第九課-磁共振成像原理課件

第九課_磁共振成像原理第九章核磁共振成像原理2第九課_磁共振成像原理內(nèi)容導航一、引言二、核磁共振的基本原理三、核磁共振的檢測參數(shù)四、核磁共振信號的采集五、核磁共振成像方法六、小結(jié)與作業(yè)3第九課_磁共振成像原理一、引言

核磁共振成像是利用原子核在磁場內(nèi)共振所產(chǎn)生的信號經(jīng)重建成像的一種技術(shù)。特點：無創(chuàng)傷，無電離；無機械運動，任意截面成像；多個參數(shù)成像T1，T2，密度。4第九課_磁共振成像原理一、引言T1ContrastTE=14msTR=400msT2ContrastTE=100msTR=1500msProtonDensityTE=14msTR=1500ms多參數(shù)成像5第九課_磁共振成像原理一、引言T1ContrastTE=14msTR=400msT2ContrastTE=100msTR=1500msProtonDensityTE=14msTR=1500ms多截面成像6第九課_磁共振成像原理一、引言

1945年兩個獨立小組在幾天內(nèi)同時發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象：1）BlochStanford

大學（1946）PhysicsReview69,127；2）PurcellMIT,（1946）PhysicsReview69,37核磁共振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)：7第九課_磁共振成像原理一、引言

FelixBloch

1905-1983StanfordUniversity

EdwardMillsPurcell1912-1997

MIT1952NobelPrizeforPhysics8第九課_磁共振成像原理一、引言1973年2個獨立小組利用磁場梯度解決空間信息獲取的問題：圖像形成1）Lauterbur,StateUniversityofNewYork（85年Univ.ofIllinois）(1973)Nature242,7362）Mansfield,NottinghamUniversity

(1973)J.Phys.C6,L422核磁共振現(xiàn)象的成像應用：9第九課_磁共振成像原理一、引言2003NobelPrizeinPhysiologyorMedicineLauterbur,1929Mansfied

193310第九課_磁共振成像原理一、引言Damadian1969，提出MRscanner的設想；1971，“tumordetectingbyMR”,T1,T2；1977，第一臺MRI；1978，F(xiàn)onar公司；1980，上市11第九課_磁共振成像原理一、引言RaymondDamadian與第一臺MRI裝置（1977）“TheShamefulWrongthatmustberighted”12第九課_磁共振成像原理Damadian申請的專利世界上第一張MRI圖像實事求是地講，Damadian應該算是最早把核磁共振用于生物醫(yī)學研究的人之一。早在1970年他便把從人身上切除的腫瘤移植到老鼠身上，并觀察到攜帶腫瘤的老鼠的核磁共振信號發(fā)生了變化。這一結(jié)果發(fā)表在1971年的《科學》雜志上。13第九課_磁共振成像原理一、引言Damadian的工作直接啟發(fā)了Lauterbur對成像技術(shù)的研究，Lauterbur在認識到這一發(fā)現(xiàn)的醫(yī)學價值的同時，也敏銳地意識到如果不能進行空間上的定位，核磁共振在臨床應用的可能性微乎其微。于是便有了那篇1972年發(fā)表在《自然》雜志上的著名文章。而且，Damadian前瞻性地預言了核磁共振作為臨床診斷工具的可能性。14第九課_磁共振成像原理二、核磁共振的基本原理

核磁共振是自旋的原子核在磁場中與電磁波相互作用的一種物理現(xiàn)象。人體組織和其他物體一樣，也是由分子、原子組成。組成人體的元素有C、O、H、Ca、P及其他微量元素，這就為利用人體中的元素進行成像檢測提供了物質(zhì)基礎。15第九課_磁共振成像原理二、核磁共振的基本原理

原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子帶有正電荷，自旋將產(chǎn)生一個小磁場，稱為磁矩。中子自旋時也會產(chǎn)生磁矩（約為質(zhì)子磁矩的2/3）。對于質(zhì)子和中子總數(shù)為奇數(shù)的原子核，存在明顯的自旋磁矩，即存在發(fā)生核磁共振現(xiàn)象的可能性。比如。

自旋

16第九課_磁共振成像原理二、核磁共振的基本原理

氫原子核只有一個自旋的質(zhì)子，結(jié)構(gòu)最單純，又能提供最強的核磁共振信號，目前磁共振成像主要利用人體內(nèi)的氫原子核。無外磁場時，自旋質(zhì)子的取向是隨機的，當把它放在磁場中時，將按磁場方向取向，可能傾向南極，也可能傾向北極。17第九課_磁共振成像原理二、核磁共振的基本原理電子質(zhì)子氫原子核1H18第九課_磁共振成像原理二、核磁共振的基本原理

