核磁共振成像

關(guān)于核磁共振成像第一頁，共三十一頁，2022年，8月28日概圖核磁共振發(fā)展史醫(yī)用MRI儀器及通用系統(tǒng)框圖核磁共振成像優(yōu)缺點核磁共振成像目前取得巨大進(jìn)展核磁共振基本物理原理核磁共振成像原理核磁共振成像子系統(tǒng)及功能參考文獻(xiàn)第二頁，共三十一頁，2022年，8月28日1924年：Pauli

預(yù)言了NMR

的基本理論,斯特恩和蓋拉赫在原子束實驗中觀察到了鋰原子和銀原子的磁偏轉(zhuǎn)。斯特恩等人測量了質(zhì)子的磁距1939年：拉比第一次做了核磁共振實驗1946年：Harvard大學(xué)的Purcel和Stanford大學(xué)的Bloch各自首次發(fā)現(xiàn)并證實NMR現(xiàn)象1953年：Varian開始商用儀器開發(fā)，同年制作了第一臺高分辨NMR儀1956年：Knight發(fā)現(xiàn)元素所處的化學(xué)環(huán)境對NMR信號有影響,且與物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)有關(guān)1970年：Fourier-NMR開始市場化（早期多使用的是連續(xù)波NMR儀器）1973年：核磁共振技術(shù)被引入醫(yī)學(xué)臨床檢測1991年：Ernst高分辨核磁共振波譜學(xué)方法方面2002年：瑞士核磁共振波譜學(xué)家維特里希，用多維NMR技術(shù)在測定溶液中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維構(gòu)象方面的開創(chuàng)性研究2003年：美國科學(xué)家勞特勞爾于1973年發(fā)明在靜磁場中使用梯度場，能夠獲得磁共振信號的位置，可以得到物體的二維圖像；英國科學(xué)家曼斯菲爾德進(jìn)一步發(fā)展，指出磁共振信號可以用數(shù)學(xué)方法精確描述，他發(fā)展的快速成像方法為醫(yī)學(xué)磁共振成像臨床診斷打下了基礎(chǔ)。核磁共振發(fā)展史第三頁，共三十一頁，2022年，8月28日2003年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授予美國科學(xué)家勞特布爾（圖左）和英國科學(xué)家曼斯菲爾德（圖右）

1952年諾貝爾物理學(xué)獎授予美國科學(xué)家布洛赫（圖左）和波賽爾（圖右）1991年諾貝爾化學(xué)獎授予瑞士物理學(xué)家艾斯特1944年諾貝爾物理學(xué)獎授予美國科學(xué)家拉比2002年諾貝爾化學(xué)獎授予美日瑞士三國科學(xué)家芬恩

（圖左），田中耕一（圖中），維特里希（圖右）

1943年諾貝爾物理學(xué)獎授予美國科學(xué)家斯特恩核磁共振發(fā)展史第四頁，共三十一頁，2022年，8月28日醫(yī)用核磁共振成像儀器及通用系統(tǒng)框圖引用：第五頁，共三十一頁，2022年，8月28日核磁共振成像優(yōu)缺點成像條件有信號、獲取信號、處理信號及圖像重建。MRI的特點

數(shù)學(xué)、核物理、電磁學(xué)、電子學(xué)、計算機(jī)、生理解剖學(xué)、超導(dǎo)技術(shù)、材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷等等從宏觀到微觀的各個領(lǐng)域；MRI應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的優(yōu)勢利用人體氫質(zhì)子的MR信號成像，從分子水平提供診斷信息；任意截面成像；軟組織圖象更出色；不受骨偽影的影響；無電離輻射,一定條件下可進(jìn)行介入MRI治療MRI的局限性成像速度慢（相對于X-CT而言）對鈣化灶和骨皮質(zhì)灶不敏感圖像易受多種偽影影響禁忌癥：心臟起搏器及鐵磁性植入者等定量診斷困難第六頁，共三十一頁，2022年，8月28日回波平面成像（echoplannar

maging,EPI），使MR的成像時間大大縮短，可在100～200ms內(nèi)得到高分辨率的圖像。

磁共振血管造影（magnetic

resonance

angiography，MRA），不需要造影劑即可得到血管造影像，優(yōu)于CT和X線血管造影。還有磁共振的灌注和滲透加權(quán)成像，不僅提供了人體組織器官形態(tài)方面的信息，還提供了功能方面的信息。

