核磁共振显像技术

1、核磁共振显像技术第1页，共23页，2022年，5月20日，5点22分，星期四 2003年10月6日，瑞卡罗琳斯卡医学院诺贝尔医学奖评委会宣布，本年度诺贝尔生理或医学奖授予美国的保罗C劳特伯（PaulCLauterbur）和英国的皮特曼斯菲尔德（PeterMansfield），因为他们发明了磁共振成像技术。这项技术的发明使得人类能够清清楚楚地看清自己或其他生物体内的器官，为医疗诊断和科学研究提供了非常便利的手段。 第2页，共23页，2022年，5月20日，5点22分，星期四 劳特伯1929年生于美国俄亥俄州小城悉尼，1951年获凯斯理工学院理学士，1962年获费城匹兹堡大学化学博士。1963年至

2、1984年间，劳特布尔作为化学和放射学系教授执教于纽约州立大学石溪分校。在此期间，他致力于核磁共振光谱学及其应用的研究。劳特布尔还把核磁共振成像技术推广应用到生物化学和生物物理学领域。1985年至2004年，他担任美国伊利诺伊大学生物医学核磁共振实验室主任。2004年3月27日因肾病在家中去世，享年77岁。 保罗C劳特伯PaulCLauterbur 第3页，共23页，2022年，5月20日，5点22分，星期四 曼斯菲尔德1933年出生于英国伦敦，1959年获伦敦大学玛丽女王学院理学士，1962年获伦敦大学物理学博士学位。1962年到1964年担任美国伊利诺伊大学物理系助理研究员，1964年到英

3、国诺丁汉大学物理系担任讲师，现为该大学物理系教授。除物理学之外，曼斯菲尔德还对语言学、阅读和飞行感兴趣，并拥有飞机和直升机两用的飞行员执照。他进一步发展了有关在稳定磁场中使用附加的梯度磁场的理论，为核磁共振成像技术从理论到应用奠定了基础。 皮特曼斯菲尔德PeterMansfield 第4页，共23页，2022年，5月20日，5点22分，星期四核磁共振显像技术 核磁共振的概念核磁共振的原理核磁共振的发展核磁共振的应用核磁共振的优点与缺点第5页，共23页，2022年，5月20日，5点22分，星期四核磁共振的概念核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance即NMR）是处于静磁场中的

4、原子核在另一交变磁场作用下发生的物理现象。通常人们所说的核磁共振指的是利用核磁共振现象获取分子结构、人体内部结构信息的技术。 第6页，共23页，2022年，5月20日，5点22分，星期四 原子核能产生核磁共振现象是因为具有核自旋进而产生磁偶极，其大小可用核磁矩（）表示。第7页，共23页，2022年，5月20日，5点22分，星期四每个磁偶极就像一个小磁针，在没有外部磁场干扰时，它的取向是随意而无规则的。如果把它放在一个均匀的外部磁场中，它就会变成有序的排列，且有两种取向，一种顺磁场方向，一种逆磁场方向。前者是低能态，稳定；后者是高能态，不稳定。二者的能级差E与外加磁场强度成正比 E=并不是所有原

5、子核都有磁矩，只有当它的质量数和原子序数有一个是奇数时，它就和电子一样有自旋运动，产生磁矩1 1H， 13 6C，19 9F 和 31 15P 有自旋现象12 6C 和 16 8O 没有自旋现象B0h2B0为外加磁场的磁感应强度；h为普朗克常量；为磁旋比，是核的一个特征常数第8页，共23页，2022年，5月20日，5点22分，星期四在外磁场中质子的取向和能级示意图处于低能态的自旋核，从电磁辐射中吸收相当于E的能量后，发生自旋能级的跃迁和“翻转”成逆磁场取向，同时给出一个吸收信号，这种由于核吸收了电磁波的能量而引起的自旋能级的跃迁叫做核磁共振现象第9页，共23页，2022年，5月20日，5点22

6、分，星期四核磁共振的原理 核磁共振(MRI)又叫核磁共振成像技术。是继CT后医学影像学的又一重大进步。自80年代应用以来，它以极快的速度得到发展。其基本原理：是将人体置于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发人体内氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被体外的接受器收录，经电子计算机处理获得图像，这就叫做核磁共振成像。 第10页，共23页，2022年，5月20日，5点22分，星期四 为了让原子核自旋的进动发生能级跃迁，需要为原子核提供跃迁所需要的能量，这一能量通常是通过外加射频场来提供的。根据物理学原理当外加射频场的频率与