在磁場中，質(zhì)子傾向于北極的比傾向于南極的要多，因為向北點的質(zhì)子處于低能級，更穩(wěn)定一些。向北和向南的質(zhì)子能級間有一個能量差。當磁力和熱力使磁針達到平衡狀態(tài)時，產(chǎn)生了凈磁化。該磁化過程可以表示為時間的指數(shù)函數(shù)：（9-1）19第九課_磁共振成像原理二、核磁共振的基本原理表示物質(zhì)核磁共振性質(zhì)的一個重要參數(shù)，與磁場強度、溫度和粘滯度有關(guān)。T1不僅表示從激發(fā)態(tài)回到平衡態(tài)需要多少時間，也表示進行磁化需要的時間。指時間足夠長時的凈磁化強度。馳豫時間T1磁化強度的最大值M020第九課_磁共振成像原理二、核磁共振的基本原理核在磁場中磁針保持南、北向的百分比，與磁場強度和隨機熱效應的相對比值有關(guān)在任一瞬間，磁針取向都是使其持南、北向的磁力和使之隨機取向的熱力的平衡結(jié)果21第九課_磁共振成像原理二、核磁共振的基本原理進動是磁共振成像中另一個非常重要的概念，用它來表示質(zhì)子在磁場中的磁化過程。類似于重力作用下的自旋陀螺的進動，外磁場與質(zhì)子磁矩相互作用也會產(chǎn)生使之進動的扭力，使自旋的質(zhì)子繞磁場軸進動。進動也稱為拉莫(Larmor)進動22第九課_磁共振成像原理二、核磁共振的基本原理P：動量矩

T：力矩μ：磁距質(zhì)子進動與陀螺進動的類比23第九課_磁共振成像原理二、核磁共振的基本原理質(zhì)子的進動24第九課_磁共振成像原理二、核磁共振的基本原理在觀察的樣本磁化后，如果再對它施加一個與主磁場垂直的交變磁場，當這個交變磁場的頻率與進動頻率一致時，原來處于隨機相位的進動質(zhì)子將趨于同相（相位相干）。當質(zhì)子的進動相位完全一致時，就發(fā)生了共振現(xiàn)象，即核磁共振。發(fā)生共振時，質(zhì)子大量吸收交變場的能量，同時向外輻射能量。核磁共振25第九課_磁共振成像原理二、核磁共振的基本原理經(jīng)典力學觀點

帶正電荷且具有自旋的核會產(chǎn)生磁場，該自旋磁場與外加磁場相互作用，將會產(chǎn)生進動。進動頻率與自旋核角速度及外加磁場的關(guān)系可用拉莫爾方程表示：核磁共振的解釋（9-2）γ：旋磁比，B0為外加磁場的強度。26第九課_磁共振成像原理二、核磁共振的基本原理當進動的質(zhì)子在射頻場的作用下出現(xiàn)相位相干時，凈磁化向量M0將偏離z軸，并繞著z軸以共振頻率進動。此時的磁化向量可以分解為一個z方向的垂直分量Mz和一個在平面旋轉(zhuǎn)的水平分量Mxy。x0yzB00ωtωtB1+=B1eiωtB1_

=B1e-iωtyxB1=2B1~27第九課_磁共振成像原理二、核磁共振的基本原理B0μy’x’B1_z’0θθ增加，勢能增加，能量增量由外加交變磁場提供；θ減小，勢能減小，能量交給外加交變磁場；僅當交變磁場角頻率滿足

