第四章核磁共振成像技术

1、 第四章第四章 核磁共振成像核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance ImagingNuclear Magnetic Resonance Imaging） NMRI NMRI 连续波多普勒l 连续式多普勒使用双晶片探头，一个晶片连续地发射脉冲波，返回的声波由另一个晶片连续地接收。l理论上最大流速的测值无限制性。 其主要缺点是缺乏空间分辨能力。l其超声脉冲波的发射与接收均以一个探头进行，它是在一选择性的时间延迟后，才开始接受回声信号。l优点：疾病的定位诊断和血流的定量测定。优点：疾病的定位诊断和血流的定量测定。l断层摄影必须满足的3个条件：（1）X射线管的焦点与胶片必须

2、作方向相反的匀速运动；（2）X射线管的焦点、金属杆的支点及胶片中心三者始终在同一直线上；（3）X射线管焦点到支点的距离与支点到胶片中心的距离比值恒定不变直线式工作原理 l如图3-8示，在曝光时间内，X线源沿水平方向由S1S2，同时底片由左右，水平地保持一定速度移动，由图可见，需要研究的剖面如果和轴心在同一水平面上，那么P在胶片上的像点位置就始终不变，同一剖面另一像点R的位置始终处于胶片左端1/5长度的位置，但不在此剖面的Q点，在胶片上的像点却占据从胶片的右端到左端的位置上，即Q的像点比P像点模糊得多，这样就可在胶片上获得PR剖面的清晰断面影像 常规X线断层摄影原理图原理（直线式）： 两支点在同

3、一剖面上S1S2121 11 12222S PS PPRRPS PR PS PR PR1P1=R2P2且P1、P2在胶片中心位置不变R点的影像即R1R2位置也不变，即可获得清晰的断层图像。 虽然伦琴发现X射线曾震惊世界并革新了医疗诊断，但对人体有一定危害，虽然使用造影剂，但能显示的深度不够，有时只能显示模糊的重叠图像，直到X-CT出现才克服了此不足，然而依然对人体有副作用，而NMRI是非入侵式的，提供检测体内状况的新方法，能得到完善的详细细节，且很安全。 X-CT是将X射线对人体组织作横断面扫描后通过计算机对密度对比分析成像诊断疾病，对人体有X线辐射损伤。一、概述 NMRI是通过发射射频脉冲信

4、号，对人体氢质子作用产生核磁共振信号进行分析成像，其靶核是水的氢原子，而氢原子在不同组织的差别大而显著，水的浓度、密度甚至结合大分子时的细微差别均能使MRI得到良好的图像，可以区分位置非常靠近或略有差别的组织。二、核磁共振成像技术发展历史二、核磁共振成像技术发展历史 核磁共振成像技术的物理基础是核磁共振现象，核磁共振成像技术的物理基础是核磁共振现象，该技术是随着六十多年前核磁共振现象的发现而发该技术是随着六十多年前核磁共振现象的发现而发展起来的。实验表明，利用这一现象可研究物质的展起来的。实验表明，利用这一现象可研究物质的微观结构，据此人们以不同的脉冲序列对生物组织微观结构，据此人们以不同的脉

5、冲序列对生物组织进行激励，并用线圈检测组织的弛豫和质子密度信进行激励，并用线圈检测组织的弛豫和质子密度信息，就出现了息，就出现了MRI。 但从但从NMR现象发现到现象发现到MRI装置的诞生，历经几装置的诞生，历经几代人长达数十年的努力。代人长达数十年的努力。1、 NMR现象的发现现象的发现（属于原子核物理研究范畴）（属于原子核物理研究范畴）l1945年年12月，哈佛大学的月，哈佛大学的 Purcell和他的小组，和他的小组，在石蜡样品中观察到质子的核磁共振吸收信号在石蜡样品中观察到质子的核磁共振吸收信号l1946年年1月，斯坦福大学的月，斯坦福大学的 Bloch和他的小组在和他的小组在水样品中

6、也观察到质子的核感应信号。他们两水样品中也观察到质子的核感应信号。他们两人用的方法稍有不同，几乎同时在凝聚态物质人用的方法稍有不同，几乎同时在凝聚态物质中发现了核磁共振现象。中发现了核磁共振现象。l NMR现象的发现使现象的发现使Bloch和和Purcell共同荣获共同荣获1952年年Nobel物理学奖。物理学奖。2、 MRI的发展概况 1970年美国纽约州立大学的物理学家年美国纽约州立大学的物理学家 Damadian 对植入恶性肿瘤细胞的鼠进行对植入恶性肿瘤细胞的鼠进行NMR试验，发现正试验，发现正常组织和恶性组织常组织和恶性组织NMR信号不同信号不同 ； 1971 年他以年他以 “用用NR

