第十九章核磁共振章节讲课

1、 electronproton电子质子氢原子核氢原子核1h1章节课件一、引言一、引言 核磁共振成像是利用原子核在磁场内共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。振所产生的信号经重建成像的一种技术。特点：特点： 无创伤，无电离；无创伤，无电离； 无机械运动，任意截面成像；无机械运动，任意截面成像； 多个参数成像多个参数成像t1，t2，密度。，密度。2章节课件核磁共振的基本原理核磁共振的基本原理 核磁共振是核磁共振是自旋自旋的原子核在磁场的原子核在磁场中与电磁波相互作用的一种物理现象。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，也是由人体组织和其他物体

2、一样，也是由分子、原子组成。组成人体的元素有分子、原子组成。组成人体的元素有c c、o o、h h、caca、p p及其他微量元素，这就为及其他微量元素，这就为利用人体中的元素进行成像检测提供了利用人体中的元素进行成像检测提供了物质基础。物质基础。3章节课件t1 contrastte = 14 mstr = 400 mst2 contrastte = 100 mstr = 1500 msproton densityte = 14 mstr = 1500 ms多参数成像多参数成像4章节课件t1 contrastte = 14 mstr = 400 mst2 contrastte = 100 ms

3、tr = 1500 msproton densityte = 14 mstr = 1500 ms多截面成像多截面成像5章节课件 1945年两个独立小组在几天内同时发现年两个独立小组在几天内同时发现核磁共振现象：核磁共振现象：1）bloch stanford 大学大学 （1946）physics review 69, 127；2）purcell mit,（1946）physics review 69, 37核磁共振现象的发现：核磁共振现象的发现：6章节课件 felix bloch 1905-1983stanford university edward mills purcell 1912-199

4、7 mit1952 nobel prize for physics7章节课件 1973年年2个独立小组利用个独立小组利用磁场梯度磁场梯度解决空解决空间信息获取的问题：图像形成间信息获取的问题：图像形成 1）lauterbur, state university of new york（85年年 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：核磁共振现象的成像应用：8章节课件2003 nobel prize in phy

5、siology or medicinelauterbur, 1929mansfied 19339章节课件damadian1969，提出，提出mr scanner 的设想；的设想；1971，“tumor detecting by mr”,t1,t2；1977，第一台，第一台mri；1978，fonar 公司；公司；1980，上市，上市10章节课件raymond damadian与第一台第一台mrimri装置（装置（19771977）“the shameful wrong that must be righted”11章节课件damadian申请的专利世界上第一张世界上第一张 mri 图像图像 实

6、事求是地讲，damadiandamadian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。12章节课件 damadian的的工作直接启发了工作直接启发了lauterburlauterbur对成像技术的研究，对成像技术的研究，lauterburlauterbur在认识到这在认识到这一发现的医学价值的同时，也敏锐地意识到一发现的医学价值的同时，也敏锐地意识到如果不能进行如果不能进行空间上的定位空间上的定位，核磁共振在临，核磁共振在临床应用的可能性微乎其微。于

7、是便有了那篇床应用的可能性微乎其微。于是便有了那篇19721972年发表在年发表在自然自然杂志上的著名文章。杂志上的著名文章。 而且，而且，damadian前瞻性地预言了核磁共前瞻性地预言了核磁共振作为临床诊断工具的可能性。振作为临床诊断工具的可能性。13章节课件14章节课件 图14-1 角动量质点角动量质点角动量)()(vrmvmrljl 刚体角动量刚体角动量15章节课件 当旋转的陀螺倾斜时，其自转轴当旋转的陀螺倾斜时，其自转轴会围绕竖直方向旋转的现象。会围绕竖直方向旋转的现象。 图 陀螺旋进16章节课件 图 14-2 陀螺旋进lt 17章节课件18章节课件 图 14-5 原子核的旋进 19

8、章节课件p p ：动量矩动量矩 t t ：力矩力矩：磁距磁距质子进动与陀螺进动的类比质子进动与陀螺进动的类比20章节课件质子的进动质子的进动21章节课件二、核磁共振条件和拉莫尔方程 bin21bi0或或22章节课件图 rf作用时磁化矢量在坐标中的行为 在垂直于外磁场的在垂直于外磁场的方向上对旋进的氢核磁方向上对旋进的氢核磁矩施加一个交变磁场矩施加一个交变磁场（射频磁场（射频磁场rfrf），当），当 rfrf的频率等于拉莫尔频率的频率等于拉莫尔频率时，将发生时，将发生共振吸收共振吸收，撤销撤销 rfrf后，将发生后，将发生共振共振发射发射，整个吸收和发射，整个吸收和发射过程为过程为核磁共振核磁共

