第十九章-核磁共振课件

第十四章核磁共振成像

电子质子氢原子核1H-----精品文档------一、引言

核磁共振成像是利用原子核在磁场内共振所产生的信号经重建成像的一种技术。特点：无创伤，无电离；无机械运动，任意截面成像；多个参数成像T1，T2，密度。-----精品文档------核磁共振的基本原理

核磁共振是自旋的原子核在磁场中与电磁波相互作用的一种物理现象。人体组织和其他物体一样，也是由分子、原子组成。组成人体的元素有C、O、H、Ca、P及其他微量元素，这就为利用人体中的元素进行成像检测提供了物质基础。-----精品文档------T1ContrastTE=14msTR=400msT2ContrastTE=100msTR=1500msProtonDensityTE=14msTR=1500ms多参数成像-----精品文档------T1ContrastTE=14msTR=400msT2ContrastTE=100msTR=1500msProtonDensityTE=14msTR=1500ms多截面成像-----精品文档------

1945年两个独立小组在几天内同时发现核磁共振现象：1）BlochStanford大学（1946）PhysicsReview69,127；2）PurcellMIT,（1946）PhysicsReview69,37核磁共振现象的发现：-----精品文档------

FelixBloch

1905-1983StanfordUniversity

EdwardMillsPurcell1912-1997

MIT1952NobelPrizeforPhysics-----精品文档------1973年2个独立小组利用磁场梯度解决空间信息获取的问题：图像形成1）Lauterbur,StateUniversityofNewYork（85年Univ.ofIllinois）(1973)Nature242,7362）Mansfield,NottinghamUniversity(1973)J.Phys.C6,L422核磁共振现象的成像应用：-----精品文档------2003NobelPrizeinPhysiologyorMedicineLauterbur,1929Mansfied1933-----精品文档------Damadian1969，提出MRscanner的设想；1971，“tumordetectingbyMR”,T1,T2；1977，第一台MRI；1978，Fonar公司；1980，上市-----精品文档------RaymondDamadian与第一台MRI装置（1977）“TheShamefulWrongthatmustberighted”-----精品文档------Damadian申请的专利世界上第一张MRI图像实事求是地讲，Damadian应该算是最早把核磁共振用于生物医学研究的人之一。早在1970年他便把从人身上切除的肿瘤移植到老鼠身上，并观察到携带肿瘤的老鼠的核磁共振信号发生了变化。这一结果发表在1971年的《科学》杂志上。-----精品文档------Damadian的工作直接启发了Lauterbur对成像技术的研究，Lauterbur在认识到这一发现的医学价值的同时，也敏锐地意识到如果不能进行空间上的定位，核磁共振在临床应用的可能性微乎其微。于是便有了那篇1972年发表在《自然》杂志上的著名文章。而且，Damadian前瞻性地预言了核磁共振作为临床诊断工具的可能性。-----精品文档------第一节核磁共振的基本概念1、磁场中的磁矩2、原子核的磁矩作为整体的原子核具有自旋运动，自旋（spin）的存在起源于原子核内的质子和中子都具有固有的角动量和轨道角动量，它们的矢量和就是原子核的自旋角动量（spinangularmomentum），原子核也具有磁矩，称为核磁矩。一、原子核的磁矩-----精品文档------角动量和旋进

角动量图14-1角动量质点角动量刚体角动量右手螺旋定则判断方向

-----精品文档------旋进观察：陀螺的运动

当旋转的陀螺倾斜时，其自转轴会围绕竖直方向旋转的现象。旋进现象图陀螺旋进-----精品文档------分析：陀螺在重力场中的运动

陀螺处于重力场中

重力力矩垂直于自转轴（角动量）方向

陀螺存在自旋图14-2陀螺旋进陀螺旋进力矩越大旋进角速度越大条件

结果

旋进-----精品文档------

旋进也称进动，描述的是具有角动量的物体或体系在外力矩作用下，其角动量的方向发生连续改变的现象。-----精品文档------原子核在磁场中的旋进

原子核处于磁场中

磁力矩垂直于自旋角动量的方向

原子核存在自旋图14-5原子核的旋进分析：原子核在磁场中的运动

条件

结果

原子核旋进外磁场越强，力矩越大，旋进角速度越大。-----精品文档------P：动量矩

T：力矩μ：磁距质子进动与陀螺进动的类比-----精品文档------质子的进动-----精品文档------二、核磁共振条件和拉莫尔方程1.磁矩在磁场中的运动

拉莫尔方程：

原子核磁矩在外磁场中旋进（即自旋轴绕外磁场方向旋转）的频率称为拉莫尔频率，其大小与外磁场磁感应强度成正比，也与核的种类有关，用公式表示为

或-----精品文档------图RF作用时磁化矢量在坐标中的行为在垂直于外磁场的方向上对旋进的氢核磁矩施加一个交变磁场（射频磁场RF），当RF的频率等于拉莫尔频率时，将发生共振吸收，撤销RF后，将发生共振发射，整个吸收和发射过程为核磁共振,简称磁共振。2.核磁共振

-----精品文档------垂直外磁场的射频磁场的介入，将使氢核磁矩跃迁到激发态，导致磁化矢量与外磁场的夹角将会发生变化，如果瞬间的射频脉冲使得夹角的变化为则称为角脉冲。夹角变化过程表现为磁化矢量沿着球面轨迹偏离外磁场。如90o脉冲。图RF作用时磁化矢量在坐标中的行为角脉冲-----精品文档------FID信号