7、M信号可诊断疾病信号可诊断疾病”和和“恶性恶性组织中氢的组织中氢的T1时间延长时间延长”为题在为题在Science上发表，上发表， 其意义在于一改过去仅从组织形态学角度研究疾其意义在于一改过去仅从组织形态学角度研究疾病状态，开始利用分子物理学和组织化学的信息。病状态，开始利用分子物理学和组织化学的信息。Science, 171: 1151 -1153 1977年年7月月3日，日，Damadian及其小组取得了第一幅及其小组取得了第一幅质子密度加权象质子密度加权象 ，标志着，标志着MRI成像领域的诞生。成像领域的诞生。 l1972年该校的年该校的Lauterbur进一步指出可用进一步指出可用NM

8、R信号完全可以重建图像信号完全可以重建图像。l1973年他宣布用三个线性梯度场年他宣布用三个线性梯度场Gx、Gy、Gz来选择性激励样品，获得了一幅二维的来选择性激励样品，获得了一幅二维的MR图图像，其成果发表于像，其成果发表于1973年年Nature, 242: 190 -191l 不仅为不仅为MRI奠定了基础，而且鼓舞了这一奠定了基础，而且鼓舞了这一领域的学者。领域的学者。l 1988年年Damadian和和Lauterbur获美国最高科获美国最高科技奖（总统奖）。技奖（总统奖）。l Lauterbur和英国和英国Mansfield共同获共同获2003年年Nobel医学及生理学奖。医学及生理

9、学奖。2003 Nobel Prize in Physiology or MedicineLauterbur, 1929 Mansfied 1933Paul C. Lauterbur Prize Award Photo Sir Peter Mansfield Prize Award Photo10/6,2003第一台第一台MRIMRI装置装置 19771977世界上第一张世界上第一张 MRI 图象图象 在MRI中，象素的数值对应人体组织中体素产生的MR信号强度，该强度取决于参与共振原子核的密度以及T1T2两个弛豫时间常数。人体组织病变时T1 T2 变化共振时组织体素辐射的射频信号强度和持续时间

10、变化图像变化指出病变。且某些病变T1、T2变化比X线衰减变化更大。因此MRI较X-CT更灵敏。 RF信号包含人体内组织空间的定位信息，MR图像就是一个显示来自人体层面内每个体素RF信号强度大小的象素陈列。图像象素的亮度取决于相应体素所发射的RF信号的强度，而RF的强度又取决于组织的性质。4.1 原子核的性质原子核的性质4.1.1 原子核的组成与一般特性原子核的组成与一般特性1、原子核（核子）、原子核（核子） 质子（质子（p）带一基元电荷）带一基元电荷e 中子（中子（n)：不带电性：不带电性 原子核的一般特性原子核的一般特性 核中的质子数核的电荷； 核中的质子数目（Z）+中子数（N）核的质量（A

11、）2、核素 Z、N相同且有相同能量状态的一类原子核称为核素； 或Z、A相同且有相同能量状态的一类原子核称为核素；4.1.2 原子核的原子核的电荷 原子核带正电荷，其电荷量Q=Ze 即核中的质子数核的电荷；4.1.34.1.3 原子核的质量 原子的质量=原子核的质量+核外电子质量-电子结合能 原子的质量原子核的质量 l 通常用通常用用符号用符号XAZ表示表示质量数为A，电荷数为Z的原子核。l 同位素：具有相同同位素：具有相同质子数Z的核素。的核素。例如：例如：l 同量异位素：具有相同质量数同量异位素：具有相同质量数A的核素。的核素。例如：例如：CaAr40234018 ,HHH312111 ,

12、,4.1.4. 原子核的半径原子核的半径 R=r0A1/3 r0=1.21015可见原子核有极大的密度：可见原子核有极大的密度：4.1.5. 核力核力 核子组成极高密度原子核的事实表明存在一种强核子组成极高密度原子核的事实表明存在一种强吸引力，它不是电磁力和万有引力，而是核力，这吸引力，它不是电磁力和万有引力，而是核力，这种把核子组合成原子核的强相互作用即核力。种把核子组合成原子核的强相互作用即核力。 具有如下性质：具有如下性质：1）是短程力。只在原子核线度内才起作用；）是短程力。只在原子核线度内才起作用；2）是一种强相互作用，它比库仑力大）是一种强相互作用，它比库仑力大100倍；倍；3）与电

