核磁共振成像PPT学习教案

1、会计学1核磁共振成像核磁共振成像第1页/共31页u1924年： Pauli 预言了NMR 的基本理论,斯特恩和盖拉赫在原子束实验中观察到了锂原子和银原子的磁偏转。斯特恩等人测量了质子的磁距u1939年： 拉比第一次做了核磁共振实验u1946年： Harvard 大学的Purcel和Stanford大学的Bloch各自首次发现并证实NMR现象u1953年：Varian开始商用仪器开发，同年制作了第一台高分辨NMR 仪u1956年：Knight发现元素所处的化学环境对NMR信号有影响,且与物质分子结构有关 u1970年：Fourier-NMR 开始市场化（早期多使用的是连续波 NMR 仪器）u19

2、73年：核磁共振技术被引入医学临床检测u1991年：Ernst 高分辨核磁共振波谱学方法方面 u2002年：瑞士核磁共振波谱学家维特里希，用多维NMR技术在测定溶液中蛋白质结构的三维构象方面的开创性研究u2003年：美国科学家劳特劳尔于1973年发明在静磁场中使用梯度场，能够获得磁共振信号的位置，可以得到物体的二维图像；英国科学家曼斯菲尔德进一步发展，指出磁共振信号可以用数学方法精确描述，他发展的快速成像方法为医学磁共振成像临床诊断打下了基础。核磁共振发展史核磁共振发展史第2页/共31页2003年诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家劳特布尔（图左）和英国科学家曼斯菲尔德（图右） 1952年诺贝尔

3、物理学奖授予美国科学家布洛赫（图左）和波赛尔（图右）1991年诺贝尔化学奖授予瑞士物理学家艾斯特1944年诺贝尔物理学奖授予美国科学家拉比2002年诺贝尔化学奖授予美日瑞士三国科学家芬恩 （图左），田中耕一（图中），维特里希（图右） 1943年诺贝尔物理学奖授予美国科学家斯特恩核磁共振发展史核磁共振发展史第3页/共31页医用核磁共振成像仪器及通用系统框图医用核磁共振成像仪器及通用系统框图引用：第4页/共31页第5页/共31页第6页/共31页0()2IpegEBm磁旋比l磁场中的核能级间距: l研究对象: 自旋量子数0 的原子核uLarmor频率: 0B(1)JIII 在磁场中 有2种取向00(

4、,1,1, )EBB mmIIII l磁场中核能级分裂: l自旋角动量: 第7页/共31页u热平衡，各能级粒子数服从玻尔兹曼分布，宏观磁化强度M： 00220e(1)3eIBkmmIImTBTmIkmNI IMBTNk12N12N0B0M12I 12I u对氢原子核磁共振研究第8页/共31页iiM00121()xyzM iM jMMdMMBBkdtTT 0021xyzM iM jMMdMMBkdtTT 旋转坐标系（xy平面均匀分布，相互抵消）: 000cos()sin()xyztdBtdtconst u 一个核： u 多个核： 0BXYZZM0BXYZZM1B1B第9页/共31页核磁共振信号的

5、弛豫u自旋体系可以与周围环境相互作用u在低能态上的核跃迁到高能态的同时，高能态的核向周围环境转移能量，及时地恢复到低能态，核体系仍然保持低能态核数目比高能态微弱过剩的热平衡状态，维持玻尔兹曼分布，从而保证了共振吸收的继续进行u这种不经过辐射而回到低能态的过程叫弛豫u自旋核从共振激发状态恢复到平衡状态所需要的时间为弛豫时间第10页/共31页从激发状态恢复到Boltzmann平衡的过程就是驰豫过程ElN NkThe 驰豫（relaxation）种类第11页/共31页 驰豫（relaxation）种类注：晶格是泛指包含有自旋核的整个自旋分子体系，也可以说它是构成质子和原子的外在环境第12页/共31页

6、12111TTTl驰豫时间决定核在高能级上的平均寿命驰豫时间决定核在高能级上的平均寿命T，由下式，由下式 知知T取决于取决于T1及及T2之较小者之较小者第13页/共31页横向驰豫过程中，各种取向的核总数没有变化，是一个相位发散的过程。在均匀磁场中，被激发的瞬间，核具有相同的进动频率。在自旋自旋耦合的作用下，导致频散，失去同步，进而产生相散。局部磁场的非均匀性会改变质子的进动频率，进而加速相散，加快横向驰豫。第14页/共31页 自旋-晶格弛豫时间（T1）u核磁共振中，自旋体系因受到射频波的激励而失去平衡u射频场关断后，借自旋-晶格弛豫而恢复玻尔兹曼平衡。弛豫快慢遵循指数递增规律，把从0增大到最大

7、值的63%所需时间定义为纵向驰豫时间影响T1时间的因素uT1与静磁场的强度大小有关，一般静磁场强度越大， T1就大uT1长短还取决于组织进行能量传递的有效性u大分子、小分子的共振频率与拉莫尔频率差别较大，能量传递有效差，T1较长u中等分子（脂肪）的共振频率接近于拉莫尔频率，能量传递有效好，T1较短第15页/共31页影响T2的因素u不同成分和结构的组织T2不同，例如水的T2值要比固体的T2值长。uT2与磁场强度无关uT2的长短取决于组织内部的局部小磁场的均匀性对小磁化散相的有效性均匀性越好（水），散相效果越差，T2越长；越不均匀（肌肉），散相越快，T2越短第16页/共31页u组织含水量组织含水量

