計算機在材料科學與工程中的應用

ComputerinMSE（MaterialScienceandEngineering）1主要參考資料1、計算機在材料科學與工程中的應用楊明波胡紅軍唐麗文（化學工業出版社,2008）2、計算機在材料工程中的應用湯愛濤(重慶大學出版社,2008)3、計算機在材料科學與工程中的應用

曾令可(武漢理工大學出版社,2004)4、計算機在材料科學中的應用許鑫華（機械工業出版社,2003）5、計算機在材料科學與工程中的應用劉興江（東北大學出版社,2007）6、計算機在材料科學中的應用李瓊（電子科技出版社,2007）7、材料科學中計算機的應用喬寧（中國紡織出版社,2007）8、計算機在材料科學與工程中的應用—張朝暉（中南大學出版社,2008）

2第一章計算機在材料與工程中的應用概述

第二章材料科學與工程中數據的計算機處理（原理、方法以及計算機的實現）

第三章材料數據庫及專家系統第四章人工神經網絡

第五章材料研究中的數學模型及分析方法第六章電子顯微技術在材料科學中的應用目錄3本課程是一門專業基礎課。課程教學所要達到的目的：

了解計算機技術及網絡技術在材料科學研究中的應用；初步掌握在材料科學研究領域中更好地應用計算機的思路、方法和原理；初步將計算機用于后續專業課程學習和專業設計中去。本課程在教學計劃中的地位、作用和任務41.1.1材料的作用與分類1.1材料科學與工程(MSE)材料是用以制造有用物件的物質第1章計算機在材料科學與工程中應用概述材料是人類社會發展的里程碑，是人類生產和生活水平提高的物質基礎，是現代文明進步的重要標志和發展高新技術的基礎和先導。石器時代銅器時代鐵器時代當代文明三大支柱（20世紀60年代說法）：材料、能源和信息新技術革命主要標志（20世紀70年代說法）：新材料、信息技術和生物技術5材料的分類金屬材料無機非金屬材料有機高分子材料復合材料結構材料功能材料建筑材料能源材料電子材料耐火材料醫用材料耐火材料6研究材料組成、結構、性能、制備工藝和使用性能以及它們之間相互關系的科學。（Nextpage）美國國家研究院材料科學與工程委員會《90年代的材料科學與工程：在材料時代保持競爭力》材料科學與工程領域存在

四個要素（性質與現象、使用性能、結構與成分、合成與加工）

兩個關鍵（儀器設備和分析建模）1.1.2MSE研究內容7Source:MaterialsScienceandEngineeringforthe1990s,NRC,1989Composition

&Processing成分與工藝Structure組織結構Properties材料性能.Performance使用性能四個要素8

MSE特點：多學科交叉的新興科學。它與許多基礎學科有著不可分割的聯系，如固體物理學、電子學、光學、聲學、量子化學、數學與計算機等。一門發展不成熟的學科，它的研究很大程度依賴于實驗和經驗的積累，系統的研究材料還有一個很長的過程。91.2計算機在MSE中的應用計算機硬件條件的飛速發展為計算機在材料科學中的廣泛應用提供了有力保證。Moore’sLaw(1965)：計算機的CPU速度每24個月增加一倍。

18(1975)圖中電腦處理器中晶體管數目的增長曲線符合摩爾定律10

計算機在MSE的應用非常廣泛:

材料科學是研究材料的組成與結構、合成與制備、性能與應用以及它們之間相互關系的一門科學,在所有的這些方面,計算機都發揮了非常重要的作用。111.2.1計算機用于新材料的設計材料設計主要是利用人工智能、模式識別、計算機模擬、知識庫和數據庫等技術,使人們能將物理、化學理論和大批雜亂的實驗資料溝通起來,用歸納和演繹相結合的方式對新材料的研制作出決策,為材料設計的實施提供行之有效的技術和方法。

材料設計是指通過理論分析與計算預報新材料的組分、結構與性能，或者是通過理論設計來“訂做”具有特定性能的新材料，按生產要求“設計”最佳的制備和加工方法。20世紀50年代開始；80年代實現這一目標的條件趨于成熟；計算機技術是保障、條件。13

材料設計一般可分為三個層次（按照設計對象和所涉及的空間尺寸可分）：微觀設計層次，尺度約1nm數量級，是電子、原子、分子層次的設計；介觀設計層次，尺度約為1μm數量級，材料被看作是連續介質、是組織結構層次的設計；宏觀設計層次。尺度對應于宏觀材料，涉及大塊材料的成分、組織、性能和應用的設計研究，是工程應用層次的設計。不同的結構層次有不同理論和方法，不同層次之間常常相互交叉、不同層次的目的、任務及應用也不盡相同。141.2.2材料科學研究中的計算機模擬

計算機模擬是一種根據實際體系在計算機上進行的模擬實驗。

通過將模擬結果與實際體系的實驗數據進行比較,可以檢驗模型的準確性,也可以檢驗出模型導出的解析理論所作的簡化近似是否成功,還可為現實模型和實驗室中無法實現的探索模型做詳細的預測并提供方法。1.2.3材料與工藝過程的優化及自動控制

材料加工技術的發展主要體現在控制技術的飛速發展,微機和可編程控制器在材料加工過程中的應用正體現了這種發展和趨勢。在材料加工過程中利用計算機技術不僅能減輕勞動強度,更能改善產品的質量和精度,提高產量。在材料的制備中,可以對過程進行精確的控制,例如材料表面處理熱處理中的爐溫控制等。計算機技術和微電子技術、自動控制技術相結合,使工藝設備、檢測手段的準確性和精確度等大大提高。1.2.4計算機用于數據和圖像處理

