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1、第九章 核磁共振成像原理,2,内容导航,一、引言二、核磁共振的基本原理三、核磁共振的检测参数四、核磁共振信号的采集五、核磁共振成像方法六、小结与作业,3,一、引言,核磁共振成像是利用原子核在磁场内共振所产生的信号经重建成像的一种技术。,特点：,无创伤，无电离；,无机械运动，任意截面成像；,多个参数成像T1，T2，密度。,4,一、引言,多参数成像,5,一、引言,T1 ContrastTE=14 msTR=400 ms,T2 ContrastTE=100 msTR=1500 ms,Proton DensityTE=14 msTR=1500 ms,多截面成像,6,一、引言,1945年两个独立小组在几
2、天内同时发现核磁共振现象：1）Bloch Stanford 大学（1946）Physics Review 69,127；2）Purcell MIT,（1946）Physics Review 69,37,核磁共振现象的发现：,7,一、引言,Felix Bloch 1905-1983,Stanford University,Edward Mills Purcell 1912-1997,MIT,1952 Nobel Prize for Physics,8,一、引言,1973年2个独立小组利用磁场梯度解决空间信息获取的问题：图像形成 1）Lauterbur,State University of Ne
3、w York（85年 Univ.of Illinois）(1973)Nature 242,736 2）Mansfield,Nottingham University(1973)J.Phys.C 6,L422,核磁共振现象的成像应用：,9,一、引言,2003 Nobel Prize in Physiology or Medicine,Lauterbur,1929,Mansfied 1933,10,一、引言,Damadian,1969，提出MR scanner 的设想；,1971，“tumor detecting by MR”,T1,T2；,1977，第一台MRI；,1978，Fonar 公司；,
4、1980，上市,11,一、引言,Raymond Damadian与第一台MRI装置（1977）,“The Shameful Wrong that must be righted”,12,Damadian申请的专利,世界上第一张 MRI 图像,实事求是地讲，Damadian应该算是最早把核磁共振用于生物医学研究的人之一。早在1970年他便把从人身上切除的肿瘤移植到老鼠身上，并观察到携带肿瘤的老鼠的核磁共振信号发生了变化。这一结果发表在1971年的科学杂志上。,13,一、引言,Damadian的工作直接启发了Lauterbur对成像技术的研究，Lauterbur在认识到这一发现的医学价值的同时，也
5、敏锐地意识到如果不能进行空间上的定位，核磁共振在临床应用的可能性微乎其微。于是便有了那篇1972年发表在自然杂志上的著名文章。,而且，Damadian前瞻性地预言了核磁共振作为临床诊断工具的可能性。,14,二、核磁共振的基本原理,核磁共振是自旋的原子核在磁场中与电磁波相互作用的一种物理现象。,人体组织和其他物体一样，也是由分子、原子组成。组成人体的元素有C、O、H、Ca、P及其他微量元素，这就为利用人体中的元素进行成像检测提供了物质基础。,15,二、核磁共振的基本原理,原子核由质子和中子组成，质子带有正电荷，自旋将产生一个小磁场，称为磁矩。中子自旋时也会产生磁矩（约为质子磁矩的2/3）。,对于
6、质子和中子总数为奇数的原子核，存在明显的自旋磁矩，即存在发生核磁共振现象的可能性。比如。,自旋,16,二、核磁共振的基本原理,氢原子核 只有一个自旋的质子，结构最单纯，又能提供最强的核磁共振信号，目前磁共振成像主要利用人体内的氢原子核。,无外磁场时，自旋质子的取向是随机的，当把它放在磁场中时，将按磁场方向取向，可能倾向南极，也可能倾向北极。,17,二、核磁共振的基本原理,氢原子核1H,18,二、核磁共振的基本原理,在磁场中，质子倾向于北极的比倾向于南极的要多，因为向北点的质子处于低能级，更稳定一些。向北和向南的质子能级间有一个能量差。当磁力和热力使磁针达到平衡状态时，产生了净磁化。,该磁化过程
