磁共振成像原理

第九章核磁共振成像原理2内容导航一、引言二、核磁共振的基本原理三、核磁共振的检测参数四、核磁共振信号的采集五、核磁共振成像方法六、小结与作业3一、引言核磁共振成像是利用原子核在磁场内共振所产生的信号经重建成像的一种技术。特点：无创伤，无电离；无机械运动，任意截面成像；多个参数成像T1，T2，密度。4一、引言T1ContrastTE=14msTR=400msT2ContrastTE=100msTR=1500msProtonDensityTE=14msTR=1500ms多参数成像5一、引言T1ContrastTE=14msTR=400msT2ContrastTE=100msTR=1500msProtonDensityTE=14msTR=1500ms多截面成像6一、引言1945年两个独立小组在几天内同时发现核磁共振现象：1）BlochStanford大学（1946）PhysicsReview69,127；2）PurcellMIT,（1946）PhysicsReview69,37核磁共振现象的发现：7一、引言FelixBloch1905-1983StanfordUniversityEdwardMillsPurcell1912-1997MIT1952NobelPrizeforPhysics8一、引言1973年2个独立小组利用磁场梯度解决空间信息获取的问题：图像形成1）Lauterbur,StateUniversityofNewYork（85年Univ.ofIllinois）(1973)Nature242,7362）Mansfield,NottinghamUniversity(1973)J.Phys.C6,L422核磁共振现象的成像应用：9一、引言2003NobelPrizeinPhysiologyorMedicineLauterbur,1929Mansfied193310一、引言Damadian1969，提出MRscanner的设想；1971，“tumordetectingbyMR”,T1,T2；1977，第一台MRI；1978，Fonar公司；1980，上市11一、引言RaymondDamadian与第一台MRI装置（1977）“TheShamefulWrongthatmustberighted”12Damadian申请的专利世界上第一张MRI图像实事求是地讲，Damadian应该算是最早把核磁共振用于生物医学研究的人之一。早在1970年他便把从人身上切除的肿瘤移植到老鼠身上，并观察到携带肿瘤的老鼠的核磁共振信号发生了变化。这一结果发表在1971年的《科学》杂志上。13一、引言Damadian的工作直接启发了Lauterbur对成像技术的研究，Lauterbur在认识到这一发现的医学价值的同时，也敏锐地意识到如果不能进行空间上的定位，核磁共振在临床应用的可能性微乎其微。于是便有了那篇1972年发表在《自然》杂志上的著名文章。而且，Damadian前瞻性地预言了核磁共振作为临床诊断工具的可能性。14二、核磁共振的基本原理核磁共振是自旋的原子核在磁场中与电磁波相互作用的一种物理现象。人体组织和其他物体一样，也是由分子、原子组成。组成人体的元素有C、O、H、Ca、P及其他微量元素，这就为利用人体中的元素进行成像检测提供了物质基础。15二、核磁共振的基本原理原子核由质子和中子组成，质子带有正电荷，自旋将产生一个小磁场，称为磁矩。中子自旋时也会产生磁矩（约为质子磁矩的2/3）。对于质子和中子总数为奇数的原子核，存在明显的自旋磁矩，即存在发生核磁共振现象的可能性。比如。113192331,,,,HCFNaP自旋16二、核磁共振的基本原理氢原子核只有一个自旋的质子，结构最单纯，又能提供最强的核磁共振信号，目前磁共振成像主要利用人体内的氢原子核。1H无外磁场时，自旋质子的取向是随机的，当把它放在磁场中时，将按磁场方向取向，可能倾向南极，也可能倾向北极。