材料科學研究在實驗中可以獲得大量的實驗數據,借助計算機的存儲設備,可以大量保存數據,并對這些數據進行處理計算、繪圖,擬合分析和快速查詢等。利用計算機的圖像處理和分析功能就可以研究材料的結構,從圖像中獲取有用的結構信息,如晶體的大小,分布,聚集方式等,并將這些信息和材料性能建立相應的聯系,用來指導結構的研究。返回1.3材料科學研究中的數學模型建立和數值分析

數學模型建立是一種具有創新性的科學方法,它將現實問題簡化,抽象為一個數學問題或數學模型,再采用適當的數學方法求解,進而對現實問題進行定量的分析和研究,最終達到解決實際問題的目的。典型模擬方法及所對應的模擬尺度FDM=finitedifferencemethod,FEM=finiteelementmethod

20有限差分法

建立差分方程,用有限差分代替無限微分,以差分代數方程代替微分方程,以數值計算代替數學推導過程,從而將連續函數離散化,以有限的,離散的數值代替連續的函數分布。計算機是實現上述離散和計算的強大工具。有限元法有限元法是將連續的介質材料劃分為許多微小的單元有限個單元,在確定其邊界條件后對其進行單元求解,從而獲得整體介質的相關性能。有限元法的實現必須通過計算機,利用計算機強大而快速的數據計算、處理和存儲能力進行有限元計算。

網格劃分有限元模擬人腳走路受力情況有限元方法23主要是利用有限元軟件進行分析,方法是先建立某個零件的幾何模型,然后賦予其一定的材質鋼材、木材等這些材質的力學等性能是己知的,施加載荷,然后根據其邊界條件進行有限元分析。25261.3.1材料科學研究中主要物理場的數值模擬

包括材料的傳熱(溫度場)、應力場(力學問題)和濃度場(內部原子的遷移流動)等的計算,以上問題即可采用前述的有限元分析法進行模擬“傳熱傳質過程”。材料內部原子遷移的微觀過程和由此引起的物質的宏觀流動與材料在生產和使用過程中的許多物理化學過程密切相關,因此使用有限元法對擴散的濃度場進行計算的技術具有重要的意義。1.3.2組織轉變的計算機模擬

鋼材的性能主要取決于其內部的組織結構,鋼的常溫組織是在加熱之后的冷卻過程中形成和完成的,為了使鋼材獲得某種預期的組織結構,就需要準確地測量鋼在熱處理或熱加工過程中的冷卻過程。計算機模擬技術的開展使材料的組織轉變數值模擬成為可能,鋼的TTT曲線和CCT曲線為組織轉變提供了兩種不同的模擬途徑。30顯微組織模擬圖中顯示了計算機模擬的不同時刻的凝固枝晶形貌圖，不同的顏色代表不同的濃度分布。這樣顯微組織形核、生長等過程也將實現“可視化”！

31三維等軸樹枝晶形貌的模擬

321.3.3相圖計算及其軟件

相圖是描述相平衡系統的重要幾何圖形,通過相圖可以獲得某些熱力學資料反之,由熱力學數據建立一定的模型也可計算和繪制相圖。用計算機來計算和繪制相圖有了廣泛的應用。34

Thermo-Calc包括物質和溶液數據庫、熱力學計算系統和熱力學評估系統。Fact包括物質和溶液兩個數據庫及一套熱力學和相圖等的優化計算軟件。這些軟件的共同特定是集成了具有自洽性的熱化學數據庫和先進的計算軟件。可用于各種類型的二元、三元和多元相圖的平衡計算。1.3.4材料數據庫

計算機材料數據庫具有存儲信息量大、存取速度快、查詢方便、使用靈活、應用廣泛等優點。目前已有的材料數據庫包括合金相圖數據庫、陶瓷相圖數據庫、材料腐蝕數據庫、材料摩擦磨損數據庫等,還包括材料力學性能數據庫、金屬彈性性能數據中心和金屬擴散數據中心等數種各類數據庫。網絡技術的發展使得材料數據庫進一步走向現代化,在材料研究、理化測試、產品設計和決策咨詢中得到廣泛應用。

另外,利用人工智能技術的材料加工等專家系統也得到了很大的發展。包括預測專家系統、診斷專家系統、設計專家系統、規劃專家系統、監視專家系統、控制專家系統等。1.3.5材料加工過程的計算機控制生產過程自動控制是生產過程現代化的標志之一。在材料加工控制領域,運用較多的是微型計算機和可編程控制器。計算機在材料加工中的應用包括以下幾個方面物化性能測試數據的自動聚集和處理、加工過程的自動控制、計算機輔助設計和制造、計算機輔助研究、材料加工過程的全面質量管理等。溫度控制391.3.6材料科學研究中的數據與圖像處理

利用計算機可以大量保存并方便快速查找實驗數據,而且更重要的是可以對數據作進一步的后續處理計算、繪圖、擬合分析等。目前,可用于數據管理、計算、繪圖、解析和擬合分析的軟件很多,有些功能強大,有些則相對簡單、專業化。比如origin可以對科學數據進行一般的處理與繪圖,對實驗數據進行常規處理和一般的統計分析,

計算機圖像分析系統正逐漸成為輔助研究材料結構與性能之間定量關系的一種重要手段。圖像處理主要是用常規軟件(photo

shop等)進行材料的圖像分析與處理,例如,材料凝聚態結構單元的測量,利用圖像色調整的方法進行圖像的二值化,包括目標粒子的分離,背景的去除,設定閉值進行二值化等。材料性能的測定大多使用專門的測試設備和儀表。如果使用計算機來控制整個系統，使其協調運行，進行數據采集和數據處理，通常使整個系統的功能得到飛躍性增強。計算機化得材料性能測試系統(CAT系統)是提高材料研究水平的重要手段。由于計算機靈活的編程方式、強大的數據處理能力和很高的運算速度，使得CAT系統可以實現手動方式不能完成的許多測試工作，提高了材料試驗研究的水平和測試精度。1.3.7計算機技術用于材料性能表征與檢測42電子顯微鏡43金相顯微鏡44X射線衍射儀45