ω=γB=ω0

時才發(fā)生此種能量交換；此時μ與B1_繞z軸同步旋轉(zhuǎn)—〉核磁共振現(xiàn)象交變磁場引起磁矩變化28第九課_磁共振成像原理二、核磁共振的基本原理量子力學觀點施加外磁場：質(zhì)子指南或指北，剛開始時，指南指北數(shù)量相同，凈磁化向量為零，隨時間推移，開始磁化過程，最終慢慢地趨向于最大平衡值M0，變化過程可由自旋－晶格馳豫時間T1表示。無外磁場：質(zhì)子隨機指向；29第九課_磁共振成像原理二、核磁共振的基本原理共振時：能量由無線電波提供，并且外加射頻波量子的能量正好與指南、指北質(zhì)子之間的能量差相等。質(zhì)子在兩個能級（指北能級低）之間是翻動的，能量來回轉(zhuǎn)移。從能級低的位置吸收能量后躍至較高能級，較高能級的質(zhì)子釋放能量到達較低能級。平衡態(tài)時：運動能量由熱運動提供；30第九課_磁共振成像原理二、核磁共振的基本原理產(chǎn)生共振所需射頻信號的頻率是與外加磁場的強度有關(guān)的。外加磁場強度越大，指南指北質(zhì)子能量差越大，產(chǎn)生共振所需的射頻信號的頻率或能量越大。只要激勵射頻場的頻率和能量合適，就能產(chǎn)生共振。規(guī)律31第九課_磁共振成像原理二、核磁共振的基本原理在短時激勵脈沖過后，質(zhì)子將繼續(xù)輻射同樣頻率的射頻能量。這個信號的衰減過程被檢出，可以用于磁共振成像，即自旋－自旋馳豫時間T2。根據(jù)量子力學理論，指南指北質(zhì)子間的能量差取決于外加磁場B0和自身的磁矩μ：（9-3）32第九課_磁共振成像原理二、核磁共振的基本原理發(fā)生共振的條件是：指南指北質(zhì)子間的能量差等于射頻波光子的能量，即（9-4）這樣，共振頻率為：（9-5）33第九課_磁共振成像原理二、核磁共振的基本原理共振角頻率為：（9-6）可見，共振頻率與磁場強度成正比，從量子力學推出的共振關(guān)系式與從經(jīng)典力學推出的關(guān)系式是完全一樣的！34第九課_磁共振成像原理三、核磁共振的檢測參數(shù)核磁共振時，共振（同相進動），凈磁化矢量M0偏離z軸以共振頻率繞z軸旋轉(zhuǎn)，可以分解為垂直矢量Mz和橫向矢量Mxy；首先要明確質(zhì)子的三個運動狀態(tài)：無外磁場時，自旋，磁矩隨機指向；有外磁場時，進動，磁矩指南或指北，凈磁化矢量M0；35第九課_磁共振成像原理三、核磁共振的檢測參數(shù)能提供能量使M0旋轉(zhuǎn)180o的射頻脈沖稱為180o脈沖。激勵共振的兩個射頻脈沖：能提供能量使M0旋轉(zhuǎn)90o的射頻脈沖稱為90o脈沖；

180o脈沖比90o脈沖持續(xù)時間長一倍或者振幅大一倍。36第九課_磁共振成像原理三、核磁共振的檢測參數(shù)對磁化的質(zhì)子施加適當頻率的射頻脈沖后，質(zhì)子趨向同相運動。在射頻脈沖存在期間，磁化向量在快速繞z軸進動的同時，慢慢地繞x軸旋轉(zhuǎn)（90o或180o）；當射頻場消失后，質(zhì)子的相位相干現(xiàn)象逐漸消失，磁化向量慢慢地回到主磁場的方向。磁化向量的這種衰減過程叫做自由感應衰減(FID)。自由感應衰減過程檢測信號就是從自由衰減過程中提取。37第九課_磁共振成像原理三、核磁共振的檢測參數(shù)其中，橫向磁化向量橫向分量的衰減時間稱為橫向馳豫時間T2，縱向分量的增長時間稱為縱向馳豫時間T1。不同的化學物質(zhì)，具有不同的T1和T2。