13、荷无关；）与电荷无关；4）在极短程内存在斥力。）在极短程内存在斥力。31733/104334mkgrmRAmooo总体积总质量4.2.1 角动量角动量与进动磁矩与进动磁矩 ()mmvLrr v1. 质量为m的质点对点o 的角动量L：2. 具有轴对称的物体相对于对称轴的角动量L：转动惯量J和转动角速度 的乘积 JL (4-1) (4-2) 若转动物体不受任何力矩M的作用，则L 大小、方向保持不变；若 ，L改变。由：M与dL同向，M的效果使L改变。若考虑M作用，L只变方向，不变大小，则要求否则，dL的大小、方向都要改变。综上可知，因dL与M同向，如M垂直于L，则dL垂直于L，这时L将在M的作用下，

14、只变方向，不变大小 0MdLdtMLMLdLdtd mFv(4-3) (4-4) 如图，高速自转陀螺，其顶点着地，它在绕自转轴高速转动的同时，其自转轴还绕垂直轴旋转， 前者叫自自转转，后者叫进动进动。图42 陀螺的进动 陀螺产生进动现象是因其自转时角动量L始终受到一个与L垂直的重力矩 ， ， ，因此M作用下， ，于是L的方向连续改变，L的矢端就绕OZ为中心轴做圆周运动。也即OZ轴绕OZ转动，即出现了陀螺的进动现象。mM rg MgMrdLL它是自转角动量L受力矩M作用而产生的。L的矢端在水平面沿半径为 的圆做圆周运动。dL与进动角 之间的关系为：sinLddLdLsin进动角频率为dtdsin

15、sindLLdtMdtrmg dtmgrdtJmgrLmgr该式表明了进动角频率与力矩及角动量之间的定量关系，即：进动角频率正比于重力矩，反比于自转角动量。(4-5) (4-6) (4-7) 结论：结论：只要角动量受到一个与之垂直的力矩作用，则角动量就要产生进动，表现为角动量矢端沿一圆周运动。核磁共振（NMR）要用此结论。圆电流包围的面积矢量S与电流强度I的乘积，称为磁矩，用 表示。mpSIpm与S同向，单位为Amp置于外磁场中的磁矩要受到外磁场B的磁力矩作用，并且有磁势能cosBpBpAEmm这个结果对任意磁矩都成立，如微观粒子磁矩为 u，则其处于磁场B中的磁势能为cosBBE(4-8) (

16、4-9) (4-10) l某些原子核和电子一样有自旋现象，原子核的自旋量子数I与核的质子数和中子数有关。l（1）偶偶核:质子数为偶数，中子数也为偶数的核，则自旋量子数为0，没有自旋现象，没有磁矩，不产生共振；l（2）奇偶核:质子数是奇数，中子数是偶数；或质子数是偶数，中子数是奇数的核，自旋量子数I=1/2，3/2，5/2等半整数；l（3）奇奇核:质子数是奇数，中子数也为奇数的核，I=1，2，3等正常数。4.2.2 原子核的角动量和磁矩原子核的角动量和磁矩l只有自旋量子数 的原子核要进行自旋运动，原子核的自旋运动用自旋角动量L描述，L的方向与自旋轴重合。l自旋角动量L的数值为：0I112hLI

17、II Ih 为普朗克常数，自旋角动量的大小决定于核的自旋量子数。因 I 是量子化的，所以L也是量子化的，即为一系列的不连续值。自旋角动量自旋角动量(L)和自旋磁场和自旋磁场（4-11） 原子核带有一定正电荷，粗略的讲，可以认为这些电荷均匀分布在原子核的表面。 的核，有自旋运动，因此，这些电荷围绕旋转轴旋转，从而产生一个循环电流。有循环电流就会产生磁场。0I0II = 0， L=0， 无自旋，不能产生自旋角动量，不会产生共振信号。 只有当I O时，才能发生共振吸收,产生共振信号。 (a) I0的核 (b) I0的核 图43 原子核的磁矩方向L（4-12） 不同的原子核有不同的值，据推导，磁旋比以

