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核磁共振成像MagneticResonanceImaging MRI 1133 目录 发展历史核磁共振基本原理核磁共振信号的弛豫自由感应衰减 FID 信号核磁共振成像及其系统常用射频脉冲序列实验内容附录 核磁共振分类 核磁共振波谱学 NMR 化学位移核磁共振成像学 MRI 全称 NuclearMagneticResonanceImaging Larmor频率原子核化学位移 结构测定 功能团 J 偶合 结构测定 原子的相关性 偶极偶合 结构测定 空间位置关系 弛豫 动力学 结构确定化学鉴定聚合物特性测定药品开发催化研究 定义 原子核在外加恒定磁场作用下产生能级分裂 从而对特定频率的电磁波发生共振吸收的现象 迄今为止众多科学家因核磁共振领域的研究获得诺贝尔奖1924年 Pauli预言了NMR的基本理论 有些核同时具有自旋和磁量子数 这些核在磁场中会发生分裂 斯特恩和盖拉赫在原子束实验中观察到了锂原子和银原子的磁偏转 随后斯特恩等人测量了质子的磁距 斯特恩于1943年获得诺贝尔物理奖 1939年 拉比第一次做了核磁共振实验 并于1944年获得诺贝尔物理奖1946年 Harvard大学的Purcel和Stanford大学的Bloch各自首次发现并证实NMR现象 并于1952年分享了诺贝尔物理奖1953年 Varian开始商用仪器开发 并于同年制作了第一台高分辨NMR仪1956年 Knight发现元素所处的化学环境对NMR信号有影响 而这一影响与物质分子结构有关1970年 Fourier pilsed NMR开始市场化 早期多使用的是连续波NMR仪器 1973年 核磁共振技术被引入医学临床检测1991年 Ernst获1991年诺贝尔化学奖 高分辨核磁共振波谱学方法方面 2002年 瑞士核磁共振波谱学家维特里希 由于用多维NMR技术在测定溶液中蛋白质结构的三维构象方面的开创性研究 而获2002年诺贝尔化学奖 同获此奖的还有一名美国科学家和一名日本科学家2003年 美国科学家劳特劳尔于1973年发明在静磁场中使用梯度场 能够获得磁共振信号的位置 从而可以得到物体的二维图像 英国科学家曼斯菲尔德进一步发展了使用梯度场的方法 指出磁共振信号可以用数学方法精确描述 从而使磁共振成像技术成为可能 他发展的快速成像方法为医学磁共振成像临床诊断打下了基础 诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家劳特布尔和英国科学家曼斯菲尔德 以表彰他们在核磁共振成像技术领域的突破性成就 核磁共振发展史 2003年诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家劳特布尔 图左 和英国科学家曼斯菲尔德 图右 1952年诺贝尔物理学奖授予美国科学家布洛赫 图左 和波赛尔 图右 1991年诺贝尔化学奖授予瑞士物理学家艾斯特 1944年诺贝尔物理学奖授予美国科学家拉比 2002年诺贝尔化学奖授予美日瑞士三国科学家芬恩 图左 田中耕一 图中 维特里希 图右 1943年诺贝尔物理学奖授予美国科学家斯特恩 核磁共振成像发展史 1946年美国哈佛大学的E Purcell及斯坦福大学的F Bloch领导的两个研究小组各自独立地发现了磁共振现象 Purcell和Bloch共同获得1952年诺贝尔物理学奖1968年Jockson试制全身磁共振1971年美国纽约州立大学的R Damadian利用磁共振波谱仪对小鼠研究发现 癌变组织的T1 T2弛豫时间比正常组织长1973年美国纽约州立大学的Lauterbur利用梯度磁场进行空间定位 获得两个充水试管的第一幅磁共振图像1978年英国取得了第一幅人体头部的磁共振图像1980年第一副人体胸腹部MR图像产生 磁共振设备商品化1982年底全世界有2000名病例接受MRI检查1984年美国FDA批准核磁共振使用于临床1986年中国成立安科公司1998年世界磁共振成像年 医用核磁共振成像仪器 核磁共振成像优缺点 1 成像条件有信号 获取信号 处理信号及图像重建 2 MRI的特点与意义高 尖 新 高科技 边缘科学 发展迅速 