核磁共振原理簡介實(shí)用教案

1、核磁共振(h c n zhn)發(fā)展史 1946 發(fā)現(xiàn)磁共振現(xiàn)象 Bloch & Purcell 1952 諾貝爾獎(jiǎng) Bloch & Purcell 1950 1970 核磁共振只是作為一種分析工具 1972 計(jì)算機(jī)斷層成像（CT） 1973 反投影法磁共振成像 Lauterbur 1975 付利葉變換法磁共振成像 Ernst 1980 第一副較為完善的臨床磁共振圖像(t xin) Edelstein 1986 梯度回波（GRE） 1988 血管成像（MRA） Dumoulin 1989 多平面回波成像（EPI） 1991 諾貝爾獎(jiǎng) Ernst 2003 諾貝爾獎(jiǎng) Lauterb

2、ur & Mansfield第1頁/共40頁第一頁，共41頁。名詞解釋：核 原子核一般包含三 種基本粒子：質(zhì)子， 中子和電子。這些 粒子都具有三種(sn zhn)基 本屬性：質(zhì)量，電 荷和自旋。核磁共 振研究的氫原子沒 有中子只有一個(gè)質(zhì) 子和一個(gè)電子第2頁/共40頁第二頁，共41頁。名詞解釋：磁 磁場(cchng)由磁鐵或通電導(dǎo)線形成，磁場(cchng)強(qiáng)度的單位是特斯拉（T），有時(shí)也用高斯（Gs）1T=10000Gs。即0.36T=3600Gs。 磁力線切割線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，即信號(hào)。感應(yīng)電動(dòng)勢的大小反映了信號(hào)的強(qiáng)弱，反映在核磁共振圖像中為圖像的亮暗。第3頁/共40頁第三頁，共41頁

3、。名詞解釋：共振(gngzhn) 共振就是一種能量 的發(fā)射和吸收，但 只有當(dāng)兩個(gè)物體的 頻率相等時(shí)才會(huì)發(fā) 生。當(dāng)射頻頻率與 核的進(jìn)動(dòng)(jn dn)頻率相等 時(shí)，就會(huì)發(fā)生共 振，即能級(jí)躍遷， 產(chǎn)生核磁共振信號(hào) 第4頁/共40頁第四頁，共41頁。磁共振成像是一種(y zhn)斷層成像 磁共振圖像反映的是人體某一斷層的信息(xnx)，該斷層有一定的厚度，被分為若干體素，圖像上每一個(gè)像素的亮度就和與之相對(duì)應(yīng)的體素的磁共振信號(hào)強(qiáng)度成正比第5頁/共40頁第五頁，共41頁。磁共振檢查(jinch)是一種無創(chuàng)無害的檢查(jinch) 現(xiàn)在已經(jīng)投入臨床應(yīng)用的最高場強(qiáng)（3T）已經(jīng)被FDA認(rèn)為是對(duì)人無害的。 磁共振

4、成像過程中使用的是射頻范圍的電磁波，頻率(pnl)很低，不存在對(duì)人有害的電磁輻射。第6頁/共40頁第六頁，共41頁。自旋(z xun) 自旋是粒子具有的一種基本屬性，就如同質(zhì)量一樣。質(zhì)子、中子、電子都具有自旋 可以簡單的把自旋理解為帶電的球體繞著中心軸旋轉(zhuǎn)。 只有(zhyu)當(dāng)相同的粒子個(gè)數(shù)為奇數(shù)個(gè)時(shí)，總自旋不為零。第7頁/共40頁第七頁，共41頁。為什么選擇(xunz)氫原子？ 人體中氫的含量(hnling)最高，達(dá)到63%。 在所有氫原子中，1H 的含量(hnling)占到99.98% 氫 (H) 0.63 鈉 (Na) 0.00041 磷 (P) 0.0024 碳 (C) 0.094 氧

5、 (O) 0.26 鉀 (Ca) 0.0022 氮 (N) 0.015 第8頁/共40頁第八頁，共41頁。拉莫公式(gngsh)拉莫頻率(pnl)（進(jìn)動(dòng)頻率(pnl)） 旋磁比（氫為42.58MHz/T） 場強(qiáng)第9頁/共40頁第九頁，共41頁。能級(jí)(nngj) 考慮一個(gè)氫原子核，只有一個(gè)帶 正電的質(zhì)子，可以把它的自旋想 成是一個(gè)帶正電的球體(qit)繞著對(duì)稱 軸旋轉(zhuǎn)。 由于球體(qit)帶有電荷，所以當(dāng)其旋 轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與其自轉(zhuǎn)軸平行的 磁場（磁矩） 當(dāng)沒有外磁場時(shí)，這些由于自旋 產(chǎn)生的小磁場的方向是隨機(jī)的+第10頁/共40頁第十頁，共41頁。能級(jí)(nngj) 當(dāng)氫原子被放到外磁場中時(shí)，這些小