18、公式（4-13）计算：Npgcme2（4-13） 式中，e是质子电荷，数值与电子电荷相同；mP是质子的质量；c是光速；gN是核的朗特因子。原子核磁矩的绝对值： L （4-14） 将和L值代入（4-14）式，得到： 14IIgcmehNp1IIgNN（4-15） 式中，N称为核磁子，是计算核磁矩的单位，其值为： N27100554.cmehpTJ /3. 自旋核在磁场中的自旋取向自旋核在磁场中的自旋取向 若将具有自旋的原子核置于磁场中，自旋核角动量在磁场中受到力矩的作用进行定向排列。从量子力学的观点即为空间量子化，它与自旋量子数I有关，共有2Il个取向，可用磁量子数m表示，即mI、I1、I2、I

19、。若I1/2有两个取向，即m1/2、1/2。I1有三个取向，即m1、0、1。I3/2有四个取向，即m3/2、1/2、1/2、3/2。 核自旋角动量根据空间量子化规律在z轴上投影： （4-17） mmhLZ2m的取值范围只有（2Il）个，Lz也只能取（2Il）个数值，Lz的各个可能值之间相差的整数倍。角动量在z轴上投影的最大值通常用L表示，其值为：IL（4-18） 图45核磁矩在磁场中的取向 ： （4-19） （4-20）ZmLZIL4.2.3 外磁场对原子的作用塞曼效应（Zeeman effect）1. 塞曼效应的发现 塞曼效应是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的。他发现，原子光谱线在外磁场发

20、生了分裂。随后洛伦兹在理论上解释了谱线分裂成3条的原因。这种现象称为“塞曼效应”。 很多原子的光谱在磁场中的分裂情况非常复杂，称为反常塞曼效应。 塞曼效应证实了原子具有磁距和空间取向量子化的现象。 塞曼效应的产生是原子磁矩和外加磁场作用的结果。 2. 原子角动量的进动B对 的作用力矩JBMJuBrBBmegwLmegBLwwLwLdtdLwLdtdLdtdLdLdLeJJeJInpJJJJJJJJJ222,sinsinBsinMsinBMsinsinsinJeeJJJ且且而3. 磁矩在磁场中的附加能量与原子能级的塞曼分裂cos2-gB-EJBmeeIeBBJJeJmeBgBmmeg2,m2Em

21、cosLLcosLLBLJJJJZJJZJ附加能量：的量子化方向的分量在考虑到一个原子的两个能级E1,E2（E1E2）之间的辐射跃迁B=0时，跃迁能量为hvo=E2-E1B不等于0时，E1,E2的附加能量为E1=-m1gJ1uBB, E2 =-m2gJ2uBBBmhvBmmhvhvggBgmgmhvBgmgmhvBgmBgmBBJJBJJBJJBJBJ0120211122011221212222222111111)(1)()()EE(EE-EEEE-EEEE且此时辐射跃迁为：于是：m是原两能级磁量子数之差，虽然E1分裂为2J1+1层,E2分裂为2J2+1层。但并非各层均可产生辐射跃迁，原因是能

22、级之间跃迁要受选定定则之限。即m=0、1时，才能发生跃迁。因此： hv= hv0uB.B或者hv= hv0表明自旋在B作用下一分为三，且彼此间隔相等。 核磁矩在静磁场的作用下，也如同旋转陀螺在地球引力场中一样进行进动。如图49所示图48陀螺的进动 图49磁性核在磁场中的进动 经典力学的观点认为:一个磁矩为的孤立原子核处于磁场强度为B磁场中，若磁矩与B的方向不同，则磁场作用产生的力矩M为：此力矩迫使原子核的自旋角动量L改变，即：BMMB tLddl成功秘诀归结为三部曲：lmake a plan, put your heart on the plan you made and you will r

23、each your goal l我们不是比别人聪明，而是比别人勤奋。我们不是比别人聪明，而是比别人勤奋。一年一年365天，我们没有星期天，没有寒暑天，我们没有星期天，没有寒暑假，连过春节都只休息假，连过春节都只休息1天，基本天天在天，基本天天在搞，搞，1年顶别人年顶别人3年。年。l对一些高科技，不少人首先问西方发达对一些高科技，不少人首先问西方发达国家有没有。西方国家有了，我们才搞。国家有没有。西方国家有了，我们才搞。没有，便认为你是疯子、骗子，我就偏没有，便认为你是疯子、骗子，我就偏不信这个邪。不信这个邪。l 马伟明马伟明41岁当选中国工程院最年轻的院士，岁当选中国工程院最年轻的院士，42岁