产生了14位诺贝尔奖金获得者 综合性 数学 核物理 电磁学 电子学 计算机 生理解剖学 超导技术 材料科学 医学诊断等等从宏观到微观的各个领域 生命意义 科技的双刃剑作用 3 MRI应用于医学的优势利用人体氢质子的MR信号成像 从分子水平提供诊断信息 任意截面成像 软组织图象更出色 不受骨伪影的影响 无电离辐射 一定条件下可进行介入MRI治疗4 MRI的局限性成像速度慢 相对于X CT而言 对钙化灶和骨皮质灶不敏感图像易受多种伪影影响禁忌症 心脏起搏器及铁磁性植入者等定量诊断困难 核磁共振基本原理 磁场中的核能级间距 核磁共振的研究对象 自旋量子数 0的原子核 本实验对象为1H核 Larmor频率 磁场中核能级分裂 0 53T磁场中的1H1核的共振频率 本实验的情况 自旋角动量 在磁场中热平衡时 各能级粒子数服从玻尔兹曼分布 宏观磁化强度M 常温 I 1 2 T 300K B0 0 53T 平衡时 Larmor进动 旋转坐标系中 一个核 多个核 磁化强度M的绝热章动 核磁共振信号的弛豫 自旋体系可以与周围环境相互作用 在低能态上的核跃迁到高能态的同时 高能态的核向周围环境转移能量 及时地回复到低能态 核体系仍然保持低能态核数目比高能态微弱过剩的热平衡状态 维持玻尔兹曼分布 从而保证了共振吸收的继续进行 这种不经过辐射而回到低能态的过程叫弛豫 relaxation 驰豫的概念 驰豫 relaxation 种类受激发射 在电磁波作用下 处于高能级的粒子回到低能级 发出频率为 的电磁波 因此电磁波强度增强的现象 Boltzmann分布表明 在平衡状态下 高低能级上的粒子数分布由下式决定 自发辐射的几率与能级差成正比 从激发状态恢复到Boltzmann平衡的过程就是驰豫过程 纵向驰豫是自旋的原子核与周围分子 晶格 之间交换能量的过程 磁性核的能量随之降低纵向驰豫的结果 高能级的核数目减少 就整个自旋体系来说 总能量下降纵向驰豫过程所经历的时间用T1表示 T1越小 纵向驰豫过程的效率越高 越有利于核磁共振信号的测定 纵向驰豫又称自旋 晶格驰豫 spin latticerelaxation 或T1驰豫 晶格是泛指包含有自旋核的整个自旋分子体系 也可以说它是构成质子和原子的外在环境 液体晶格本身也在运动 液体中组成晶格的原子和分子主要有旋转 振动和平移三种热运动方式 由此而产生瞬息万变的 具有各种频率的交变磁场如果其中之一的频率与某一自旋核的进动频率相同 处于高能态上的核就有可能把能量转移给这个交变磁场 即传递到晶格中去 自身则弛豫到低能态这种保持玻尔兹曼过剩的机理叫自旋 晶格弛豫 自旋 晶格弛豫 纵向弛豫 自旋核与自旋核之间进行能量交换的过程即自旋的原子核进动相位的一致性逐渐散相的过程 其快慢与周围同种核的均匀性有关横向弛豫的结果 交换能量的两个核的取向被掉换 各种能级的核数目不变 核体系的总能量不变 横向驰豫过程所需时间以T2表示 一般的气体及液体样品T2为1秒左右 驰豫时间决定了核在高能级上的平均寿命T 由于 所以T取决于T1及T2之较小者 横向驰豫又称自旋 自旋驰豫 spin spinrelaxation 或T2驰豫 横向驰豫 相位发散的过程 横向驰豫过程中 各种取向的核总数 统计意义上 没有发生变化 只是一个相位发散的过程 相位发散 在理想的均匀磁场中 所有被激发的核都具有相同的进动频率 激发瞬间 整齐地震荡某一频率上的质子群的进动频率 在自旋 自旋耦合的作用下 发生变化 导致频散 失去同步 进而产生相散 局部磁场的非均匀性 如H20形成的偶极子场 会改变质子的进动频率 进而加速相散 加快横向驰豫 关闭射频电磁波后 样品的宏观磁化矢量 纵向磁化矢量和横向磁化矢量 将恢复到加射频电磁波之前的平衡状态 这一恢复状态的过程称为弛豫 T1弛豫和T2弛豫 该恢复过程的快慢用弛豫时间描述 相应的有T1弛豫时间和T2弛豫时间 弛豫过程 以90 硬脉冲为例 自旋 晶格弛豫时间 T1 核磁共振中 自旋体系因受到射频波的激励而失去平衡射频场关断后它又借自旋 晶格弛豫而恢复玻尔兹曼平衡 核系统这种从共振激发到恢复平衡所需要的时间称为自旋 晶格弛豫时间 在生物组织中 的值在几百毫秒到数秒之间 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 