第三章磁共振現(xiàn)象

1、核磁共振發(fā)現(xiàn) 1946年,諾貝爾物理學(xué)獎 1952年,頭部MRI投入臨床 1978年,全身MRI研制成功 1980年,諾貝爾物理學(xué)獎 2003年,磁共振譜分析(MRS) 19461972年,第三章 磁共振物理,布洛赫 USA 斯坦福大學(xué),珀塞爾 USA 坎伯利基哈佛大學(xué),1952年 諾貝爾物理學(xué)獎,第三章 磁共振物理,恩斯特R.R.Ernst 瑞士物理化學(xué)家,1991年諾貝爾化學(xué)獎,第三章 磁共振物理,第一節(jié) 原子核的磁矩,第二節(jié) 靜磁場中的磁性核,第四節(jié) 弛豫過程,第三章 磁共振物理,第五節(jié) 自由感應(yīng)衰減信號,第三節(jié) 磁共振,第六節(jié) 化學(xué)位移和磁共振譜,第一節(jié) 原子核的磁矩,一、原子核的自旋

2、,二、原子核的磁矩,三、物質(zhì)的磁性,四、用于磁共振成像的磁性核,描述物體運動狀態(tài)的物理量,方向,方向,一、原子核的自旋,角動量（動量矩）,右手螺旋判定,質(zhì)點角動量,自轉(zhuǎn)物體角動量,描述物體運動狀態(tài)的物理量,方向,方向,角動量（動量矩）,右手螺旋判定,一、原子核的自旋,自旋（spin）存在由于核內(nèi)核子具有固有角動量和軌道運動角動量，它們矢量和就是核自旋總角動量，習(xí)慣上稱為“原子核自旋（nuclear spin）” 。,一、原子核的自旋,核自旋LI是量子化的，取一系列不連續(xù)值,空間Z方向分量,對應(yīng)核自旋在外磁場中2I+1個可能取向,、-1、I-2、-I,一、原子核的自旋,不同原子核 自旋磁量子數(shù)不

3、同,一、原子核的自旋,核磁矩與核自旋關(guān)系,核因子,核自旋磁旋比,二、原子核的磁矩,描述自旋核在其周圍空間所產(chǎn)生的磁場特性,磁矩(magnetic moment),核磁矩Z分量,量子化核磁矩,JT -1,( ),二、原子核的磁矩,I、I-1、I-2、-I,三、物質(zhì)的磁性,鐵磁性物質(zhì),順磁物質(zhì),附加磁場與外磁場方向相同,附加磁場與外磁場方向相同 強度遠大于外磁場,鐵、鈷、鎳,物質(zhì)構(gòu)成,分子或原子,宏觀上,物質(zhì)有可能表現(xiàn),順磁性,逆磁性,逆磁性,外磁場作用下,附加磁場與外磁場方向相反,順磁物質(zhì)中同樣存在逆磁效應(yīng)，只是逆磁效應(yīng)比順磁效應(yīng)小得多,MRI造影劑(contrast agent) 大多是順磁物

4、質(zhì)或超順磁物質(zhì) 主要是釓、鐵、錳的大分子有機化合物 這些物質(zhì)本身不產(chǎn)生信號,信號來自氫原子核,三、物質(zhì)的磁性,四、用于磁共振成像的磁性核,自旋不為零的原子核都是磁性核，也只有磁性核才能和靜磁場相互作用產(chǎn)生磁共振。,但目前能用于臨床MRI的只有氫核。,生物組織中存在很多磁性核，如,一是磁性核在組織中的濃度 二是磁性核的相對靈敏度,影響磁共振信號強度兩個因素,一個水分子,十個核外電子,兩個氫核,一個氧核,一個滿殼層,五個電子對,自旋為0,偶偶核,核自旋為0,自旋為21/2,從磁矩方面考察相當(dāng) 于兩個“裸露”的氫核,水 分 子 的 磁 矩,四、用于磁共振成像的磁性核,四、用于磁共振成像的磁性核,一、

