第三章磁共振现象章节讲课

1、1第三章第三章 磁共振物理磁共振物理核磁共振发现 1946年 诺贝尔物理学奖 1952年头部mri投入临床 1978年全身mri研制成功 1980年诺贝尔物理学奖 2003年磁共振谱分析(mrs) 19461972年第三章第三章 磁共振物理磁共振物理2第三章第三章 磁共振物理磁共振物理布洛赫 usa 斯坦福大学珀塞尔 usa坎伯利基哈佛大学1952年 诺贝尔物理学奖第三章第三章 磁共振物理磁共振物理3第三章第三章 磁共振物理磁共振物理恩斯特r.r.ernst 瑞士物理化学家1991年诺贝尔化学奖第三章第三章 磁共振物理磁共振物理4第三章第三章 磁共振物理磁共振物理第一节 原子核的磁矩第二节 静

2、磁场中的磁性核第四节 弛豫过程第三章第三章 磁共振物理磁共振物理第五节 自由感应衰减信号第三节 磁共振第六节 化学位移和磁共振谱5第三章第三章 磁共振物理磁共振物理 第一节 原子核的磁矩一、原子核的自旋二、原子核的磁矩 三、物质的磁性 四、用于磁共振成像的磁性核6第三章第三章 磁共振物理磁共振物理)m()(mvvrrl描述物体运动状态的物理量方向vr方向一、原子核的自旋角动量（动量矩）右手螺旋判定质点角动量 自转物体角动量 7第三章第三章 磁共振物理磁共振物理)m()(mvvrrl描述物体运动状态的物理量方向vr方向角动量（动量矩）右手螺旋判定一、原子核的自旋8第三章第三章 磁共振物理磁共振物

3、理 自旋（spin）存在由于核内核子具有固有角动量和轨道运动角动量，它们矢量和就是核自旋总角动量，习惯上称为“原子核自旋（nuclear spin）” 。一、原子核的自旋9第三章第三章 磁共振物理磁共振物理) 1(iiiliizml核自旋li是量子化的，取一系列不连续值i核自旋量子数取整数、半整数izl空间z方向分量im核自旋磁量子数2i+1个可能值对应核自旋在外磁场中2i+1个可能取向im、-1、i-2、-i一、原子核的自旋10第三章第三章 磁共振物理磁共振物理不同原子核 自旋磁量子数不同232.奇偶核z、n一奇一偶核自旋为半整数c15n15如21、3.奇奇核z、n都是奇数核自旋为整数li6

4、n14如1，2p31目前医学成像h121i( )1.偶偶核z、n为偶数核自旋为零o168c126如i = 0一、原子核的自旋11第三章第三章 磁共振物理磁共振物理ipii2lmegiiilpii2meg核磁矩与核自旋关系0igig核因子核自旋磁旋比i二、原子核的磁矩描述自旋核在其周围空间所产生的磁场特性 磁矩(magnetic moment)i iil原子核的自旋和磁矩 12第三章第三章 磁共振物理磁共振物理p2) 1(meiigiini) 1(iig核磁矩z分量zpiz2iilmegniimg量子化核磁矩27pn1005095. 52mejt -1核磁子 作为核磁矩单位n21ih1( )im

5、2121z ini21gni21g二、原子核的磁矩 imi、i-1、i-2、-i 13第三章第三章 磁共振物理磁共振物理三、物质的磁性铁磁性物质顺磁物质附加磁场与外磁场方向相同附加磁场与外磁场方向相同强度远大于外磁场铁、钴、镍物质构成分子或原子宏观上物质有可能表现顺磁性逆磁性逆磁性外磁场作用下 附加磁场与外磁场方向相反14第三章第三章 磁共振物理磁共振物理 顺磁物质中同样存在逆磁效应，只是逆磁效应比顺磁效应小得多 mri造影剂(contrast agent) 大多是顺磁物质或超顺磁物质 主要是钆、铁、锰的大分子有机化合物这些物质本身不产生信号,信号来自氢原子核 三、物质的磁性15第三章第三章