24、晋升海军少将军衔岁晋升海军少将军衔 每一个自旋不为零的原子核都有相应的磁矩，如果能级分裂是核自旋磁矩受外磁场作用而产生的，则分裂成的塞曼能级之间的共振吸收跃迁称为NMR，该跃迁仅发生在核自旋基态能级分裂成的相邻子能级之间。核磁共振的实质：核磁共振的实质： 在外加磁场作用下，某些具有磁性的原子核的能量可以分为两个或多个量化能级，此时如有一外加能量正好等于分裂后相邻两量化能级能量之差，则该原子核就可吸收此能量从低能级跃迁到高能级，该现象即共振共振吸收。核磁共振共振条件核磁共振共振条件拉莫尔方程是核磁共振的最基本公式，它规定了磁性核在一定的磁场中引起共振的必要条件。 0称为拉莫尔频率由拉莫尔方程可以

25、看出，共振频率与磁场强度成正比，磁场强度增加，共振频率也成比例的增加。 20000BB4.3.1 磁场中原子核行为的经典力学描述磁场中原子核行为的经典力学描述000022BrrBrBmegwINIpIIcosBBE0I0I处于Bo中的原子核，因其 受到Bo的磁力矩作用，而产生绕Bo方向的进动：处于Bo中的 还具有附加的磁势能：I在与Bo垂直的方向加一旋转磁场B1，使B1在垂直于Bo方向的平面上绕Bo轴旋转，且其旋转角速度为WN，于是 在B1作用下，也受到磁矩M1的作用IIIwdtd11I1BM111112BrBmegwp为uI与B0正向的夹角l可见 在以 0 绕 Bo进动的同时， 又以1绕B1

26、进动。l且1 / 0 = B1/ Bo ；一般NMR中Bo B1 所以0 1l造成进动角改变，使磁矩I在Bo中具有的附加能量E改变。lt=0时，=0， E= -I. Bo 势能最低lt=T1/4时=900 E=0 I. 位于xy平面lt=T1/2时=1800 E= I. Bo 势能最大l逐渐增大，即I.在B1 吸能转变为Bo中势能，使势能增大。后半周t由T1/2到T1， 由1800到0，势能逐渐减小到初始最小值，即能量释放过程。I需要注意的是： 1、上述 规则的吸能、放能过程产生的条件wB1=w0,如果不等，则B1相对于 不是静磁场，将使角紊乱，导致忽而吸能忽而放能。 2、对大量同类进动核群体

27、而言，因各核运动状态不一致，使各核进动位相不同，表现为进动轴四周的均匀分布，这使 形成以B0方向为轴的在一锥面上的均匀分布，绕B1的进动也可形成以B1方向为轴的锥面。III4.3.24.3.2 NMR的量子力学描述IIImgmrmLrIIgIIrLrINIIIIIZIIZNIIII，, 1,) 1() 1(II能级产生塞曼分裂：在B中的附加能量为：BgmBrmNIIIIE-B-BEIZI或B=0时，核自旋能量为Eo，则核在外磁场中的总能量为：BgmNII-EEEE00对于1H核而言：I=1/2,mI=+1/2,-1/2对应一个能级分裂为2层：2/1,g21E2/1,g21EEEE0002121

28、INIINImBmB，BNIgE-E2121-裂距为：核自旋E1/2是低能级，称为自旋与B平行核自旋E-1/2是高能级，称为自旋与B反平行自旋翻转（平行与反平行）时，对应能量变化1122EE022wBmegBrwrBrpIINI或核自旋进动角频率wo核磁旋比 在NMR中极为重要02wmegrpII和hBNI/g如果外加射频波提供能量hv=|E-1/2-E1/2|,则不同核rI不同，共振频率w=w0也不同。如果外加射频波提供能量hv=E(裂距)时，1H核与射频场之间就会产生能量的共振交换，即低能态的核吸收射频波一个光子的能量而跃迁到高能态；高能态的核受激发射一个光子而下降到低能态。22IIrBw

29、vr B在样品区的B0中，加以射频脉冲使B1垂直于B0，则当射频脉冲辐射的量子能量 时，低能级E1/2上的核可吸收hv而跃迁到高能级E-1/2上去，即产生NMR的吸收跃迁。NMR射频脉冲角频率 ，这是产生NMR的频率条件。 共振频率与B0有关，B0大能级差越大，要求射频脉冲提供的能量就越大，要求射频脉冲的能量越高。0INhg u B或 =rB0Ir B4.3.3 NMR的宏观的宏观l 在人体组织中，原子核不是单独存在，而在人体组织中，原子核不是单独存在，而是处于一含有大量原子核的群体之中。它们的是处于一含有大量原子核的群体之中。它们的对外表现是综合效应，即宏观效应。且单个原对外表现是综合效应，