8、组织含水量是决定组织间弛豫率差异的主要因素。含水量下降则弛豫加快，反之弛豫变慢。任何使组织水量变化的化学物理环境均可导致组织弛豫的变化。u水的杂乱运动水的杂乱运动不同的大分子可对其表面上水分子的运动产生不同程度的扰乱，使附件水的运动状态发生变化，这是造成T1，T2差异的另一个重要原因。u脂肪的含量脂肪的含量脂肪具有疏水性，使其中的氢质子得以与水中的氢质子分开。当脂肪与肌肉和肝脏等组织或器官一起分布时，仍能表现出很好的弛豫特性来是MRI具有极高软组织对比度的组织学基础。u顺磁性粒子的作用顺磁性粒子的作用顺磁粒子对核磁共振的弛豫有很大影响。在样品中掺入少量顺磁粒子，由于其总磁矩不为零，它所产生的局

9、部场要比自旋核的强得多。如此强的局部场会使自旋核的弛豫加快。第17页/共31页空间定位核磁共振成像原理核磁共振成像原理u 频率编码梯度（Gf）u相位编码梯度 （Gp）u 原理：用一个梯度磁场作为层面选择梯度（slice select gradient），确定扫描层面，然后用另外两个梯度磁场来确定层面内的坐标位置。通过三个梯度的不同组合，MRI 可以实现任意层面断层成像u 选层梯度磁场（Gs）引用：correction of rotational motion artifacts in magnetic resonance imaging第18页/共31页uRF的频带宽度与梯度场强度共同决定层厚

10、u选层的厚度取决于两个因素：选层梯度的强度（梯度场的斜率）、激励射频的频率范围（射频带宽）u层厚与射频带宽成正相关：射频频率范围越大，能够激发的质子层面越厚，反之越薄核磁共振成像原理核磁共振成像原理第19页/共31页核磁共振成像原理核磁共振成像原理空间定位-频率编码原理图u 利用Gx和Gy对该层面内的 x 和 y 方向进行平面内的空间定位,Gx和Gy分别叫做频率编码梯度（frequency encoding gradient）和相位编码梯度（phase encoding gradient）第20页/共31页u 利用相位编码梯度造成氢核有规律的相位差，利用该相位差来确定体素在某一个方向的空间位置

11、信息核磁共振成像原理核磁共振成像原理空间定位-相位编码原理yyy= yGoytByGtt后体素进动相位：相位差：第21页/共31页u核磁共振成像的种类：核磁共振成像的种类：T1成像、成像、T2成像、密度成像成像、密度成像12/21121221(,)()(1)TR TTE TS TE TRN HeeTETTRTTTETTRTTTETTRT密度加权：，加权像：，加权像：，u最常用的图像重建算法：最常用的图像重建算法： FFT （快速傅里叶变换）（快速傅里叶变换）自旋回波序列信号： u将人体组织发出的微弱核磁共振信号重建成二维断面图像将人体组织发出的微弱核磁共振信号重建成二维断面图像 点成像法：对每

12、个组织体素信号逐一进行测量成像的方法 线成像法：一次采集一条扫描线数据的方法 面成像法：同时采集整个断面数据的方法 体成像法：施加两维的相位编码梯度和一维的频率编码梯度同时对组织进行整个三维体积的数据采集和成像方法（不使用选层梯度进行面的选择）核磁共振成像原理核磁共振成像原理磁共振图像重建第22页/共31页核磁共振成像原理核磁共振成像原理K空间u MRI成像时，需要多次射频激发采集多行数据，将采集到的原始信号数据填入到一个矩阵中，称为K空间u 该空间内的数据对应的是空间位置的空间频率数据u 利用该空间内的数据经过傅里叶反变换，可以得到图像数据u K空间中的数据点阵与图像的点阵不是一一对应的，每

13、一个点包括了全层信息第23页/共31页u二维成像是用方向正交的相位编码梯度和频率编码梯度进行空间编码u三维成像是利用三个相互正交的磁场梯度实现空间编码，它增加一个与层面方向垂直的相位编码梯度以实现第三个方向上的空间编码。一次性激励整个成像容积u三维图像重建或容积成像是通过扩展二维成像平面中的空间编码方向来实现的核磁共振成像原理核磁共振成像原理核磁共振成像图像重建第24页/共31页u 根据核磁共振的基本原理结合计算机断层图像重建原理而开发的一种影像诊断设备u 线圈向样品发射电磁波，通过调制振荡器使射频电磁波的频率在样品共振频率附近连续变化。当频率正好与核磁共振频率吻合时，射频振荡器的输出就会出现

14、一个吸收峰。同时由频率计即刻读出这时的共振频率值u 探头置于磁极之间，用于探测核磁共振信号u 谱仪是将共振信号放大处理并显示和记录下来核磁共振成像各系统框图及连接引用：百度图片关键词“核磁 系统”第25页/共31页核磁共振成像系统核磁共振成像系统磁体子系统磁体子系统第26页/共31页u射频发射单元射频发射单元射频线圈的射频线圈的主要性能指标主要性能指标：信噪比、灵敏度、射频均匀性、品质因素、填充系数、有效范围：信噪比、灵敏度、射频均匀性、品质因素、填充系数、有效范围射频子系统射频子系统核磁共振成像系统核磁共振成像系统u信号接收单元信号接收单元第27页/共31页u 梯度磁场是在主磁场上附加的梯度磁场，可以单梯度，可以双梯度，可以在X，Y，Z轴上设立。双梯度就是梯度转换更快。梯度磁场的用处主要在空间定位，包括相位编码及频率编码，可以通过梯度场明确空间上的任意位置。u 梯度磁场的主要参数：线性、均匀容积；梯度磁场的启动时间；梯度磁场的强度核磁共振成像系统核磁共振成像系统梯度磁场子系统梯度磁场子系统引用：百度图片关键词“核磁共振 梯度磁场”第28页/共31页核磁共振成像系统核磁共振成像系统谱仪及计算机系统谱仪及计算机系统u谱仪是将共振信号放大