6、磁共振物理磁共振物理四、用于磁共振成像的磁性核h1n14c13f19an23p31k39 自旋不为零的原子核都是磁性核，也只有磁性核才能和静磁场相互作用产生磁共振。但目前能用于临床mri的只有氢核。生物组织中存在很多磁性核，如一是磁性核在组织中的浓度二是磁性核的相对灵敏度影响磁共振信号强度两个因素16第三章第三章 磁共振物理磁共振物理一个水分子十个核外电子两个氢核一个氧核一个满壳层五个电子对自旋为0偶偶核核自旋为0自旋为21/2从磁矩方面考察相当于两个“裸露”的氢核2 61ohh1水分子的磁矩四、用于磁共振成像的磁性核17第三章第三章 磁共振物理磁共振物理h11c136n147f19921an

7、231123p31151.08402.2620.066100%0.70311.4780.093100%2.51795.2560.830100%0.19340.70230.0010.36%0.67281.40460.0161.1%2.67535.5855199.8%磁旋比108s-1t-1因子自旋相对灵敏度相对含量核素212121一些元素的特性参数四、用于磁共振成像的磁性核18第三章第三章 磁共振物理磁共振物理一、微观描述二、宏观描述第二节 静磁场中的磁性核19第三章第三章 磁共振物理磁共振物理zyx,固定坐标系zyx,旋转坐标系i磁矩等几率分布磁矩 沿空间某几个特定方向分布i无有静磁场0b一、

8、微观描述1、取向和磁势能20第三章第三章 磁共振物理磁共振物理beicosibbizbmgniiim自旋核附加能量和核磁量子数 关系共有2i1个可能值imi、i-1、i-2、-i核磁矩 与 正方向成 角i0b一、微观描述1、取向和磁势能21第三章第三章 磁共振物理磁共振物理nibga裂距(劈裂间距)一、微观描述1、取向和磁势能22第三章第三章 磁共振物理磁共振物理一、微观描述nibga裂距(劈裂间距)1、取向和磁势能23第三章第三章 磁共振物理磁共振物理nirfbgh1im能级允许跃迁法则nibg相邻能级跃迁能量只能等于rfh投照电磁波量子 = 裂距arfh核强烈吸收电磁波能量能级跃迁共振吸收

9、跃迁 自旋核在磁场中和射频电磁波共振一、微观描述1、取向和磁势能24第三章第三章 磁共振物理磁共振物理hbg1nirfhmebg12pibmegpi221bi21产生 nmr 时射频电磁波频率一、微观描述1、取向和磁势能25第三章第三章 磁共振物理磁共振物理磁性核和陀螺的旋进 一、微观描述2、旋进原子核旋进称为拉摩尔旋进（larmor precession） 26第三章第三章 磁共振物理磁共振物理0ibt在磁力矩 作用下绕 旋进i核磁矩0b磁场tdsindiillsin0ibt根据角动量定理lttdd dsindsin0iiltb一、微观描述2、旋进27第三章第三章 磁共振物理磁共振物理n1i

10、im宏观现象可观测的大量微观粒子集体表现m磁化强度矢量(magnetization vector) 核磁矩矢量总和本质为磁矩二、宏观描述 能用于临床磁共振成像的自旋核只有氢核（质子），所以自旋核密度也即质子密度（proton density）自旋核密度（spin density）单位体积内自旋核的数目或含量28第三章第三章 磁共振物理磁共振物理0)0(n1iibm)()(ddddn1bmttmii宏观总磁矩为零热运动核磁矩 取向概率各向均等i0)0(n1iibm磁化强度矢量 随时间变化m宏观总磁矩不为零二、宏观描述1、静磁场 时00b2、静磁场 时00b在磁力矩 作用下绕 旋进i核磁矩0b磁场

11、t29第三章第三章 磁共振物理磁共振物理上喇叭筒-低能级 下喇叭筒-高能级在主磁场 的作用下，0b核磁矩的矢线形成两个圆锥面。二、宏观描述周期运动物体，可用位置和速度来表征其运动状态，但用相位（phase）来表征却更方便。30第三章第三章 磁共振物理磁共振物理kteiinenktbkteennkte/1/1012 微观粒子在热平衡（thermal equilibrium）状态下服从玻尔兹曼分布(boltzmann distribution)，即二、宏观描述处于热平衡状态的高低能级核数之比为in表示第i个能级上的核数ie为该能级上的能量n为系统的总核数k=1.38110-23 j/k为玻尔兹曼常