磁共振成像介入，有良好的組織對比度，可以精確地區(qū)分病灶的界面、確定目標(biāo)；亞毫米級空間分辨率便于病灶定位和介入引導(dǎo)；多層和三維空間成像允許全方位地觀察重要的解剖結(jié)構(gòu)；快和超快速的成像序列能夠?qū)ι磉\動、介入器具和介入引起的變化進(jìn)行近似實時的觀察。

消除偽影的技術(shù)，如空間預(yù)飽和、梯度磁矩衡消和快速成像等技術(shù)，可有效消除人體的生理運動如呼吸、血流、腦脊液脈動、心臟跳動、胃腸蠕動等引起的磁共振圖像的偽影。

核磁共振成像目前取得巨大進(jìn)展第七頁，共三十一頁，2022年，8月28日核磁共振基本物理原理磁場中的核能級間距:研究對象:自旋量子數(shù)≠0的原子核Larmor頻率:磁場中核能級分裂:自旋角動量:第八頁，共三十一頁，2022年，8月28日熱平衡，各能級粒子數(shù)服從玻爾茲曼分布，宏觀磁化強(qiáng)度M：對氫原子核磁共振研究核磁共振基本物理原理第九頁，共三十一頁，2022年，8月28日旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（xy平面均勻分布，相互抵消）:一個核：多個核：核磁共振基本物理原理-Larmor進(jìn)動

第十頁，共三十一頁，2022年，8月28日核磁共振信號的弛豫自旋體系可以與周圍環(huán)境相互作用在低能態(tài)上的核躍遷到高能態(tài)的同時，高能態(tài)的核向周圍環(huán)境轉(zhuǎn)移能量，及時地恢復(fù)到低能態(tài)，核體系仍然保持低能態(tài)核數(shù)目比高能態(tài)微弱過剩的熱平衡狀態(tài)，維持玻爾茲曼分布，從而保證了共振吸收的繼續(xù)進(jìn)行這種不經(jīng)過輻射而回到低能態(tài)的過程叫弛豫自旋核從共振激發(fā)狀態(tài)恢復(fù)到平衡狀態(tài)所需要的時間為弛豫時間弛豫時間及自由感應(yīng)衰減信號（FID）第十一頁，共三十一頁，2022年，8月28日受激發(fā)射：

在電磁波作用下，處于高能級的粒子回到低能級，發(fā)出頻率為的電磁波，因此電磁波強(qiáng)度增強(qiáng)的現(xiàn)象。玻爾茲曼分布表明，在平衡狀態(tài)下，高低能級上的粒子數(shù)分布由下式?jīng)Q定：從激發(fā)狀態(tài)恢復(fù)到Boltzmann平衡的過程就是馳豫過程馳豫（relaxation）種類弛豫時間及自由感應(yīng)衰減信號（FID）第十二頁，共三十一頁，2022年，8月28日縱向馳豫（spin-latticerelaxation）

自旋-晶格馳豫或T1馳豫縱向馳豫是自旋的原子核與周圍分子（晶格）之間交換能量的過程，磁性核的能量隨之降低縱向馳豫的結(jié)果：高能級的核數(shù)目減少，就整個自旋體系來說，總能量下降縱向馳豫過程所經(jīng)歷的時間用T1表示，T1越小、縱向馳豫過程的效率越高，越有利于核磁共振信號的測定。