計算機作為一種現代工具,在當今世界的各個領域日益發揮巨大的作用,它己滲透到各門學科領域以及日常生活中成為現代化的標志。在材料領域,計算機也正在逐漸成為極其重要的工具,計算機在材料科學中的應用正是材料科學飛速發展的重要原因之一。大家對鑄造過程并不陌生，傳統的鑄造工藝是“睜眼造型，閉眼澆注”。我們不禁要問“閉眼”操作能做好嗎？沒錯，“眼見為實”在鑄造工藝設計中非常重要，而金屬液一旦進入模具型腔之后我們就無法看到其動態流動、溫度分布以及凝固過程。所以工程師們只能憑經驗和想象來設計模具，這很令人頭疼，那么如何才能看到整個鑄造過程，讓其在我們面前變得“可視”，從而優化鑄造工藝呢？首先采用計算機模擬技術和現代鑄造理論，模擬鑄件充型、溫度分布和凝固過程；其次用三維X射線實時觀察和監測澆注過程獲得初步試驗數據；最后通過實際澆鑄生產并與模擬、監測結果對比，確定最佳的生產工藝。通過這樣三步，我們就實現了“可視化鑄造”！先進鑄造工藝計算模擬47

計算機模擬X射線實時觀察實際生產48

圖中是一個大型鋼錠的充型過程模擬，其中用到專業模擬軟件viewcast，從動畫中可以清楚的看到整個鑄件充型過程。49此動畫顯示了鋼錠的冷卻過程中溫度的變化過程，其中不同的顏色代表不同的溫度，這樣溫度這一不可見的過程也將變得“可視”。

50先進鍛造工藝計算模擬鍛造加工的悠久歷史

鍛造=打鐵？？No！！如何加工大型巨輪中的大型曲軸曲拐呢？51曲拐加工工藝的計算機模擬

52

工藝的模擬和工廠試制的比較

53

有

限

元

模

擬

實

際

生

產

對一個大型壓力容器件的加工模擬過程，用計算模擬的結果來指導生產，已經取得了很好的效果！

54其它加工過程的模擬鉆孔橫楔軋晶粒演化

齒輪架感應加熱連桿

55由于工程材料的種類繁多，而每一種材料都有其特定的成分、結構及性能，因此所有工程材料的成分、結構及性能就構成了一個龐大的信息系統，為了便于材料工作者查詢和研究，有必要建立各種類型的材料數據庫。目前已建立了許多不同類型的材料數據庫，如中科院金屬所的材料數據庫/SDB1.4計算機技術用于材料數據庫和知識庫56美國材料性能數據庫美國國家標準研究所(NIST)材料數據庫/srd/materials.htm日本國立材料科學研究所材料數據庫http://mits.nims.go.jp/db_top_eng.htmMatweb材料性能數據庫57

知識庫主要是材料成分、組織、工藝和性能間的關系以及材料科學與工程的有關理論成果，它是實現人工智能的基本條件。實際上知識庫就是材料計算設計中的一系列數理模型，用于定量計算或半定量描述的關系式的總和。數據庫中存儲的是具體的數據值，它只能進行查詢，不能進行推理。而知識庫中存儲的是規則、規律，通過數理模型的推理、運算，以一定的可信度給出所需的性能等數據；也可以利用知識庫進行成分和工藝控制參量的計算設計。利用數據庫和知識庫可以實現材料性能的預測功能和設計功能，達到設計的雙向性。58

材料設計專家系統是指具有相當數量的與材料有關的各種背景知識，并能運用這些知識解決材料設計中有關問題的計算機程序系統。傳統的專家系統主要有下列幾個模塊：優化模塊、集成化模塊和知識模塊。現在逐步在發展智能專家網絡系統，這是以模式識別和人工神經網絡為基礎的專家系統。目前基于人工神經網絡的處理技術在材料科學中可到了越來越多的應用，在處理規律不明顯、組分變量多、非線性方面的問題具有特殊的優越性，并且也可以對建立的數學模型和計算結果進行驗證。59ABINITVASPWIN2KGaussianMaterialStudioPWSCF量子化學第一原理計算軟件60Thermo-CalcPandatFactSage材料熱力學和相圖計算軟件61有限元分析是對于結構力學分析迅速發展起來的一種現代計算方法。它是50年代首先在連續體力學領域--飛機結構靜、動態特性分析中應用的一種有效的數值分析方法，隨后很快廣泛的應用于求解熱傳導、電磁場、流體力學等連續性問題。有限元分析軟件62有限元分析軟件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四個比較知名比較大的公司，其中ADINA、ABAQUS在非線性分析方面有較強的能力目前是業內最認可的兩款有限元分析軟件，ANSYS、MSC進入中國比較早所以在國內知名度高應用廣泛。目前在多物理場耦合方面幾大公司都可以做到結構、流體、熱的耦合分析，但是除ADINA以外其它三個必須與別的軟件搭配進行迭代分析，唯一能做到真正流固耦合的軟件只有ADINA。63ANSYS是商業化比較早的一個軟件，目前公司收購了很多其他軟件在旗下。ABAQUS專注結構分析目前沒有流體模塊。MSC是比較老的一款軟件目前更新速度比較慢。ADINA是在同一體系下開發有結構、流體、熱分析的一款軟件，功能強大但進入中國時間比較晚市場還沒有完全鋪開。結構分析能力排名：1、ABAQUS、ADINA、MSC、ANSYS流體分析能力排名：1、ANSYS、ADINA、MSC、ABAQUS耦合分析能力排名：1、ADINA、ANSYS、MSC、ABAQUS性價比排名：最好的是ADINA，其次ABAQUS、再次ANSYS、最后MSC64