6、磁場的方向就將全部與外磁場的方向平行。 一部分氫核產(chǎn)生的小磁場的方向與外磁場的方向相同，稱為處于低能級(jí)(nngj)；另外一部分氫核產(chǎn)生的小磁場的方向與外磁場的方向相反，稱為處于高能級(jí)(nngj)。低能級(jí)(nngj)高能級(jí)第11頁/共40頁第十一頁，共41頁。影響能級(jí)分布(fnb)的參數(shù) 如果沒有熱能，即溫度為據(jù)對(duì)零度時(shí)，所有氫原子核都將處于低能級(jí)。 隨著溫度的升高(shn o)，熱能的影響不斷增大，處于磁能級(jí)的原子核與處于高能級(jí)的原子核的比值將減小，并逐漸趨進(jìn)于1。 磁場的場強(qiáng)也將影響原子核的能級(jí)分布，場強(qiáng)越高，處于磁能級(jí)的原子核與處于高能級(jí)的原子核的比值越高。 室溫、1.5T場強(qiáng)，處于低能級(jí)

7、低的氫原子核比處于高能級(jí)的原子核多百萬分之七。第12頁/共40頁第十二頁，共41頁。能級(jí)(nngj)躍遷 處于低能級(jí)的原子核吸收一定的能量，將從低能級(jí)變到高能級(jí)。 反之，處于高能級(jí)的原子核釋放一定的能量，將從高能級(jí)變到低能級(jí)。 這個(gè)(zh ge)能量是由電磁波提供，但并不是任意頻率的電磁波使原子核發(fā)生躍遷，而是某一個(gè)特定頻率的電磁波，這個(gè)(zh ge)頻率就是拉莫頻率。第13頁/共40頁第十三頁，共41頁。凈磁化(chu)矢量 絕大部分原子核自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的小磁場由于處于不同的能級(jí)而相互抵消。 沒有抵消的小磁場（磁矩）的總和(zngh)稱為凈磁化矢量M，核磁共振信號(hào)就是由凈磁化矢量產(chǎn)生的。凈磁化矢量

8、 凈磁化矢量的的初始方向是與主磁場B0相同，設(shè)其為Z方向，記作MZ。 方向第14頁/共40頁第十四頁，共41頁。進(jìn)動(dòng)(jn dn) 當(dāng)凈磁化矢量與磁場方向有一個(gè)夾角時(shí)，磁化矢量將以磁場方向?yàn)檩S繞轉(zhuǎn)，這種轉(zhuǎn)動(dòng)稱為進(jìn)動(dòng)。進(jìn)動(dòng)1 進(jìn)動(dòng)2 繞轉(zhuǎn)的頻率稱為進(jìn)動(dòng)頻率，記作。 這個(gè)進(jìn)動(dòng)頻率等于(dngy)使原子核發(fā)生躍遷所需電磁波的頻率，即拉莫頻率。第15頁/共40頁第十五頁，共41頁。B1場 如果沒有外界影響，凈磁化矢量M將始終沿著Z方向，若想使M與Z軸有夾角，就必須施加外界影響，這就是B1場。 B1場是由線圈通電(tng din)產(chǎn)生的，其方向平行于X軸。線圈中加載的是交流電，其頻率是拉莫頻率。 B1場

9、1 加載B1場后，凈磁化矢量將繞著B1場的方向（X軸）進(jìn)動(dòng)。同時(shí)繞主磁場的B0（Z軸）進(jìn)動(dòng)。 雙向進(jìn)動(dòng)第16頁/共40頁第十六頁，共41頁。旋轉(zhuǎn)(xunzhun)坐標(biāo)系 平時(shí)常用的坐標(biāo)系稱為實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系，記作XYZ。 由上面的介紹可以看出(kn ch)，在加載了B1后，如果在實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系下觀察，M的運(yùn)動(dòng)是相當(dāng)復(fù)雜的，不便于進(jìn)一步研究。 為了便于研究，引入旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系XYZ，其X軸和Y軸以拉莫頻率繞Z軸旋轉(zhuǎn) 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 兩種坐標(biāo)系的Z軸是相同的。第17頁/共40頁第十七頁，共41頁。引入旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系導(dǎo)致(dozh)的結(jié)果 B1場的將不再沿X軸變化，而是方向和大小都不再變化。 B1場（XYZ) 加載B