馳豫（relaxation）種類注：晶格是泛指包含有自旋核的整個自旋分子體系，也可以說它是構(gòu)成質(zhì)子和原子的外在環(huán)境弛豫時間及自由感應(yīng)衰減信號（FID）第十三頁，共三十一頁，2022年，8月28日橫向馳豫（spin-spinrelaxation）又稱自旋-自旋馳豫或T2馳豫自旋核與自旋核之間能量交換的過程即自旋的原子核進(jìn)動相位的一致性逐漸散相的過程，其快慢與周圍同種核的均勻性有關(guān)橫向弛豫的結(jié)果：交換能量的兩個核的取向被掉換，各種能級的核數(shù)目不變，核體系的總能量不變。橫向馳豫過程所需時間以T2表示，一般的氣體及液體樣品T2為1秒左右。馳豫時間決定核在高能級上的平均壽命T，由下式知T取決于T1及T2之較小者弛豫時間及自由感應(yīng)衰減信號（FID）第十四頁，共三十一頁，2022年，8月28日橫向馳豫——相位發(fā)散的過程橫向馳豫過程中，各種取向的核總數(shù)沒有變化，是一個相位發(fā)散的過程。在均勻磁場中，被激發(fā)的瞬間，核具有相同的進(jìn)動頻率。在自旋—自旋耦合的作用下，導(dǎo)致頻散，失去同步，進(jìn)而產(chǎn)生相散。局部磁場的非均勻性會改變質(zhì)子的進(jìn)動頻率，進(jìn)而加速相散，加快橫向馳豫。第十五頁，共三十一頁，2022年，8月28日弛豫時間及自由感應(yīng)衰減信號（FID）

