核磁共振成像(與“自旋”有關(guān)的文檔共18張)

核磁共振成像第一頁，共18頁。核磁共振成像〔MRI〕發(fā)展概況1基本原理2主要應(yīng)用3SchoolofNuclearScience＆TechnologyLanzhouUniversity第二頁，共18頁。MRI的開展概況1924年，Pauli預(yù)言了核磁共振〔NMR〕的根本理論〔有些核同時具有自旋和磁量子數(shù)，這些核在磁場中會發(fā)生分裂〕FelixBloch

1905-1983EdwardMillsPurcell1912-1997

E.Pauli

1900-19581946年，Harvard大學(xué)的Purcel和Stanford大學(xué)的Bloch各自首次發(fā)現(xiàn)并證實NMR現(xiàn)象，并于1952年分享了諾貝爾物理學(xué)獎。SchoolofNuclearScience＆TechnologyLanzhouUniversity第三頁，共18頁。MRI的開展概況

1973年，美國紐約州立大學(xué)科學(xué)家Lauterbur利用梯度磁場進(jìn)行空間定位，獲得第一幅磁共振圖像，并于2003年獲諾貝爾生理學(xué)獎。PaulC.Lauterbur從核磁共振現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)到MRI技術(shù)成熟這幾十年期間，有關(guān)核磁共振的研究領(lǐng)域曾在三個領(lǐng)域〔物理、化學(xué)、生理學(xué)或醫(yī)學(xué)〕內(nèi)獲得了6次諾貝爾獎，足以說明此領(lǐng)域及其衍生技術(shù)的重要性。SchoolofNuclearScience＆TechnologyLanzhouUniversity第四頁，共18頁。MRI的開展概況世界上第一臺MRI裝置現(xiàn)代MRI裝置世界上第一張MRI圖像現(xiàn)代MRI圖像SchoolofNuclearScience＆TechnologyLanzhouUniversity第五頁，共18頁。MRI的根本原理——核磁共振的微觀描述旋進(jìn)軌道自旋軸B0自旋軌道由于原子核具有自旋，那么有自旋角動量原子核磁矩μI與角動量PI有如下關(guān)系：一、拉莫爾進(jìn)動可以得到拉莫爾進(jìn)動方程：朗德因子原子核的旋磁比核磁共振成像：是利用核磁共振原理，依據(jù)所釋放的能量在物質(zhì)內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)環(huán)境中不同的衰減，通過外加梯度磁場檢測所發(fā)射出的電磁波，即可得知構(gòu)成這一物體原子核的位置和種類，據(jù)此可以繪制成物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像。SchoolofNuclearScience＆TechnologyLanzhouUniversity第六頁，共18頁。MRI的根本原理二、塞曼能級

在外磁場的作用下原子核的自旋在空間中只能取特定的幾種方向，空間取向不同，其能量也不同，形成能級分裂，這種現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)，分裂后的能級稱為塞曼能級。以氫原子核〔質(zhì)子〕為例：無外磁場時氫原子核的自旋呈隨意分布。B0置于磁場中氫原子自旋取向有規(guī)律〔高能態(tài)〕〔低能態(tài)〕SchoolofNuclearScience＆TechnologyLanzhouUniversity第七頁，共18頁。MRI的根本原理三、核磁共振假設(shè)在與外磁B0垂直的平面內(nèi)施加一個射頻脈沖，其能量正好等于核的兩相鄰能級間的能量差時，原子核會強(qiáng)烈吸收射頻脈沖的能量，從低能級躍遷到高能級，這種現(xiàn)象稱為核磁共振。核磁共振產(chǎn)生條件：(1)核有自旋(磁性核)(2)外磁場，能級分裂(3)脈沖能量與原子核相鄰能級能量差相等，即hν=ΔE=gIμN(yùn)B0SchoolofNuclearScience＆TechnologyLanzhouUniversity第八頁，共18頁。MRI的根本原理——核磁共振的宏觀描述核磁共振的宏觀狀態(tài)〔1〕沒有外磁場時原子核的分布：〔2〕外磁場作用下原子核的分布：M0≠0,產(chǎn)生縱向磁化；Mxy=0，無橫向磁化；總磁化矢量M=0SchoolofNuclearScience＆TechnologyLanzhouUniversity第九頁，共18頁。MRI的根本原理〔3〕外加射頻后原子核的分布：M0’<M0,縱向磁化減??；Mxy>0，產(chǎn)生橫向磁化；SchoolofNuclearScience＆TechnologyLanzhouUniversity第十頁，共18頁。MRI的根本原理核磁弛豫