30、即宏观效应。且单个原子核的行为无法检测，只能检测原子核的集体子核的行为无法检测，只能检测原子核的集体行为，所以引入磁化强度矢量来表征原子核的行为，所以引入磁化强度矢量来表征原子核的集体行为。集体行为。l定义：磁化强度矢量定义：磁化强度矢量 ：样本内单位体积内核磁：样本内单位体积内核磁矩的矢量总和，矩的矢量总和，M0=i il1)在在B0=0时，各时，各i i相互抵消。相互抵消。 M0=i i=0=0，不显示宏观磁效应。不显示宏观磁效应。l2)2)在在B00时，时，各各i i围绕该磁场拉莫进动。围绕该磁场拉莫进动。 i i与与B0 “平行平行”或或“反平行反平行”， M0=i i 0l在平衡时，

31、在平衡时，“平行平行”取向的核磁矩总数略大于取向的核磁矩总数略大于“反平行反平行”取向的核磁矩总数，故取向的核磁矩总数，故M0与与B0方向方向相同，但量值很小。由于实际中相同，但量值很小。由于实际中M0B0l所以只能测所以只能测M0在在B0作用下的变化效应，必须把作用下的变化效应，必须把M0从与从与B0平行的方向上偏离出来。否则要被平行的方向上偏离出来。否则要被B0淹没，使感应信号不可分辨，检测不可能，在淹没，使感应信号不可分辨，检测不可能，在NMR中加一中加一B1B0（适当的旋转频率），可（适当的旋转频率），可使使M0受受B1作用偏离作用偏离B0。4.3.4 4.3.4 产生产生NMRNMR

32、的原理的原理1） 从宏观上看：在射频作用下，使M0偏离B0， 表现为增大，磁矩在射频中吸能，在B0中势能增大的过程。2） 从微观上看：是核自旋基态在B0作用下发生能级塞 曼分裂，核不断从射频中吸能hv，从低能级到高能级，发生自旋翻转的共振吸收。3）如在射频作用下，使M0偏离B0方向方向角的脉冲叫脉冲；若=900就叫900脉冲显然900脉冲 作用前Mz=M0.Mxy=0； 作用后Mz=0，Mxy=Mm 到达XY平面若=1800就叫1800脉冲 作用前Mz=M0， 作用后Mz=-M0；Mxy=04.4.1 弛豫时间常数在在90射频脉冲作用下，射频脉冲作用下，M0将偏离将偏离B0方向方向90，到达，

33、到达x-y平平面。在面。在B0作用下，作用下，M0要向原来与要向原来与B0平行的状态恢复，这平行的状态恢复，这种恢复要经历一定的过程。种恢复要经历一定的过程。 90射频脉冲弛豫过程：核群体从不平衡的状态向平衡态恢复的过程。 完全恢复：MzM0，Mxy0 。该过程是系统释放能量的过程。假设Mz与Mxy向平衡态恢复的速度同它们偏离平衡的程度成正比，即： xyzMMTtM011ddxyxyMTtM21dd（4-77）解之得： 110TtzeMtM/ 20TtxyeMtM/（4-78）（4-79）式中T1，T2是两个系数，称为弛豫时间常数 ，显然M0的两个分量都按指数规律变化。弛豫过程是核系统向外释放

34、能量的过程。核系统与外部交换能量主要有两种形式。 （1）自旋晶格弛豫与T1指自旋核与周围物质相互作用交换能量的过程，表现为Mz的恢复。 该过程以Mz的完全恢复为标志，故称为纵向弛豫过程。相应T1称为纵向弥豫时间常数或自旋晶格弛豫时间常数 ，它是描述纵向弛豫快慢程度的一个特征量，它与核所处的位置、环境及运动状态有关，不同物质的晶格不同，T1就不同。 （2） 自旋自旋弛豫与T2核自旋间的相互作用交换能量的过程，这种能量交换表现表现为横向分量Mxy的恢复，即横向弛豫过程。T2是其时间常数 ，它是可测量的 。90射频脉冲过后，受激核在向外释放能量的弛豫过程中由于M0继续绕B0方向进动，故M0在x-y平

35、面上的横向分量Mxy也在平面上绕B0方向转动，由于M是逐渐减小的，故M的矢端轨迹如图421（a）所示 图421 FID信号及其产生过程l这时若在y轴（或x轴）方向设一接收线圈，则由于Mxy在x-y平面上的转动，会使穿过线圈的磁感应强度通量发生改变，于是在线圈两端产生一个很小的，并逐渐衰减的感应电动势，这种电动势称为自由感应衰减信号，简称FIDS，其强度按指数规律衰减，衰减速度由T1、T2决定，还与所在区域核自旋密度有关，FIDS的出现是产生核磁共振吸收的标志。4.4.3 4.4.3 化学位移化学位移 1）化学位移定义：由于化学环境不同引起的核磁共振频率发生偏移的现象。 同种核的共振频率随着核的

