核磁共振报告

核磁共振报告人：陈佳、龚如雪、刘怡茗目录核磁共振原理核磁共振发展史磁共振成像设备及发展磁共振成像技术磁共振特点核磁共振原理4原理一、什么是NMRNMR的研究对象磁性核与电磁波的相互作用图1:(1)无外加磁场时，样品中的磁性核任意取向。

(2)放入磁场中，核的磁角动量取向统一，与磁场方向 平行或反平行5原理图2:(1)无外加磁场时，磁性核的能量相等。

(2)放入磁场中，有与磁场平行（低能量）和反平行（高能量）两种，出现能量差E=h。6原理用能量等于E的电磁波照射磁场中的磁性核，则低能级上的某些核会被激发到高能级上去(或核自旋由与磁场平行方向转为反平行)，同时高能级上的某些核会放出能量返回低能级，产生能级间的能量转移，此即共振。NMR利用磁场中的磁性原子核吸收电磁波时产生的能级分裂与共振现象。NSNSSNNS7原理自旋角动量与磁矩磁矩1.原子核的自旋若原子核存在自旋，产生核磁矩二、共振基础8原理

原子核荷正电，当其绕轴旋转时产生电流，周围形成磁场，使得原子核存在磁距μ。 磁距μ与自旋角动量P成正比，比例常数为

： =P

称为磁旋比，原子核的磁矩与自旋角动量之比称为磁旋比，是原子核的重要属性但是，不是所有的原子核都有磁性。磁性核：109种元素所有的核均带电荷，有些核具有角动量，即其电荷可以绕自旋轴自转(似带电的陀螺)9自旋角动量：I：自旋量子数；h：普朗克常数；自旋角动量P是量子化的，可用自旋量子数I表示:I为整数、半整数或零;I0的核为磁性核，可以产生NMR信号。I=0的核为非磁性核，无NMR信号。

原子核组成(质子数p与中子数n)与自旋量子数I的经验规则：p与n同为偶数，I=0。如12C,16O,32S等。p+n=奇数，I=半整数(1/2,3/2等)。如1H,13C,15N,17O,31P等。p与n同为奇数，I=整数。如2H,6Li等。10原理2.核磁共振现象

自旋量子数I=1/2的原子核（氢核），可当作电荷均匀分布的球体，绕自旋轴转动时，产生磁场，类似一个小磁铁。

当置于外加磁场H0中时，相对于外磁场，可以有（2I+1）种取向：氢核（I=1/2），两种取向（两个能级）：

(1)与外磁场平行，能量低，磁量子数ｍ＝＋1/2;(2)与外磁场相反，能量高，磁量子数ｍ＝－1/2;

两种取向不完全与外磁场平行，＝54°24’和125°36’11原理

当原子核的核磁矩处于外加磁场H0

中，由于核自身的旋转，而外加磁场又力求它取向于磁场方向，在这两种力的作用下，核会在自旋的同时绕外磁场的方向进行回旋，这种运动称为Larmor(拉莫进动)。

拉莫进动进动频率

0；角速度0；0=20=B0

磁旋比；B0外磁场强度；两种进动取向不同的氢核之间的能级差：E=B0

（磁矩）12进入主磁场后质子核磁状态质子自旋产生小磁场可以分解成两个部分：1）沿主磁场方向（Z轴）的恒定磁化分矢量2）在X,Y平面旋转的横向磁化分矢量纵向磁化分矢量产生一个与主磁场同向的宏观纵向磁化矢量；横向磁化分矢量相互抵消，因而没有宏观横向矢量产生