7、可以表示为时间的指数函数：,（9-1）,19,二、核磁共振的基本原理,表示物质核磁共振性质的一个重要参数，与磁场强度、温度和粘滞度有关。T1不仅表示从激发态回到平衡态需要多少时间，也表示进行磁化需要的时间。,指时间足够长时的净磁化强度。,驰豫时间T1,磁化强度的最大值M0,20,二、核磁共振的基本原理,核在磁场中,磁针保持南、北向的百分比，与磁场强度和随机热效应的相对比值有关,在任一瞬间，磁针取向都是使其持南、北向的磁力和使之随机取向的热力的平衡结果,21,二、核磁共振的基本原理,进动是磁共振成像中另一个非常重要的概念，用它来表示质子在磁场中的磁化过程。类似于重力作用下的自旋陀螺的进动，外磁场
8、与质子磁矩相互作用也会产生使之进动的扭力，使自旋的质子绕磁场轴进动。,进动,也称为拉莫(Larmor)进动,22,二、核磁共振的基本原理,P：动量矩 T：力矩：磁距,质子进动与陀螺进动的类比,23,二、核磁共振的基本原理,质子的进动,24,二、核磁共振的基本原理,在观察的样本磁化后，如果再对它施加一个与主磁场垂直的交变磁场，当这个交变磁场的频率与进动频率一致时，原来处于随机相位的进动质子将趋于同相（相位相干）。当质子的进动相位完全一致时，就发生了共振现象，即核磁共振。发生共振时，质子大量吸收交变场的能量，同时向外辐射能量。,核磁共振,25,二、核磁共振的基本原理,经典力学观点,带正电荷且具有自
9、旋的核会产生磁场，该自旋磁场与外加磁场相互作用，将会产生进动。进动频率与自旋核角速度及外加磁场的关系可用拉莫尔方程表示：,核磁共振的解释,（9-2）,：旋磁比，B0为外加磁场的强度。,26,二、核磁共振的基本原理,当进动的质子在射频场的作用下出现相位相干时，净磁化向量M0将偏离z轴，并绕着z轴以共振频率进动。此时的磁化向量可以分解为一个z方向的垂直分量Mz和一个在平面旋转的水平分量Mxy。,27,二、核磁共振的基本原理,增加，势能增加，能量增量由外加交变磁场提供；减小，势能减小，能量交给外加交变磁场；仅当交变磁场角频率满足=B=0 时才发生此种能量交换；此时与B1_ 绕z轴同步旋转 核磁共振现
10、象,交变磁场引起磁矩变化,28,二、核磁共振的基本原理,量子力学观点,施加外磁场：质子指南或指北，刚开始时，指南指北数量相同，净磁化向量为零，随时间推移，开始磁化过程，最终慢慢地趋向于最大平衡值M0，变化过程可由自旋晶格驰豫时间T1表示。,无外磁场：质子随机指向；,29,二、核磁共振的基本原理,共振时：能量由无线电波提供，并且外加射频波量子的能量正好与指南、指北质子之间的能量差相等。,质子在两个能级（指北能级低）之间是翻动的，能量来回转移。从能级低的位置吸收能量后跃至较高能级，较高能级的质子释放能量到达较低能级。,平衡态时：运动能量由热运动提供；,30,二、核磁共振的基本原理,产生共振所需射频
11、信号的频率是与外加磁场的强度有关的。外加磁场强度越大，指南指北质子能量差越大，产生共振所需的射频信号的频率或能量越大。,只要激励射频场的频率和能量合适，就能产生共振。,规律,31,二、核磁共振的基本原理,在短时激励脉冲过后，质子将继续辐射同样频率的射频能量。这个信号的衰减过程被检出，可以用于磁共振成像，即自旋自旋驰豫时间T2。,根据量子力学理论，指南指北质子间的能量差取决于外加磁场B0和自身的磁矩：,（9-3）,32,二、核磁共振的基本原理,发生共振的条件是：指南指北质子间的能量差等于射频波光子的能量，即,（9-4）,这样，共振频率为：,（9-5）,33,二、核磁共振的基本原理,共振角频率为：
12、,（9-6）,可见，共振频率与磁场强度成正比，从量子力学推出的共振关系式与从经典力学推出的关系式是完全一样的！,34,三、核磁共振的检测参数,核磁共振时，共振（同相进动），净磁化 矢量M0偏离z轴以共振频率绕z轴旋转，可 以分解为垂直矢量Mz和横向矢量Mxy；,首先要明确质子的三个运动状态：,无外磁场时，自旋，磁矩随机指向；,有外磁场时，进动，磁矩指南或指北，净 磁化矢量M0；,35,三、核磁共振的检测参数,能提供能量使M0旋转180o的射频脉冲称为180o脉冲。,激励共振的两个射频脉冲：,能提供能量使M0旋转90o的射频脉冲称为90o脉冲；,180o脉冲比90o脉冲持续时间长一倍或者振幅大一
13、倍。,36,三、核磁共振的检测参数,对磁化的质子施加适当频率的射频脉冲后，质子趋向同相运动。在射频脉冲存在期间，磁化向量在快速绕z轴进动的同时，慢慢地绕x轴旋转（90o或180o）；当射频场消失后，质子的相位相干现象逐渐消失，磁化向量慢慢地回到主磁场的方向。磁化向量的这种衰减过程叫做自由感应衰减(FID)。,自由感应衰减过程,检测信号就是从自由衰减过程中提取。,37,三、核磁共振的检测参数,其中，横向磁化向量横向分量的衰减时间称为横向驰豫时间T2，纵向分量的增长时间称为纵向驰豫时间T1。不同的化学物质，具有不同的T1和T2。,实际情况中，横向磁化分量比理想情况的衰减快得多。,自由感应衰减信号,