17二、核磁共振的基本原理ElectronProton电子质子氢原子核1H18二、核磁共振的基本原理在磁场中，质子倾向于北极的比倾向于南极的要多，因为向北点的质子处于低能级，更稳定一些。向北和向南的质子能级间有一个能量差。当磁力和热力使磁针达到平衡状态时，产生了净磁化。该磁化过程可以表示为时间的指数函数：1/0(1)tTMMe（9-1）19二、核磁共振的基本原理表示物质核磁共振性质的一个重要参数，与磁场强度、温度和粘滞度有关。T1不仅表示从激发态回到平衡态需要多少时间，也表示进行磁化需要的时间。指时间足够长时的净磁化强度。驰豫时间T1磁化强度的最大值M020二、核磁共振的基本原理B核在磁场中磁针保持南、北向的百分比，与磁场强度和随机热效应的相对比值有关在任一瞬间，磁针取向都是使其持南、北向的磁力和使之随机取向的热力的平衡结果21二、核磁共振的基本原理进动是磁共振成像中另一个非常重要的概念，用它来表示质子在磁场中的磁化过程。类似于重力作用下的自旋陀螺的进动，外磁场与质子磁矩相互作用也会产生使之进动的扭力，使自旋的质子绕磁场轴进动。进动也称为拉莫(Larmor)进动22二、核磁共振的基本原理P：动量矩T：力矩μ：磁距质子进动与陀螺进动的类比23二、核磁共振的基本原理质子的进动24二、核磁共振的基本原理在观察的样本磁化后，如果再对它施加一个与主磁场垂直的交变磁场，当这个交变磁场的频率与进动频率一致时，原来处于随机相位的进动质子将趋于同相（相位相干）。当质子的进动相位完全一致时，就发生了共振现象，即核磁共振。发生共振时，质子大量吸收交变场的能量，同时向外辐射能量。核磁共振25二、核磁共振的基本原理经典力学观点带正电荷且具有自旋的核会产生磁场，该自旋磁场与外加磁场相互作用，将会产生进动。进动频率与自旋核角速度及外加磁场的关系可用拉莫尔方程表示：核磁共振的解释0B（9-2）γ：旋磁比，B0为外加磁场的强度。26二、核磁共振的基本原理当进动的质子在射频场的作用下出现相位相干时，净磁化向量M0将偏离z轴，并绕着z轴以共振频率进动。此时的磁化向量可以分解为一个z方向的垂直分量Mz和一个在平面旋转的水平分量Mxy。x0yzB0B0ωtωtB1+=B1eiωtB1_=B1e-iωtyxB1=2B1~cost27二、核磁共振的基本原理B0μy’x’B1_z’0θθ增加，势能增加，能量增量由外加交变磁场提供；θ减小，势能减小，能量交给外加交变磁场；仅当交变磁场角频率满足ω=γB=ω0时才发生此种能量交换；此时μ与B1_绕z轴同步旋转—〉核磁共振现象交变磁场引起磁矩变化28二、核磁共振的基本原理量子力学观点施加外磁场：质子指南或指北，刚开始时，指南指北数量相同，净磁化向量为零，随时间推移，开始磁化过程，最终慢慢地趋向于最大平衡值M0，变化过程可由自旋－晶格驰豫时间T1表示。无外磁场：质子随机指向；29二、核磁共振的基本原理共振时：能量由无线电波提供，并且外加射频波量子的能量正好与指南、指北质子之间的能量差相等。质子在两个能级（指北能级低）之间是翻动的，能量来回转移。从能级低的位置吸收能量后跃至较高能级，较高能级的质子释放能量到达较低能级。平衡态时：运动能量由热运动提供；30二、核磁共振的基本原理产生共振所需射频信号的频率是与外加磁场的强度有关的。外加磁场强度越大，指南指北质子能量差越大，产生共振所需的射频信号的频率或能量越大。只要激励射频场的频率和能量合适，就能产生共振。规律31二、核磁共振的基本原理在短时激励脉冲过后，质子将继续辐射同样频率的射频能量。这个信号的衰减过程被检出，可以用于磁共振成像，即自旋－自旋驰豫时间T2。根据量子力学理论，指南指北质子间的能量差取决于外加磁场B0和自身的磁矩μ：02EB（9-3）32二、核磁共振的基本原理发生共振的条件是：指南指北质子间的能量差等于射频波光子的能量，即02EBh（9-4）这样，共振频率为：02Bh（9-5）33二、核磁共振的基本原理共振角频率为：00042[]/4BvBBhh（9-6）可见，共振频率与磁场强度成正比，从量子力学推出的共振关系式与从经典力学推出的关系式是完全一样的！