对于氢核，能级差：E=B0

（磁矩）产生共振需吸收的能量：E=B0=h0由拉莫进动方程：0=20=B0;共振条件：0=

B0/(2)13磁共振现象磁场中旋转的原子核有一个特点，即可以吸收频率与其旋转频率相同的电磁波，使原子核能量增加，当原子核恢复原状时，就会把多余的能量以电磁波的形式释放，这种现象称为磁共振现象;给主磁场中的样本一个与待测核进动频率相同的射频脉冲，射频脉冲的能量将传递给处于低能级的质子，使其跃迁到高能级，使宏观磁矢量发生偏转；偏转的角度与射频脉冲的能量有关，能量越大偏转角度越大，而射频脉冲能量的大小与脉冲强度及持续时间有关。原理14原理产生核磁共振现象的基本条件核磁共振信号产生三个基本条件：1．能够产生共振跃迁的原子核；2．恒定的静磁场（外磁场、主磁场）；3．诱发共振的射频磁场，

0=

B0/(2)。核：共振跃迁的原子核磁：主磁场B0和射频磁场共振：当射频磁场的频率与原子核进动的频率一致时原子核吸收能量，发生能级间的共振跃迁。15原理磁共振层面定位在Z向施加梯度后，垂直于Z轴的所有层面均有不同的共振频率：Z=γ(B0+ZGZ)选择性激励的原理：用一个有限频宽(窄带)的射频脉冲仅对共振频率在该频带范围的质子进行共振激发即可实现层面定位。核磁共振成像：NuclearMagneticResonanceImaging，NMRI全称是核磁共振电子计算机断层扫描术。根据生物磁性核的核磁共振特性进行成像的新技术。由于“核”字敏感，常称作MRI核磁共振发展史17NMR发展史1924年：PauliW.假设特定的原子核具有自旋和磁矩，放入磁场中会产生能级分裂斯恩特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。随后斯特恩等人测量了质子的磁矩，斯恩特于1943年获得诺贝尔物理奖1939年：拉比第一次做了核磁共振实验，并于1944年获得诺贝尔物理奖1946年：Harvard大学的Purcell和Stanford大学的Bloch各自首次发现并证实NMR现象，并于1952年，分享了诺贝尔物理奖1953年：Varian开始商用仪器开发，并于同年制作了第一台高分辨NMR仪1970年：Fourier（pilsed）-NMR开始市场化1973年：引入到医学临床检测18MRI发展史1946年美国哈佛大学的E.Purcell及斯坦福大学的F.Bloch领导的两个研究小组各自独立的发现了磁共振现象。Purcell和Bloch共同获得了1952年的诺贝尔物理学浆1968年：Jockson试制全身磁共振1971年：美国纽约州立大学额R.Damadian利用磁共振波谱仪对小鼠研究发现，癌变组织的T1，T2弛豫时间比正常组织长1973年：美国纽约州立大学的Lauterbur利用梯度磁场进行空间定位，获得两个充水试管的第一幅磁共振图像1978年：英国获得了第一幅人体头部的磁共振图像1980年：第一幅人体胸腹部MR图像产生，磁共振设备商品化1982年：美国FDA批准磁共振使用于临床……磁共振成像设备NMR核磁共振波普仪广泛应用于各行各业：物理化学确定化学结构、混合物成分分析等生物医药药物设计、蛋白质卷曲折叠动力学过程等矿业研究煤炭的煤阶（煤的变质程度）农业研究测定土壤中动植物的腐殖物研究土壤起源等磁共振成像（MRI）设备系统结构磁体系统、梯度磁场系统、射频系统和计算机系统磁体梯度线圈射频线圈梯度控制梯度驱动接受通道发射通道脉冲程序计算机显示器存储器MRI设备系统结构磁体系统、梯度磁场系统、射频系统和计算机系统磁体系统磁体系统是磁共振成像系统最重要、成本最高的部件，是磁共振系统中最强大的磁场。评论磁共振设备的大小就是指静磁场的场强数值，单位用特斯拉（Tesla，简称T）

或高斯（Gauss）表示，1T=1万高斯。临床上磁共振成像要求磁场强度在0.05～3T范围内。一般将≤0.3T称为低场，0.3T～1.0T称为中场，＞1.0T称为高场。磁场强度越高，信噪比越高，空间分辨率越高，图像质量越好。但磁场强度过高也会导致图象对比度分辨率较低。为了获得不同场强的磁体，生产厂商制造出了不同类型的磁体，常见的磁体有永久磁体、常导磁体和超导磁体。