自旋-晶格弛豫時間（T1）核磁共振中，自旋體系因受到射頻波的激勵而失去平衡射頻場關(guān)斷后，借自旋-晶格弛豫而恢復(fù)玻爾茲曼平衡。弛豫快慢遵循指數(shù)遞增規(guī)律，把從0增大到最大值的63%所需時間定義為縱向馳豫時間影響T1時間的因素T1與靜磁場的強(qiáng)度大小有關(guān)，一般靜磁場強(qiáng)度越大，T1就大T1長短還取決于組織進(jìn)行能量傳遞的有效性大分子、小分子的共振頻率與拉莫爾頻率差別較大，能量傳遞有效差，T1較長中等分子（脂肪）的共振頻率接近于拉莫爾頻率，能量傳遞有效好，T1較短第十六頁，共三十一頁，2022年，8月28日自旋-自旋弛豫時間（T2）特點是能量交換在相同的自旋核之間進(jìn)行，因而弛豫的效率非常高。生物組織的T2值在30~150ms之間。一般情況下T1>T2（T1約為T2的4~10倍）。橫向恢復(fù)時間T2是由于相位同步的質(zhì)子開始變得不同步,所以橫向磁化減小。弛豫快慢遵循指數(shù)遞減規(guī)律，把從最大下降到最大值的37%的時間定義為橫向馳豫時間(T2)。弛豫時間及自由感應(yīng)衰減信號（FID）影響T2的因素不同成分和結(jié)構(gòu)的組織T2不同，例如水的T2值要比固體的T2值長。T2與磁場強(qiáng)度無關(guān)T2的長短取決于組織內(nèi)部的局部小磁場的均勻性對小磁化散相的有效性均勻性越好（水），散相效果越差，T2越長；越不均勻（肌肉），散相越快，T2越短第十七頁，共三十一頁，2022年，8月28日組織弛豫生物學(xué)意義組織含水量組織含水量是決定組織間弛豫率差異的主要因素。含水量下降則弛豫加快，反之弛豫變慢。任何使組織水量變化的化學(xué)物理環(huán)境均可導(dǎo)致組織弛豫的變化。水的雜亂運動不同的大分子可對其表面上水分子的運動產(chǎn)生不同程度的擾亂，使附件水的運動狀態(tài)發(fā)生變化，這是造成T1，T2差異的另一個重要原因。脂肪的含量脂肪具有疏水性，使其中的氫質(zhì)子得以與水中的氫質(zhì)子分開。當(dāng)脂肪與肌肉和肝臟等組織或器官一起分布時，仍能表現(xiàn)出很好的弛豫特性來是MRI具有極高軟組織對比度的組織學(xué)基礎(chǔ)。順磁性粒子的作用順磁粒子對核磁共振的弛豫有很大影響。在樣品中摻入少量順磁粒子，由于其總磁矩不為零，它所產(chǎn)生的局部場要比自旋核的強(qiáng)得多。如此強(qiáng)的局部場會使自旋核的弛豫加快。第十八頁，共三十一頁，2022年，8月28日空間定位核磁共振成像原理頻率編碼梯度（Gf）相位編碼梯度（Gp）原理：用一個梯度磁場作為層面選擇梯度（sliceselectgradient），確定掃描層面，然后用另外兩個梯度磁場來確定層面內(nèi)的坐標(biāo)位置。通過三個梯度的不同組合，MRI可以實現(xiàn)任意層面斷層成像選層梯度磁場（Gs）引用：correctionofrotationalmotionartifactsinmagneticresonanceimaging第十九頁，共三十一頁，2022年，8月28日空間定位-選層梯度原理圖RF的頻帶寬度與梯度場強(qiáng)度共同決定層厚選層的厚度取決于兩個因素：選層梯度的強(qiáng)度（梯度場的斜率）、激勵射頻的頻率范圍（射頻帶寬）層厚與射頻帶寬成正相關(guān)：射頻頻率范圍越大，能夠激發(fā)的質(zhì)子層面越厚，反之越薄核磁共振成像原理第二十頁，共三十一頁，2022年，8月28日核磁共振成像原理空間定位-頻率編碼原理圖利用Gx和Gy對該層面內(nèi)的x和y方向進(jìn)行平面內(nèi)的空間定位,Gx和Gy分別叫做頻率編碼梯度（frequencyencodinggradient）和相位編碼梯度（phaseencodinggradient）第二十一頁，共三十一頁，2022年，8月28日利用相位編碼梯度造成氫核有規(guī)律的相位差，利用該相位差來確定體素在某一個方向的空間位置信息核磁共振成像原理空間定位-相位編碼原理第二十二頁，共三十一頁，2022年，8月28日核磁共振成像的種類：T1成像、T2成像、密度成像最常用的圖像重建算法：FFT（快速傅里葉變換）自旋回波序列信號：將人體組織發(fā)出的微弱核磁共振信號重建成二維斷面圖像點成像法：對每個組織體素信號逐一進(jìn)行測量成像的方法線成像法：一次采集一條掃描線數(shù)據(jù)的方法面成像法：同時采集整個斷面數(shù)據(jù)的方法體成像法：施加兩維的相位編碼梯度和一維的頻率編碼梯度同時對組織進(jìn)行整個三維體積的數(shù)據(jù)采集和成像方法（不使用選層梯度進(jìn)行面的選擇）核磁共振成像原理磁共振圖像重建第二十三頁，共三十一頁，2022年，8月28日核磁共振成像原理K空間MRI成像時，需要多次射頻激發(fā)采集多行數(shù)據(jù)，將采集到的原始信號數(shù)據(jù)填入到一個矩陣中，稱為K空間該空間內(nèi)的數(shù)據(jù)對應(yīng)的是空間位置的空間頻率數(shù)據(jù)利用該空間內(nèi)的數(shù)據(jù)經(jīng)過傅里葉反變換，可以得到圖像數(shù)據(jù)K空間中的數(shù)據(jù)點陣與圖像的點陣不是一一對應(yīng)的，每一個點包括了全層信息第二十四頁，共三十一頁，2022年，8月28日二維成像是用方向正交的相位編碼梯度和頻率編碼梯度進(jìn)行空間編碼三維成像是利用三個相互正交的磁場梯度實現(xiàn)空間編碼，它增加一個與層面方向垂直的相位編碼梯度以實現(xiàn)第三個方向上的空間編碼。一次性激勵整個成像容積三維圖像重建或容積成像是通過擴(kuò)展二維成像平面中的空間編碼方向來實現(xiàn)的核磁共振成像原理核磁共振成像圖像重建第二十五頁，共三十一頁，2022年，8月28日核磁共振成像系統(tǒng)根據(jù)核磁共振的基本原理結(jié)合計算機(jī)斷層圖像重建原理而開發(fā)的一種影像診斷設(shè)備線圈向樣品發(fā)射電磁波，通過調(diào)制振蕩器使射頻電磁波的頻率在樣品共振頻率附近連續(xù)變化。當(dāng)頻率正好與核磁共振頻率吻合時，射頻振蕩器的輸出就會出現(xiàn)一個吸收峰。同時由頻率計即刻讀出這時的共振頻率值探頭置于磁極之間，用于探測核磁共振信號譜儀是將共振信號放大處理并顯示和記錄下來核磁共振成像各系統(tǒng)框圖及連接引用：百度圖片—關(guān)鍵詞“核磁系統(tǒng)”第二十六頁，共三十一頁，2022年，8月28日磁體類型永磁型磁體:0.15~0.5T維護(hù)費用小,熱穩(wěn)定性差;常導(dǎo)型磁體:

0.20~0.