第九課_磁共振成像原理

1、第九章 核磁共振成像原理2一、引言二、3 核磁共振成像磁共振成像是利用原子核原子核在磁場內(nèi)共磁場內(nèi)共振振所產(chǎn)生的信號信號經(jīng)重建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。4T1 ContrastTE = 14 msTR = 400 msT2 ContrastTE = 100 msTR = 1500 msProton DensityTE = 14 msTR = 1500 ms多參數(shù)成像多參數(shù)成像5T1 ContrastTE = 14 msTR = 400 msT2 ContrastTE = 100 msTR = 1500 msProto

2、n DensityTE = 14 msTR = 1500 ms多截面成像多截面成像6 1945年兩個獨立小組在幾天內(nèi)同時發(fā)現(xiàn)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：核磁共振現(xiàn)象：1）Bloch Stanford 大學(xué)大學(xué) （1946）Physics Review 69, 127；2）Purcell MIT,（1946）Physics Review 69, 37核磁共振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)：核磁共振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)：7 Felix Bloch 1905-1983Stanford University Edward Mills Purcell 1912-1997 MIT1952 Nobel Prize for

3、 Physics8 1973年年2個獨立小組利用個獨立小組利用磁場梯度磁場梯度解決空解決空間信息獲取的問題：圖像形成間信息獲取的問題：圖像形成 1）Lauterbur, State University of New York（85年年 Univ. of Illinois） (1973) Nature 242,736 2）Mansfield, Nottingham University (1973) J. Phys.C 6,L422 核磁共振現(xiàn)象的成像應(yīng)用：核磁共振現(xiàn)象的成像應(yīng)用：92003 Nobel Prize in Physiology or MedicineLauterbur, 192

4、9Mansfied 193310Damadian1969，提出，提出MR scanner 的設(shè)想；的設(shè)想；1971，“tumor detecting by MR”,T1,T2；1977，第一臺，第一臺MRI；1978，F(xiàn)onar 公司；公司；1980，上市，上市11Raymond Damadian與第一臺第一臺MRIMRI裝置（裝置（19771977）“The Shameful Wrong that must be righted”12Damadian申請的專利世界上第一張世界上第一張 MRI 圖像圖像 實事求是地講，DamadianDamadian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

5、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 Damadian的的工作直接啟發(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(xué)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(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 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

6、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(chǔ)。15 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 。113192331,HCFNaP 自旋自旋 16 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。1H 無外磁場時，自旋質(zhì)子的取向是隨機的，當(dāng)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。17Electro

7、nProton電子質(zhì)子氫原子核氫原子核1H18 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(dāng)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)：1/0(1)t TMMe（9-1）19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M020B核在磁場中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(yīng)的相對比值有關(guān)在任一瞬間，磁針取

8、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 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。進動進動也稱為拉莫(Larmor) 進動22P P ：動量矩動量矩 T T ：力矩力矩：磁距磁距質(zhì)子進動與陀螺進動的類比質(zhì)子進動與陀螺進動的類比23質(zhì)子的進動質(zhì)子的進動24 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(dāng)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(dāng)質(zhì)子的進動相位完全一致時，就發(fā)

9、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。核磁共振核磁共振25 經(jīng)典力學(xué)觀點經(jīng)典力學(xué)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： 核磁共振的解釋核磁共振的解釋 0B（9-2）：旋磁比，B0為外加磁場的強度。26 當(dāng)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。x0yzB0B0ttB1+ =B1eitB1_ =B1e-ityxB1

10、=2B1cost27B0yxB1_z0增加，勢能增加，能量增量由外加交變磁場提供；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 =B=0 時才發(fā)生此種能量交換；此時與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交變磁場引起磁矩變化28 量子力學(xué)觀點量子力學(xué)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

11、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 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 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(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：02EB（9-3）32 發(fā)生共振的條件是：指南指北質(zhì)子間的能量差

12、等于射頻波光子的能量，即02EBh（9-4）這樣，共振頻率為：02Bh（9-5）33共振角頻率為：00042/ 4BvBBhh（9-6） 可見，共振頻率與磁場強度成正比，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 核磁共振時，共振（同相進動）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，自旋自旋，磁矩隨機指向； 有外磁場時，進動進動，磁矩指南或指北，凈 磁化矢量M0；35 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

13、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 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(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 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(xué)物質(zhì)，具有不同的T1和T2。 實際情況中，橫向

14、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 自由感應(yīng)衰減信號的強度與質(zhì)子密度和馳豫時間有關(guān)。38三、核磁共振的檢測參數(shù)自由感應(yīng)衰減信號自由感應(yīng)衰減信號39三、核磁共振的檢測參數(shù)自旋晶格馳豫時間自旋晶格馳豫時間T140自旋自旋馳豫過程自旋自旋馳豫過程41三、核磁共振的檢測參數(shù)自旋自旋馳豫時間自旋自旋馳豫時間T242三、核磁共振的檢測參數(shù)T1的大小與外加磁場強度有關(guān)43T1加權(quán)圖像（腦部）加權(quán)圖像（腦部）T2加權(quán)圖像（腦部）加權(quán)圖像（腦部）44 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

15、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：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(fù)序列 自旋回波序列45 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：1/()(1)RTTIN He（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。 部分飽和序列部分飽和序列46Mz的恢復(fù)過程的恢復(fù)過程47 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(fù)序列激勵下，MRI信號的強度

16、為：11/()(1 2)IRTTTTIN Hee（9-8） 倒轉(zhuǎn)恢復(fù)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(fù)序列倒轉(zhuǎn)恢復(fù)序列48倒轉(zhuǎn)恢復(fù)脈沖序列倒轉(zhuǎn)恢復(fù)脈沖序列49 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。 自旋回波序列自旋回波序列 當(dāng)TITR時，自旋回波序列激勵的信號為：12/()(1)RETTTTIN Hee（9-8）50式中，TE為回波延遲時間。 可見，增大脈沖重復(fù)時間TR和縮短回波延遲時間TE都能提高自旋回波的強

17、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自旋回波脈沖序列自旋回波脈沖序列52 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(yīng)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層面選擇層面選擇54層面選擇層面選擇55梯度磁場與層面選擇梯度磁場與層面選擇56101()zzBBG z其中，其中， 為質(zhì)子的旋磁比，則斷面為質(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，

18、未受激勵。均不處于共振頻率，未受激勵。1zz 若選擇的激勵脈沖射頻頻率為：若選擇的激勵脈沖射頻頻率為： （9-9）57 若在若在x x軸上施以頻率為軸上施以頻率為 的的 射頻射頻脈沖，則脈沖，則 平面中的質(zhì)子磁化強平面中的質(zhì)子磁化強度矢量將轉(zhuǎn)至度矢量將轉(zhuǎn)至x-yx-y平面，在平面，在 脈沖結(jié)脈沖結(jié)束后，質(zhì)子核磁矩發(fā)生自由進動，產(chǎn)生束后，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(dāng)時當(dāng)?shù)睾舜殴舱裥盘枴＿M動的頻率視當(dāng)時當(dāng)?shù)氐拇艌鰪姸鹊拇艌鰪姸菳 B而定。而定。10901zz09058射頻脈沖及相應(yīng)的頻譜射頻脈沖及相應(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：t114 /t4zzzGtG 5