磁共振成像的基本原理PPT學習教案

1、會計學1磁共振成像的基本原理磁共振成像的基本原理 原子核在磁場中運動像“陀螺”，除了自身的旋轉外，還繞外磁場作旋轉“進動”。原子核在外磁場中的運動原子核在外磁場中的運動第1頁/共36頁ZNAI偶偶偶零奇奇偶整數(shù)(1, 2, 3, 4, 5, 6,7,)奇/偶偶/奇奇半整數(shù)(1/2, 3/2, 5/2, 7/2, 9/2) 具有磁性的原子核，必須滿足以下的條件：NaPH231131151而無磁性核如：CO126168核的質子數(shù)或中子數(shù)為奇數(shù)，如：原子核的磁性原子核的磁性第2頁/共36頁 磁矩就是指磁性，用 表示。并非所有的核都具有磁性。 =h/2 為旋磁比，1H的 =42.58 MHz/T 原子

2、核的磁矩原子核的磁矩第3頁/共36頁B=0 B0 無外磁場時，原子核排列是無序的，總體并不顯示磁性。若存在外磁場時，原子核(H)只能按兩個方向進行定向排列，總體體現(xiàn)磁性。原子核在外磁場中磁化原子核在外磁場中磁化第4頁/共36頁沿著磁場方向排列的原子核稱：平行狀態(tài)原子核逆著磁場方向排列的原子核稱：反平行狀態(tài)原子核順磁場排列原子的能量比逆磁場排列原子能量小。B=0 B0第5頁/共36頁 質子處于主磁場B0中，氫核的磁矩就與主磁場發(fā)生相互作用，而處一個穩(wěn)定的狀態(tài)，氫核不能隨意取向，它的能量是量化的： 平行狀態(tài)原子核： 平行狀態(tài)原子核： 能量差為 ： 所以 B0 越大，質子之間能量差也越大，MRI圖像

3、信噪比也就越好。0211hBE12EEE0212hBE原子核在外磁場中量化原子核在外磁場中量化第6頁/共36頁 其中 k 玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度。 在常溫穩(wěn)定情況下，處于低能量的粒子數(shù)多于處于高能量的粒子數(shù)。 當場強為1.5T時，低能級的數(shù)目只比高能級多8/2,000,000個，兩個方向的凈自旋產生的磁場稱為凈磁化，或磁化矢量，所以磁化矢量是十分微弱。 kTEEeNN/)(2121Boltzmann能量分布原理能量分布原理第7頁/共36頁 在主磁場作用的基礎上，在XOY平面內的OX軸射出一個射頻場B1，為了使核系統(tǒng)能吸收射頻場發(fā)出的能量，射頻場的能量 E必須與質子系統(tǒng)的能級差E完全相等，E

4、 =E射頻脈沖激勵射頻脈沖激勵第8頁/共36頁 是磁共振基本公式，稱拉莫(Lamor)公式，要求系統(tǒng)達到共振時，激勵射頻場的頻率r 必須與質子系統(tǒng)的共振頻率0 相同(0與共振核和磁場強度有關)。 B0為主磁場強度，單位Telsa 1 Telsa= 10,000 Gauss 約為地球磁場20,000倍00Br拉莫拉莫(Lamor)公式公式第9頁/共36頁M 稱為磁化矢量強度。M0 稱為穩(wěn)定狀態(tài)時的磁化矢量強度。M0 與B0 方向一致。M與組織質子密度、B0和絕對溫度有關。 由于檢測的是一定體積范圍內所有質子在磁場中的表現(xiàn)，所以測量總的磁矩：M磁化矢量強度磁化矢量強度M第10頁/共36頁靜止與旋轉

5、坐標系靜止與旋轉坐標系第11頁/共36頁90 脈沖作用于脈沖作用于M第12頁/共36頁180 脈沖作用于脈沖作用于M第13頁/共36頁任意脈沖作用于任意脈沖作用于M第14頁/共36頁第15頁/共36頁磁共振形成過程磁共振形成過程第16頁/共36頁 質子系統(tǒng)在靜磁場中逐漸被磁化，并在外加磁場方向上形成磁化矢量M0，M0在射頻脈沖激發(fā)下產生磁共振現(xiàn)象，平衡狀態(tài)被破壞，產生橫向磁化Mxy，系統(tǒng)平衡被破壞，系統(tǒng)處于激發(fā)態(tài)。 縱向磁化矢量Mz變小; 橫向磁化矢量Mxy增大。 當射頻脈沖關閉后，系統(tǒng)從激發(fā)態(tài)返回平衡態(tài)，這過程就是弛豫。 縱向磁化矢量Mz恢復; 橫向磁化矢量Mxy衰減。第17頁/共36頁縱向

