醫(yī)學成像技術課件-NMR

MedicalImagingTechnology核磁共振角動量與進動原子核的自旋及磁矩微觀核磁共振核磁共振現(xiàn)象的宏觀描述MedicalImagingTechnology角動量與進動角動量angularmomentum右手螺旋定理MedicalImagingTechnology角動量與進動MedicalImagingTechnology原子核的自旋及磁矩原子的結構核子：質子和中子自旋(Pauli,1924)MedicalImagingTechnology原子核的自旋及磁矩質子帶正電荷，它們像地球一樣在不停地繞軸旋轉，并有自己的磁場。核子的自旋核子的自旋角動量：核子的固有角動量與軌道角動量的矢量和。MedicalImagingTechnology原子核的自旋及磁矩核子的磁矩MedicalImagingTechnology原子核的自旋及磁矩磁性和非磁性原子核并非所有原子核的自旋運動均能產生核磁，根據(jù)原子核內中子和質子的數(shù)目不同，不同的原子核產生不同的核磁效應。如果原子核內的質子數(shù)和中子數(shù)均為偶數(shù)，則這種原子核的自旋并不產生核磁，我們稱這種原子核為非磁性原子核。反之，我們把自旋運動能夠產生核磁的原子核稱為磁性原子核。磁性原子核需要符合以下條件：（1）中子和質子均為奇數(shù)；（2）中子為奇數(shù)，質子為偶數(shù)；（3）中子為偶數(shù)，質子為奇數(shù)。詳見Page100MedicalImagingTechnology原子核的自旋及磁矩氫核用于人體磁共振成像的原子核為氫核（1H），選擇1H的理由有：（1）1H是人體中最多的原子核，約占人體中總原子核數(shù)的2/3以上；（2）1H的磁化率在人體磁性原子核中是最高的。1H是氫原子核，僅有一個質子而沒有中子，由于人體MR圖像一般采用1H作為成像對象，因此除非特殊說明，一般所指的MR圖像即為1H的共振圖像。MedicalImagingTechnology微觀核磁共振當將自旋核子置于外磁場B中會怎樣？什么是共振？什么是核磁共振？MedicalImagingTechnology微觀核磁共振當將自旋核子置于外磁場B中的兩個效應：核繞B旋進能級劈裂MedicalImagingTechnology微觀核磁磁共振核繞B旋進v:進動動頻率（（Larmor頻率率），Hzγ：磁旋旋比，Hz/TB0：外磁場場強度,T對于1H，當B0＝＝1T時時，v約為42.5MHZLarmor方方程MedicalImagingTechnology微觀核磁磁共振能級劈裂裂核子在外外磁場中中的排列列MedicalImagingTechnology微觀核磁磁共振共振音叉的共共振物理學上上，共振振被定義義為能量量從一個個振動著著的物體體傳遞到到另一個個物體，，而后者者以前者者相同的的頻率振振動。從從這個概概念可以以看出，，共振的的條件是是相同的的頻率，，實質是是能量的的傳遞。。MedicalImagingTechnology微觀核磁磁共振共振交換換能量MedicalImagingTechnology微觀核磁磁共振核磁共振振NuclearMagneticResonance(NMR)給處于主主磁場中中的樣品品施加射射頻電磁磁波，如如果該射射頻電磁磁波的能能量正好好等于原原子核能能級劈裂裂的間距距時，就就會出現(xiàn)現(xiàn)樣品中中的核子子強烈吸吸收電磁磁波能量量，從劈劈裂后的的低能級級向相鄰鄰的高能能級躍遷遷的現(xiàn)象象。MedicalImagingTechnology微觀核核磁共共振射頻電電磁波波（RadioFrequency，RF））0.1～300兆赫赫MedicalImagingTechnology微觀核核磁共共振核磁共共振產產生的的條件件MedicalImagingTechnology核磁共共振現(xiàn)現(xiàn)象的的宏觀觀描述述大量自自旋核核子置置于外外磁場場B中中會有有怎樣樣的宏宏觀效效應？？如何獲獲得NMR信號號？MRI檢查查的步步驟是是怎樣樣的？？