14、自由感应衰减信号的强度与质子密度和驰豫时间有关。,38,三、核磁共振的检测参数,自由感应衰减信号,39,三、核磁共振的检测参数,自旋晶格驰豫时间T1,40,三、核磁共振的检测参数,自旋自旋驰豫过程,41,三、核磁共振的检测参数,自旋自旋驰豫时间T2,42,三、核磁共振的检测参数,T1的大小与外加磁场强度有关,43,三、核磁共振的检测参数,T1加权图像（脑部）,T2加权图像（脑部）,44,四、核磁共振信号的采集,用射频信号激励样本后产生的横向磁化向量将最终决定磁共振信号的强度。通常采集信号的办法是采用一个特定时序的脉冲序列来激励，不同形式的脉冲激励将直接影响磁共振图像的灰度、对比度等。,通过特定
15、时序的脉冲序列采集信号：,常用的脉冲序列有三种：,部分饱和序列,倒转恢复序列,自旋回波序列,45,四、核磁共振信号的采集,由一系列等间隔的90o射频脉冲组成，数据采集紧跟着每个90o脉冲进行。部分饱和序列下，检测信号的强度为：,（9-7）,对于某一特定物质，TR增大，信号强度增大；TR相同时，T1越短，检测到的信号越强。,部分饱和序列,46,四、核磁共振信号的采集,Mz的恢复过程,47,四、核磁共振信号的采集,指一个180o射频脉冲后紧跟一个90o脉冲，两个脉冲的间隔时间为TI，每组脉冲间的时间间隔为TR。在倒转恢复序列激励下，MRI信号的强度为：,（9-8）,倒转恢复序列激励时，图像对T1的
16、变化更敏感，精度高，测量范围大。,倒转恢复序列,48,四、核磁共振信号的采集,倒转恢复脉冲序列,49,四、核磁共振信号的采集,指一个90o脉冲紧跟着一个180o脉冲组成的脉冲序列。180o脉冲可以维持相位相干现象，使横向磁化分量出现多个峰值（衰减）自旋回波。其中，外磁场决定自旋回波的宽度，内磁场决定自旋回波的高度。,自旋回波序列,当TITR时，自旋回波序列激励的信号为：,（9-8）,50,四、核磁共振信号的采集,式中，TE为回波延迟时间。,可见，增大脉冲重复时间TR和缩短回波延迟时间TE都能提高自旋回波的强度。,自旋回波序列的缺点：,分子的扩散过程影响测量的精度，测量时间比较长。,51,四、核
17、磁共振信号的采集,自旋回波脉冲序列,52,四、核磁共振信号的采集,信号强度与这些参数的具体关系由所采用的脉冲序列决定；,从观察样本的某一个体元中接收的MRI信号的强度与质子密度、纵向驰豫时间T1，横向驰豫时间T2有关；,自由感应信号只提供样本的T1信息，自旋回波信号则同时提供T1和T2的信息。,53,五、核磁共振成像方法,54,五、核磁共振成像方法,层面选择,55,五、核磁共振成像方法,梯度磁场与层面选择,56,五、核磁共振成像方法,其中，为质子的旋磁比，则断面 中的质子将产生共振，其他断层中的质子均不处于共振频率，未受激励。,若选择的激励脉冲射频频率为：,（9-9）,57,五、核磁共振成像方
18、法,若在x轴上施以频率为 的 射频脉冲，则 平面中的质子磁化强度矢量将转至x-y平面，在 脉冲结束后，质子核磁矩发生自由进动，产生核磁共振信号。进动的频率视当时当地的磁场强度B而定。,58,五、核磁共振成像方法,射频脉冲及相应的频谱,由于所施加的射频脉冲具有一定的时宽，并为射频 所调制，故相应的频谱呈sinc函数，中心频率为，频谱宽度为。所选层面有一厚度：,59,也可以选择其他断面，例如矢状面或冠状面，只要让 随x或y作线性变化，即在x或y方向加上线性梯度磁场即可。,五、核磁共振成像方法,层面既然具有一定厚度，在这一层中的核子实际上感受不同的，其值与z有关。故在 激励脉冲作用期间这些核子以不同
19、速度进动着，激励结束后它们沿z方向的相位不一致。,60,五、核磁共振成像方法,为了纠正这一相位差异，紧跟着在激励脉冲结束后应加一反极性。,层面选择磁场结构,61,五、核磁共振成像方法,核磁共振的图像重建算法,投影重建法,二维傅立叶变换法（主要）,回波平面成像法,62,五、核磁共振成像方法,核磁共振成像流程,63,六、小结与作业,1.核磁共振现象的产生与解释（质子的自旋、进动、共振）；2.核磁共振成像参数检测方法；3.核磁共振成像信号采集方法。,重点掌握内容：,64,六、小结与作业,1.为什么T1会随环境温度的升高而缩短？2.为什么磁场的不均匀性会使T2急剧缩短？,作业：,65,附录 磁共振成像设备,66,附录 磁共振成像设备,67,附录 磁共振成像设备,68,附录,MRA核磁血管造影,69,fMRI功能成像,70,附录,MR显微镜,71,1.答：T1为热驰豫过程，环境温度越高时，共振频率段的重叠部分越小，样品内发生受激辐射的概率增加，从而使T1缩短。,2.答：T2与环境温度和粘度无关，主磁场的不均匀性会大大加剧自旋核磁矩的方向分散，使T2明显缩短。,
