《医用物理学》-第15章 核磁共振

目录15.1核磁共振的基本概念15.2核磁共振谱15.3磁共振成像原理15.4氢核三种图像的获取及进行诊断的物理学依据中国科学技术大学出版社第15章

核磁共振030201核磁共振的基本概念。核磁共振波谱的基本原理以及磁共振成像临床诊断的物理学依据和磁共振成像过程。磁共振技术在医学中的应用。第15章

核磁共振掌握熟悉了解学习要求中国科学技术大学出版社15.1核磁共振的基本概念第15章

核磁共振中国科学技术大学出版社第15章

核磁共振15.1核磁共振的基本概念中国科学技术大学出版社15.1.1原子核的磁矩1.磁场中的磁矩具有磁矩的线圈在磁场中具有势能（磁势能）。势能与磁矩和外磁场成正比，还与它们的夹角有关，即：中国科学技术大学出版社15.1.1原子核的磁矩2.原子核的磁矩原子核又具有电荷，因而作自旋运动的核（等效于一个环形电流）具有磁矩，称为核磁矩。I为核自旋量子数为约化普朗克常量核自旋角动量由量子力学知核自旋是量子化的，只能取一系列不连续值。第15章

核磁共振中国科学技术大学出版社15.1.1原子核的磁矩2.原子核的磁矩核自旋角动量的空间分量核自旋角动量也具有空间量子化的性质，即PI

在外磁场（z方向）的分量PIz也取不连续值。为自旋磁量子数。mI=I，I

1，

I

2，…，

ImI

共有2I+1个可能值，这表明核自旋在外磁场中有2I+1个可能的取向。第15章

核磁共振15.1.1原子核的磁矩2.原子核的磁矩核磁矩与核自旋的关系为核磁子，核磁矩单位核磁矩的空间量子化为原子核的磁旋比中国科学技术大学出版社第15章

核磁共振15.1.2磁矩受外磁场的作用1.旋进角频率在外磁场中氢核磁矩受到外磁场的作用，当其转轴偏离竖直方向（即外磁场B0的方向）时，就会一边自旋，一边又绕竖直方向进动，其旋进角频率（拉莫尔频率）为：上式也称为拉莫尔方程。中国科学技术大学出版社第15章

核磁共振15.1.2磁矩受外磁场的作用2.核能级劈裂裂距核磁矩受外磁场作用，原子核具有磁势能，使核能级产生附加能量：有了附加能量造成原子核能级劈裂。由于磁量子数m有2I+1个可能取值，所以在外磁场的作用下核能级将劈裂为2I+1层。相邻能级间的能量差（裂距）：对于同一种核，在相同的磁场中，劈裂后相邻核能级间的能量差都相等。中国科学技术大学出版社第15章

核磁共振15.1.3核磁共振处于磁场中的氢核磁矩，若同时在垂直于B0方向上施加一个交变电磁场RF，当RF的频率满足拉莫尔公式时，氢核磁矩就有可能吸收RF的能量，使部分氢核被激发，这种现象称为共振吸收。停止RF照射，处于激发态的氢核磁矩将会回到低能态，同时发射RF，整个吸收和发射的过程称为核磁共振。主要方法：（1）扫频法：固定外磁场，连续改变RF的频率；（2）扫频法：固定外磁场，连续改变RF的频率。发生核磁共振的条件：或：中国科学技术大学出版社第15章

核磁共振15.1.4驰豫过程和驰豫时间射频脉冲结束后，核磁矩摆脱了射频场的影响，而只受到主磁场B0的作用，进行“自由旋进”。所有核磁矩力图恢复到原来的热平衡状态。这一从“不平衡”状态恢复到平衡状态的过程，称为驰豫过程（relaxationprocess）。这一过程将发生相对独立的两种驰豫。第一步是氢核之间先达平衡，即氢核磁矩首先在水平方向相位趋于完全错乱，称横向驰豫，是针对磁化强度矢量的横向分量Mxy说的。驰豫启动之初，一般Mxy≠0，现射频脉冲已过，各核磁矩μi只绕B0旋进。但各自旋核的磁相互作用，各自旋核所处的局部磁场实际上有差异，各磁矩旋进的相位会很快完全错乱，此时各磁矩μi在水平方向的分量互相抵消，从宏观上看Mxy趋于零，所以称为横向驰豫过程。这个过程是同种核相互交换能量的过程，又叫自旋-自旋驰豫过程。中国科学技术大学出版社第15章

核磁共振15.1.4驰豫过程和驰豫时间中国科学技术大学出版社90

脉冲激励后的弛豫过程第15章

核磁共振15.1.4驰豫过程和驰豫时间中国科学技术大学出版社弛豫时间T1和T2第15章

核磁共振15.2核磁共振谱第15章

核磁共振中国科学技术大学出版社第15章

核磁共振15.2核磁共振谱中国科学技术大学出版社15.2.1化学位移在不同分子中的同种自旋核，在相同的外磁场中会有不同的共振频率。造成这种现象的原因是，自旋核不是孤立的，而是被核外带磁性的电子云所包围，这些原子核具有不同的电子环境，使自旋核上的磁场较比外磁场可以大些也可以小些。自旋核所在位置上的合磁场为：其中σ为屏蔽系数。同种自旋核处于不同分子之中时，会有不同的屏蔽系数，这就是它们会有不同的共振频率的原因。我们定义同种自旋核在相同的外磁场情况下，测试样品中的自旋核的共振频率与标准样品中的自旋核共振频率之差为化学位移（chemicalshift）。即：第15章