MedicalImagingTechnology核磁共共振現(xiàn)現(xiàn)象的的宏觀觀描述述矢量和和－磁磁化強強度MedicalImagingTechnology核磁共共振現(xiàn)現(xiàn)象的的宏觀觀描述述矢量和和－磁磁化強強度用一個個箭頭頭【矢矢量】】表示示核子子A的的磁磁矩，，它可可被看看作來來源于于兩部部分：：一部部分指指向Z軸軸，一一部分分指向向丫軸軸。Y軸軸的磁磁矩被被核子子A’’所抵抵消，，因質質子A，也也有一一部分分磁矩矩來源源于Y軸軸，但但方向向相反反。其它核核子也也是如如此，，例如如B與與B’沿沿X軸軸上上的磁磁矩互互相抵抵消。。與X－Y平平面互互相抵抵消的的磁矩矩相比比，Z軸軸上的的矢量量指向向同一一方向向，迭迭加起起來形形成一一個新新的，，指向向上方方的磁磁化強強度矢矢量M。MedicalImagingTechnology核磁共共振現(xiàn)現(xiàn)象的的宏觀觀描述述NMR信號號的獲獲得因此，，人體體進入入主磁磁場后后被磁磁化了了，但但沒有有宏觀觀橫向向磁化化矢量量產生生，僅僅產生生了宏宏觀的的縱向向磁化化矢量量，某某一組組織（（或體體素））產生生的宏宏觀矢矢量的的大小小與其其含有有的質質子數(shù)數(shù)有關關，質質子含含量越越高則則產生生宏觀觀縱向向磁化化矢量量越大大。我我們可可能認認為MRI已經經可以以區(qū)分分質子子含量量不同同的組組織了了。然然而遺遺憾的的是MRI儀的的接收收線圈圈并不不能檢檢測到到宏觀觀縱向向磁化化矢量量，也也就不不能檢檢測到到這種種宏觀觀縱向向磁化化矢量量的差差別。。那么么接收收線圈圈能夠夠檢測測到怎怎樣的的宏觀觀磁化化矢量量呢？？接受線線圈能能夠檢檢測到到的是是旋轉轉的宏宏觀橫橫向磁磁化矢矢量，，因為為旋轉轉的宏宏觀橫橫向磁磁化矢矢量可可以切切割接接收線線圈產產生電電信號號。那那么如如何才才能產產生接接收線線圈能能夠探探測到到的旋旋轉宏宏觀橫橫向磁磁化矢矢量呢呢？MedicalImagingTechnology核磁共共振現(xiàn)現(xiàn)象的的宏觀觀描述述射頻脈脈沖MedicalImagingTechnology核磁共共振現(xiàn)現(xiàn)象的的宏觀觀描述述射頻脈脈沖的的作用用當施加加與質質子進進動頻頻率相相同的的RF脈沖沖，則則引起起兩種種效應應：一些質質子吸吸收能能量后后躍遷遷至高高能態(tài)態(tài)，使使縱向向磁化化減少少。質子同同步化化，開開始以以同相相進動動，其其矢量量也在在橫向向于外外磁場場的方方向上上迭加加起來來，產產生橫橫向磁磁化。?？傊?，RF脈沖沖引起起縱向向磁化化強度度減少少，產產生一一個新新的橫橫向磁磁化強強度矢矢量MedicalImagingTechnology核磁共共振現(xiàn)現(xiàn)象的的宏觀觀描述述射頻脈脈沖的的作用用MedicalImagingTechnology核磁共共振現(xiàn)現(xiàn)象的的宏觀觀描述述射頻脈脈沖的的作用用MedicalImagingTechnology核磁共共振現(xiàn)現(xiàn)象的的宏觀觀描述述射頻脈脈沖的的作用用90°°脈沖沖和180°脈脈沖MedicalImagingTechnology核磁共共振現(xiàn)現(xiàn)象的的宏觀觀描述述馳豫（（Relaxation)RF脈脈沖沖一旦旦中止止，由由脈沖沖引起起的系系統(tǒng)改改變很很快就就回到到原來來靜止止時的的狀態(tài)態(tài)，即即發(fā)生生弛豫豫。新新建立立起來來的橫橫向磁磁化矢矢量開開始消消失，，縱向向磁化化恢復復到原原來的的大小小。橫向弛豫(TransverseRelaxation）縱向弛豫(LongitudinalRelaxation)MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述馳豫過程MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述馳豫信號的的接收FID信號號MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述縱向馳豫MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述縱向馳豫從RF脈沖沖吸收的能能量被傳遞遞到周圍的的晶格（1attice），，轉化為熱熱運動。