10、1場后，凈磁化(chu)矢量M將不再繞Z軸進(jìn)動(dòng)，而是只繞著B1場（X軸）進(jìn)動(dòng)。進(jìn)動(dòng)（XYZ）第18頁/共40頁第十八頁，共41頁。90脈沖(michng)和180脈沖(michng) 理想情況下，如果B1場始終加載，凈磁化矢量M將不停的繞著X軸進(jìn)動(dòng)。 如果只是加載B1場一段時(shí)間，當(dāng)凈磁化矢量轉(zhuǎn)過一定角度是就停止加載B1場，稱作加載了一個(gè)脈沖(michng)。 如果凈磁化質(zhì)量M旋轉(zhuǎn)了90 ，稱作加載了90 脈沖(michng)。90脈沖(michng) 如果凈磁化質(zhì)量M旋轉(zhuǎn)了180 ，稱作加載了180脈沖(michng)。180脈沖(michng)第19頁/共40頁第十九頁，共41頁。MXY與核

11、磁共振(h c n zhn)信號(hào) 加載B1場前凈磁化矢量沿Z軸，記作M0 加載B1場后，凈磁化矢量M繞X軸進(jìn)動(dòng)，此時(shí)M與Z軸的夾角不為零，將產(chǎn)生在Z軸上的分量和在XY平面(pngmin)上的分量，分別記為MZ和MXY。 如果在X軸的方向放置一個(gè)線圈，那么MXY將切割線圈，產(chǎn)生核磁共振信號(hào)。切割線圈 產(chǎn)生信號(hào) 只有當(dāng)MXY不為零時(shí)，才有核磁共振信號(hào)！第20頁/共40頁第二十頁，共41頁。T1弛豫 在停止加載B1場后，凈磁化矢量會(huì)逐漸恢復(fù)到M0，這個(gè)過程叫做T1弛豫。 以90脈沖為例，加載90 脈沖后，M繞X軸旋轉(zhuǎn)90 ，此時(shí)(c sh)M完全在XY平面內(nèi)，即：MZ=0，MXY=M0，此后MZ逐漸

12、增大，直至恢復(fù)到初始狀態(tài)，即MZ=M0。 這個(gè)恢復(fù)過程的快慢是由T1值決定的，T1值與組織有關(guān)。第21頁/共40頁第二十一頁，共41頁。T1弛豫示意圖MzM0T1時(shí)間是MZ從0恢復(fù)到最大值M0的63%所用的時(shí)間63%第22頁/共40頁第二十二頁，共41頁。T2弛豫 加載90 脈沖后，在理想情況下，MXY在始終在Y軸上（不考慮T1弛豫）。理想情況 由于分子間相互作用等因素的影響，不同(b tn)位置的磁場大小會(huì)有一定的差別，這樣根據(jù)拉莫公式，處于不同(b tn)位置的凈磁化矢量的進(jìn)動(dòng)頻率就會(huì)略有差別，一部分進(jìn)動(dòng)的快一些，一部分進(jìn)動(dòng)的慢一些。 快 慢 隨著時(shí)間的增加，MXY會(huì)逐漸的分散，各部分互相

13、抵消，MXY逐漸減小，直至減為零，這個(gè)過程稱作散相。 這個(gè)恢復(fù)過程的快慢是由T2值決定的，T2值與組織有關(guān)。第23頁/共40頁第二十三頁，共41頁。T2弛豫過程(guchng)演示 整個(gè)(zhngg)過程第24頁/共40頁第二十四頁，共41頁。T2弛豫示意圖MxyT2時(shí)間(shjin)是當(dāng)MXY減小到初始值的37%時(shí)所用的時(shí)間(shjin)。 37%第25頁/共40頁第二十五頁，共41頁。T2*弛豫 T2弛豫只考慮(kol)了分子間相互作用對(duì)磁場的影響，實(shí)際上由于主磁場B0不可能處處相等，由于B0不均勻造成的MXY散相加快。 分子間相互作用和主磁場的不均勻性共同作用造成的MXY散相的過程稱為T

14、2*弛豫。第26頁/共40頁第二十六頁，共41頁。T1弛豫與T2*弛豫的關(guān)系(gun x) 對(duì)于任何組織，T1值都要大于T2值，更大于T2*的值。 在停止加載90 脈沖后，雖然T1弛豫和T2*弛豫是同時(shí)發(fā)生的，但T2*弛豫的速度(sd)要遠(yuǎn)大于T1弛豫的速度(sd)。 基本上可以認(rèn)為MXY先散相到0，MZ再逐漸恢復(fù)到最大值M0。 T1與T2*第27頁/共40頁第二十七頁，共41頁。FID最簡單(jindn)的核磁共振信號(hào) 加載90 脈沖后，MXY切割線圈(xinqun)，產(chǎn)生頻率為拉莫頻率的正玄信號(hào)。 正玄信號(hào) 由于T2*弛豫，MXY逐漸變小，產(chǎn)生的信號(hào)的幅度也就越來越小，但頻率始終保持不變，