材料科學中的實驗為材料科學研究提供了大量的含有材料基本行為特征信息的實驗數據，如何快速精確地處理這些復雜的數據，發現其中的規律，從而得到真實客觀的材料行為信息，對材料科學研究而言非常重要。現代計算機的大容量存儲特征和快速運算為存儲和處理大量的材料實驗數據提供很好的平臺。計算機對材料數據的處理工作主要包括存儲、計算、繪圖、擬合分析及快速查詢等。計算機圖像分析已成為輔助研究材料結構和性能之間定量關系的一種重要方法。其應用涉及材料科學研究的各個方面，主要包括晶粒度的測量，夾雜物的評級、相分析以及顯微硬度、孔洞率、球化率、涂層的測量等。1.5計算機技術用于材料數據和圖像處理65ExcelOriginPhotoshopCorelDrawMatlab常用的軟件66借助計算機網絡，不同區域的材料科學研究者可以相互交流，及時了解材料科學的發展動向，查閱各種科技文獻，共享材料研究的最新成果，迅速獲得各種相關信息。計算機網絡技術實現資源共享，材料研究工作者可以在辦公室、家里或其他任何地方，訪問查詢網上任何資源，極大地提高了工作效率。而且，利用計算機網絡技術使原本繁瑣的文獻檢索工作變得非常簡單，可以更快捷、更準確地獲得相關的材料科學研究信息。1.6計算機網絡技術用于材料科學研究671、/

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Scirus是目前互聯網上最全面、綜合性最強的科技文獻搜索引擎之一，由Elsevier科學出-版社開發，用于搜索期刊和專利，效果很不錯！Scirus覆蓋的學科范圍包括：農業與生物學，天文學，生物科學，化學與化工，計算機科學，地球與行星科學，經濟、金融與管理科學，工程、能源與技術，環境科學，語言學，法學，生命科學，材料科學，數學，醫學，神經系統科學，藥理學，物理學，心理學，社會與行為科學，社會學等。科研常用的搜索引擎684、/

BASE是德國比勒費爾德(Bielefeld)大學圖書館開發的一個多學科的學術搜索引擎，提供對全球異構學術資源的集成檢索服務。它整合了德國比勒費爾德大學圖書館的圖書館目錄和大約160個開放資源（超過200萬個文檔）的數據。

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Vascoda是一個交叉學科門戶網站的原型，它注重特定主題的聚合，集成了圖書館的收藏,文獻數據庫和附加的學術內容。

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與google比較了一下發現，能搜索到一些google搜索不到的好東東。它界面簡潔，功能強大，速度快，YAHOO、網易都采用了它的搜索技術。69英國無損檢測中心計算材料學中心http://www.twi.co.uk

TWI提供的材料焊接技術服務/bbs/小木蟲論壇-學術科研第一站

材料性能數據庫/mml/

材料測量實驗室高分子材料網絡數據庫http://icsd.ill.fr/icsd/index.php無機晶體結構數據庫與材料科學相關的專業網站70中文英文文獻檢索（電子書和電子期刊等）71理論講解與上機實踐相結合重點學習軟件Orgin、MATLAB，需自己安裝和上機練習一般了解軟件Office(Word,Excel)、ISCD、Thermo-calc、MaterialStudio和TurboC等及常用的數據庫1.7課程學習特點72MagneticResonanceImaging磁共振成像發生事件作者或公司磁共振發展史1946發現磁共振現象BlochPurcell1971發現腫瘤的T1、T2時間長Damadian1973做出兩個充水試管MR圖像Lauterbur1974活鼠的MR圖像Lauterbur等1976人體胸部的MR圖像Damadian1977初期的全身MR圖像

Mallard1980磁共振裝置商品化1989

0.15T永磁商用磁共振設備中國安科

2003諾貝爾獎金LauterburMansfierd時間MR成像基本原理實現人體磁共振成像的條件:人體內氫原子核是人體內最多的物質。最易受外加磁場的影響而發生磁共振現象(沒有核輻射)有一個穩定的靜磁場（磁體）梯度場和射頻場：前者用于空間編碼和選層，后者施加特定頻率的射頻脈沖，使之形成磁共振現象信號接收裝置：各種線圈計算機系統：完成信號采集、傳輸、圖像重建、后處理等

人體內的H核子可看作是自旋狀態下的小星球。自然狀態下，H核進動雜亂無章，磁性相互抵消zMyx進入靜磁場后，H核磁矩發生規律性排列（正負方向），正負方向的磁矢量相互抵消后，少數正向排列（低能態）的H核合成總磁化矢量M，即為MR信號基礎ZZYYXB0XMZMXYA:施加90度RF脈沖前的磁化矢量MzB:施加90度RF脈沖后的磁化矢量Mxy.并以Larmor頻率橫向施進C:90度脈沖對磁化矢量的作用。即M以螺旋運動的形式傾倒到橫向平面ABC在這一過程中，產生能量

三、弛豫（Relaxation）回復“自由”的過程

1.

縱向弛豫（T1弛豫）：

M0（MZ）的恢復，“量變”高能態1H→低能態1H自旋—晶格弛豫、熱弛豫

吸收RF光子能量（共振）低能態1H高能態1H

放出能量（光子，MRS）T1弛豫時間：

MZ恢復到M0的2/3所需的時間

T1愈小、M0恢復愈快T2弛豫時間：MXY喪失2/3所需的時間；T2愈大、同相位時間長MXY持續時間愈長MXY與ST1加權成像、T2加權成像

所謂的加權就是“突出”的意思

T1加權成像（T1WI）突出組織T1弛豫（縱向弛豫）差別

T2加權成像（T2WI）突出組織T2弛豫（橫向弛豫）差別。

磁共振診斷基于此兩種標準圖像磁共振常規h檢查必掃這兩種標準圖像.T1的長度在數百至數千毫秒（ms）范圍T2值的長度在數十至數千毫秒（ms）范圍

在同一個馳豫過程中,T2比T1短得多

如何觀看MR圖像：首先我們要分清圖像上的各種標示。分清掃描序列、掃描部位、掃描層面。正常或異常的所在部位即在同一層面觀察、分析T1、T2加權像上信號改變。絕大部分病變T1WI是低信號、T2WI是高信號改變。只要熟悉掃描部位正常組織結構的信號表現，通常病變與正常組織不會混淆。一般的規律是T1WI看解剖,T2WI看病變。磁共振成像技術－－圖像空間分辨力，對比分辨力一、如何確定MRI的來源（一）層面的選擇1.MXY產生（1H共振）條件