5、微觀描述,二、宏觀描述,第二節(jié) 靜磁場中的磁性核,磁矩 沿空間某幾個特定方向分布,無,有,靜磁場,一、微觀描述,1、取向和磁勢能,自旋核附加能量和核磁量子數(shù) 關(guān)系,共有2I1個可能值,I、I-1、I-2、-I,核磁矩 與 正方向成 角,一、微觀描述,1、取向和磁勢能,裂距(劈裂間距),一、微觀描述,1、取向和磁勢能,一、微觀描述,裂距(劈裂間距),1、取向和磁勢能,能級允許躍遷法則,相鄰能級躍遷能量只能等于,投照電磁波量子 = 裂距A,核強烈吸收電磁波能量,能級躍遷,共振吸收躍遷,自旋核在磁場中和射頻電磁波共振,一、微觀描述,1、取向和磁勢能,產(chǎn)生 NMR 時射頻電磁波頻率,一、微觀描述,1、

6、取向和磁勢能,磁性核和陀螺的旋進,一、微觀描述,2、旋進,原子核旋進稱為拉摩爾旋進（Larmor precession）,根據(jù)角動量定理,一、微觀描述,2、旋進,宏觀現(xiàn)象,可觀測的大量微觀粒子集體表現(xiàn),磁化強度矢量(magnetization vector),核磁矩矢量總和,本質(zhì)為磁矩,二、宏觀描述,能用于臨床磁共振成像的自旋核只有氫核（質(zhì)子），所以自旋核密度也即質(zhì)子密度（proton density）,自旋核密度（spin density）單位體積內(nèi)自旋核的數(shù)目或含量,宏觀總磁矩為零,熱運動,核磁矩 取向概率各向均等,磁化強度矢量 隨時間變化,宏觀總磁矩不為零,二、宏觀描述,1、靜磁場 時,

7、2、靜磁場 時,上喇叭筒-低能級 下喇叭筒-高能級,二、宏觀描述,周期運動物體，可用位置和速度來表征其運動狀態(tài)，但用相位（phase）來表征卻更方便。,微觀粒子在熱平衡（thermal equilibrium）狀態(tài)下服從玻爾茲曼分布(Boltzmann distribution)，即,二、宏觀描述,處于熱平衡狀態(tài)的高低能級核數(shù)之比為,溫度為300K，靜磁場場強為1T時，高能級粒子數(shù)與低能級粒子數(shù)之比為7/100萬,為順著靜磁場分布的 核磁矩 在Z軸上的分量的矢量和,二、宏觀描述,為順著靜磁場分布的 核磁矩 在Z軸上的分量的矢量和,病灶不同病理階段含水量不同即 核 不同則 不同,這是MRI診斷病

8、灶分期根據(jù)之一,越大 越大,溫度越高 越小,的大小與樣品內(nèi)自旋核的密度靜磁場 大小以及環(huán)境溫度有關(guān),二、宏觀描述,第三節(jié) 磁共振,二、磁共振的宏觀表現(xiàn),一、磁共振的基本原理,三、穩(wěn)態(tài)核磁共振,一、磁共振的基本原理,則處于低能態(tài)的氫核就會吸收電磁波能量躍遷到高能態(tài)（受激吸收），這就是所謂的核磁共振。,當(dāng)外界施加的電磁波的能量正好等于不同取向的氫核之間的能量差,醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域，核磁共振一般簡稱為磁共振,一、磁共振的基本原理,電磁波角頻率 等于核旋進角頻率,產(chǎn)生NMR時,如外界施加的電磁波的頻率為 ，,則不同取向的氫核間的能級差可表示成,一、磁共振的基本原理,要產(chǎn)生磁共振，除了施加的電磁波的頻率必須和

