)間短的組織（如白質(zhì)）信號(hào)強(qiáng)，長的組織（如腦脊液）信號(hào)弱。T2加權(quán)圖像（T2WI）通過選擇較長的TR和較短的TE采集。長TR使得T1恢復(fù)充分，短TE使得T2衰減顯著，因此圖像對(duì)比度主要反映組織中T2弛豫時(shí)間的差異，T2弛豫時(shí)間長的組織（如腦脊液、水腫液）信號(hào)強(qiáng)，短的組織（如白質(zhì)）信號(hào)弱。質(zhì)子密度加權(quán)圖像（PDWI）通常使用中等TR和中等TE，對(duì)比度主要源于組織中質(zhì)子密度（主要是水含量）的差異。答案要點(diǎn)：T1WI（短TR/長TE）突出T1差異；T2WI（長TR/短TE）突出T2差異；PDWI（中TR/中TE）突出質(zhì)子密度差異。4.解析思路：并行采集（如GRAPPA）技術(shù)的基本原理是基于K空間數(shù)據(jù)的稀疏性。它通過在k空間內(nèi)進(jìn)行欠采樣（例如只采集kx軸上的某些k點(diǎn)），然后在圖像空間進(jìn)行重建，利用相鄰未采樣k點(diǎn)與已采樣k點(diǎn)之間的空間相干性（即相位關(guān)系近似相同），通過數(shù)學(xué)算法（如多重參考自采樣的GRAPPA）對(duì)欠采樣的k點(diǎn)進(jìn)行插值重建。其優(yōu)勢(shì)在于可以在不顯著降低圖像信噪比和分辨率的情況下，大幅縮短采集時(shí)間，提高檢查效率。答案要點(diǎn)：基于k空間稀疏性；欠采樣k空間數(shù)據(jù)；利用空間相干性插值未采樣點(diǎn)；優(yōu)勢(shì)：加速采集，提高效率。三、論述題1.解析思路：核磁共振信號(hào)的產(chǎn)生始于施加的射頻脈沖。當(dāng)射頻脈沖的頻率與特定原子核的共振頻率匹配時(shí)，原子核吸收射頻能量，自旋方向發(fā)生傾斜（從縱向磁化Mz向橫向平面偏轉(zhuǎn)），使得縱向磁化矢量Mz減少，同時(shí)在XY平面內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)宏觀的橫向磁化矢量Mxy，這個(gè)Mxy的振蕩即為MR信號(hào)。信號(hào)強(qiáng)度（或更準(zhǔn)確地說是信號(hào)幅度）與橫向磁化矢量Mxy的初始幅度成正比，而Mxy的初始幅度又與主磁場(chǎng)中的總自旋數(shù)量（即樣品中該種原子核的濃度）成正比。此外，信號(hào)強(qiáng)度還受到主磁場(chǎng)均勻度、射頻脈沖的帶寬和形狀、接收線圈靈敏度等因素的影響。答案要點(diǎn)：共振吸收導(dǎo)致橫向磁化產(chǎn)生；信號(hào)幅度與自旋濃度成正比；信號(hào)幅度與主磁場(chǎng)均勻度、射頻脈沖、接收線圈等因素有關(guān)。2.解析思路：SE和GE序列都是采集自旋回波信號(hào)，但脈沖序列設(shè)計(jì)不同。SE序列通常包含一個(gè)90度脈沖使磁化矢量翻轉(zhuǎn)到XY平面，一個(gè)延遲時(shí)間（TE）讓自旋系統(tǒng)達(dá)到T1平衡，然后施加一個(gè)180度脈沖產(chǎn)生自旋回波，最后在TE時(shí)刻采集信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)是圖像信噪比較高，偽影較少，但采集時(shí)間較長。GE序列通常包含一個(gè)不完整的90度（或更小角度）脈沖使磁化矢量?jī)A斜到XY平面，接著施加一個(gè)梯度脈沖產(chǎn)生梯度回波，然后在梯度回波產(chǎn)生的同時(shí)或稍后采集信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)是采集時(shí)間短，可用于動(dòng)態(tài)成像或心臟成像，但信噪比較低，且由于梯度場(chǎng)的影響，容易出現(xiàn)失相位偽影（如卷曲偽影）和梯度場(chǎng)不均勻偽影。答案要點(diǎn)：SE（90°-TE-180°-采集）：高信噪比、長時(shí)間、少偽影。