12、数t为绝对温度31第三章第三章 磁共振物理磁共振物理 温度为300k，静磁场场强为1t时，高能级粒子数与低能级粒子数之比为7/100万zm0mmm=- 0 0bim 为顺着静磁场分布的 核磁矩 在z轴上的分量的矢量和二、宏观描述m0bi 为顺着静磁场分布的 核磁矩 在z轴上的分量的矢量和32第三章第三章 磁共振物理磁共振物理h1病灶不同病理阶段含水量不同即 核 不同则 不同,这是mri诊断病灶分期根据之一0m0b0m 越大 越大0m越大越大 温度越高 越小0m 的大小与样品内自旋核的密度静磁场大小以及环境温度有关0m二、宏观描述33第三章第三章 磁共振物理磁共振物理第三节 磁共振二、磁共振的宏

13、观表现一、磁共振的基本原理三、稳态核磁共振34第三章第三章 磁共振物理磁共振物理一、磁共振的基本原理0be 则处于低能态的氢核就会吸收电磁波能量跃迁到高能态（受激吸收），这就是所谓的核磁共振。 当外界施加的电磁波的能量正好等于不同取向的氢核之间的能量差医学影像领域，核磁共振一般简称为磁共振35第三章第三章 磁共振物理磁共振物理一、磁共振的基本原理bin21nrfnrf 电磁波角频率 等于核旋进角频率产生nmr时birf21如外界施加的电磁波的频率为 ，则不同取向的氢核间的能级差可表示成0ehb 2/h36第三章第三章 磁共振物理磁共振物理一、磁共振的基本原理1b1b0b 要产生磁共振，除了施加

14、的电磁波的频率必须和磁性核的旋进频率相同外，对电磁波方向也有要求。我们知道，电磁波中既有磁矢量又有电矢量 ，而且 必须垂直于 ，磁共振中起作用的只有磁矢量,这对施加电磁波方向提出了要求。37第三章第三章 磁共振物理磁共振物理一、磁共振的基本原理 磁共振中，所施加的电磁波又叫射频波（radio frequence wave）,简称rf波，其含义是指该电磁波的频率处于无线电波（radio）频率范围内，而无线电波是可以发射出去再向各个方向传播开来的，故称射频。rf波又常被称为射频脉冲（rf pulse）。 rf波只持续很短的一段时间（以ms计）。 38第三章第三章 磁共振物理磁共振物理 核磁共振时一

15、、磁共振的基本原理处于低能态的氢核数量 n1处于高能态的氢核数量 n2处于低能态氢核吸收电磁波能量跃迁到高能态处于高能态的氢核释放能量回到低能态的情况（受激吸收)（受激辐射）受激吸收受激辐射受激跃迁发生几率是相等热平衡状态时吸收大于总辐射多于多于39第三章第三章 磁共振物理磁共振物理外加射频波受激跃迁样品处于激发态热平衡状态被打破热弛豫跃迁过程 处于高、低能态上的氢核会与周围环境（晶格）作用分别跃迁到低、高能态上。对于热弛豫跃迁，由高能态跃迁到低能态的几率，大于由低能态跃迁到高能态的几率。一、磁共振的基本原理40第三章第三章 磁共振物理磁共振物理te dd共振吸收信号的强度就正比于样品每秒吸收

16、的能量 当高、低能态上的氢核数之差随时间的变化率为零时(dn/dt=0,n=n1-n2),系统达到动态平衡，可以持续观察稳定的核磁共振吸收现象 受 激 跃 迁 高、低能态上氢核数之差趋向于零 热弛豫跃迁 高、低能态上氢核数之差趋向于玻尔兹 曼热平衡分布 如高、低能态上粒子数相等，样品既不吸收能量也不辐射出能量，此时观察不到连续核磁共振现象，此状态称为饱和态(saturation state)。一、磁共振的基本原理41第三章第三章 磁共振物理磁共振物理二、磁共振的宏观表现 由于静磁场强度很大，而样品的磁化强度矢量又很微弱，这就使得的检测成为不可能0bm 在射频电磁波的作用下，样品会发生磁共振，样