9、磁性核的旋進頻率相同外，對電磁波方向也有要求。我們知道，電磁波中既有磁矢量又有電矢量 ，而且 必須垂直于 ，磁共振中起作用的只有磁矢量,這對施加電磁波方向提出了要求。,一、磁共振的基本原理,磁共振中，所施加的電磁波又叫射頻波（radio frequence wave）,簡稱RF波，其含義是指該電磁波的頻率處于無線電波（radio）頻率范圍內(nèi)，而無線電波是可以發(fā)射出去再向各個方向傳播開來的，故稱射頻。RF波又常被稱為射頻脈沖（RF pulse）。 RF波只持續(xù)很短的一段時間（以ms計）。,核磁共振時,一、磁共振的基本原理,處于低能態(tài)的氫核數(shù)量 N1 處于高能態(tài)的氫核數(shù)量 N2,處于低能態(tài)氫核吸收

10、電磁波能量躍遷到高能態(tài),處于高能態(tài)的氫核釋放能量回到低能態(tài)的情況,（受激吸收),（受激輻射）,受激吸收,受激輻射,受激躍遷,發(fā)生幾率是相等,熱平衡狀態(tài)時,吸收大于總輻射,多于,外加射頻波,受激躍遷,樣品處于激發(fā)態(tài),熱平衡狀態(tài)被打破,熱弛豫躍遷過程,處于高、低能態(tài)上的氫核會與周圍環(huán)境（晶格）作用分別躍遷到低、高能態(tài)上。對于熱弛豫躍遷，由高能態(tài)躍遷到低能態(tài)的幾率，大于由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)的幾率。,一、磁共振的基本原理,共振吸收信號的強度就正比于樣品每秒吸收的能量,當(dāng)高、低能態(tài)上的氫核數(shù)之差隨時間的變化率為零時(dn/dt=0,n=N1-N2),系統(tǒng)達到動態(tài)平衡，可以持續(xù)觀察穩(wěn)定的核磁共振吸收現(xiàn)象,

11、受 激 躍 遷 高、低能態(tài)上氫核數(shù)之差趨向于零 熱弛豫躍遷 高、低能態(tài)上氫核數(shù)之差趨向于玻爾茲 曼熱平衡分布,如高、低能態(tài)上粒子數(shù)相等，樣品既不吸收能量也不輻射出能量，此時觀察不到連續(xù)核磁共振現(xiàn)象，此狀態(tài)稱為飽和態(tài)(saturation state)。,一、磁共振的基本原理,二、磁共振的宏觀表現(xiàn),由于靜磁場強度很大，而樣品的磁化強度矢量又很微弱，這就使得的檢測成為不可能,在射頻電磁波的作用下，樣品會發(fā)生磁共振，樣品的 也會偏離 方向,這也就使的檢測成為可能,磁共振的宏觀表現(xiàn)所要討論的也就是樣品 的變化規(guī)律,二、磁共振的宏觀表現(xiàn),1RF波的磁矢量-旋轉(zhuǎn)磁場,假定RF波的磁矢量 施加在 軸，其強度

12、的 變化規(guī)律為,，即RF波的頻率和磁性核的旋進頻率相同,0,二、磁共振的宏觀表現(xiàn),1RF波的磁矢量-旋轉(zhuǎn)磁場,交變磁場 可由兩個半徑為 、角速度為 的旋轉(zhuǎn)方向相反的磁場 疊加而成.,旋轉(zhuǎn)磁場的獲得,脈沖,角越大,獲能越多,半球面螺旋線,YZ平面劃四分之一圓周,球面螺旋線,YZ平面劃半個圓周,兩個基本脈沖,偏轉(zhuǎn) 角度,RF電磁波作用,脈沖,脈沖寬度越大,二、磁共振的宏觀表現(xiàn),2射頻波對樣品的激勵,RF電磁波頻率,正交入射,激勵樣品產(chǎn)生MR,如圖,提供旋轉(zhuǎn)磁場,二、磁共振的宏觀表現(xiàn),脈沖,二、磁共振的宏觀表現(xiàn),脈沖,二、磁共振的宏觀表現(xiàn),特定的條件下（ 1），磁化強度矢量 在靜磁場 、射頻場 和弛