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 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 影响T1时间的因素 自旋 自旋弛豫时间 T2 自旋 自旋弛豫的特点是能量交换在相同的自旋核之间进行 因而弛豫的效率非常高 生物组织的T2值在30 150ms之间 可见一般情况下T1 T2 T1约为T2的4 10倍 横向恢复时间T2是由于相位同步的质子又开始变得不同步 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 的时间定义为横向驰豫时间 T2 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 a b c d 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 T2与磁场强度无关 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 一般组织分子的大小均匀性越好 如水 散相效果越差 T2越长组织分子的大小越不均匀 如肌肉 散相越快 T2越短 影响T2的因素 弛豫时间T1和T2的长短反映了自旋核周围的环境情况 1 场强依赖性 没有理想的均匀B0 2 与晶格的分子大小 物理状态等有关 3 温度依赖性 影响弛豫时间的总因素 在MRI中T1和T2时间的测定 其意义远不如X射线CT扫描中CT值测定的意义大 T1和T2仅可作为鉴别诊断的参考值 时域 频域 FID Freeinductiondecay 信号 核磁共振的信号是一个自由振荡衰减的信号 宏观磁化矢量弛豫轨迹 通过自由振荡衰减 FID 信号确定Larmor频率 硬脉冲 非选择性激发 软脉冲 选择性激发 实验中测弛豫时间的RF脉冲序列 反转恢复序列测T1CPMG序列T2 反转恢复序列测T1 T1拟合 CPMG序列T2 T2拟合 核磁共振的物理图象 在垂直于主磁场的方向施加与拉莫尔频率一致的射频电磁波 则样品的宏观磁化矢量在以为轴进动的同时 还以为轴章动 使得样品的宏观磁化矢量的运动轨迹为球面螺旋线 空间定位是利用三个相互垂直 可控的线性梯度磁场结合选择性激发的软脉冲来实现 选层梯度磁场 Gs 频率编码梯度 Gf 相位编码梯度 Gp 核磁共振成像 空间定位 数字灰度图像是由像素组成 每一个像素是平等的 且具备两个参数 像素的位置信息 与受检体的体素信息实现一一对应 人体内的空间位置像素的灰度值 与该体素的某种组织参数实现比例对应 等效使用 可以互换 选层梯度原理图 RF的频带宽度与梯度场强度共同决定层厚 选层的厚度 层厚 取决于两个因素 选层梯度的强度 梯度场的斜率 激励射频的频率范围 射频带宽 层厚与射频带宽成正相关 射频频率范围越大 能够激发的质子层面越厚 反之越薄 频率编码原理图 沿选定层面内的X方向叠加一线性梯度 Gf 磁场 可使沿X方向质子所处磁场线性变化 从而共振频率线性变化 将采集的信号经傅里叶变换即可得到信号频率与X方向位置的线性一一对应关系 相位编码原理示意图 任意两个体素内的质子不可能具有完全相同的频率和相位 二者最多只能有一个参数是相同的 还有一些梯度场不起空间定位作用 主要有 相位平衡梯度 快速散像梯度 重聚相速度 核磁共振图像 MRI 重建 核磁共振成像的种类 T1成像 T2成像 密度成像 图像重建算法 FFT 自旋回波序列信号 将人体组织所发出的微弱的核磁共振信号重建成一幅二维断面图像的方法 点成像法 对每个组织体素信号逐一进行测量成像的方法 敏感点法和场聚焦法 线成像法 一次采集一条扫描线数据的方法 敏感线 线扫描及多线扫描 化学位移 面成像法 同时采集整个断面数据的方法 投影重建法 各种平面法 2D FFT变换 体积成像法 施加两维的相位编码梯度和一维的频率编码梯度同时对组织进行整个三维体积的数据采集和成像方法 不使用选层梯度进行面的选择 K空间 核磁共振成像图像重建 二维成像是用方向正交的相位编码梯度和频率编码梯度进行空间编码三维成像是利用三个相互正交的磁场梯度实现空间编码 