17、品的 也会偏离 方向,这也就使的检测成为可能 0bm静磁场中的样品是在同一方向磁共振的宏观表现所要讨论的也就是样品 的变化规律m42第三章第三章 磁共振物理磁共振物理二、磁共振的宏观表现1rf波的磁矢量-旋转磁场 tbb011cos21bx假定rf波的磁矢量 施加在 轴，其强度的变化规律为00b，即rf波的频率和磁性核的旋进频率相同43第三章第三章 磁共振物理磁共振物理二、磁共振的宏观表现yx0t0t0001b1b1b旋转转磁场1b1rf波的磁矢量-旋转磁场 交变磁场 可由两个半径为 、角速度为 的旋转方向相反的磁场 叠加而成. 1b1b011bb和旋转磁场的获得44第三章第三章 磁共振物理磁

18、共振物理180脉冲角越大获能越多半球面螺旋线yz平面划四分之一圆周球面螺旋线yz平面划半个圆周两个基本脉冲偏转 角度rf电磁波作用90脉冲脉冲宽度越大m0m初矢量 为(热平衡态)二、磁共振的宏观表现2射频波对样品的激励 45第三章第三章 磁共振物理磁共振物理保证1b始终垂直m1b、2101dd1)(ddtmtmtmmtmyxyxzz一、 弛豫及其规律54第三章第三章 磁共振物理磁共振物理0zm0yxmm0zmm0yxm90脉冲激励及弛豫过程例)1 ()(10zttemtm20yx)(ttemtm高能态基态0zmm0yxm激励弛豫1tt 2tt )(1ztm)(2yxtm37% m063% m0

19、释能基态获能一、 弛豫及其规律55第三章第三章 磁共振物理磁共振物理0z0mm00yx mm2t横向弛豫时间1t纵向弛豫时间90脉冲激励及弛豫过程例一、 弛豫及其规律56第三章第三章 磁共振物理磁共振物理二、弛豫的机制纵向弛豫横向弛豫 相对独立0.63)1 (10em0.3710emt1m01.0t0t2m01.00t900脉冲激励后的弛豫过程57第三章第三章 磁共振物理磁共振物理二、弛豫的机制自旋核与晶格热辐射相互作用高能态低能态过渡释放热能自旋-晶格弛豫热弛豫1、纵向弛豫自由旋进0b作用恢复热平衡zm0m增加又称自旋-晶格弛豫（spin lattic ralaxtion），是自旋核与周围物

20、质相互作用交换能量的过程。 58第三章第三章 磁共振物理磁共振物理二、弛豫的机制1toh2h1中的 核的 最长组织器官含水量增加如水肿1t延长病理分期1t病灶不同阶段含水量不同 不同病灶定性h1不同分子结构 核1t不同1t的影响因素1、纵向弛豫59第三章第三章 磁共振物理磁共振物理1t的影响因素1、纵向弛豫二、弛豫的机制共振频率段不同分子中1h核有不同的共振频率值温度、粘度对 的影响 1t低温、高粘高温、低粘1t缩短延长1ti 强度共振频率段低温、高粘高温、低粘环境温度、粘度对t1的影响60第三章第三章 磁共振物理磁共振物理二、弛豫的机制主磁场0.42.0t主磁场 对 的影响1t0b弛豫粒子数

21、增多弛豫时间延长延长1t0b增大0m增大3101t值 ms数量级顺磁性环境增强晶格自旋作用较明显缩短1t1、纵向弛豫61第三章第三章 磁共振物理磁共振物理二、弛豫的机制0 xym2、横向弛豫b局部磁场 各异)(0bb旋进频率 不等相位参差不一最终均匀分布0b作用二、弛豫的机制62第三章第三章 磁共振物理磁共振物理二、弛豫的机制自旋核磁矩方向由相对有序状态向相对无序状态过渡核磁矩在聚焦方向分散每个自旋核相互磁作用本质自旋自旋弛豫旋进角频率不一致xym衰减2、横向弛豫63第三章第三章 磁共振物理磁共振物理二、弛豫的机制与温度、粘度无关主磁场大小相关不大磁场不均匀性顺磁环境2t明显缩短2t的影响因素