7、原子核自旋进动的频率相同的时候，射频场的能量才能够有效地被原子核吸收，为能级跃迁提供助力。因此某种特定的原子核，在给定的外加磁场中，只吸收某一特定频率射频场提供的能量，这样就形成了一个核磁共振信号。第11页，共23页，2022年，5月20日，5点22分，星期四核磁共振的发展 1930年代，物理学家伊西多拉比发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列，而施加无线电波之后，原子核的自旋方向发生翻转。 1946年两位美国科学家布洛赫和珀塞尔发现，将具有奇数个核子（包括质子和中子）的原子核置于磁场中，再施加以特定频率的射频场，就会发生原子核吸收射频场能量的现象，这就是人们最初对核磁共振现

8、象的认识。为此他们两人获得了1952年度诺贝尔物理学奖。 第12页，共23页，2022年，5月20日，5点22分，星期四 20世纪70年代，脉冲傅里叶变换核磁共振仪出现了 1973年劳特伯发表了核磁共振成像实验，并立刻引起了广泛重视，短短10年间就进入了临床应用阶段。 美国贝尔实验室于1988年开始了这方面的研究，美国政府还将20世纪90年代确定为“脑的十年”。 2003年，保罗劳特伯尔和英国诺丁汉大学教授彼得曼斯菲尔因为他们在核磁共振成像技术方面的贡献获得了当年度的诺贝尔生理学或医学奖。第13页，共23页，2022年，5月20日，5点22分，星期四核磁共振的应用一、核磁共振在医学领域的应用二

9、、核磁共振在地质勘探的应用第14页，共23页，2022年，5月20日，5点22分，星期四医学运用 核磁共振成像技术是核磁共振在医学领域的应用。人体内含有非常丰富的水，不同的组织，水的含量也各不相同，如果能够探测到这些水的分布信息，就能够绘制出一幅比较完整的人体内部结构图像，核磁共振成像技术就是通过识别水分子中氢原子信号的分布来推测水分子在人体内的分布，进而探测人体内部结构的技术。 肌肉骨骼系统最适于做磁共振成像，因为它的组织密度对比范围大。在骨、关节与软组织病变的诊断方面，磁共振成像由于具有多于CT数倍的成像参数和高度的软组织分辨率，使其对软组织的对比度明显高于CT。 第15页，共23页，20

10、22年，5月20日，5点22分，星期四医院的磁共振最常用的核是氢原子核质子（1H），因为它的信号最强，在人体组织内也广泛存在。影响磁共振影像因素包括：(a)质子的密度；(b)弛豫时间长短；(c)血液和脑脊液的流动；(d)顺磁性物质(e)蛋白质。磁共振影像灰阶特点是，磁共振信号愈强，则亮度愈大，磁共振的信号弱，则亮度也小，从白色、灰色到黑色。各种组织磁共振影像灰阶特点如下；脂肪组织，松质骨呈白色；脑脊髓、骨髓呈白灰色；内脏、肌肉呈灰白色；液体，正常速度流血液呈黑色；骨皮质、气体、含气肺呈黑色。第16页，共23页，2022年，5月20日，5点22分，星期四适应症：神经系统的病变包括肿瘤、梗塞、出血

11、、变性、先天畸形、感染等几乎成为确诊的手段。特别是脊髓脊椎的病变如脊椎的肿瘤、萎缩、变性、外伤椎间盘病变，成为首选的检查方法。 心脏大血管的病变；肺内纵膈的病变。 腹部盆腔脏器的检查；胆道系统、泌尿系统等明显优于CT。 对关节软组织病变；对骨髓、骨的无菌性坏死十分敏感，病变的发现早于X线和CT。 第17页，共23页，2022年，5月20日，5点22分，星期四 核磁共振仪核磁共振成的像第18页，共23页，2022年，5月20日，5点22分，星期四人体头部的核磁共振图像三维核磁共振脑肿瘤图患者前交叉韧带断裂处的核磁共振图像 第19页，共23页，2022年，5月20日，5点22分，星期四地质勘探 核

12、磁共振探测是MRI技术在地质勘探领域的延伸，通过对地层中水分布信息的探测，可以确定某一地层下是否有地下水存在，地下水位的高度、含水层的含水量和孔隙率等地层结构信息。 目前核磁共振探测技术已经成为传统的钻探探测技术的补充手段，并且应用于滑坡等地质灾害的预防工作中，但是相对于传统的钻探探测，核磁共振探测设备购买、运行和维护费用非常高昂，这严重地限制了MRI技术在地质科学中的应用。 第20页，共23页，2022年，5月20日，5点22分，星期四核磁共振的优点与缺点优点： 1MRI对人体没有损伤； 2MRI能获得脑和脊髓的立体图像，不像CT那样一层一层地扫描而有可能漏掉病变部位； 3能诊断心脏病变，CT因扫描速度慢而难以胜任； 4对膀胱、直肠、子宫、阴道、骨、关节、肌肉等部位的检查优于CT。第21页，共23页，2022年，5月20日，5点22分，星期四缺点： 1和CT一样，MRI也是影像诊断，很多病变单凭MRI