核磁共振成像原理

第二章核磁共振成像原理1一、核磁共振现象•1）核磁共振信号的产生•2）经典电磁学解释核磁共振二、核磁共振图像•1）信号的空间定位•2）图像的重建三、核磁共振成像脉冲序列•1)基本成像序列•2)序列参数对图像权重的影响原子的结构电子原子核原子的表示质子中子注：原子序数=质子数=核外电子数=核电荷数质量数A=质子数Z+中子数N哪些原子核可以产生NMR信号？原子核的自旋角动量称为核自旋(nuclearspin;I)，它的值是由未成对的质子和中子的自旋角动量所构成，只有三种可能：（1）I=0[质量数及原子序数均为偶数]无NMR信号（2）I为整数，[质量数为偶数，原子序数为奇数]产生NMR信号（3）I为半整数，[质量数为奇数]产生NMR信号在临床用上，以氢质子为主，主要是因其含量最多，共振能力也最强，其他常用的核有13C,19F，23Na及31P哪些原子核可以产生NMR信号？质量数（a）原子序数（Z）自旋量子（I）例子奇数奇或偶25,23,21,,2111HI715919613,,NFC8171735511,25,,,23OIClBI偶数偶数01632816612,,SOC偶数奇数1，2，3„„51071412,3,,,1BINHI自旋量子数不为零的核都具有磁矩79270.21H70216.013C核磁子=eh/2Mc；I为自旋量子数)1(IIg核磁矩：spinr/2π(MHz/T)自然產率(%)體內含量相對靈敏度1H1/242.5899.98100M113C1/210.711.10810mM3×10-314N13.0899.6310mM2×10-719F1/240.0510010mM9×10-523Na3/211.2610080mM1×10-331P1/217.2310010mM4×10-539K3/21.9993.145mM1×10-4各种MR核的对比1.核磁共振信号的产生质子自旋产生磁场?核=核=N自旋的原子核NS自旋核的磁效应65%H2O核65%H2O临床磁共振成像通常选择：氢核磁共振成像常用原子核有：•发电；•带动马达；•磁带、录像带；•磁盘；•音响；•MRI的核心。磁磁场的大小•单位：Tesla(T)；•1T=10000Gs•地球磁场的大小：0.00005T；•冰箱表面的磁场，保持你最喜爱的手指画不掉的大小约为0.1T；•MRI中常用到的主磁场为0.1T到1.5T，并且要求在容的下人体的空间内保持均一性，这一点在技术较难做到；用来制造磁共振仪器的磁铁永磁体优点:便宜、易操作维护缺点：磁场均匀性差、强度不够大常导磁体优点：造价低、比永磁体轻、缺点：磁场强度和均匀性无法提高、耗电，需冷却超导磁体优点：磁场强度及均匀度很好，耗电量小、不需冷却缺点：造价高、维护费用高核子群正常情况下，质子处于杂乱无章的排列状态净磁矩为0核+磁B0MZ质子群系统置入静磁场中,净磁矩不为0，朝着磁场方向两个能级上的质子并非禁止排列，而是飞速运动进动(Precession)质子在静磁场中以进动方式运动这种运动类似于陀螺的运动质子进动陀螺运动核+磁拉莫进动核磁矩平行磁场分量无效果垂直磁场分量绕磁场旋转静磁场中磁化矢量进动旋磁比磁场强度拉莫尔频率拉莫尔方程进动频率(PrecessionFrequency)00B拉莫尔方程其中ω0：进动的频率（Hz或MHz）B0：外磁场强度(单位T，特斯拉)。γ：旋磁比；质子的为42.58MHz/T。