實際情況中，橫向磁化分量比理想情況的衰減快得多。自由感應衰減信號自由感應衰減信號的強度與質(zhì)子密度和馳豫時間有關(guān)。第九課_磁共振成像原理38三、核磁共振的檢測參數(shù)自由感應衰減信號第九課_磁共振成像原理39三、核磁共振的檢測參數(shù)自旋－晶格馳豫時間T140第九課_磁共振成像原理三、核磁共振的檢測參數(shù)自旋－自旋馳豫過程第九課_磁共振成像原理41三、核磁共振的檢測參數(shù)自旋－自旋馳豫時間T2第九課_磁共振成像原理42三、核磁共振的檢測參數(shù)T1的大小與外加磁場強度有關(guān)43第九課_磁共振成像原理三、核磁共振的檢測參數(shù)T1加權(quán)圖像（腦部）T2加權(quán)圖像（腦部）44第九課_磁共振成像原理四、核磁共振信號的采集用射頻信號激勵樣本后產(chǎn)生的橫向磁化向量將最終決定磁共振信號的強度。通常采集信號的辦法是采用一個特定時序的脈沖序列來激勵，不同形式的脈沖激勵將直接影響磁共振圖像的灰度、對比度等。通過特定時序的脈沖序列采集信號：常用的脈沖序列有三種：部分飽和序列倒轉(zhuǎn)恢復序列自旋回波序列45第九課_磁共振成像原理四、核磁共振信號的采集由一系列等間隔的90o射頻脈沖組成，數(shù)據(jù)采集緊跟著每個90o脈沖進行。部分飽和序列下，檢測信號的強度為：（9-7）對于某一特定物質(zhì)，TR增大，信號強度增大；TR相同時，T1越短，檢測到的信號越強。部分飽和序列46第九課_磁共振成像原理四、核磁共振信號的采集Mz的恢復過程47第九課_磁共振成像原理四、核磁共振信號的采集指一個180o射頻脈沖后緊跟一個90o脈沖，兩個脈沖的間隔時間為TI，每組脈沖間的時間間隔為TR。在倒轉(zhuǎn)恢復序列激勵下，MRI信號的強度為：（9-8）倒轉(zhuǎn)恢復序列激勵時，圖像對T1的變化更敏感，精度高，測量范圍大。倒轉(zhuǎn)恢復序列48第九課_磁共振成像原理四、核磁共振信號的采集倒轉(zhuǎn)恢復脈沖序列49第九課_磁共振成像原理四、核磁共振信號的采集指一個90o脈沖緊跟著一個180o脈沖組成的脈沖序列。180o脈沖可以維持相位相干現(xiàn)象，使橫向磁化分量出現(xiàn)多個峰值（衰減）－自旋回波。其中，外磁場決定自旋回波的寬度，內(nèi)磁場決定自旋回波的高度。自旋回波序列當TI<<TR時，自旋回波序列激勵的信號為：（9-8）50第九課_磁共振成像原理四、核磁共振信號的采集式中，TE為回波延遲時間?？梢?，增大脈沖重復時間TR和縮短回波延遲時間TE都能提高自旋回波的強度。自旋回波序列的缺點：分子的擴散過程影響測量的精度，測量時間比較長。51第九課_磁共振成像原理四、核磁共振信號的采集自旋回波脈沖序列52第九課_磁共振成像原理四、核磁共振信號的采集信號強度與這些參數(shù)的具體關(guān)系由所采用的脈沖序列決定；從觀察樣本的某一個體元中接收的MRI信號的強度與質(zhì)子密度、縱向馳豫時間T1，橫向馳豫時間T2有關(guān)；自由感應信號只提供樣本的T1信息，自旋回波信號則同時提供T1和T2的信息。53第九課_磁共振成像原理五、核磁共振成像方法層面選擇54第九課_磁共振成像原理五、核磁共振成像方法層面選擇55第九課_磁共振成像原理五、核磁共振成像方法梯度磁場與層面選擇56第九課_磁共振成像原理五、核磁共振成像方法其中，為質(zhì)子的旋磁比，則斷面中的質(zhì)子將產(chǎn)生共振，其他斷層中的質(zhì)子均不處于共振頻率，未受激勵。

若選擇的激勵脈沖射頻頻率為：

（9-9）57第九課_磁共振成像原理五、核磁共振成像方法

若在x軸上施以頻率為的射頻脈沖，則平面中的質(zhì)子磁化強度矢量將轉(zhuǎn)至x-y平面，在脈沖結(jié)束后，質(zhì)子核磁矩發(fā)生自由進動，產(chǎn)生核磁共振信號。進動的頻率視當時當?shù)氐拇艌鰪姸菳而定。58第九課_磁共振成像原理五、核磁共振成像方法射頻脈沖及相應的頻譜由于所施加的射頻脈沖具有一定的時寬，并為射頻所調(diào)制，故相應的頻譜呈sinc函數(shù)，中心頻率為，頻譜寬度為。所選層面有一厚度：59第九課_磁共振成像原理也可以選擇其他斷面，例如矢狀面或冠狀面，只要讓隨x或y作線性變化，即在x或y方向加上線性梯度磁場即可。五、核磁共振成像方法層面既然具有一定厚度，在這一層中的核子實際上感受不同的，其值與z有關(guān)。故在激勵脈沖作用期間這些核子以不同速度進動著，激勵結(jié)束后它們