這這就是為什什么這一過過程不僅叫叫縱向弛豫豫，也叫自自旋――晶晶格弛豫（（spin-1attice-relaxation））的原因。。MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述縱向馳豫時時間T163％MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述橫向馳豫MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述橫向馳豫每一核子都都受到鄰近近核小磁場場的影響，，這些核分分布不均勻勻，因而也也導致不同同的進動頻頻率。這些些內磁場的的差異可以以某種方式式作為一種種組織的特特征。這樣樣，RF脈脈沖中止止后，質子子不再被強強制停留在在同步狀態(tài)態(tài)，它們具具有不同的的進動頻率率，很快失失去了相位位一致性。。由于是核核子自旋———自旋相相互作用（（spin-spin-interaction），也也稱為自旋旋——自旋旋弛豫（spin-spin-relaxation））。MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述橫向馳豫時時間T237％MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述T1和T2的特性比比較縱向弛豫時時間與橫向向弛豫時間間是不同的的；T1大約2－10倍倍于T2?；蛘咭砸陨锝M織織的絕對值值：T1大大約為300－2000毫秒秒，T2大大約為30－150毫秒。。T1不依賴賴進動T2不依賴賴于場強MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述T1和T2的特性比比較MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述T1和T2的特性比比較MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述T1和T2的特性比比較與液體／水水相比，脂脂肪具有短短T1與短短T2。因因為：T1依賴組組織的成分分、結構和和環(huán)境。當晶格由純純液體／水水組成時，，核子難于于丟失它們們的能量，，因為小的的水分子運運動太快。。處于高能能級狀態(tài)的的核子不能能把它們的的能量最迅迅速傳給周周圍晶格，，只能慢慢慢地回到原原來的低能能級水平，，即縱向排排列。因此此，縱向磁磁化重新出出現(xiàn)需要較較長時間，，這意味著著液體／水水具有長T1s。當晶格由中中等大小的的分子組成成（體內多多數(shù)組織可可被看作是是含有不同同大小分子子的液體，，有點兒像像湯），這這些分子運運動、磁場場波動接近近進動核子子的Larmor頻頻率時，，能量轉遞遞要快得多多，因此T1短。脂肪酸末端端的碳鍵接接近Larmor頻頻率，所以以能量轉遞遞十分有效效。如果B大，，T1會如如何？MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述T1和T2的特性比比較與液體／水水相比，脂脂肪具有短短T1與短短T2。因因為：核子失去相相位一致性性時，發(fā)生生T2弛弛豫。已經經知道，核核子失去相相位一致性性有兩個原原因，即外外磁場不均均勻性和組組織內局部部磁場不均均勻性。當當水分子非非常迅速地地運動時，，其局部磁磁場波動非非常快，平平均場強為為零，內部部磁場在各各處也就沒沒有多大差差別。因此此，如果一一種組織的的內部場強強沒有多大大差別時，，核子的同同步化狀態(tài)態(tài)就能維持持較長時間間，T2也也就較長。。對于于不不純純液液體體，，如如含含有有大大分分子子的的液