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(dǎo)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(diǎn)：無創(chuàng)傷，無電離；無機(jī)械運(yùn)動，任意截面成像；多個(gè)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(gè)獨(dú)立小組在幾天內(nèi)同時(shí)發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象：1）BlochStanford

大學(xué)（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(gè)獨(dú)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(yīng)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(shè)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(shí)事求是地講，Damadian應(yīng)該算是最早把核磁共振用于生物醫(yī)學(xué)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(xué)》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(rèn)識到這一發(fā)現(xiàn)的醫(yī)學(xué)價(jià)值的同時(shí)，也敏銳地意識到如果不能進(jìn)行空間上的定位，核磁共振在臨床應(yīng)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(yù)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(jìn)行成像檢測提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。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(gè)小磁場，稱為磁矩。中子自旋時(shí)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(gè)自旋的質(zhì)子，結(jié)構(gòu)最單純，又能提供最強(qiáng)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(shí)，自旋質(zhì)子的取向是隨機(jī)的，當(dāng)把它放在磁場中時(shí)，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?yàn)橄虮秉c(diǎn)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(gè)能量差。當(dāng)磁力和熱力使磁針達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生了凈磁化。該磁化過程可以表示為時(shí)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(gè)重要參數(shù)，與磁場強(qiáng)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(shí)間，也表示進(jìn)行磁化需要的時(shí)間。指時(shí)間足夠長時(shí)的凈磁化強(qiáng)度。馳豫時(shí)間T1磁化強(qiáng)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(qiáng)度和隨機(jī)熱效應(yīng)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(jī)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(jìn)動是磁共振成像中另一個(gè)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(jìn)動，外磁場與質(zhì)子磁矩相互作用也會產(chǎn)生使之進(jìn)動的扭力，使自旋的質(zhì)子繞磁場軸進(jìn)動。進(jìn)動也稱為拉莫(Larmor)進(jìn)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(jìn)動與陀螺進(jìn)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(jìn)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(gè)與主磁場垂直的交變磁場，當(dāng)這個(gè)交變磁場的頻率與進(jìn)動頻率一致時(shí)，原來處于隨機(jī)相位的進(jìn)動質(zhì)子將趨于同相（相位相干）。當(dāng)質(zhì)子的進(jìn)動相位完全一致時(shí)，就發(fā)生了共振現(xiàn)象，即核磁共振。發(fā)生共振時(shí)，質(zhì)子大量吸收交變場的能量，同時(shí)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(xué)觀點(diǎn)

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(jìn)動。進(jìn)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(qiáng)度。26第九課_磁共振成像原理二、核磁共振的基本原理當(dāng)進(jìn)動的質(zhì)子在射頻場的作用下出現(xiàn)相位相干時(shí)，凈磁化向量M0將偏離z軸，并繞著z軸以共振頻率進(jìn)動。此時(shí)的磁化向量可以分解為一個(gè)z方向的垂直分量Mz和一個(gè)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(dāng)交變磁場角頻率滿足

ω=γB=ω0

時(shí)才發(fā)生此種能量交換；此時(shí)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(xué)觀點(diǎn)施加外磁場：質(zhì)子指南或指北，剛開始時(shí)，指南指北數(shù)量相同，凈磁化向量為零，隨時(shí)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(shí)間T1表示。無外磁場：質(zhì)子隨機(jī)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(shí)：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(gè)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(dá)較低能級。平衡態(tài)時(shí)：運(yùn)動能量由熱運(yùn)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(qiáng)度有關(guān)的。外加磁場強(qiáng)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(lì)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(shí)激勵(lì)脈沖過后，質(zhì)子將繼續(xù)輻射同樣頻率的射頻能量。這個(gè)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(shí)間T2。根據(jù)量子力學(xué)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(qiáng)度成正比，從量子力學(xué)推出的共振關(guān)系式與從經(jīng)典力學(xué)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(shí)，共振（同相進(jìn)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(gè)運(yùn)動狀態(tài)：無外磁場時(shí)，自旋，磁矩隨機(jī)指向；有外磁場時(shí)，進(jìn)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(lì)共振的兩個(gè)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(shí)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(dāng)頻率的射頻脈沖后，質(zhì)子趨向同相運(yùn)動。在射頻脈沖存在期間，磁化向量在快速繞z軸進(jìn)動的同時(shí)，慢慢地繞x軸旋轉(zhuǎn)（90o或180o）；當(dāng)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(yīng)衰減(FID)。自由感應(yīng)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(shí)間稱為橫向馳豫時(shí)間T2，縱向分量的增長時(shí)間稱為縱向馳豫時(shí)間T1。不同的化學(xué)物質(zhì)，具有不同的T1和T2。

實(shí)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(yīng)衰減信號自由感應(yīng)衰減信號的強(qiáng)度與質(zhì)子密度和馳豫時(shí)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(yīng)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(shí)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(shí)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(qiáng)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(lì)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(qiáng)度。通常采集信號的辦法是采用一個(gè)特定時(shí)序的脈沖序列來激勵(lì)，不同形式的脈沖激勵(lì)將直接影響磁共振圖像的灰度、對比度等。通過特定時(shí)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(fù)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(gè)90o脈沖進(jìn)行。部分飽和序列下，檢測信號的強(qiáng)度為：（9-7）對于某一特定物質(zhì)，TR增大，信號強(qiáng)度增大；TR相同時(shí)，T1越短，檢測到的信號越強(qiáng)。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(fù)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(gè)180o射頻脈沖后緊跟一個(gè)90o脈沖，兩個(gè)脈沖的間隔時(shí)間為TI，每組脈沖間的時(shí)間間隔為TR。在倒轉(zhuǎn)恢復(fù)序列激勵(lì)下，MRI信號的強(qiáng)度為：（9-8）倒轉(zhuǎn)恢復(fù)序列激勵(lì)時(shí)，圖像對T1的變化更敏感，精度高，測量范圍大。倒轉(zhuǎn)恢復(fù)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(fù)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(gè)90o脈沖緊跟著一個(gè)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(gè)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(dāng)TI<<TR時(shí)，自旋回波序列激勵(lì)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(shí)間?？梢?，增大脈沖重復(fù)時(shí)間TR和縮短回波延遲時(shí)間TE都能提高自旋回波的強(qiáng)度。自旋回波序列的缺點(diǎn)：分子的擴(kuò)散過程影響測量的精度，測量時(shí)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(qiáng)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(gè)體元中接收的MRI信號的強(qiáng)度與質(zhì)子密度、縱向馳豫時(shí)間T1，橫向馳豫時(shí)間T2有關(guān)；自由感應(yīng)信號只提供樣本的T1信息，自旋回波信號則同時(shí)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(lì)。

若選擇的激勵(lì)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(qiáng)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(jìn)動，產(chǎn)生核磁共振信號。進(jìn)動的頻率視當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐拇艌鰪?qiáng)度B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(yīng)的頻譜由于所施加的射頻脈沖具有一定的時(shí)寬，并為射頻所調(diào)制，故相應(yīng)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(shí)際上感受不同的，其值與z有關(guān)。故在激勵(lì)脈沖作用期間這些核子以不同速度進(jìn)動著，激勵(lì)結(jié)束后它們