GE（小角度脈沖-梯度回波-采集）：短時(shí)間、低信噪比、易偽影。3.解析思路：MRI技術(shù)近年來的重要發(fā)展趨勢(shì)包括：1)更高場(chǎng)強(qiáng)：向3T及以上發(fā)展，可顯著提高信噪比和空間分辨率，但面臨梯度場(chǎng)強(qiáng)大、偽影多、患者不適感強(qiáng)等問題。2)并行采集技術(shù)：如GRAPPA等，持續(xù)優(yōu)化，進(jìn)一步加速采集，提升臨床效率。3)功能成像：fMRI、腦磁圖（MEG）等技術(shù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)腦功能、事件的實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。4)多模態(tài)融合：將MRI與PET、光學(xué)成像、超聲等結(jié)合，獲取更全面的生理和病理信息。5)人工智能（AI）應(yīng)用：在圖像重建、病灶檢測(cè)、良惡性鑒別、自動(dòng)化分割等方面展現(xiàn)巨大潛力。6)磁敏感加權(quán)成像（SWI）：對(duì)小靜脈、出血、鈣化、鐵沉積等高磁化率病變的檢測(cè)能力持續(xù)增強(qiáng)。7)定量MRI（qMRI）：提供可量化的生理參數(shù)（如T1、T2、ADC、鐵含量等），用于疾病評(píng)估和療效監(jiān)測(cè)。8)磁共振光聲成像（mRS）：結(jié)合光聲效應(yīng)，同時(shí)獲取功能和代謝信息。這些趨勢(shì)極大地拓展了MRI的應(yīng)用范圍，提高了診斷精度和效率，并推動(dòng)了個(gè)性化醫(yī)療的發(fā)展。答案要點(diǎn)：列舉高場(chǎng)強(qiáng)、并行采集、功能成像、多模態(tài)融合、AI、SWI、qMRI、mRS等趨勢(shì)；簡(jiǎn)述其特點(diǎn)和潛在價(jià)值。四、計(jì)算題1.解析思路：旋磁比γ的定義為旋磁比頻率（進(jìn)動(dòng)頻率）與磁場(chǎng)強(qiáng)度的比值，即γ=ω/B0。其中ω為進(jìn)動(dòng)頻率，B0為主磁場(chǎng)強(qiáng)度。根據(jù)題意，ω=63.86MHz，B0=1.5T。注意單位轉(zhuǎn)換，1T=10^3mT=10^9nT，1Hz=10^-6MHz。因此，B0=1.5×10^9nT。代入公式計(jì)算即可。答案：γ=63.86×10^6Hz/(1.5×10^9nT)=63.86/1500rad/(s·nT)=0.042547...×10^-3rad/(s·nT)=42.55×10^-6rad/(s·nT)。2.解析思路：T1加權(quán)圖像的對(duì)比度主要取決于T1弛豫時(shí)間。在給定的TR（500ms）下，T1為800ms的組織，其縱向磁化矢量在兩次90度脈沖之間恢復(fù)較少，導(dǎo)致其縱向磁化矢量在TR末尾時(shí)仍較低，翻轉(zhuǎn)到XY平面的量也較少，因此T1加權(quán)圖像信號(hào)相對(duì)較弱。而T2為120ms的組織，其橫向磁化矢量衰減較慢，即使TR相對(duì)較長，其信號(hào)衰減也較慢，在TR末尾時(shí)仍有較多的橫向磁化矢量可供翻轉(zhuǎn)到XY平面，因此T1加權(quán)圖像信號(hào)相對(duì)較強(qiáng)。因此，該組織在T1加權(quán)圖像上表現(xiàn)為信號(hào)強(qiáng)度較低（偏暗）。答案要點(diǎn)：T1WI對(duì)比度依賴T1差異；短TR下，T1長的組織恢復(fù)慢，信號(hào)弱。3.解析思路：GRAPPA通過利用相鄰k空間線之間的相位相關(guān)性進(jìn)行插值。如果初始采集kx×ky=64×64個(gè)k空間線，使用r=2的GRAPPA，意味著每次計(jì)算一個(gè)完整的k空間線（例如一個(gè)ky線），只需要采集該線上相隔r=2個(gè)點(diǎn)的k空間點(diǎn)。因此，每個(gè)k