13、豫的作用下會達到平衡，即,布洛赫方程（Bloch equation）描述了這種狀態(tài)下磁化強度矢量,不僅會受到靜磁場、射頻場的作用， 磁化強度矢量還處于弛豫過程當(dāng)中,核磁共振樣品的磁化強度矢量,三、穩(wěn)態(tài)磁共振,這時的核磁共振被稱為穩(wěn)態(tài)核磁共振,利用Bloch方程，樣品的磁化強度矢量在旋轉(zhuǎn)坐標系（xyz） 中的穩(wěn)態(tài)解可表示成：,=,式中 ， 。從上式可以得到磁化強度 矢量縱向分量的變化量 為,三、穩(wěn)態(tài)磁共振,第四節(jié) 弛豫過程,一、弛豫及其規(guī)律,二、弛豫的機制,一、 弛豫及其規(guī)律,1、弛豫,弛豫（ralaxtion是“松弛”、“放松”之意，是一種向原有平衡狀態(tài)恢復(fù)的過程。,縱向弛豫(longitud

14、inal ralaxtion)，是指縱向磁化 逐漸恢復(fù)為 的過程,橫向弛豫(transverse ralaxtion)，是指橫向磁化 逐漸衰減恢復(fù)為零的過程。,2、弛豫的規(guī)律,“自由旋進”,恢復(fù)熱平衡態(tài),射頻脈沖結(jié)束,僅受主磁場作用,一、 弛豫及其規(guī)律,弛豫中 和 隨時間變化規(guī)律,變化率正比于偏離平衡態(tài)的程度,Bloch方程,橫向弛豫時間,縱向弛豫時間,忽略RF 作用期間的弛豫,純弛豫過程,一、 弛豫及其規(guī)律,高能態(tài),基態(tài),激勵,弛豫,37% M0,63% M0,釋能,基態(tài),獲能,一、 弛豫及其規(guī)律,橫向弛豫時間,縱向弛豫時間,一、 弛豫及其規(guī)律,二、弛豫的機制,縱向弛豫,橫向弛豫,相對獨立,

15、0.63,T1,T2,900脈沖激勵后的弛豫過程,二、弛豫的機制,自旋核與晶格熱輻射相互作用,高能態(tài)低能態(tài)過渡釋放熱能,自旋-晶格弛豫,熱弛豫,1、縱向弛豫,自由旋進,作用,恢復(fù)熱平衡,增加,又稱自旋-晶格弛豫（spin lattic ralaxtion），是自旋核與周圍物質(zhì)相互作用交換能量的過程。,二、弛豫的機制,中的 核的 最長,病理分期,病灶不同階段含水量不同 不同,病灶定性,的影響因素,1、縱向弛豫,的影響因素,1、縱向弛豫,二、弛豫的機制,共振頻率段,不同分子中1H核有 不同的共振頻率值,溫度、粘度對 的影響,低溫、高粘,高溫、低粘,縮短,延長,環(huán)境溫度、粘度對T1的影響,二、弛豫的

16、機制,主磁場0.42.0T,主磁場 對 的影響,弛豫粒子數(shù)增多,弛豫時間延長,延長,增大,增大,值 ms數(shù)量級,順磁性環(huán)境,增強晶格自旋作用,較明顯縮短,1、縱向弛豫,二、弛豫的機制,2、橫向弛豫,局部磁場 各異,旋進頻率 不等,相位參差不一,最終均勻分布,作用,二、弛豫的機制,二、弛豫的機制,自旋核磁矩方向 由相對有序狀態(tài)向相對無序狀態(tài)過渡,核磁矩在聚焦方向分散,每個自旋核相互磁作用,本質(zhì),自旋自旋弛豫,2、橫向弛豫,二、弛豫的機制,與溫度、粘度無關(guān),主磁場大小相關(guān)不大,磁場不均勻性,順磁環(huán)境,明顯縮短,的影響因素,比 小一個數(shù)量級,磁場不均勻時的橫向弛豫時間,2、橫向弛豫,1.不同組織器官