15、這個(gè)信號(hào)就是FID信號(hào)。 FID信號(hào)第28頁/共40頁第二十八頁，共41頁。付利葉變換(binhun)（FT） 付利葉變換（FT）是一種數(shù)學(xué)方法，其作用(zuyng)是將時(shí)域上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成頻域上的數(shù)據(jù)。 付利葉變換第29頁/共40頁第二十九頁，共41頁。梯度磁場(cchng)-為什么需要梯度磁場(cchng) 如果(rgu)空間中所有的磁場都相等，即等于B0，那么空間中所有地方產(chǎn)生的信號(hào)的頻率都相同，其結(jié)果是無法分辨信號(hào)是由空間中的那一個(gè)點(diǎn)產(chǎn)生的，也就無法生成一幅平面的核磁共振圖像。 梯度磁場的作用就是使得空間中各點(diǎn)的磁場不同，根據(jù)拉莫公式，各點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)頻率也就不同，這樣就可以分辨出空間各點(diǎn)的信

16、號(hào)了。第30頁/共40頁第三十頁，共41頁。梯度磁場是怎樣(znyng)產(chǎn)生多的 梯度磁場是由梯度線圈產(chǎn)生的，三組梯度線圈分別產(chǎn)生X、Y、Z三個(gè)方向(fngxing)的梯度磁場，分別記作GX，GY，GZ。 梯度磁場是線性的，即梯度場強(qiáng)隨坐標(biāo)的增加而增大。 梯度場 梯度場強(qiáng)的單位是mT/m，例如GX=10 mT/米，意義是沿X軸坐標(biāo)增加1米，場強(qiáng)增加10mT。第31頁/共40頁第三十一頁，共41頁?？臻g(kngjin)編碼 在某一方向添加梯度磁場后，沿這個(gè)方向上各點(diǎn)的總磁場強(qiáng)度(cchng qingd)為： 主磁場場強(qiáng)B0+該點(diǎn)的梯度場強(qiáng) 在某一方向添加梯度磁場后，這個(gè)方向上各點(diǎn)的磁場強(qiáng)度(cc

17、hng qingd)就各不相同，且與坐標(biāo)值成線性關(guān)系。根據(jù)拉莫公式，各點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)頻率也就不同，這樣各點(diǎn)的信號(hào)頻率也就與坐標(biāo)成此線性關(guān)系，經(jīng)過付利葉變換確定各點(diǎn)信號(hào)的頻率后，就可也反推出該點(diǎn)的坐標(biāo) 。 第32頁/共40頁第三十二頁，共41頁。梯度(t d)磁場的分類 完成一幅完整的核磁共振圖像，需要三個(gè)方向的梯度磁場相互配合，作用各不相同，梯度磁場的作用分別為： 1. 選層梯度 2. 相位(xingwi)編碼 3. 頻率編碼第33頁/共40頁第三十三頁，共41頁。選層 核磁共振圖像是一種斷層成像，我們只需要我們選定的層面內(nèi)的信號(hào)，這就要求只有在我們選定的層內(nèi)的原子核被激發(fā)，即只有這些凈磁化矢量M施

18、加(shji)90 脈沖或其它角度的脈沖。 選層 為了達(dá)到這一目的，需要添加選層梯度。 添加了選層梯度磁場后，各層面內(nèi)的拉莫頻率就各不相同，這樣只有與B1場頻率相同的那一層內(nèi)原子核會(huì)被激發(fā)，形成90 脈沖或其它角度的脈沖。 第34頁/共40頁第三十四頁，共41頁。層厚的選擇(xunz) 兩個(gè)因素可以(ky)影響層厚的選擇： 1. 產(chǎn)生B1場的射頻脈沖的帶寬。 2. 選層梯度磁場的大小。第35頁/共40頁第三十五頁，共41頁。相位編碼(bin m)和頻率編碼(bin m) 添加選層梯度后，選定的層面內(nèi)的原子核被激發(fā)，為了分辨這一層內(nèi)各點(diǎn)的信號(hào)，需要(xyo)先后在不同的方向上添加相位編碼和頻率編碼。 添加相位編碼和頻率編碼的方法是在相位方向上和頻率方向上（可交換）先