22、加剧自旋核磁矩方向分散明显缩短2t比 小一个数量级1t2t2t磁场不均匀时的横向弛豫时间2t不同h1不同分子结构 核2、横向弛豫64第三章第三章 磁共振物理磁共振物理 1.不同组织器官弛豫时间显著不同 2.同一组织器官不同病理阶段弛豫时间显著不同mri进行病理分期mri对软组织及器官分辨能力二、弛豫的机制65第三章第三章 磁共振物理磁共振物理 发生核磁共振后，样品就会出现横向磁化，横向磁化在在xy平面的旋进就会使放置在xy平面上接收线圈产生感生电压，这一感生电压就是mr信号.第五节 自由感应衰减信号可以是发生核磁共振时的共振吸收信号也可以是核磁共振发生后自由旋进时的信号 mr信号mr信号种类:

23、自由感应衰减信号（free induced decay, fid）自旋回波信号反转恢复信号梯度回波信号等 66第三章第三章 磁共振物理磁共振物理自由感应衰减信号（fid ）自由旋进(无射频场时磁化强度在恒定静磁场中的旋进) 0接收线圈中角频率为 的感生电动势幅值衰减fid包含生物组织信息多不同组织不同弛豫时间不同fid第五节 自由感应衰减信号磁化强度矢量 在自由旋进的情况下所产生的mr信号 m67第三章第三章 磁共振物理磁共振物理自由感应衰减（fid ）第五节 自由感应衰减信号68第三章第三章 磁共振物理磁共振物理第五节 自由感应衰减信号一.只有横向磁化才能产生mr信号, 要测量纵向磁化, 必

24、须将 其翻转到平面上来；二.900脉冲作用下fid信号的初始幅度正比于m0；三.质子密度相同, t2时间较长组织横向磁化衰减较慢，组织 fid信号较高，反之则较低；四.质子密度相同，在t1时间较短的组织纵向磁化恢复的快， fid信号较高，反之则较低；五.影响fid信号强度因素t1、t2和质子密度 ，所以磁共振成 像是多参数成像。69第三章第三章 磁共振物理磁共振物理第六节 化学移位和磁共振谱一、化 学 移 位二、 mrs分析三、 “自由水”、“结合水” 及其mrs70第三章第三章 磁共振物理磁共振物理s测试样品自旋核共振频率s标准样品自旋核共振频率化学位移是核磁共振波谱分析的主要对象化学位移（

25、chemical shift）一、化 学 移 位 均匀静磁场中，处于不同化学环境下的同一种自旋核会受到不同磁场b的作用，因而会有不同的共振频率，这种共振频率的差异称为化学位移（chemical shift） 71第三章第三章 磁共振物理磁共振物理ssssbbb化学位移另一定义 b、bs 分别表示维持 rf 电磁波频率不变，测试样品、标准物质中同类自旋核发生nmr所需要外磁场的大小。 很小, ppm数量级磁共振波谱分析不仅要求静磁场场强高于1.5t，而且对磁场均匀度要求更高 一、化 学 移 位72第三章第三章 磁共振物理磁共振物理纵坐标 共振吸收强度横坐标 共振频率 自旋核的共振频率及其mr吸收信号强度变化的曲线 唯一可观察载体细胞代谢变化的非损伤检测技术1、 mrs二、mrs分析73第三章第三章 磁共振物理磁共振物理如图 乙基苯的质子谱线乙基苯有c6h6、ch2、ch3三个原子团三个原子团中氢核结合状态不同三种氢核产生三条共振吸收谱线 18. 763. 222. 1(ppm)tms3-266chch hc乙基苯的质子核共振谱线1、 mrs谱线位移程度不同二、mrs分析74第三章第三章 磁共振物理磁共振物理nmr灵敏度mrs 限制因素人体自旋核密度高低 1h、31p、13c、19f、23na灵敏度最高的是1h，其次为31p、19f、23