MRI设备——磁体系统、梯度磁场系统、射频系统和计算机系统磁体系统常导磁铁常导磁体是根据电流产生磁场的原理设计的。当电流通过圆形线圈时，在导线的周围会产生磁场。常导磁体的线圈是由高导电性的金属导线或薄片绕制而成。它的结构主要由各种线圈组成。优点：造价较低，不用时可以停电，在0.2T以下可以获得较好的临床图像。缺点：磁场的不稳定性因素主要是受供电电源电压波动的影响，均匀度差。另外易受环境因素（如温度、线圈绕组的位置或尺寸）的影响。只能用于成像，不能进行生化分析，限制其进一步推广和应用。MRI设备——磁体系统、梯度磁场系统、射频系统和计算机系统磁体系统永久磁铁永久磁体是能够长期保持磁性的磁铁（如铁氧体或钕铁硼）。它的结构主要有两种，即环型和U型。优点：造价低，场强可以达到0.3T，能产生优质图像，需要功率极小，维护费用低，可装在一个相对小的房间里。缺点：磁场强度较低，磁场的均匀度和强度欠稳定，易受外界因素的影响（尤其是温度）。MRI设备——磁体系统、梯度磁场系统、射频系统和计算机系统磁体系统超导磁铁超导磁体是利用超导现象（某些物质的电阻在超低温的条件下急剧下降为零）产生一个稳定均匀的静磁场。超导磁铁是目前最先进的设备。优点：场强高，稳定性和均匀度好，因此可开发更多的临床应用功能。缺点：技术复杂和成本高。（低温环境需液氦维持）MRI设备——磁体系统、梯度磁场系统、射频系统和计算机系统梯度磁场系统磁体系统梯度磁场简称梯度场，梯度是指磁场强度按其磁场的位置（距离）的变化而改变，它的产生是由梯度线圈完成的，一般在主磁体空间沿着X、Y、Z三个方向放置。梯度线圈有三组即GX、GY、GZ，叠加在静磁场的磁体内，当线圈通电时可在静磁场中形成梯度改变。MRI设备——磁体系统、梯度磁场系统、射频系统和计算机系统身体不同位置所处的磁场强度不同，那里的能级分裂的间距就不同，能引起核磁共振的无线电波频率就不同。通过不同的频率值即可推断出所检测的身体部位。从而完成定位功能。射频系统射频脉冲磁场简称射频脉冲（radiofrequency，RF）是一种以正弦波震荡的射频电波。磁共振系统中应用的频率较低，相当于调频广播FM波段，根据静磁场的强度不同其RF频率也不同。射频系统作用：用来发射射频磁场，激发样品的磁化强度产生磁共振，同时，接收样品磁共振发射出来的信号，通过一系列的处理，得到数字化原始数据，送给计算机进行图像重建。它是由发射射频磁场部分和接收射频信号部分组成。MRI设备——磁体系统、梯度磁场系统、射频系统和计算机系统计算机系统在MRI设备中，计算机系统包括各种规模的计算机、单片机、微处理器等，构成了MRI设备的控制网络。信号处理系统可采用高档次微型机负责信号预处理、快速傅立叶变换和卷积反投影运算进行图像重建。微机系统负责信息调度（如人机交互等）与系统控制（如控制梯度磁场、射频脉冲）。MRI设备——磁体系统、梯度磁场系统、射频系统和计算机系统MRI设备——磁体系统、梯度磁场系统、射频系统和计算机系统GE1.5TMRIGE2.0TOPENMRI开放式磁共振成像：提高患者舒适度，扩大适用患者范围（肥胖、幽闭恐惧