横向磁化矢量Mxy在XY平面形成交变磁场，当撤销RF后，磁化矢量会逐渐回到初始状态。每个核磁矩的相位都将逐渐分散，横向矢量将由大变小直至为零。如果在被测样品附近放置探测线圈，那么旋转的Mxy将使探测线圈中产生交变感应电压，形成自由感应的衰减信号（FID）。

图自由感应衰减信号（FID）-----精品文档------三、弛豫过程和弛豫时间弛豫过程

当RF撤销后，处于激发态的核系统将释放能量回到低能级态，这种过程称为弛豫过程。弛豫过程包括两个独立发生的过程，即纵向弛豫过程和横向弛豫过程（顺磁场方向为纵向，垂直于磁场方向为横向）。-----精品文档------纵向弛豫过程

纵向弛豫过程是指核系统磁化矢量M的纵向分量Mz逐渐增大，恢复到初始值M0的过程。90o脉冲后，随时间变化规律可表达为自旋－晶格弛豫

-----精品文档------横向弛豫过程

横向弛豫过程是指系统横向磁化矢量在RF脉冲撤销时从最大值减小到零的过程。其大小随时间变化的表达式可以表示为自旋－自旋驰豫

-----精品文档------纵、横向弛豫过程的关系

射频脉冲磁场撤销后，纵、横向驰豫是同时开始的，横向驰豫历时很短，纵向驰豫则历时较长。图（a）-（d）表示横向驰豫中氢核从同相到散相的过程。图（e）-（h）表示横向驰豫结束后，纵向驰豫仍继续进行，直到为止，即系统完全恢复到受激发前的状态。-----精品文档------第二节、核磁共振谱以发生共振吸收的强度为纵坐标，发生共振的频率(或发生共振的磁感应强度)为横坐标，绘出一条共振吸收强度与发生共振的频率(或发生共振的磁感应强度)变化的曲线。这个曲线称为核磁共振谱（magneticresonancespectrumMRS）。

-----精品文档------二、化学位移附加磁场

对某一核来讲，所处的分子环境是各不相同的，那么，周围的核及电子云将产生微弱的局部磁场，即附加磁场，对B0起屏蔽作用，所以，这个核实际所处的磁场应为-----精品文档------化学位移(chemicalshift)

同种自旋核在相同的外磁场情况下，测试样品中的自旋的共振频率与标准物质中的自旋核共振频率之差为化学位移(chemicalshift)-----精品文档------图乙醇的核磁共振谱乙醇的核磁共振谱

(chemicalshift)

-----精品文档------MRS分析

对核磁共振谱进行分析的技术，即MRS分析，是近十几年来发展起来的新的医学诊断技术，可以认为它是医学诊断领域中惟一可以用来观察载体而不是离体细胞代谢变化的非损伤检测技术，这一技术的深入研究将对疾病的早期诊断、鉴别性诊断、病理分期、判断预后及治疗效果起重大作用。-----精品文档------第三节磁共振成像原理一、核磁共振成像的基本方法二、人体核磁共振成像的主要依据三、氢核密度和T1、T2加权成像的原理四、磁共振成像系统-----精品文档------一、核磁共振成像的基本方法

基本方法：将置于磁场中原子核的密度、环境及位置等信息用一定的技术方法表达出来。通常采用的是通过在主磁场中叠加线性梯度场使得不同层片的共振频率相异，实现选层定片确定体素（voxel）；通过频率编码和相位编码的方式确定体素的位置，再根据各体素发出信号和空间位置编码与像素一一对应实现图像重建。图磁共振成像原理图-----精品文档------1．层面的选择图选层定片利用梯度磁场根据拉莫尔方程理论，实现选层定片-----精品文档------层面选择-----精品文档------层面选择-----精品文档------2．编码（1）相位编码如图1（2）频率编码如图2图1磁矩旋进相位差异图2磁矩旋进频率差异-----精品文档------3．图像重建

解码二维傅里叶变换像素信号图磁共振成像过程方框图-----精品文档------

氢原子核只有一个自旋的质子，结构最单纯，又能提供最强的核磁共振信号，目前磁共振成像主要利用人体内的氢原子核。无外磁场时，自旋质子的取向是随机的，当把它放在磁场中时，将按磁场方向取向，可能倾向南极，也可能倾向北极。二、人体核磁共振成像1．人体成像首选核种――氢核

-----精品文档------电子质子氢原子核1H-----精品文档------2.

人体各种组织含水比例不同3．人体不同正常组织和病变组织的、-----精品文档------三、如何产生氢核密度和、加权成像

1.自旋回波序列图14-21自旋回波序列-----精品文档------图14-22氢核密度不同形成的对比度1.氢核密度加权图像-----精品文档------2.加权成像

图14-23T1值不同的组织形成的对比度-----精品文档------3.加权成像

图14-24T2值不同的组织形成的对比度-----精品文档------磁共振成像系统1．磁场系统2．射频系统3．图像重建系统图14-25磁共振成像系统方框图-----精品文档------核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段，由于其可深入物质内部而不破坏样品，并具有迅速、准确、分辨率高等优点而得以迅速发展和广泛应用，已经从物理学渗透到化学、生物、地质、医疗以及材料等学科，在科研和生产中发挥了巨大作用。近年来进展，大体可以归类为以下三个方面：（1）新型快速成像技术的应用（2）设备硬件的改进（3）医学检查技术的进展