RF=ω=γB02.梯度磁場Z（GZ）

GZ→B0→ω

不同頻率的RF

特定層面1H激勵、共振

3.層厚的影響因素

RF的帶寬↓

GZ的強度↑層厚↓〈二〉體素信號的確定1、頻率編碼2、相位編碼

M0↑--GZ、RF→相應層面MXYGY→沿Y方向1H有不同ω

各1H同相位MXY旋進速度不同同頻率一定時間后→→GX→沿X方向1H有不同ω沿Y方向不同1H的MXYMXY旋進頻率不同位置不同（相位不同）〈三〉空間定位及傅立葉轉換

GZ某一層面產生MXYGXMXY旋進頻率不同

GYMXY旋進相位不同（不影響MXY大小）

↓某一層面不同的體素，有不同頻率、相位

MRS（FID）第三節、磁共振檢查技術檢查技術產生圖像的序列名產生圖像的脈沖序列技術名TRA、COR、SAGT1WT2WSETR、TE…….梯度回波FFE快速自旋回波FSE壓脂壓水MRA短TR短TE－－T1W長TR長TE－－T2W增強MR最常用的技術是：多層、多回波的SE（spinecho，自旋回波）技術磁共振掃描時間參數：TR、TE磁共振掃描還有許多其他參數：層厚、層距、層數、矩陣等序列常規序列自旋回波（SE）,快速自旋回波（FSE）梯度回波（FE）反轉恢復（IR），脂肪抑制（STIR）、水抑制（FLAIR）高級序列水成像（MRCP,MRU,MRM）血管造影（MRA,TOF2D/3D）三維成像（SPGR）彌散成像（DWI）關節運動分析是一種成像技術而非掃描序列自旋回波（SE）必掃序列圖像清晰顯示解剖結構目前只用于T1加權像快速自旋回波（FSE）必掃序列成像速度快多用于T2加權像梯度回波（GE）成像速度快對出血敏感T2加權像水抑制反轉恢復（IR）水抑制（FLAIR）抑制自由水梗塞灶顯示清晰判斷病灶成份脂肪抑制反轉恢復（IR）脂肪抑制（STIR）抑制脂肪信號判斷病灶成分其它組織顯示更清晰血管造影（MRA）無需造影劑TOF法PC法MIP投影動靜脈分開顯示水成像（MRCP，MRU，MRM）含水管道系統成像膽道MRCP泌尿路MRU椎管MRM主要用于診斷梗阻擴張超高空間分辨率掃描任意方位重建窄間距重建技術大大提高對小器官、小病灶的診斷能力三維梯度回波（SPGR） 早期診斷腦梗塞

彌散成像MRI的設備一、信號的產生、探測接受1.磁體（Magnet）:靜磁場B0（Tesla,T）→組織凈磁矩M0

永磁型（permanentmagnet）常導型（resistivemagnet）超導型（superconductingmagnet）磁體屏蔽（magnetshielding）2.梯度線圈（gradientcoil）:

形成X、Y、Z軸的磁場梯度功率、切換率3.射頻系統（radio-frequencesystem，RF）

MR信號接收二、信號的處理和圖象顯示數模轉換、計算機，等等；MRI技術的優勢1、軟組織分辨力強（判斷組織特性）2、多方位成像3、流空效應（顯示血管）4、無骨骼偽影5、無電離輻射，無碘過敏6、不斷有新的成像技術MRI技術的禁忌證和限度1.禁忌證

體內彈片、金屬異物各種金屬置入：固定假牙、起搏器、血管夾、人造關節、支架等危重病人的生命監護系統、維持系統不能合作病人，早期妊娠，高熱及散熱障礙2.其他鈣化顯示相對較差空間分辨較差（體部，較同等CT）費用昂貴多數MR機檢查時間較長1.病人必須去除一切金屬物品，最好更衣，以免金屬物被吸入磁體而影響磁場均勻度，甚或傷及病人。2.掃描過程中病人身體（皮膚）不要直接觸碰磁體內壁及各種導線，防止病人灼傷。3.紋身（紋眉）、化妝品、染發等應事先去掉，因其可能會引起灼傷。4.病人應帶耳塞，以防聽力損傷。掃描注意事項顱腦MRI適應癥顱內良惡性占位病變腦血管性疾病梗死、出血、動脈瘤、動靜脈畸形（AVM）等顱腦外傷性疾病腦挫裂傷、外傷性顱內血腫等感染性疾病腦膿腫、化膿性腦膜炎、病毒性腦炎、結核等脫髓鞘性或變性類疾病多發性硬化（MS）等先天性畸形胼胝體發育不良、小腦扁桃體下疝畸形等脊柱和脊髓MRI適應證1.腫瘤性病變椎管類腫瘤（髓內、髓外硬膜內、硬膜外），椎骨腫瘤（轉移性、原發性）2.炎癥性疾病脊椎結核、骨髓炎、椎間盤感染、硬膜外膿腫、蛛網膜炎、脊髓炎等3.外傷骨折、脫位、椎間盤突出、椎管內血腫、脊髓損傷等4.脊柱退行性變和椎管狹窄癥椎間盤變性、膨隆、突出、游離，各種原因椎管狹窄，術后改變，5.脊髓血管畸形和血管瘤6.脊髓脫髓鞘疾病（如MS），脊髓萎縮7.先天性畸形胸部MRI適應證呼吸系統對縱隔及肺門區病變顯示良好，對肺部結構顯示不如CT。胸廓入口病變及其上下比鄰關系縱隔腫瘤和囊腫及其與大血管的關系其他較CT無明顯優越性心臟及大血管大血管病變各類動脈瘤、腔靜脈血栓等心臟及心包腫瘤，心包其他病變其他（如先心、各種心肌病等）較超聲心動圖無優勢，應用不廣腹部MRI適應證主要用于部分實質性器官的腫瘤性病變肝腫瘤性病變，提供鑒別信息胰腺腫瘤，有利小胰癌、胰島細胞癌顯示宮頸、宮體良惡性腫瘤及分期等，先天畸形腫瘤的定位（臟器上下緣附近）、分期膽道、尿路梗阻和腫瘤，MRCP，MRU直腸腫瘤骨與關節MRI適應證X線及CT的后續檢查手段－－鈣質顯示差和空間分辨力部分情況可作首選：1.累及骨髓改變的骨病（早期骨缺血性壞死，早期骨髓炎、骨髓腫瘤或侵犯骨髓的腫瘤）2.結構復雜關節的損傷（膝、髖關節）3.形狀復雜部位的檢查（脊柱、骨盆等）軟件登錄界面軟件掃描界面圖像瀏覽界面膠片打印界面報告界面報告界面2合理應用抗菌藥物預防手術部位感染概述外科手術部位感染的2/3發生在切口醫療費用的增加病人滿意度下降導致感染、止血和疼痛一直是外科的三大挑戰，止血和疼痛目前已較好解決感染仍是外科醫生面臨的重大問題，處理不當，將產生嚴重后果外科手術部位感染占院內感染的14%～16%，僅次于呼吸道感染和泌尿道感染，居院內感染第3位嚴重手術部位的感染——病人的災難，醫生的夢魘