9、振, ,简称简称磁磁共振共振。 23章节课件垂直外磁场的射频磁场的垂直外磁场的射频磁场的介入，将使氢核磁矩跃迁介入，将使氢核磁矩跃迁到激发态，导致磁化矢量到激发态，导致磁化矢量与外磁场的夹角将会发生与外磁场的夹角将会发生变化，如果瞬间的射频脉变化，如果瞬间的射频脉冲使得夹角的变化为冲使得夹角的变化为 则则称为称为 角脉冲角脉冲。夹角变化。夹角变化过程表现为磁化矢量沿着过程表现为磁化矢量沿着球面轨迹偏离外磁场。如球面轨迹偏离外磁场。如9090o o脉冲。脉冲。图图 rfrf作用时磁化矢量在坐标中的行为作用时磁化矢量在坐标中的行为24章节课件 横向磁化矢量横向磁化矢量mxymxy在在xyxy平面形

10、成交变磁场，当撤平面形成交变磁场，当撤销销rfrf后，磁化矢量会逐渐后，磁化矢量会逐渐回到初始状态。每个核磁回到初始状态。每个核磁矩的相位都将逐渐分散，矩的相位都将逐渐分散，横向矢量将由大变小直至横向矢量将由大变小直至为零。如果在被测样品附为零。如果在被测样品附近放置探测线圈，那么旋近放置探测线圈，那么旋转的转的mxymxy将使探测线圈中产将使探测线圈中产生交变感应电压，形成自生交变感应电压，形成自由感应的衰减信号（由感应的衰减信号（fidfid）。）。图 自由感应衰减信号（fid）25章节课件 当当rfrf撤销后，处于激发态的核系统将撤销后，处于激发态的核系统将释放能量回到低能级态，这种过程

11、称为释放能量回到低能级态，这种过程称为弛豫过程弛豫过程。 弛豫过程包括两个独立发生的过程，弛豫过程包括两个独立发生的过程，即即纵向弛豫过程纵向弛豫过程和和横向弛豫过程横向弛豫过程（顺磁场顺磁场方向为纵向，垂直于磁场方向为横向方向为纵向，垂直于磁场方向为横向）。）。26章节课件 纵向弛豫过程纵向弛豫过程是指核系统磁化矢量是指核系统磁化矢量m m的纵向分量的纵向分量m mz z逐渐增大，恢复到初始值逐渐增大，恢复到初始值m m0 0的过程。的过程。9090o o脉冲后，随时间变化规律脉冲后，随时间变化规律可表达为可表达为10(1)ttzmme 27章节课件 横向弛豫过程横向弛豫过程是指系统横向磁化

12、矢量是指系统横向磁化矢量在在rfrf脉冲撤销时从最大值减小到零的过程。脉冲撤销时从最大值减小到零的过程。其大小随时间变化的表达式可以表示为其大小随时间变化的表达式可以表示为2ttxymxyemm 28章节课件 射频脉冲磁场撤销后，纵、横向驰豫是同时开始的，横向驰射频脉冲磁场撤销后，纵、横向驰豫是同时开始的，横向驰豫历时很短，纵向驰豫则历时较长。图（豫历时很短，纵向驰豫则历时较长。图（a a）- -（d d）表示横）表示横向驰豫中氢核从同相到散相的过程。图（向驰豫中氢核从同相到散相的过程。图（e e）- -（h h）表示横）表示横向驰豫结束后，纵向驰豫仍继续进行，直到为止，即向驰豫结束后，纵向驰

13、豫仍继续进行，直到为止，即 系统完全恢复到受激发前的状态系统完全恢复到受激发前的状态 。0mmz29章节课件第二节、 核磁共振谱 以发生共振吸收的强度为纵坐标，发以发生共振吸收的强度为纵坐标，发生共振的频率生共振的频率( (或发生共振的磁感应强度或发生共振的磁感应强度) )为横坐标，绘出一条共振吸收强度与发生为横坐标，绘出一条共振吸收强度与发生共振的频率共振的频率( (或发生共振的磁感应强度或发生共振的磁感应强度) )变变化的曲线。这个曲线称为化的曲线。这个曲线称为核磁共振谱核磁共振谱（magnetic resonance spectrum mrsmagnetic resonance spec

14、trum mrs）。）。 30章节课件 对某一核来讲，所处的分子环境是对某一核来讲，所处的分子环境是各不相同的，那么，周围的核及电子云各不相同的，那么，周围的核及电子云将产生微弱的局部磁场，即将产生微弱的局部磁场，即附加磁场附加磁场，对对b b0 0起屏蔽作用，所以，这个核实际所起屏蔽作用，所以，这个核实际所处的磁场应为处的磁场应为 0)1 (bb31章节课件 同种自旋核在相同的外磁场情况下，同种自旋核在相同的外磁场情况下，测试样品中的自旋的共振频率与标准物测试样品中的自旋的共振频率与标准物质中的自旋核共振频率之差为质中的自旋核共振频率之差为化学位移化学位移(chemical shift) (