当具有磁矩的原子核存在于磁场中时，有两件事情同时发生（1）、拉莫尔进动（2）、能级分裂核+磁它们仅在平行或反平行于外磁场两个方向上排列107+7:107平行反平行能级分布不同能级上分布的核数目可由Boltzmann定律计算：磁场强度2.3488T；25C；1H的共振频率与分配比：kThkTEkTEENNjijiexpexpexp两能级上核数目差：1.610-5；MHz00.10014.323488.21068.2280B共振频率999984.0KKJssJ2981038066.11000.10010626.6exp1123634jiNNBoParrallel平行Anti-parrallel1million1.5T10proton机械共振UUUUUU单音叉机械共振UUUUUU单音叉机械共振hv核磁共振吸收现象：连续波核磁共振就是检测吸收峰，直接获得频谱图；连续波核磁共振仪器优势质子的纵向磁化矢量相互叠加，体现出纵向磁化Mz。优势质子的横向磁化矢量分量相互抵消，因此横向磁化为零Mxy。假设静磁场B0的方向为Z方向质子在静磁场中的宏观磁化Y2、经典电磁学解释核磁共振E.Purcell1946F.Bloch1946宏观磁化强度矢量M0宏观上，质子置入磁场内会产生：（1）微弱的排列方式差别（2）横向磁化矢量为0，纵向磁化矢量不为0，且沿着磁场方向正是由于有了看似很微弱的排列方式差别才有了核磁共振这门新科学，才有了今天利用核磁共振来为人类谋福利，也才有了核磁共振成像这一医学科学领域内最有生命力的科学技术如果把病人置于磁体中，人体也会感应出磁化矢量，通过该矢量就可以对组织进行分析，但是该磁化矢量方向与外磁场一致，我们不可能测量出其值，我们需要获取一个不沿外磁场方向的磁化矢量。对放入静磁场的质子群施加一射频脉冲将会出现什么现象呢？经典电磁学观点—Bloch核感应现象ZXYM如果在X方向添加一个静磁场B1，会出现什么现象？B1回顾平行磁场分量无效果垂直磁场分量绕磁场旋转ZXYM如果在X方向添加一个静磁场B1，会出现什么现象？B1如果磁场B1随进动同速度一起旋转，站在磁场B1的角度看，相当于进动停止。思考：会出现什么现象？ZXYMB1讨论：如何能够得到旋转的B1？r在X或Y方向(垂直主磁场方向)上，施加和进动频率相等的电磁波RFpulse（射频脉冲）。射频脉冲激励下M0的运动90度射频脉冲的作用：使磁化矢量以射频场为轴做进动；以进动的角度定义射频脉冲，如90度脉冲、180度脉冲、α脉冲等；90°pulse,180°pulse“90°pulse”“180°pulse”硬脉冲FT强而窄；频带宽；非选择性激励；脉宽决定了激励频带范围，脉宽越窄，带宽越宽；一般要求τ尽量小，故往往满功率输出；通过调整脉宽τ来实现射频角度的调节。硬脉冲的脉冲宽度的倒数对应着其频谱主瓣的一半τ1软脉冲弱而宽，频带窄，选择性激励；带宽由脉宽决定（反比关系）；τ不可调，因此通过调整输出功率进行调节角度；2软脉冲主瓣的宽度一半的倒数对应着其频谱宽度如果此时去掉RF脉冲，质子将会恢复到原来状态，当然恢复有一个时间过程，这个过程就叫弛豫过程。弛豫Relaxation：松弛、舒张、放松自然界的一种固有属性；即任何系统都有在外界激励撤销后回到原本（原始、平衡）状态的性质；这种从激励状态回到平衡状态的过程就是弛豫过程。弛豫快慢：用弛豫时间T来进行度量1、从高能级向低能级跃迁放出能量，纵向磁化逐渐增加---纵向弛豫过程（T1弛豫过程）2、相位分散，横向磁化矢量逐渐减小---横向弛豫过程（T2弛豫过程）弛豫过程是激励过程的反过程因此也包括2个分过程：如果施加与进动频率相等的射频频率，则质子会吸收射频脉冲的能量。质子向高能跃迁，使纵向磁化变小；质子进动初始相角同步，产生横向磁化激励过程a、射频结束瞬间，纵向磁化为零，横向磁化最大b、反平行质子释放能量跃迁回平衡态，纵向磁化逐渐增大c、最后回归原始状态，纵向磁化恢复到最大纵向弛豫过程a、射频结束瞬间，横向磁化达到最大,进动相位一致b、c、内部小磁场的不均匀性使得进动相位分散，横向磁化矢量逐渐减小d、最终相位完全分散，横向磁化矢量为零横向弛豫过程弛豫纵向弛豫（自旋-晶格弛豫）过程的本质是自旋原子核把从射频脉冲吸收的能量通过与周围晶格的作用传递给周围物质，实现自身能量释放，而从高能级返回至低能级。