6、磁化弛豫 橫向磁化弛豫第18頁/共36頁 又稱：自旋-晶格弛豫。指90脈沖終止后，縱向磁化矢量Mz逐漸恢復至平衡態(tài)M0的過程。)e(1-MM1-t/T0zT1縱向弛豫時間：為縱向弛豫時間常數(shù)。在數(shù)值上等于縱向磁化矢量從最小值恢復至平衡態(tài)的63%所需要的時間，是縱向磁化矢量恢復快慢的一個指標。第19頁/共36頁 處于激發(fā)態(tài)的自旋核將能量釋放至周圍環(huán)境(晶格，其它種類原子核)，恢復其平衡態(tài)的過程。 共振核周圍有許多與之相似的磁矩，這些磁矩都具有局部磁場，對質子產生影響。晶格磁場是由一個無數(shù)頻率組成的隨機波動磁場。當晶格磁場為拉莫頻率時，共振核將能量釋放至晶格，并從高能態(tài)躍遷至低能態(tài)。第20頁/共3

7、6頁 T1 是一個具有組織特異性的時間常數(shù)，即不同組織釋放所吸收的射頻能量的速度各不相同。成像中由于不同組織的T1不同而形成的磁化不同，稱為“縱向磁化對比”。 T1加權圖像就是利用組織縱向弛豫時間的不同來進行成像。第21頁/共36頁第22頁/共36頁0.2T1.0T1.5T脂肪240肌肉370730860白質390680780灰質490810920腦脊液140025003000單位：ms第23頁/共36頁組織分子大小(中等分子運動頻率與共振頻率相近，可產生有效的能量轉移，T1小；大分子和小分子運動頻率與共振頻率相差甚遠，T1大)第24頁/共36頁第25頁/共36頁組織特異性的時間常數(shù)；與組織生

8、理狀態(tài)有關晶格狀態(tài)(固體、液體)，固體T1長(晶格振動頻率高10121013Hz)大分子的存在(親水基因與自由水結合形成水化層，降低水分子運動速率，T1下降)主磁場強度(B0越大，T1越大) 溫度：溫度上升，熱運動加快有效弛豫頻帶分子數(shù)減小， T1下降第26頁/共36頁 又稱：自旋-自旋弛豫。指90 脈沖終止后，Mxy由于磁相互作用，導致逐漸衰減過程。T2縱向弛豫時間： 等于Mz衰減過程中，衰減至最大值的37%所需要的時間。是橫向磁化矢量恢復快慢的一個指標。第27頁/共36頁 各自旋核的磁場相互作用，使彼此間的進動頻率變化，導致自旋間的相位相干逐漸消失。使Mxy逐漸衰減過程.第28頁/共36頁

9、 T2 是一個組織特異性的時間常數(shù)，不同組織釋放所吸收的射頻能量的速度各不相同，所以T2也不同，從而形成的組織的磁化也不同，稱為“橫向磁化對比”。第29頁/共36頁組織類型T2值脂肪85肌肉45白質90灰質100腦脊液1400單位：ms第30頁/共36頁 組織特異性； 與組織生理狀態(tài)有關； 與主磁場強度無關，但與主磁場均勻度有關； 組織分子大小及物理狀態(tài)：大分子及固體有固定的分子晶格，分子間的自旋-自旋作用持久，T2短。小分子及液體分子由于快速平動而趨向于磁場不均勻性平均化，從而降低T2弛豫效應。 T2變長。第31頁/共36頁 由于主磁場的不均勻性，引起質子自旋頻率就不同，因而加速了橫向弛豫的過程導致橫向磁化弛豫的加快，T2的下降。T2*加權像稱磁敏感對比。第32頁/共36頁 接收線圈位于XOY平面內，隨著M的旋轉，Mxy每旋轉一次，就會在線圈內形成一個感應電流，感應電流的大小隨時間逐漸減小，形成自由衰減信號FID。第33頁/共36頁 信號接收后，就可以進行傅里