症患者、儿童等）。MRI设备MRI趋势发展在磁共振成像领域，有两个发展趋势：一个是超导方向即高场，场强一般在1.5T~3T之间，国际上主要的生产厂商包括GE、西门子、飞利浦等国际公司；一个是永磁方向即低场，场强在0.2T~0.5T之间，低场磁共振成像领域现在主要是中国和日本公司在主导市场，日本以日立公司的产品为主。中国由于是稀土大国，具有资源优势，在材料上已经形成垄断，在中国研发永磁具有优势。MRI设备MRI趋势发展超高磁场MRI技术近年发展起来的技术，主磁场强度发展到3T以上，由于信号强度与磁场信号呈平方关系，可增加化学位移和提高信号值与噪声值比值。增加质子成像灵敏度，高分辨率的解剖成像和高敏感度检测动态和功能成像。高场MRI系统可对人类的大脑开展记忆、注意力、决定等认知层次的研究，甚至能够鉴别谎言这类复杂状态。超高磁场MRI技术目前主要应用于科学研究，市场规模较小。MRI设备MRI超导磁体产业化进展由于超导MRI磁场强度高，在神经系统成像等领域应用较低场MRI成像具有明显优势，且成像功能也较为丰富。但超导MRI一直是国外MRI企业主要产品，国内由于一直未突破超导MRI磁体技术，限制了超导MRI整机技术的发展。目前，中国科学院电工研究所已经完成1.5T全身核磁共振磁体的研制，并完成1.5T~3T完全无需液氦的成像系统。在中国，超导MRI不能取代永磁MRI：对于中国大部分医院，永磁MRI完全满足其日常临床诊断需求超导MRI设备运行昂贵国内缺乏氦气资源，所有超导MRI设备均需要从国外进口液氦磁共振成像技术34医学磁共振技术包括三大部分MRI：研究人体器官大体形态的病生理变化fMRI：研究人脑功能的病生理变化MRS：研究人体能量代谢的病生理变化35MRI显示技术脉冲序列在磁共振成像过程中，一般采用多个脉冲按先后顺序进行激发，我们称这个脉冲组合为脉冲序列常用脉冲序列36自旋回波脉冲序列(SE)反转恢复脉冲序列(IR)梯度回波脉冲序列(GRE)自旋回波脉冲序列(SE)37射频脉冲层面选择梯度相位编码梯度频率编码梯度MR信号TETR90°180°90°以90射频激励脉冲开始，继而施加一次180相位重聚脉冲使质子相位重聚，产生自旋回波信号。SE扫描参数T1加权成像(T1WI):短TR和短TE。主要受TR影响，T1越短，信号越高。反映组织纵向弛豫快慢。T2加权成像(T2WI):长TR和长TE。TR越长，T2权重越大，信号越高。反映组织横向弛豫快慢。质子密度加权成像(PDWI):长TR和短TE。质子密度越大，信号越高。38MRI特殊成像技术MRI血管造影技术(MRA)MRI血管造影技术作为一种无创伤性的检查，与CT及常规放射学相比，具有特殊的优势。不需要穿刺插管、无X射线、不需要注入造影剂，流体的流动便是MRA成像固有的生理造影剂39MRI特殊成像技术增强血管造影(CE-MRI)Gd-DTPA的引进，显著缩短组织的T1时间快速扫描，时间在30s内消除呼吸运动的伪影捕捉乳糜微粒（CM）的首次循环少量造影剂剂量，且不用碘造影剂，