34三、核磁共振的检测参数核磁共振时，共振（同相进动），净磁化矢量M0偏离z轴以共振频率绕z轴旋转，可以分解为垂直矢量Mz和横向矢量Mxy；首先要明确质子的三个运动状态：无外磁场时，自旋，磁矩随机指向；有外磁场时，进动，磁矩指南或指北，净磁化矢量M0；35三、核磁共振的检测参数能提供能量使M0旋转180o的射频脉冲称为180o脉冲。激励共振的两个射频脉冲：能提供能量使M0旋转90o的射频脉冲称为90o脉冲；180o脉冲比90o脉冲持续时间长一倍或者振幅大一倍。36三、核磁共振的检测参数对磁化的质子施加适当频率的射频脉冲后，质子趋向同相运动。在射频脉冲存在期间，磁化向量在快速绕z轴进动的同时，慢慢地绕x轴旋转（90o或180o）；当射频场消失后，质子的相位相干现象逐渐消失，磁化向量慢慢地回到主磁场的方向。磁化向量的这种衰减过程叫做自由感应衰减(FID)。自由感应衰减过程检测信号就是从自由衰减过程中提取。37三、核磁共振的检测参数其中，横向磁化向量横向分量的衰减时间称为横向驰豫时间T2，纵向分量的增长时间称为纵向驰豫时间T1。不同的化学物质，具有不同的T1和T2。实际情况中，横向磁化分量比理想情况的衰减快得多。自由感应衰减信号自由感应衰减信号的强度与质子密度和驰豫时间有关。38三、核磁共振的检测参数自由感应衰减信号39三、核磁共振的检测参数自旋－晶格驰豫时间T140三、核磁共振的检测参数自旋－自旋驰豫过程41三、核磁共振的检测参数自旋－自旋驰豫时间T242三、核磁共振的检测参数T1的大小与外加磁场强度有关43三、核磁共振的检测参数T1加权图像（脑部）T2加权图像（脑部）44四、核磁共振信号的采集用射频信号激励样本后产生的横向磁化向量将最终决定磁共振信号的强度。通常采集信号的办法是采用一个特定时序的脉冲序列来激励，不同形式的脉冲激励将直接影响磁共振图像的灰度、对比度等。通过特定时序的脉冲序列采集信号：常用的脉冲序列有三种：部分饱和序列倒转恢复序列自旋回波序列45四、核磁共振信号的采集由一系列等间隔的90o射频脉冲组成，数据采集紧跟着每个90o脉冲进行。部分饱和序列下，检测信号的强度为：1/()(1)RTTINHe（9-7）对于某一特定物质，TR增大，信号强度增大；TR相同时，T1越短，检测到的信号越强。部分饱和序列46四、核磁共振信号的采集Mz的恢复过程47四、核磁共振信号的采集指一个180o射频脉冲后紧跟一个90o脉冲，两个脉冲的间隔时间为TI，每组脉冲间的时间间隔为TR。在倒转恢复序列激励下，MRI信号的强度为：11//()(12)IRTTTTINHee（9-8）倒转恢复序列激励时，图像对T1的变化更敏感，精度高，测量范围大。倒转恢复序列48四、核磁共振信号的采集倒转恢复脉冲序列49四、核磁共振信号的采集指一个90o脉冲紧跟着一个180o脉冲组成的脉冲序列。180o脉冲可以维持相位相干现象，使横向磁化分量出现多个峰值（衰减）－自旋回波。其中，外磁场决定自旋回波的宽度，内磁场决定自旋回波的高度。自旋回波序列当TITR时，自旋回波序列激励的信号为：12//()(1)RETTTTINHee（9-8）50四、核磁共振信号的采集式中，TE为回波延迟时间。可见，增大脉冲重复时间TR和缩短回波延迟时间TE都能提高自旋回波的强度。自旋回波序列的缺点：分子的扩散过程影响测量的精度，测量时间比较长。51四、核磁共振信号的采集自旋回波脉冲序列52四、核磁共振信号的采集信号强度与这些参数的具体关系由所采用的脉冲序列决定；从观察样本的某一个体元中接收的MRI信号的强度与质子密度、纵向驰豫时间T1，横向驰豫时间T2有关；自由感应信号只提供样本的T1信息，自旋回波信号则同时提供T1和T2的信息。53五、核磁共振成像方法层面选