預防手術部位感染（surgicalsiteinfection,SSI)

手術部位感染的40%–60%可以預防圍手術期使用抗菌藥物的目的外科醫生的困惑★圍手術期應用抗生素是預防什么感染？★哪些情況需要抗生素預防？★怎樣選擇抗生素？★什么時候開始用藥？★抗生素要用多長時間？定義：指發生在切口或手術深部器官或腔隙的感染分類：切口淺部感染切口深部感染器官／腔隙感染一、SSI定義和分類二、SSI診斷標準——切口淺部感染

指術后30天內發生、僅累及皮膚及皮下組織的感染，并至少具備下述情況之一者：

1．切口淺層有膿性分泌物

2．切口淺層分泌物培養出細菌

3．具有下列癥狀體征之一：紅熱，腫脹，疼痛或壓痛，因而醫師將切口開放者（如培養陰性則不算感染）

4．由外科醫師診斷為切口淺部SSI

注意：縫線膿點及戳孔周圍感染不列為手術部位感染二、SSI診斷標準——切口深部感染

指術后30天內（如有人工植入物則為術后1年內）發生、累及切口深部筋膜及肌層的感染，并至少具備下述情況之一者：

1.切口深部流出膿液

2.切口深部自行裂開或由醫師主動打開，且具備下列癥狀體征之一：①體溫＞38℃；②局部疼痛或壓痛

3.臨床或經手術或病理組織學或影像學診斷，發現切口深部有膿腫

4.外科醫師診斷為切口深部感染

注意：感染同時累及切口淺部及深部者，應列為深部感染

二、SSI診斷標準—器官／腔隙感染

指術后30天內（如有人工植入物★則術后1年內）、發生在手術曾涉及部位的器官或腔隙的感染，通過手術打開或其他手術處理，并至少具備以下情況之一者：

1.放置于器官/腔隙的引流管有膿性引流物

2.器官/腔隙的液體或組織培養有致病菌

3.經手術或病理組織學或影像學診斷器官/腔隙有膿腫

4.外科醫師診斷為器官/腔隙感染

★人工植入物：指人工心臟瓣膜、人工血管、人工關節等二、SSI診斷標準—器官／腔隙感染

不同種類手術部位的器官/腔隙感染有：

腹部：腹腔內感染（腹膜炎，腹腔膿腫）生殖道：子宮內膜炎、盆腔炎、盆腔膿腫血管：靜脈或動脈感染三、SSI的發生率美國1986年～1996年593344例手術中，發生SSI15523次，占2.62%英國1997年～2001年152所醫院報告在74734例手術中，發生SSI3151例，占4.22%中國？SSI占院內感染的14～16%，僅次于呼吸道感染和泌尿道感染三、SSI的發生率SSI與部位：非腹部手術為2%～5%腹部手術可高達20%SSI與病人：入住ICU的機會增加60%再次入院的機會是未感染者的5倍SSI與切口類型：清潔傷口 1%～2%清潔有植入物 ＜5%可染傷口＜10%手術類別手術數SSI數感染率(%)小腸手術6466610.2大腸手術7116919.7子宮切除術71271722.4肝、膽管、胰手術1201512.5膽囊切除術8222.4不同種類手術的SSI發生率：三、SSI的發生率手術類別SSI數SSI類別（%）切口淺部切口深部器官/腔隙小腸手術6652.335.412.3大腸手術69158.426.315.3子宮切除術17278.813.57.6骨折開放復位12379.712.28.1不同種類手術的SSI類別：三、SSI的發生率延遲愈合疝內臟膨出膿腫，瘺形成。需要進一步處理這里感染將導致:延遲愈合疝內臟膨出膿腫、瘺形成需進一步處理四、SSI的后果四、SSI的后果在一些重大手術，器官/腔隙感染可占到1/3。SSI病人死亡的77%與感染有關，其中90%是器官/腔隙嚴重感染

