北师大fMRI【第二章1】市公开课一等奖省赛课获奖课件

第二章磁共振成像原理2．1MRI信号产生基本原理一、基本概念二、磁共振信号产生第1页一、基本概念原子结构电子：负电荷中子：无电荷质子：正电荷第2页原子核自旋（spin）核磁就是原子核自旋产生磁场第3页磁距（Moment）角动量（AngularMomentum）磁旋比（Gyromagneticratio）第4页无外加磁场时，质子群中各个质子以任意方向自旋，单位体积内其宏观磁距=0。第5页原子核能态：

每个原子核含有特定能级，能级状态数与自旋量子数S特征相关。能态数=2S+1原子核三个特征：质子数、核质量、自旋量子数第6页人体中一些原子核特征原子核自旋量子数S磁旋比(MHz/T)含量1H1/242.60.6319F1/240.023Na3/211.30.0004113C1/210.70.009417O5/25.80.2631P1/217.250.0024氢原子能态数=2S+1=2第7页何种原子核用于人体MR成像？

用于人体MRI为1H（氢质子），原因有：1、1H质子数为奇数；2、1H占人体原子绝大多数,水和脂肪。通常所指MRI为氢质子MR图像通常情况下，尽管每个质子自旋均产生一个小磁场，但呈随机无序排列，磁化矢量相互抵消，人体并不表现出宏观磁化矢量。第8页StudyQuestions:1.Whatisspinofnucleus?2.WhatistheMagneticMoment?WhatistheAngularMomentum?3.gyromagneticratio?WhyisitimportantforMRI?第9页静磁场中自旋进入主磁场后人体被磁化了，不一样组织因为氢质子含量不一样，磁化程度也不一样。第10页能态处于高能状态太费劲，并非人人都能做到处于低能状态略多一点第11页高能态低能态Bo

进入磁场质子分布在高和低能量水平处于低能态原子核数目略多于高能态原子核数目。这两种能态原子核会相互跳来跳去，当样品温度恒定时，它们跳来跳去数目相等，即两种能态原子核数目差是恒定，这种状态称为热平衡状态。第12页低能态与高能态原子核数目之间相对差与主磁场强度相关。

尽管二者之间相对差很小，但因为人体中H原子核数目非常巨大，所以绝对差也是很巨大。如，1立方厘米水在1T场强中二者绝对差到达:1023X6X10-6=6X1017个，即60亿亿个。第13页进动(precession)例子：陀螺依据陀螺原理---含有自旋物体受到某个方向作用力后，此物体将沿着垂直于作用力和自旋轴所形成平面方向运动，能够知道原子核自旋在外磁场中将绕主磁场方向作进动。第14页进动频率显著低于质子自旋频率，但比后者更为主要。进动是核磁（小磁场）与主磁场相互作用结果第15页进动频率（LamorFrequency）

Lamor方程：0=B0或f0=B0/2

0、f0---进动角频率、频率B0---磁场强度

---磁旋比3T场强中氢原子核进动频率为（Lamor

频率）：

42.6X3=127.8MHz不一样场强、不一样原子核决定了不一样进动频率。这也是MRI能进行多核种成像基础。第16页纵向磁化（Longitudinalmagnetization）与横向磁化（Transversemagnetization）在外加磁场中质子排列方向平行于主磁场Bo，同向为低能位；反向为高能位；处于低能状态质子略多于处于高能状态质子，因而产生纵向宏观磁化矢量二者之间差产生纵向磁化。第17页尽管每个质子进动产生了纵向和横向磁化矢量，但因为相位不一样，因而只有宏观纵向磁化矢量产生，并无宏观横向磁化矢量产生。第18页StudyQuestions1.Whatisnetmagnetization?Whatisprecession?2.Whatisthedifferencebetweenlongitudinalmagnetizationandtransversemagnetization?第19页射频（RF-radiofrequency）MRI射频脉冲：

