医学课件核磁共振

Nuclear Magnetic Resonance CT(核磁共振CT ) 概 述 1924年，泡利（WPauli）在研究某些光谱的精细结构时，提 出了原子核具有自旋角动量和磁矩。当时由于受光学仪器分辨本 领的限制，妨碍了对核磁矩的精确测量。1946年，珀塞尔（ Purcell）和布洛赫（FBloch）分别应用共振吸收法和核感应 法实现了核磁共振，从而大大地提高了核磁矩的测量精度。因而 珀塞尔和布洛赫获得了1952年度的诺贝尔物理学奖。 核磁共振已在众多的领域中有了十分广泛的应用。早期，核磁 共振主要是用于对和结构和性质的研究，如测量和磁矩、电四极 矩及核自旋等，后来则广泛用于分子（如有机分子、生物大分子 等）组成和结构的分析、生物组织与活体组织的分析、病理分析 、医疗诊断、产品无损检测等方面，并可用来观测一些动态过程 （如化学反应、生化过程等）的变化。从技术手段上来说，核磁 共振的应用主要由两方面，即核磁共振波谱的应用以及近年发展 起来的核磁共振成象(MRI)的应用.而这里的NMR-CT采用的既是 MRI(Magnetic Resonance Imaging)技术。 12位因对核磁共振的杰出贡献而获得 诺贝尔奖科学家 1944年 I.Rabi 1952年 F.Block 1952年 E.M.Purcell 1955年 W.E.Lamb 1955年 P.Kusch 1964年 C.H.Townes 1966年 A.Kastler 1977年 J.H.Van Vleck 1981年 N.Bloembergen 1983年 H.Taube 1989年 N.F.Ramsey 1991年 R.R.Ernst 核磁共振原理 半数以上的原子核具有自旋，旋转时产生一小磁场。当 加一外磁场，这些原子核的能级将分裂，既塞曼效应。 在外磁场B0中塞曼分裂图： 共振条件： = 0 = 0 实现核磁共振的两种方法 a扫场法: 改变0 b扫频法: 改变 如图所示。永久磁铁产生均匀的稳恒磁场B0，磁场强 度可以调节。磁极上装有调制线圈，提供一个弱的调 制磁场BM，进行扫场，其扫场大小可以调节。核磁共 振探头提供射频场，且频率可调。 (1) 磁场B0固定，让射频场B1的频 率连续变化通过共振区域，当满足 = 0 = 0时，出现共振吸收现象，叫做 扫频法； (2) 把射频场B1频率固定，而让磁 场。连续变化通过共振区域，实现共 振吸收。称为扫场法。 检测共振信号的方法 吸收法 感应法 平衡法 优点是比较简单，样品 不易饱和，缺点是振荡频率 的稳定性较差，噪音电平较 高。一般只用于宽谱的波谱 仪与测场仪 优点是工作稳定度 高，噪音低，但漏电流 相位不易调整。常用在 商业波谱仪 优点是频率稳定好，噪 音低，缺点是频率调谐范围 不够宽。常用于灵敏度和分 辨力高的波谱仪 核磁共振的一些实际的应用 分子结构的测定 化学位移各向异性的研究 金属离子同位素的应用 动力学核磁研究 质子密度成像 T1T2成像 化学位移成像 其它核的成像 指定部位的高分辨成像 元素的定量分析 有机化合物的结构解析 表面化学 有机化合物中异构体的区分和确定 大分子化学结构的分析 生物膜和脂质的多形性研究 脂质双分子层的脂质分子动态结构 生物膜蛋白质脂质的互相作用 压力作用下血红蛋白质结构的变化 生物体中水的研究 生命组织研究中的应用 生物化学中的应用 在表面活性剂方面的研究 原油的定性鉴定和结构分析 沥青化学结构分析 涂料分析 农药鉴定 食品分析 药品鉴定 下面主要介绍一下NMR-CT 核磁共振CT(computed tomography)是获取样品平 面（断面）上的分布信息，称作核磁共振计算机断 层成象，也就是切片扫描方式。