——InfectControlandHospEpidemiol,1999,20(40:247-280SSI的死亡率是未感染者的2倍五、導致SSI的危險因素（1）病人因素：高齡、營養不良、糖尿病、肥胖、吸煙、其他部位有感染灶、已有細菌定植、免疫低下、低氧血癥五、導致SSI的危險因素（2）術前因素：術前住院時間過長用剃刀剃毛、剃毛過早手術野衛生狀況差（術前未很好沐浴）對有指征者未用抗生素預防五、導致SSI的危險因素（3）手術因素：手術時間長、術中發生明顯污染置入人工材料、組織創傷大止血不徹底、局部積血積液存在死腔和/或失活組織留置引流術中低血壓、大量輸血刷手不徹底、消毒液使用不當器械敷料滅菌不徹底等手術特定時間是指在大量同種手術中處于第75百分位的手術持續時間其因手術種類不同而存在差異超過T越多，SSI機會越大五、導致SSI的危險因素（4）SSI危險指數（美國國家醫院感染監測系統制定）：病人術前已有≥3種危險因素污染或污穢的手術切口手術持續時間超過該類手術的特定時間（T）

（或一般手術＞2h)六、預防SSI干預方法根據指南使用預防性抗菌藥物正確脫毛方法縮短術前住院時間維持手術患者的正常體溫血糖控制氧療抗菌素的預防/治療預防

在污染細菌接觸宿主手術部位前給藥治療

在污染細菌接觸宿主手術部位后給藥

防患于未然六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用142預防和治療性抗菌素使用目的：清潔手術：防止可能的外源污染可染手術：減少粘膜定植細菌的數量污染手術：清除已經污染宿主的細菌六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用143需植入假體，心臟手術、神外手術、血管外科手術等六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用預防性抗菌素使用指征：可染傷口(Clean-contaminatedwound)污染傷口（Contaminatedwound）清潔傷口（Cleanwound）但存在感染風險六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用外科預防性抗生素的應用：預防性抗生素對哪些病人有用?什么時候開始用藥?抗生素種類選擇?使用單次還是多次?采用怎樣的給藥途徑？六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用預防性抗菌素顯示有效的手術有：婦產科手術胃腸道手術(包括闌尾炎)口咽部手術腹部和肢體血管手術心臟手術骨科假體植入術開顱手術某些“清潔”手術六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用外科預防性抗生素的應用：預防性抗生素對哪些病人有用?什么時候開始用藥?抗生素種類選擇?使用單次還是多次?采用怎樣的給藥途徑？六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用

理想的給藥時間？目前還沒有明確的證據表明最佳的給藥時機研究顯示：切皮前45～75min給藥，SSI發生率最低，且不建議在切皮前30min內給藥影響給藥時間的因素:所選藥物的代謝動力學特性手術中污染發生的可能時間病人的循環動力學狀態止血帶的使用剖宮產細菌在手術傷口接種后的生長動力學

手術過程

012345671hr2hrs6hrs1day3-5days細菌數logCFU/ml六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用149術后給藥，細菌在手術傷口接種的生長動力學無改變

手術過程抗生素血腫血漿六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用Antibioticsinclot

手術過程

血漿中抗生素予以抗生素血塊中抗生素血漿術前給藥，可以有效抑制細菌在手術傷口的生長六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用151ClassenDC,etal..NEnglJMed1992;326:281切開前時間切開后時間予以抗生素切開六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用不同給藥時間，手術傷口的感染率不同NEJM1992;326:281-6投藥時間感染數（%）相對危險度(95%CI)早期（切皮前2-24h）36914(3.8%)6.7(2.9-14.7)4.3手術前（切皮前45-75min)170810(0.9%)1.0圍手術期（切皮后3h內）2824(1.4%)2.4(0.9-7.9) 2.1手術后（切皮3h以上）48816(3.3%)5.8(2.6-12.3)

5.8全部284744(1.5%)似然比病人數六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用結論：抗生素在切皮前45-75min或麻醉誘導開始時給藥，預防SSI效果好153六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用切口切開后，局部抗生素分布將受阻必須在切口切開前給藥！！！抗菌素應在切皮前45～75min給藥六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用外科預防性抗生素的應用：預防性抗生素對哪些病人有用?什么時候開始用藥?抗生素種類選擇?使用單次還是多次?采用怎樣的給藥途徑？有效安全殺菌劑半衰期長相對窄譜廉價六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用抗生素的選擇原則：各類手術最易引起SSI的病原菌及預防用藥選擇六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用