36、化学环境不同仅仅产生微小的差别。通常v表示某种化学环境中的共振频率； vS表示标准的共振频率 2）化学位移表示法（1）（2）化学位移一律采用值表示 ，表征化学环境情况，其定义为： svvvppm 106SBBsB（4-82） （4-83） 同一种核，即使在相同的静磁场中，由于自旋核所处的化学环境不同，核磁共振频率v也不同。4.5.1 引言X-CT的不足和的不足和MRI的优点：的优点： 空间分辨率低； 电离辐射伤害； 只能提供单一参数的静态解剖图像； 只能给出水平剖面图像。而而MRI有许多优点有许多优点可随意选择层面获取任意剖面图； MRI可提供三个特征参数，质子密度，T1、T2可探测体内化学性

37、质； MRI对人体无伤害；不引入造影剂就可清晰显示脑白质、脑灰质，可观测血管阻塞、血栓或动脉硬化病人及血流分布情况。4.5.2 MRI的发展1.萌芽期 19461972 NMR主要用作分析工具，后来逐步推广到生物及医学领域。2.成熟期 19731978 物理学家与医学家合作，对活体组织进行了局部成像的实验研究，使NMR医学成像得以实现。3.发展期 1978年后 MRI研究实现五个方面的转变： 从人体成像实验系统到工艺装置研究； 从局部成像的研究发展为全身成像研究； 从实验研究过渡到临床应用研究； 从侧重于成像理论的研究转变为加快成像速度，提高信噪比，改善图像质量的研究；从大学、研究所的科研活动

38、扩展到多厂商参与研究与开发的商业行为。 来自样品中体积元的MR信号的强度与1H核密度，T1、T2以及质子速度有关，从理论上说，用任意一个脉冲序列（部分饱和，反向恢复，自旋回波）都可实现MRI。实际上用射频线圈接收的是FIDS或自旋回波，后者的优点是可同时提供T1、T2两种信息。在所有脉冲序列作用后，M0必须要倒向或至少部分倒向x-y平面，以产生可检测的MR信号，在恢复期产生FIDS（Mxy 0）。 实际上在发射射频脉冲后，线圈可做接收天线，仅仅Mxy的变化可直接测量，而纵向MZ分量的变化，只能间接测量。 在900射频脉冲作用后，线圈可立即检测到FIDS，在理想磁场中，FIDS的包络衰减时间常数

39、为T2；实际磁场不均匀，衰减更快，T2*由场的不均匀性确定，由FIDS直接测T2要受场的均匀度之限。实际上由FIDS衰减的包络是测不到T2的。 4.5.3 MR信号测量及脉冲序列1. T1的测量主要有两种方法（1）反向恢复法（Inversion Recovery，IR）反向脉冲序列图4-30 反向恢复法原理示意图 利用纵向驰豫的变化公式可求得T1和M0。 111/0(1 2)IITTTMMe212/0(1 2)IITTTMMe如以M0与T1分别成像，称为质子密度图像与T1图像（M0密度）。若有两种组织，其T1不同，则不同TI两种组织Mz的差值不同，相应图像的对比度不同，调节TI可获得合适的T1

40、对比度图像。 （2）饱和恢复法（Saturation Recovery，SR）部分饱和序列图4-31 部分饱和序列示意图 第一个900脉冲作用后FIDS其起始值决定于M0。第二个900脉冲作用后FIDS其起始值决定于TR内纵向驰豫恢复状态。FIDS1/0(1)RTTMe 纵向驰豫恢复如图所示。 图4-32 部分恢复示意图 采用具有不同TR的两个900脉冲序列，可计算出T1值，两者的TR和FID分别为TR1，TR2；FID1 ，FID2。 11/10(1)RTTFIDMe11001/ln/()RTTMMFID12/20(1)RTTFIDMe21002/ln/()RTTMMFID采用两个部分饱和影