横向弛豫（自旋-自旋弛豫）过程的本质是质子进动相位的一致性逐渐散相（即逐渐失去相位一致性）的过程，其散相的有效程度与质子所处的周围分子结构的均匀性有关。纵向恢复时间T1是由于被激发的反平行于静磁场的质子恢复到平行状态，所以纵向磁化增大。弛豫快慢遵循指数递增规律，把从0增大到最大值的63%的所需时间称定义为纵向驰豫时间(T1)。弛豫时间T纵向弛豫时间T1T1与静磁场的强度大小有关，一般静磁场强度越大，T1就大T1长短取决于组织进行能量传递的有效性。一般大分子（如生物蛋白）和小分子（如水）由于共振频率与拉莫尔频率差别较大，对能量传递有效性差，因此T1较长。上图中白线表示的脑脊液的t1为3秒。中等分子（如脂肪）的共振频率接近于拉莫尔频率，能量传递越有效，因此T1较短。上图中红线代表的脑白质的t1为0.9秒横向恢复时间T2是由于相位同步质子的又开始变得不同步,所以横向磁化减小。弛豫快慢遵循指数递减规律，把从最大下降到最大值的37%的时间定义为横向弛豫时间(T2)。组织T2时间的分析T2的长短取决于组织内部的局部小磁场的均匀性对小磁化散相的有效性。T2与磁场强度无关。不同成分和结构的组织T2不同，例如水的T2值要比固体的T2值长。一般组织分子的大小均匀性越好（如水），散相效果越差，则T2越长；上图中红线白线代表的脑脊液其T2为2秒；组织分子的大小越不均匀（如肌肉），散相越快，则T2越短；上图中白线代表的脑白质其t2为0.1秒；几种常见组织在不同场强下的T1，T2及质子密度值组织T1T2质子密度(%)0.2T1.0T1.5T脂肪240------609.6白质3906207187610.6灰质4908109989110.6脑脊液14002500300014010.8肌肉370730860509.3补充说明3点•组织的弛豫时间是组织的一种固有属性，与组织的密度类似，在场强和环境确定后其时间是一个确定不变的值；•病变组织相对于正常组织的一个典型变化是含水量增加；由于水具有长T2和长T1值，因此病变组织的T2时间比正常组织的长；（Damadian发表在Science上的文章）；•如果能将上面的T2时间差别体现在图像的灰度差别，则能够达到区分正常组织和病变组织的目的，完成对疾病的诊断；弛豫过程的综合表示（三种运动的综合过程）磁化矢量的进动纵向磁化的逐渐增大过程横向磁化的逐渐减小过程横向弛豫时间T2*T2弛豫是主磁场绝对均匀情况下的横向弛豫，是组织的固有弛豫，又称为本征弛豫。自然界中任何磁体产生的磁场都具有不均匀性。考虑主磁场不均匀和组织内部局部磁场不均匀而造成的组织横向磁化发生弛豫的过程为T2*弛豫。21102*2BTT主磁场均匀性越低，T2*越短，弛豫越快，FID信号的拖尾越短核磁共振信号的检测原始幅值正比于横向磁化矢量的大小，即正比于翻转前瞬时的纵向磁化矢量；振荡频率与磁化矢量切割线圈的频率，即与拉莫尔频率相同；衰减包络线遵循以样品的T2*时间为指数的衰减规律。*2/00)(e)cos(sinTtttMV磁共振信号为什么是指数衰减的、正弦变化的？宏观磁化弛豫轨迹MR信号检测示意图自由感应衰减信号幅值：检测时Mxy；频率：拉莫尔频率；衰减：T2*磁共振信号为什么是指数衰减的、正弦变化的？在实验室坐标系看到的效果在旋转坐标系看到的效果旋转坐标系与实验室坐标系不同旋转坐标系下的FID信号旋转坐标系与实验室坐标系傅立叶变换的作用：复杂的时间域信号简单的频率域信号傅立叶变换Amplitude第二章核磁共振成像原理72一、核磁共振现象•1）核磁共振信号的产生•2）经典电磁学解释核磁共振二、核磁共振图像•1）信号的空间定位•2）图像的重建三、核磁共振成像脉冲序列•1)基本成像序列•2)序列参数对图像权重的影响1、磁共振信号的空间定位MRS：MRSpectroscopyMRI：MRImagingMRR:MRR