避免静脉污染多角度旋转观察血管细微结构40主动脉夹层造影MRI特殊成像技术磁共振胰胆管造影(MRCP）属于MR水成像近年来发展起来的一种非创伤性

且不需要造影剂即可显示胰胆管系统的磁共振技术获得重T2加权图像用最大强度密度投影（MIP）或表面遮蔽显示（SSD）对原始图像进行三维重建，获得胰胆管不同方位，不同角度的二维图像41磁共振功能成像（fMRI）是一种新兴的神经影像学方式，其原理是利用磁振造影来测量神经元活动所引发之血液动力的改变。由于fMRI的非侵入性、没有辐射暴露问题与其较为广泛的应用，从1990年代开始就在脑部功能定位领域占有一席之地。目前主要是运用在研究人及动物的脑或脊髓。42血红素氧化状态（带氧血红素）的时候为抗磁性的，相对于缺氧血红素为顺磁性的。根据血液中血红素的氧化比率可轻易的分辨出不同的磁共振讯号。脱氧血红蛋白具有比氧合血红蛋白T2短的特性，另一方面，脱氧血红蛋白较强的顺磁性破坏了局部主磁场的均匀性，使得局部脑组织的T2缩短，这两种效应的共同的结果就是，降低局部磁共振信号强度。由于激活区脱氧血红蛋白相对含量的降低，作用份额减小，使得脑局部的信号强度增加，即获得激活区的功能图像。由于这种成像方法取决于局部血氧含量，故称为血氧水平依赖功能成像（BOLD-fMRI)。43fMRI实验44双手握拳运动双侧运动区明显激活时间-信号强度曲线磁共振波谱成像（MRS）MRS是在MRI形态学诊断的基础上，从代谢方面对病变进一步定性；临床上用于评价脑发育成熟程度、颅脑肿瘤代谢、感染性病变、脱髓鞘病变、缺血性病变、系统性疾病的肝脏受累和肾移植术后的急性排异反应等。单光子发射计算机断层成像（SPECT）和正电子发射计算机断层成像（PET）相比，磁共振波谱无需要放射性示踪剂标记，没有放射性损害。45成像原理MRS扫描后，一定时域内获得的信号通过快速傅立叶转换（FourierTransform）产生一个质子成分按频率分布的波谱图46波谱原理带负电荷的电子在原子核周围形成电子云，电子云的作用使得外加磁场对原子核的作用减弱，其作用的大小用屏蔽系数（σ）表示，因此被消弱掉的磁场强度为σB0。这部分磁场（σB0）与外加磁场方向相反，强度与外加磁场强度（B0）成正比考虑到电子云的磁屏蔽作用，拉莫方程应修正为：ω=γ（1-σ

）B0。上式显示，即使同一种原子核由于处于不同化合物中的，所受磁屏蔽作用的程度不同（即σ不同），因此将具有不同的共振频率，这就是所谓的化学位移现象（ChemicalShiftPhenomenon），也是磁共振波谱成像的基础。47颅内常见病变的代谢物特征48疾病NAACrChoLacLipaa肿瘤---脓肿梗死---MS---癫痫--磁共振波谱成像发展方向多体素波谱又称波谱成像（SI）优点：1次采集可获得多部位谱线，可放映同一时间不同部位代谢物的分布，有利于弥漫病变的发现及早期检出，并可双侧对比。多核波谱31P可用于判定磷代谢产物的浓度，并可根据无机磷波谱的位置，测定pH值；13C可用于帮助诊断酶缺乏性疾病；23Na波谱成像可以反映钠泵的活性；49磁共振波谱成像发展方向波谱成像与解剖相结合在强大的计算机帮助下，不仅能重建出谱线，而且将重建出横断面及三维立体代谢图，更早、更详尽地把病生理的代谢改变提供给诊断医生，同时可以加上伪色彩，引导活检。50磁共振成像特点52（一）多参数成像T1加权图像的对比取决于不同组织的不同T1时间常数T2加权图像的对比取决于不同组织不同T2时间常数质子密度N（H）对比质子密度图像的对比T2&加权图像的对比来源于组织磁化率的差异相位对比用以显示流体对比以及流体与静态组织的对比弥散对比弥散加权图像的对比，主要取决于细胞分子的热运动速度磁化传递对比取决于大分子与小分子的相对比率流动静止对比流动增强效应与静态饱和之间的对比流速对比流动速度对应于信号强度所产生的图像对比（一）多参数成像由于MRI的信号是多种组织特征参数的可变函数，它所反映的病理生理基础较CT更广泛，具有更大的灵活性MRI的信号强度与组织的弛豫时间、氢质子的密度、血液（或脑脊液）流动、化学位移、及磁化率有关，其中弛豫时间，即T1和T2时间图像对比起了重要作用，它是区分不同正常组织、正常与异常组织的主要诊断基础。MRI的多参