0=B0波段名称波段（波长范围）频段（频率范围）频段名称超长波100km~10km3kHz~30kHz甚低频VLF长波10km~1km30kHz~300kHz低频LF中波1000m~200m0.3MHz~1.5MHz中频MF短波200m~10m1.5MHz~30MHz高频HF米波10m~1m30MHz~300MHz甚高频VHF分米波100cm~10cm0.3GHz~3GHz特高频UHF厘米波10cm~1cm3GHZ~30GHz超高频SHF毫米波10mm~1mm30GHz~300GHz极高频EHF亚毫米波1mm~0.1mm300GHz~3000GHz超级高频第20页激发(Excitation)共振：射频频率=进动频率第21页共振：能量从一个震动着物体传递到另一个物体，而后者以前者相同频率震动。共振第22页低能氢质子能够经过外来射频取得能量，产生共振，进入高能状态。第23页磁共振现象是靠射频线圈发射无线电波（射频脉冲）激发人体内氢质子来引发，这种射频脉冲频率必须与氢质子进动频率相同，低能质子获能进入高能状态微观效应第24页射频强度与连续时间第25页射频脉冲激发后效应是使宏观磁化矢量发生偏转射频脉冲强度和连续时间决定射频脉冲激发后效应低能量中等能量(90º脉冲)高能量(180º脉冲)宏观效应第26页经过外来射频给低能氢质子能量，氢质子取得能量进入高能状态，即核磁共振。射频取消，氢质子回到低能状态。第27页驰豫现象与驰豫时间（Relaxation）射频脉冲停顿后，在主磁场作用下，横向宏观磁化矢量逐步缩小到零，纵向宏观磁化矢量从零逐步回到平衡状态，这个过程称为核磁弛豫。核磁弛豫又可分解为两个部分：横向弛豫:横向磁化矢量降低,直至到0状态过程。纵向弛豫:纵向磁化矢量开始恢复，直至恢复到平衡状态过程。第28页Studyquestions:1. Whatisthedifferencebetweenlongitudinalmagnetizationandtransversemagnetization?2. WhatistheLarmorFrequency?Howdoesitrelatetothegyromagneticratio?Howdoesitrelatetomagneticresonance?3. Howdoesthenetmagnetizationofaspinsystem(e.g.,asetofatomicnucleiinavoxel)changeovertimewhenexposedtoastrongmagneticfield?4. Whydoesthenetmagnetizationneedtobetippedfromthelongitudinalplanetothetransverseplane?第29页二、磁共振信号产生第一步：静磁场

进入主磁场后，质子自旋产生核磁与主磁场相互作用发生进动进动使每个质子核磁存在方向稳定纵向磁化分矢量和旋转横向磁化分矢量因为相位不一样，只有宏观纵向磁化矢量产生，并无宏观横向磁化矢量产生第30页第二步：静磁场+射频射频激发后，人体内宏观磁场偏转了90度，MR能够检测到人体发出信号氢质子含量高组织纵向磁化矢量大，90度脉冲后偏转到横向磁场越强，MR信号强度越高。此时MR图像可区分质子密度不一样两种组织第31页第32页第三步：射频消失无线电波激发使磁场偏转90度，关闭无线电波后，磁场又慢慢回到平衡状态（纵向)第33页纵向弛豫时间T1

指90度脉冲关闭后，在主磁场作用下，纵向磁化矢量开始恢复，直至恢复到平衡状态纵向磁场强度63%所需时间，反应组织T1弛豫快慢。第34页不一样组织有不一样T1弛豫时间第35页横向弛豫时间T2

指90度脉冲关闭后，横向最大磁化矢量降低了63%所需时间，反应组织T2弛豫快慢。第36页第37页不一样组织横向弛豫速度不一样（T2值不一样）第38页人体各种组织T2弛豫要比T1弛豫快得多T2<<T1第39页主要提醒不一样组织有着不一样质子密度(如:氢)横向(T2)弛豫速度30-150ms纵向(T1)弛豫速度300-ms这是MRI显示解剖结构和病变基础第40页第四步：MR信号接收第41页磁共振“加权成像”所谓加权就是“重点突出”意思T1加权成像（T1WI）----突出组织T1弛豫（纵向弛豫）差异T2加权成像（T2WI）----突出组织T2弛豫（横向弛豫）差异质子密度加权成像（PD）－突出组织氢质子含量差异T1WIT2WIPD第42页在任何序列图像上，信号采集时刻旋转横向磁化矢量越大，MR信号越强第43页T1加权成像(T1WI)T1值越小

纵向磁化矢量恢复越快

MR信号强度越高（白）T1值越大

纵向磁化矢量恢复越慢

MR信号强度越低（黑）脂肪T1值约为250毫秒

MR信号高（白）水T1值约为3000毫秒

MR信号低（黑）反应组织纵向弛豫快慢！第44页T1WI脑水平衡状态90纵向弛豫90第45页T2加权成像（T2WI)T2值小

横向磁化矢量降低快

MR信号低（黑）T2值大

横向磁化矢量降低慢

MR信号高（白）水T2值约为3000毫秒

MR信号高脑T2值约为100毫秒

MR信号低反应组织横向弛豫快慢！第46页T2WI平衡状态90度激发后采集信号时刻脑水第47页人体大多数病变T1值、T2值均较对应正常组织大，因而在T1WI上比正常组织“黑”，在T2WI上比正常组织“白”。第48页普通说来，一个组织T2值小于其T1值。T1值较大组织，其T2值普通也较大；即T1值与T2值有某种程度上相关性。

T1Whitematter390Graymatter520CSFSkeletalMuscle600