17、弛豫時間顯著不同,2.同一組織器官不同病理階段弛豫時間顯著不同,MRI進行病理分期,MRI對軟組織及器官分辨能力,二、弛豫的機制,發(fā)生核磁共振后，樣品就會出現(xiàn)橫向磁化，橫向磁化在在xy平面的旋進就會使放置在xy平面上接收線圈產(chǎn)生感生電壓，這一感生電壓就是MR信號.,第五節(jié) 自由感應(yīng)衰減信號,可以是發(fā)生核磁共振時的共振吸收信號 也可以是核磁共振發(fā)生后自由旋進時的信號,MR信號,MR信號種類:,自由感應(yīng)衰減信號（free induced decay, FID） 自旋回波信號 反轉(zhuǎn)恢復(fù)信號 梯度回波信號等,自由感應(yīng)衰減信號（FID ）,自由旋進(無射頻場時磁化強度在恒定靜磁場中的旋進),接收線圈中角

18、頻率為 的感生電動勢幅值衰減,FID包含生物組織信息多,第五節(jié) 自由感應(yīng)衰減信號,磁化強度矢量 在自由旋進的情況下所產(chǎn)生的MR信號,自由感應(yīng)衰減（FID ）,第五節(jié) 自由感應(yīng)衰減信號,第五節(jié) 自由感應(yīng)衰減信號,一.只有橫向磁化才能產(chǎn)生MR信號, 要測量縱向磁化, 必須將 其翻轉(zhuǎn)到平面上來； 二.900脈沖作用下FID信號的初始幅度正比于M0； 三.質(zhì)子密度相同, T2時間較長組織橫向磁化衰減較慢，組織 FID信號較高，反之則較低； 四.質(zhì)子密度相同，在T1時間較短的組織縱向磁化恢復(fù)的快， FID信號較高，反之則較低； 五.影響FID信號強度因素T1、T2和質(zhì)子密度 ，所以磁共振成 像是多參數(shù)成

19、像。,第六節(jié) 化學(xué)移位和磁共振譜,一、化 學(xué) 移 位,二、 MRS分析,三、 “自由水”、“結(jié)合水” 及其MRS,測試樣品自旋核共振頻率,標準樣品自旋核共振頻率,化學(xué)位移是核磁共振波譜分析的主要對象,化學(xué)位移（Chemical shift）,一、化 學(xué) 移 位,均勻靜磁場中，處于不同化學(xué)環(huán)境下的同一種自旋核會受到不同磁場B的作用，因而會有不同的共振頻率，這種共振頻率的差異稱為化學(xué)位移（chemical shift）,化學(xué)位移另一定義,B、Bs 分別表示維持 RF 電磁波頻率不變，測試樣品、標準物質(zhì)中同類自旋核發(fā)生NMR所需要外磁場的大小。,很小, ppm數(shù)量級磁共振波譜分析不僅要求靜磁場場強高

20、于1.5T，而且對磁場均勻度要求更高,一、化 學(xué) 移 位,縱坐標 共振吸收強度,橫坐標 共振頻率,自旋核的共振頻率及其MR吸收信號強度變化的曲線,唯一可觀察載體細胞代謝變化的非損傷檢測技術(shù),1、 MRS,二、MRS分析,如圖 乙基苯的質(zhì)子譜線,乙基苯有C6H6、CH2、CH3三個原子團,三個原子團中氫核結(jié)合狀態(tài)不同,三種氫核產(chǎn)生 三條共振吸收譜線,乙基苯的質(zhì)子核共振譜線,1、 MRS,譜線位移程度不同,二、MRS分析,NMR靈敏度,MRS 限制因素,人體自旋核密度高低 1H、31P、13C、19F、23Na,靈敏度最高的是1H，其次為31P、19F、23Na、13C,應(yīng)用臨床 1H-MRS，31P-MRS,自旋核密度,2、MRS分析,二、MRS分析,一.化合物有自己特有的共振吸收峰的頻率位置 二.從共振吸收峰頻率位置知道每種質(zhì)子所處電