它增加一个与层面方向垂直的相位编码梯度以实现第三个方向上的空间编码 一次性激励整个成像容积三维图像重建或容积成像是通过扩展二维成像平面中的空间编码方向来实现的 成像面术语 核磁共振成像系统 根据核磁共振的基本原理结合计算机断层图像重建原理而开发的一种影像诊断设备 磁体子系统 计算机系统 射频子系统 梯度场子系统 扫描控制子系统谱仪子系统 核磁共振的体系结构 场强大小 高场 1 0T 中场0 5T M 1 0T 低场 0 5T 成像范围 局部专用NMRI系统 全身NMRI系统 磁体子系统 磁体类型永磁型磁体0 15 0 5T维护费用小 热稳定性差常导型磁体0 20 0 4T重量轻 检修方便 超导型磁体0 30 3 0T磁场强度和均匀度高 稳定主要性能指标主磁场强度 B0 B0增加 提高图像的信噪比磁场均匀性 特定容积限度内磁场的同一性磁场稳定性 稳定性是衡量磁场漂移的指标孔腔大小 内径 65cm 但太大增大逸散磁场 降低均匀性 射频子系统 射频发射单元 信号接收单元 射频线圈的主要性能指标 信噪比 灵敏度 射频均匀性 品质因素 填充系数 有效范围 梯度磁场子系统 层面选择 频率编码 相位编码 梯度磁场的主要参数 线性 均匀容积 梯度磁场的启动时间 梯度磁场的强度 谱仪及计算机系统 自旋回波序列成像 杭椒的T1成像空间分辨 0 15mm 硬脉冲FID确定Larmor频率及90 180 硬脉冲的脉宽 水加玉米样品 反转恢复序列 CPMG序列测量T1 T2 水加玉样品 软脉冲射频宽度 水加玉米样品 核磁共振成像 自旋回波序列 玉米 花生等 实验内容 实验要点 标准样品 纯水 结构单一 信号强 测化学位移时 用小口径试管时分辨更好探头上小孔用于调谐 用网络分析仪监测 可将现有谱仪改造成氟谱电子匀场时 对水样品的FID信号 不要有鼓包成像时D0取200毫秒 快速成像D1 SW NE1之间有比例关系 默认比例 1000微秒 100kHz 128GxAmp GyAmp GzAmp 为三个方向的梯度值 该值越大 则梯度越大 相应的选层越薄 此时RG可取大些反演过程中用对数布点 不要用均匀布点 实验前请认真阅读注意事项 思考题 产生NMR共振的基本关系是什么 怎样满足这一关系 NMR实验中共用了几种磁场 各起什么作用 附录 MRI的发展目的 方向及热点 发展目的 缩短成像时间提高图像质量降低成像费用更舒适 人性化的受检环境发展方向 原理方面 开发研究新的成像参数 温度 压强 导电率 粘滞度 弹性等软件方面 开发新的脉冲序列硬件方面 高温超导材料研究 4K技术 高灵敏线圈研发等应用技术方面 血管造影技术 心脏电影 介入MRI治疗 增强剂技术等 发展热点 fMRI 功能磁共振成像 主要指脑功能磁共振成像MRS 磁共振波谱分析 化学位移 核磁矩 元素确定 体内化学成分分析 新的成像核素的开发 如31P专用小型磁共振的开发 如关节磁共振 站立式磁共振 主要MRI厂家 国际 PHILIPSG ESIEMENSHITACHIMARCONI 原PICHER TOSHIBA 国内 东大阿尔派 沈阳 安科 深圳 麦迪特 深圳 鑫高益 宁波 万东 北京 威达 广东 第一台MRI装置 1977 MRI MagneticResonanceImaging MRI MRI X CT ECT US对比 宏观弛豫通常是指磁化强度矢量M的弛豫过程 relaxationprocess 它是医学磁共振成像中所说的弛豫 是上述两种弛豫的宏观反应 M弛豫的时间常数T1和T2就是上面所说的T1和T2 宏观弛豫 处于热平衡的核系统 受外界作用 磁化强度矢量M会偏离平衡位置一个角度 外场停止后 受激核系统从受激的不平衡态向平衡态恢复的过程称为弛豫过程 M的弛豫过程就是核系统的弛豫过程 磁化强度矢量的弛豫过程 磁化强度矢量M的弛豫应该包括两个方面 一 Mz 即纵向分量的恢复 称为纵向弛豫 T1 二 Mxy 即横向分量的消失 称为横向弛豫 T2 90 激励脉冲作用后宏观磁化矢量M的弛豫示意图 磁化强度矢量的弛豫过程 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 弛豫过程图示 弛豫的开始时间 弛豫和激励不是两个分开的过程只要B1场一开启 M偏离