手術最可能的病原菌預防用藥選擇膽道手術革蘭陰性桿菌，厭氧菌頭孢呋辛或頭孢哌酮或

(如脆弱類桿菌）頭孢曲松闌尾手術革蘭陰性桿菌，厭氧菌頭孢呋辛或頭孢噻肟；

(如脆弱類桿菌）＋甲硝唑結、直腸手術革蘭陰性桿菌，厭氧菌頭孢呋辛或頭孢曲松或

(如脆弱類桿菌）頭孢噻肟；＋甲硝唑泌尿外科手術革蘭陰性桿菌頭孢呋辛；環丙沙星婦產科手術革蘭陰性桿菌，腸球菌頭孢呋辛或頭孢曲松或

B族鏈球菌，厭氧菌頭孢噻肟；+甲硝唑莫西沙星（可單藥應用）注:各種手術切口感染都可能由葡萄球菌引起六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用外科預防性抗生素的應用：預防性抗生素對哪些病人有用?什么時候開始用藥?抗生素種類選擇?使用單次還是多次?采用怎樣的給藥途徑？六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用單次給藥還是多次給藥？沒有證據顯示多次給藥比單次給藥好傷口關閉后給藥沒有益處多數指南建議24小時內停藥沒有必要維持抗菌素治療直到撤除尿管和引流管手術時間延長或術中出血量較大時可重復給藥細菌污染定植感染一次性用藥用藥24h用藥4872h數小時從十數小時到數十小時六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用用藥時機不同，用藥期限也應不同短時間預防性應用抗生素的優點：六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用減少毒副作用不易產生耐藥菌株不易引起微生態紊亂減輕病人負擔可以選用單價較高但效果較好的抗生素減少護理工作量藥品消耗增加抗菌素相關并發癥增加耐藥抗菌素種類增加易引起脆弱芽孢桿菌腸炎MRSA（耐甲氧西林金黃色葡萄球菌）定植六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用延長抗菌素使用的缺點：六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用外科預防性抗生素的應用：預防性抗生素對哪些病人有用?什么時候開始用藥?抗生素種類選擇?使用單次還是多次?采用怎樣的給藥途徑？正確的給藥方法：六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用應靜脈給藥，2030min滴完肌注、口服存在吸收上的個體差異，不能保證血液和組織的藥物濃度，不宜采用常用的-內酰胺類抗生素半衰期為12h，若手術超過３４h，應給第２個劑量，必要時還可用第３次可能有損傷腸管的手術，術前用抗菌藥物準備腸道局部抗生素沖洗創腔或傷口無確切預防效果，不予提倡不應將日常全身性應用的抗生素應用于傷口局部（誘發高耐藥）必要時可用新霉素、桿菌肽等抗生素緩釋系統（PMMA—青大霉素骨水泥或膠原海綿)局部應用可能有一定益處六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用不提倡局部預防應用抗生素：時機不當時間太長選藥不當，缺乏針對性六、預防SSI干預方法

——抗菌藥物的應用預防用藥易犯的錯誤：在開刀前45-75min之內投藥按最新臨床指南選藥術后24小時內停藥擇期手術后一般無須繼續使用抗生素大量對比研究證明，手術后繼續用藥數次或數天并不能降低手術后感染率若病人有明顯感染高危因素或使用人工植入物，可再用1次或數次小結預防SSI干預方法

——正確的脫毛方法用脫毛劑、術前即刻備皮可有效減少SSI的發生手術部位脫毛方法與切口感染率的關系：備皮方法 剃毛備皮 5.6%

脫毛0.6%備皮時間 術前24小時前 ＞20%

術前24小時內 7.1%

術前即刻 3.1%方法/時間 術前即刻剪毛 1.8%

前1晚剪/剃毛 4.0%THANKYOUMagneticResonanceImagingPART01磁共振成像發生事件作者或公司磁共振發展史1946發現磁共振現象BlochPurcell1971發現腫瘤的T1、T2時間長Damadian1973做出兩個充水試管MR圖像Lauterbur1974活鼠的MR圖像Lauterbur等1976人體胸部的MR圖像Damadian1977初期的全身MR圖像

Mallard1980磁共振裝置商品化1989

0.15T永磁商用磁共振設備中國安科

2003諾貝爾獎金LauterburMansfierd時間PART02MR成像基本原理實現人體磁共振成像的條件:人體內氫原子核是人體內最多的物質。最易受外加磁場的影響而發生磁共振現象(沒有核輻射)有一個穩定的靜磁場（磁體）梯度場和射頻場：前者用于空間編碼和選層，后者施加特定頻率的射頻脈沖，使之形成磁共振現象信號接收裝置：各種線圈計算機系統：完成信號采集、傳輸、圖像重建、后處理等

人體內的H核子可看作是自旋狀態下的小星球。自然狀態下，H核進動雜亂無章，磁性相互抵消zMyx進入靜磁場后，H核磁矩發生規律性排列（正負方向），正負方向的磁矢量相互抵消后，少數正向排列（低能態）的H核合成總磁化矢量M，即為MR信號基礎ZZYYXB0XMZMXYA:施加90度RF脈沖前的磁化矢量MzB:施加90度RF脈沖后的磁化矢量Mxy.并以Larmor頻率橫向施進C:90度脈沖對磁化矢量的作用。即M以螺旋運動的形式傾倒到橫向平面ABC在這一過程中，產生能量

三、弛豫（Relaxation）回復“自由”的過程

1.

縱向弛豫（T1弛豫）：

M0（MZ）的恢復，“量變”高能態1H→低能態1H自旋—晶格弛豫、熱弛豫

吸收RF光子能量（共振）低能態1H高能態1H

放出能量（光子，MRS）T1弛豫時間：

MZ恢復到M0的2/3所需的時間

T1愈小、M0恢復愈快T2弛豫時間：MXY喪失2/3所需的時間；T2愈大、同相位時間長MXY持續時間愈長MXY與ST1加權成像、T2加權成像

所謂的加權就是“突出”的意思

T1加權成像（T1WI）突出組織T1弛豫（縱向弛豫）差別

T2加權成像（T2WI）突出組織T2弛豫（橫向弛豫）差別。

磁共振診斷基于此兩種標準圖像磁共振常規h檢查必掃這兩種標準圖像.T1的長度在數百至數千毫秒（ms）范圍T2值的長度在數十至數千毫秒（ms）范圍

在同一個馳豫過程中,T2比T1短得多

如何觀看MR圖像：首先我們要分清圖像上的各種標示。分清掃描序列、掃描部位、掃描層面。正常或異常的所在部位即在同一層面觀察、分析T1、T2加權像上信號改變。絕大部分病變T1WI是低信號、T2WI是高信號改變。只要熟悉掃描部位正常組織結構的信號表現，通常病變與正常組織不會混淆。一般的規律是T1WI看解剖,T2WI看病變。磁共振成像技術－－圖像空間分辨力，對比分辨力一、如何確定MRI的來源（一）層面的選擇1.MXY產生（1H共振）條件

RF=ω=γB02.梯度磁場Z（GZ）

GZ→B0→ω

不同頻率的RF

特定層面1H激勵、共振

3.層厚的影響因素

RF的帶寬↓

GZ的強度↑層厚↓〈二〉體素信號的確定1、頻率編碼2、相位編碼

M0↑--GZ、RF→相應層面MXYGY→沿Y方向1H有不同ω