當(dāng)射頻脈沖停止作用后，宏觀磁化向量并不立即停止轉(zhuǎn)動，而是逐漸向平衡態(tài)恢復(fù)，最后回到平衡位置的過程稱為弛豫過程弛豫過程包括兩方面：縱向弛豫過程:縱向磁化分量M0的恢復(fù)橫向弛豫過程:橫向磁化分量MXY的衰減一、縱向弛豫脈沖停止后，原子核放出能量從高能級向低能級躍遷，縱向磁化分量M0逐漸增大到最初值，也稱為T1弛豫過程,又稱自旋—晶格弛豫。二、橫向弛豫脈沖停止后，核子的自旋作用造成相鄰核子的相位分散，橫向磁化分量MXY很快衰減到零，也稱為T2弛豫過程，又稱為自旋－自旋弛豫。SchoolofNuclearScience＆TechnologyLanzhouUniversity第十一頁，共18頁。MRI的根本原理縱向弛豫橫向弛豫SchoolofNuclearScience＆TechnologyLanzhouUniversity第十二頁，共18頁。MRI的根本原理三、弛豫時間當(dāng)去掉當(dāng)去掉射頻脈沖時，質(zhì)子從激發(fā)態(tài)恢復(fù)到原來的平衡態(tài)所需時間?！?〕縱向弛豫時間T1定義：縱向磁化矢量MZ從零增加到最終平衡狀態(tài)63%的時間特點(diǎn)：〔1〕T1是組織的固有特性，給定外磁場的情況下不同組織的T1值不同；〔2〕T1受外磁場的影響，同一組織當(dāng)外磁場強(qiáng)度越強(qiáng)那么T1越長；

〔2〕橫向弛豫時間T2 定義：橫向磁化矢量Mxy衰減到原來值的37%的時間特點(diǎn)：(1)T2與磁場強(qiáng)度無關(guān)；(2)不同成分和結(jié)構(gòu)的組織T2不同，例如水的T2值要比固體的T2值長

SchoolofNuclearScience＆TechnologyLanzhouUniversity第十三頁，共18頁。MRI的主要應(yīng)用——醫(yī)學(xué)應(yīng)用人體不同組織之間、正常組織與該組織中的病變組織之間含水比例不同，即含氫核數(shù)的多少不同，這就造成了氫核密度、弛豫時間T1、T2三個參數(shù)的差異，是MRI用于臨床診斷最主要的物理根底。SchoolofNuclearScience＆TechnologyLanzhouUniversity第十四頁，共18頁。MRI醫(yī)學(xué)應(yīng)用T1值越小縱向磁化矢量恢復(fù)越快信號強(qiáng)度越高〔白〕T1值越大縱向磁化矢量恢復(fù)越慢信號強(qiáng)度越低〔黑〕脂肪的T1值約為250毫秒信號高〔白〕水的T1值約為3000毫秒信號低〔黑〕反映組織縱向弛豫的快慢！脂水T1加權(quán)圖像SchoolofNuclearScience＆TechnologyLanzhouUniversity第十五頁，共18頁。MRI醫(yī)學(xué)應(yīng)用T2加權(quán)圖像反映組織橫向弛豫的快慢！腦水SchoolofNuclearScience＆TechnologyLanzhouUniversity第十六頁，共18頁。MRI醫(yī)學(xué)應(yīng)用人體大多數(shù)病變的T1值、T2值均較相應(yīng)的正常組織大，因而在T1加權(quán)圖像上比正常組織“黑〞，在T2加權(quán)圖像上比正常組織“白〞。SchoolofNuclearScience＆TechnologyLanzhouUniversity第十七頁，共18頁。相比與傳統(tǒng)CT,MRI應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的優(yōu)勢利用人