15、chemical shift) 0n32章节课件图 乙醇的核磁共振谱 33章节课件 对核磁共振谱进行分析的技术，即对核磁共振谱进行分析的技术，即mrsmrs分析分析，是近十几年来发展起来的新的，是近十几年来发展起来的新的医学诊断技术，可以认为它是医学诊断领医学诊断技术，可以认为它是医学诊断领域中惟一可以用来观察载体而不是离体细域中惟一可以用来观察载体而不是离体细胞代谢变化的非损伤检测技术，这一技术胞代谢变化的非损伤检测技术，这一技术的深入研究将对疾病的早期诊断、鉴别性的深入研究将对疾病的早期诊断、鉴别性诊断、病理分期、判断预后及治疗效果起诊断、病理分期、判断预后及治疗效果起重大作用。重大作用。

16、 34章节课件35章节课件 基本方法基本方法：将置于磁场中原子核的密度、环境及位置等信息将置于磁场中原子核的密度、环境及位置等信息用一定的技术方法表达出来。通常采用的是通过在主磁场中叠加用一定的技术方法表达出来。通常采用的是通过在主磁场中叠加线性梯度场使得不同层片的共振频率相异，实现选层定片确定体线性梯度场使得不同层片的共振频率相异，实现选层定片确定体素（素（voxelvoxel）；通过频率编码和相位编码的方式确定体素的位置，）；通过频率编码和相位编码的方式确定体素的位置，再根据各体素发出信号和空间位置编码与像素一一对应实现图像再根据各体素发出信号和空间位置编码与像素一一对应实现图像重建重建。

17、图 磁共振成像原理图36章节课件1 1层面的选择层面的选择图 选层定片 利用利用梯度磁场梯度磁场 根据拉莫尔方程理根据拉莫尔方程理论，实现选层定片论，实现选层定片zg37章节课件层面选择层面选择38章节课件层面选择层面选择39章节课件2 2编码编码（1 1）相位编码）相位编码 如图如图1 1（2 2）频率编码）频率编码 如图如图2 2图1 磁矩旋进相位差异图2 磁矩旋进频率差异40章节课件3 3图像重建图像重建 解码解码 二维傅里叶变二维傅里叶变换换 像素信号像素信号图 磁共振成像过程方框图41章节课件 氢原子核氢原子核 只有一个自旋的质子，只有一个自旋的质子，结构最单纯，又能提供最强的核磁共

18、振结构最单纯，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信号，目前磁共振成像主要利用人体内的氢原子核。的氢原子核。1h 无外磁场时，自旋质子的取向是随无外磁场时，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，也可能倾向方向取向，可能倾向南极，也可能倾向北极。北极。1 1人体成像首选核种人体成像首选核种氢核氢核 42章节课件electronproton电子电子质子质子氢原子核氢原子核1h43章节课件2. 人体各种组织含水比例不同3人体不同正常组织和病变组织的 、1t2t44章节课件1t2t 1.1.自旋回波序列自旋回波

19、序列图14-21 自旋回波序列45章节课件21)1 (0ttttereeaa图14-22 氢核密度不同形成的对比度1ttr2tte1 .氢核密度 加权图像 0aa 46章节课件1t2. 加权成像 1ttr2tte )1 (10ttreaa图14-23 t1值不同的组织形成的对比度47章节课件2t3. 加权成像 1ttr2tte 20tteeaa图14-24 t2值不同的组织形成的对比度48章节课件1磁场系统2射频系统 3图像重建系统图14-25 磁共振成像系统方框图49章节课件 核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段 ，由于其可深入，由于其可深入物质内部而

20、不破坏样品物质内部而不破坏样品 ，并具有迅速、准确、分辨率高等优点而，并具有迅速、准确、分辨率高等优点而得以迅速发展和广泛应用得以迅速发展和广泛应用 ，已经从物理学渗透到化学、生物、地，已经从物理学渗透到化学、生物、地质、医疗以及材料等学科质、医疗以及材料等学科 ，在科研和生产中发挥了巨大作用，在科研和生产中发挥了巨大作用 。 近年来进展，大体可以归类为以下三个方面：近年来进展，大体可以归类为以下三个方面： （1 1）新型快速成像技术的应用）新型快速成像技术的应用 （2 2）设备硬件的改进）设备硬件的改进 （3 3）医学检查技术的进展）医学检查技术的进展 50章节课件(1)(1)多参数成像，可提供丰富的诊断信息。多参数成像，