医学成像技术课件-NMR

MedicalImagingTechnology核磁共振角动量与进动原子核的自旋及磁矩微观核磁共振核磁共振现象的宏观描述MedicalImagingTechnology角动量与进动角动量angularmomentum右手螺旋定理MedicalImagingTechnology角动量与进动MedicalImagingTechnology原子核的自旋及磁矩原子的结构核子：质子和中子自旋(Pauli,1924)MedicalImagingTechnology原子核的自旋及磁矩质子带正电荷，它们像地球一样在不停地绕轴旋转，并有自己的磁场。核子的自旋核子的自旋角动量：核子的固有角动量与轨道角动量的矢量和。MedicalImagingTechnology原子核的自旋及磁矩核子的磁矩MedicalImagingTechnology原子核的自旋及磁矩磁性和非磁性原子核并非所有原子核的自旋运动均能产生核磁，根据原子核内中子和质子的数目不同，不同的原子核产生不同的核磁效应。如果原子核内的质子数和中子数均为偶数，则这种原子核的自旋并不产生核磁，我们称这种原子核为非磁性原子核。反之，我们把自旋运动能够产生核磁的原子核称为磁性原子核。磁性原子核需要符合以下条件：（1）中子和质子均为奇数；（2）中子为奇数，质子为偶数；（3）中子为偶数，质子为奇数。详见Page100MedicalImagingTechnology原子核的自旋及磁矩氢核用于人体磁共振成像的原子核为氢核（1H），选择1H的理由有：（1）1H是人体中最多的原子核，约占人体中总原子核数的2/3以上；（2）1H的磁化率在人体磁性原子核中是最高的。1H是氢原子核，仅有一个质子而没有中子，由于人体MR图像一般采用1H作为成像对象，因此除非特殊说明，一般所指的MR图像即为1H的共振图像。MedicalImagingTechnology微观核磁共振当将自旋核子置于外磁场B中会怎样？什么是共振？什么是核磁共振？MedicalImagingTechnology微观核磁共振当将自旋核子置于外磁场B中的两个效应：核绕B旋进能级劈裂MedicalImagingTechnology微观核磁磁共振核绕B旋进v:进动动频率（（Larmor频率率），Hzγ：磁旋旋比，Hz/TB0：外磁场场强度,T对于1H，当B0＝＝1T时时，v约为42.5MHZLarmor方方程MedicalImagingTechnology微观核磁磁共振能级劈裂裂核子在外外磁场中中的排列列MedicalImagingTechnology微观核磁磁共振共振音叉的共共振物理学上上，共振振被定义义为能量量从一个个振动着着的物体体传递到到另一个个物体，，而后者者以前者者相同的的频率振振动。从从这个概概念可以以看出，，共振的的条件是是相同的的频率，，实质是是能量的的传递。。MedicalImagingTechnology微观核磁磁共振共振交换换能量MedicalImagingTechnology微观核磁磁共振核磁共振振NuclearMagneticResonance(NMR)给处于主主磁场中中的样品品施加射射频电磁磁波，如如果该射射频电磁磁波的能能量正好好等于原原子核能能级劈裂裂的间距距时，就就会出现现样品中中的核子子强烈吸吸收电磁磁波能量量，从劈劈裂后的的低能级级向相邻邻的高能能级跃迁迁的现象象。MedicalImagingTechnology微观核核磁共共振射频电电磁波波（RadioFrequency，RF））0.1～300兆赫赫MedicalImagingTechnology微观核核磁共共振核磁共共振产产生的的条件件MedicalImagingTechnology核磁共共振现现象的的宏观观描述述大量自自旋核核子置置于外外磁场场B中中会有有怎样样的宏宏观效效应？？如何获获得NMR信号号？MRI检查查的步步骤是是怎样样的？？MedicalImagingTechnology核磁共共振现现象的的宏观观描述述矢量和和－磁磁化强强度MedicalImagingTechnology核磁共共振现现象的的宏观观描述述矢量和和－磁磁化强强度用一个个箭头头【矢矢量】】表示示核子子A的的磁磁矩，，它可可被看看作来来源于于两部部分：：一部部分指指向Z轴轴，一一部分分指向向丫轴轴。Y轴轴的磁磁矩被被核子子A’’所抵抵消，，因质质子A，也也有一一部分分磁矩矩来源源于Y轴轴，但但方向向相反反。其它核核子也也是如如此，，例如如B与与B’沿沿X轴轴上上的磁磁矩互互相抵抵消。。与X－Y平平面互互相抵抵消的的磁矩矩相比比，Z轴轴上的的矢量量指向向同一一方向向，迭迭加起起来形形成一一个新新的，，指向向上方方的磁磁化强强度矢矢量M。MedicalImagingTechnology核磁共共振现现象的的宏观观描述述NMR信号号的获获得因此，，人体体进入入主磁磁场后后被磁磁化了了，但但没有有宏观观横向向磁化化矢量量产生生，仅仅产生生了宏宏观的的纵向向磁化化矢量量，某某一组组织（（或体体素））产生生的宏宏观矢矢量的的大小小与其其含有有的质质子数数有关关，质质子含含量越越高则则产生生宏观观纵向向磁化化矢量量越大大。我我们可可能认认为MRI已经经可以以区分分质子子含量量不同同的组组织了了。然然而遗遗憾的的是MRI仪的的接收收线圈圈并不不能检检测到到宏观观纵向向磁化化矢量量，也也就不不能检检测到到这种种宏观观纵向向磁化化矢量量的差差别。。那么么接收收线圈圈能够够检测测到怎怎样的的宏观观磁化化矢量量呢？？接受线线圈能能够检检测到到的是是旋转转的宏宏观横横向磁磁化矢矢量，，因为为旋转转的宏宏观横横向磁磁化矢矢量可可以切切割接接收线线圈产产生电电信号号。