41、像，求解上述方程可得T1和M0，从而得到T1的影像。 理想情况下，Mxy按指数规律衰减时间常数为T2。实际上，由于磁场的不均匀性，Mxy的衰减加快，相应的时间常数为T2*,T2*0，4,5 T1时，SE 当TET2时，SE因此，TR和TE是两个重要的参数。选择TR和TE可控制图像是T1加权或T2加权或两者兼有。 Mz的恢复与T1有关，TR可用来区别T1。 TR固定，T1短的MZ恢复好于长T1的物质，可产生较强的SE。 通过改变TE，可把不同T2的物质，其SE差别突出，短T2的SE的强度随TE增大很快减小，且在相同TE内，T2长的SE信号强，T2短的SE弱。TE大更明显。 2/0ETTM e1/

42、01RTTMe（1） 加权序列欲增加在SE中的相关性，需TR 长， TE 短，TRTE通常TR1500ms，TE3ms，这样的序列称为加权SE序列。（2）T1加权序列在SE序列中，取较小TR，较小TE，这样T1对比度较大，T2对比度小，该方法的相关性没减弱，信号幅值同样表示T1及 。 实际是双参数成像，一般取TR800ms，TE 33ms（3）T2加权序列取长TR和长TE ，这样T1对比度小，T2对比度大，得以突出。一般取TR 1500ms，TE 56ms实际上是双参数(，T2）成像。4.5.5 MRI4.5.5 MRI成像原理综述成像原理综述 把某些原子核置于静磁场B中，会发生塞曼分裂。在与

43、B垂直方向，引入某一确定射频脉冲的旋转磁场。当射频频率等于核的共振频率时，该核就吸收此能量而产生能级跃迁，将=N的射频脉冲加到平衡态的自旋核上，造成M0的偏移。当射频撤消后，该偏移会在接收线圈上感应出FIDS，其强度初始值与成正比，且通过驰豫过程随时间减少，T1，T2的不同权重的组合可产生不同的MR图像重现。NMR有三个特征参数，T1，T2可选择上述参数中的不同权重组合获得不同对比的图像。4.6 NMR成像技术成像技术 随着NMRI技术的发展，已经产生了许多成像方法，但总的指导思想是如何利用B来标记受检核的空间位置、发生共振频率=B， 如何是空间各点B不同，就不同，把共振吸收强度的频率分布显示

44、，实际上就是共振核的分布，即NMR自旋密度图像。 为了产生MR图像，必须对MR信号进行编码，即采用外加梯度磁场使磁场不均匀，被检测样品的不同部分由所受特定B来标记或编码。4.6.1 NMR成像技术 有很多成像技术可获得空间定位信号，但都有一个共同的特点，磁场的分布与自旋核空间位置一一对应，使样品中不同位置的质子以不同的拉莫尔频率共振。 现有成像方法有两大类：一是投影重建法；二是非投影重建法X-CT成像断面是由X线束方向与扫描的几何结构而确定的，在MRI中信号由射频线圈采集，不能确定来自哪一层面如何选择断面，是MRI要解决的首要问题，也是二维成像碰到的共同问题。1.层面选择 例如：选择一垂直于Z

45、轴的横断面，通常是加一个方向与主磁场一致，幅值随Z线性变化的梯度磁场GzZ，常数kZBGZZZGBBZ0Z 该附加场很弱，其总变化约为1%B0此时主磁场变为）（1Z0Z1ZGBB若梯度磁场与层面选择且则断面Z=Z1中的质子将共振其他断面中质子均不处于其共振频率，未受激励，这时若在X轴上施加90脉冲，则Z=Z1平面中的质子MZ将转至XY平面，脉冲结束后，质子核磁矩也发生了自由进动产生MR信号。所选层面ZZZW4ZGW(GZZ)GwZtG 由于施加射频脉冲具有一定的脉宽tw，并为射频1所调制，相应频谱呈Sa函数，中心频率为1 。频带宽度：4/wt若选择Z=Z2断层，则射频角频率应取202()ZBG

46、Z 当然也可选择其他断面，只要B随x、y线性变化（梯度场）即可，但必须注意梯度场本身总是沿Z方向的。 若同时加x、y方向梯度场，且调节Gx、Gy，则可得沿任一方向作线性变化的梯度场，可得0-180范围内的投影数据，可用算法重建图像。 接收的信号是由许多不同频率的信号合成的，因为不同频率的信号来自不同的B的位置，所以其频谱就代表了不同位置发出信号的强度。4.6.2 非投影重建算法包括：线扫成像(line scan)，平面成像(plane imaging)，多平面成像 线扫描和多线扫描成像法 如果在90脉冲期间施加y梯度场会对平行于XZ平面上厚度为y的一层中的质子，在B作用下与射频频率产生共振，这层中质子的磁矩将偏离Z轴9