核磁共振CT手段可 测定生物组织中含水量分布的图像，这实际上就是 质子密度分布的图像。现已对生物组织的病变和其 含水量分布的关系作过广泛的研究。病变会使组织 中的含水量发生变化，所以，通过水含量分布的情 况就可以把病变部位找出来。 核磁共振CT与X光CT CT是计算机化层分析技术的简称(平时一般谈到 CT指的都是X光CT)核磁共振层析成像比目前应用 的X射线层析成像(又称X射线CT)具有更多的优点 。例如，X射线层析成像得到的是成像物的密度分 布图像，而核磁共振层析成像却是成像物的原子 核密度的分布图像。目前虽然还仅限于氢原子核 的密度分布图像，但氢元素是构成人体和生物体 的主要化学元素。因此，从核磁共振层析成像得 到的氢元素分布图像，要比从X射线密度分布图像 得到人体和生物体内的更多信息 。 这是核磁共振机的原理图 注意，这里不同于上面的实验，我 们所外加的是一个梯度场! 均匀的外加磁场B0内所有同类核的共振频 率都相同，无法区分它们的空间位置，为 此必须在均匀外磁场上叠加一个空间线性 梯度场B(x, y, z)，其方向与均匀场B0的方 向一致，大小数值是空间坐标的线性函数 ，这样就可以实现不同位置共振信号的空 间编码 。 傅立叶(Fourier)变换 时域信号 F变换 频域信号 频域 谱S（t1,t2,） S(1, 2,) 人体处于静磁场中，施加射频波，就会激发人 体的氢核发生共振，获取能量。停止发射射频 波，原子经过豫弛恢复平衡状态。人体在静磁 场中，经过射频和梯度磁场的扫描，尽心了一 系列容积单元的测量，并且从被查体的大区域 中寄存核磁共振信号，通过放大、模数（A/D） 转换，用高速及算计处理，经过傅立叶变换， 解读出既定的各个平面上的信息，例如质子密 度、豫弛时间，再经过数模（D/A)转换，利用 窗口技术、黑白灰度等级的换算，变成视频信 号，就可以在监视器上显示出核磁共振图像。 通过一个磁共振成像扫描人类大脑获 得的一个连续切片的动画，由头顶开 始，一直到基部。 MRI的缺点及可能存在的危害 虽然MRI对患者没有致命性的损伤，但还是给患者带来了一些不 适感。在MRI诊断前应当采取必要的措施，把这种负面影响降到 最低限度。其缺点主要有： 和CT一样，MRI也是解剖性影像诊断，很多病变单凭核磁共振 检查仍难以确诊，不像内窥镜可同时获得影像和病理两方面的 诊断； 对肺部的检查不优于X射线或CT检查，对肝脏、胰腺、肾上腺、 前列腺的检查不比CT优越，但费用要高昂得多； 对胃肠道的病变不如内窥镜检查； 扫描时间长，空间分辨力不够理想； 由于强磁场的原因，MRI对诸如体内有磁金属或起搏器的特殊病 人却不能适用。 MRI系统可能对人体造成伤害的因素主要包括以下方面： 强静磁场：在有铁磁性物质存在的情况下，不论是埋植在 患者体内还是在磁场范围内，都可能是危险因素； 随时间变化的梯度场：可在受试者体内诱导产生电场而兴 奋神经或肌肉。外周神经兴奋是梯度场安全的上限指标。 在足够强度下，可以产生外周神经兴奋（如刺痛或叩击感 ），甚至引起心脏兴奋或心室振颤； 射频场（RF）的致热效应：在MRI聚焦或测量过程中所用到 的大角度射频场发射，其电磁能量在患者组织内转化成热 能，使组织温度升高。RF的致热效应需要进一步探讨，临 床扫瞄仪对