那那么如如何才才能产产生接接收线线圈能能够探探测到到的旋旋转宏宏观横横向磁磁化矢矢量呢呢？MedicalImagingTechnology核磁共共振现现象的的宏观观描述述射频脉脉冲MedicalImagingTechnology核磁共共振现现象的的宏观观描述述射频脉脉冲的的作用用当施加加与质质子进进动频频率相相同的的RF脉冲冲，则则引起起两种种效应应：一些质质子吸吸收能能量后后跃迁迁至高高能态态，使使纵向向磁化化减少少。质子同同步化化，开开始以以同相相进动动，其其矢量量也在在横向向于外外磁场场的方方向上上迭加加起来来，产产生横横向磁磁化。。总之，，RF脉冲冲引起起纵向向磁化化强度度减少少，产产生一一个新新的横横向磁磁化强强度矢矢量MedicalImagingTechnology核磁共共振现现象的的宏观观描述述射频脉脉冲的的作用用MedicalImagingTechnology核磁共共振现现象的的宏观观描述述射频脉脉冲的的作用用MedicalImagingTechnology核磁共共振现现象的的宏观观描述述射频脉脉冲的的作用用90°°脉冲冲和180°脉脉冲MedicalImagingTechnology核磁共共振现现象的的宏观观描述述驰豫（（Relaxation)RF脉脉冲冲一旦旦中止止，由由脉冲冲引起起的系系统改改变很很快就就回到到原来来静止止时的的状态态，即即发生生弛豫豫。新新建立立起来来的横横向磁磁化矢矢量开开始消消失，，纵向向磁化化恢复复到原原来的的大小小。横向弛豫(TransverseRelaxation）纵向弛豫(LongitudinalRelaxation)MedicalImagingTechnology核磁共振现现象的宏观观描述驰豫过程MedicalImagingTechnology核磁共振现现象的宏观观描述驰豫信号的的接收FID信号号MedicalImagingTechnology核磁共振现现象的宏观观描述纵向驰豫MedicalImagingTechnology核磁共振现现象的宏观观描述纵向驰豫从RF脉冲冲吸收的能能量被传递递到周围的的晶格（1attice），，转化为热热运动。这这就是为什什么这一过过程不仅叫叫纵向弛豫豫，也叫自自旋――晶晶格弛豫（（spin-1attice-relaxation））的原因。。MedicalImagingTechnology核磁共振现现象的宏观观描述纵向驰豫时时间T163％MedicalImagingTechnology核磁共振现现象的宏观观描述横向驰豫MedicalImagingTechnology核磁共振现现象的宏观观描述横向驰豫每一核子都都受到邻近近核小磁场场的影响，，这些核分分布不均匀匀，因而也也导致不同同的进动频频率。这些些内磁场的的差异可以以某种方式式作为一种种组织的特特征。这样样，RF脉脉冲中止止后，质子子不再被强强制停留在在同步状态态，它们具具有不同的的进动频率率，很快失失去了相位位一致性。。由于是核核子自旋———自旋相相互作用（（spin-spin-interaction），也也称为自旋旋——自旋旋弛豫（spin-spin-relaxation））。MedicalImagingTechnology核磁共振现现象的宏观观描述横向驰豫时时间T237％MedicalImagingTechnology核磁共振现现象的宏观观描述T1和T2的特性比比较纵向弛豫时时间与横向向弛豫时间间是不同的的；T1大约2－10倍倍于T2。或者以以生物组织织的绝对值值：T1大大约为300－2000毫秒秒，T2大大约为30－150毫秒。。T1不依赖赖进动T2不依赖赖于场强MedicalImagingTechnology核磁共振现现象的宏观观描述T1和T2的特性比比较MedicalImagingTechnology核磁共振现现象的宏观观描述T1和T2的特性比比较MedicalImagingTechnology核磁共振现现象的宏观观描述T1和T2的特性比比较与液体／水水相比，脂脂肪具有短短T1与短短T2。因因为：T1依赖组组织的成分分、结构和和环境。当晶格由纯纯液体／水水组成时，，核子难于于丢失它们们的能量，，因为小的的水分子运运动太快。。处于高能能级状态的的核子不能能把它们的的能量最迅迅速传给周周围晶格，，只能慢慢慢地回到原原来的低能能级水平，，即纵向排排列。因此此，纵向磁磁化重新出出现需要较较长时间，，这意味着着液体／水水具有长T1s。当晶格由中中等大小的的分子组成成（体内多多数组织可可被看作是是含有不同同大小分子子的液体，，有点儿像像汤），这这些分子运运动、磁场场波动接近近进动核子子的Larmor频频率时，，能量转递递要快得多多，因此T1短。脂肪酸末端端的碳键接接近Larmor频频率，所以以能量转递递十分有效效。如果B大，，T1会如如何？MedicalImagingTechnology核磁共振现现象的宏观观描述T1和T2的特性比比较与液体／水水相比，脂脂肪具有短短T1与短短T2。因因为：核子失去相相位一致性性时，发生生T2弛弛豫。已经经知道，核核子失去相相位一致性性有两个原原因，即外外磁场不均均匀性和组组织内局部部磁场不均均匀性。当当水分子非非常迅速地地运动时，，其局部磁磁场波动非非常快，平平均场强为为零，内部部磁场在各各处也就没没有多大差差别。因此此，如果一一种组织的的内部场强强没有多大大差别时，，核子的同同步化状态态就能维持持较长时间间，T2也也就较长。。对于于不不纯纯液液体体，，如如含含有有大大分分子子的的液