核磁共振中国科学技术大学出版社15.2.1化学位移在核磁共振中，因为化学位移是由外磁场所感生的，另外还随着其他测量条件和每套设备而有所不同，因此很难用∆υ或∆B来表示化学位移的大小。为了消除这种影响，通常用δ来表示化学位移B、Bs分别表示在RF频率维持不变的情况下，使测试样品、标准样品中同种自旋核发生NMR所需的外磁场大小。第15章

核磁共振中国科学技术大学出版社15.2.2自旋-自旋劈裂硝基丙烷的磁共振谱由于基团间核自旋磁矩的相互作用引起吸收峰分裂为多重线的现象称为自旋-自旋劈裂。氢核波谱线规律：某原子核基团的谱线条数受到周围原子核基团同种核的个数n，其谱线分裂为n+1条谱线。第15章

核磁共振中国科学技术大学出版社15.2.3磁共振波谱仪磁共振波谱仪示意图1.仪器组成部分第15章

核磁共振中国科学技术大学出版社15.2.3磁共振波谱仪2.仪器灵敏度的提高仪器的主要性能指标有工作频率、稳定度、分辨率、灵敏度等。灵敏度是仪器检出弱信号的能力，是磁共振谱仪的重要性能指标之一。提高灵敏度可采用计算机累加法、脉冲傅立叶变换法。所谓计算机累加法，是用计算机将多次扫描的波谱叠加起来，由于噪声是无规则的，而信号是每次叠加的，按统计规律，在多次叠加后，信噪此S/N得以很大提高。15.3磁共振成像原理第15章

核磁共振中国科学技术大学出版社第15章

核磁共振15.3磁共振成像原理中国科学技术大学出版社15.3.1磁共振成像的基本方法根据拉莫尔公式，沿梯度场方向的位置不同，共振频率不同，于是可以通过梯度场来建立起共振信号与空间位置之间的对应关系，为了重建一幅层面图像，即要建立起不同点的共振信号与位置坐标一一对应关系，首先就要对观测的对象进行空间编码，把研究对象简化为由若干个称为体素的小体积所组成，然后依次测量每个体素，再根据各体素的编码与空间位置一一对应关系实现图像的重建。第15章

核磁共振中国科学技术大学出版社15.3.1磁共振成像的基本方法1.层面的选择置成像物体于z轴方向的均匀主磁场B0中，在均匀磁场上，叠加一个同方向的线性梯度场Gz，磁感应强度沿z轴方向由小到大均匀改变。垂直于z轴方向同一层面上的磁场强度相同，不同层面上的磁场强度不同，用不同频率的射频脉冲RF照射不同层面，会得到不同的共振频率，不同的共振频率表示自旋核所在的层面位置，Gz称为选片梯度场。层面的选择第15章

核磁共振中国科学技术大学出版社15.3.1磁共振成像的基本方法2.相位及频率编码沿x轴施加一个梯度很小的线性梯度场Gx，磁场沿x轴由小逐渐增大，显然层面中垂直于x轴方向的同一条直线的磁场均相同，而不同直线磁场略有差异，磁矩旋进的速度也不一样，这就使各体素中磁矩旋进的相位发生变化，用这种相位差作为一种标记，可识别沿x轴方向的每一条直线各体素的MR信号，这一过程称为相位编码。若在接收信号时，再沿y轴方向施加一个梯度较大的线性梯度场。这时，层面上垂直于y轴方向的同一条直线的磁感应强度相同，而不同直线上的磁场则不同，磁矩旋进也有差异，把磁矩旋进频率的差异作为一种标记，以识别垂直于y轴的各条直线上各体素的MR信号，这一过程称为频率编码。第15章

核磁共振中国科学技术大学出版社15.3.1磁共振成像的基本方法3.解码与图像重建经过选片、相位编码和频率编码，把整个层面的体素一一进行标定。用RF脉冲对体素进行激励，停止RF脉冲照射，测量感应信号采集数据信息，这个信号是各体素带有相位和频率特征的MR信号的总和。通过解码对探测到的FID信号进行二维傅里叶变换处理，得到具有相位和频率特征的MR信号的大小，最后根据与层面各体素编码的对应关系，把体素的信号大小与对应的像素依次显示在荧光屏上，信号大小用灰度等级表示。磁共振成像过程框图第15章

核磁共振中国科学技术大学出版社15.3.2人体的磁共振成像1.氢核是人体成像首选核种人体组织中氢核与其它元素的MR信号相对灵敏度(规定氢的相对值为1)元素相对灵敏度元素相对灵敏度H1.000Na1.0×10

3C2.5×10

4P1.4×10

3N3.1×10

4K1.1×10

4O4.9×10

4Ga9.1×10

6F6.3×10

5Fe5.2×10

9第15章

核磁共振中国科学技术大学出版社15.3.2人体的磁共振成像2.人体各种组织含水比例不同几种人体组织、脏器含水比例组织名称含水比例（%）组织名称含水比例（%）皮肤69肾81肌肉79心80脑灰质83脾79脑白质72肝71脂肪80骨13第15章

核磁共振中国科学技术大学出版社15.3.2人体的磁共振成像3.人体不同组织的T1、T2值

组织名称T1（ms）T2（ms）脂肪240±2060±10肌肉400±4050±20肝380±2040±20胰398±2060±40肾670±6080±10主动脉860±51090±50骨髓（脊柱）380±5070±20胆道890±14080±20尿2200±610570±230几种正常组织在0.5T情况下的T1、T2值范围组织名称T1（ms）T2（ms）肝癌570±19040±10胰腺癌840±13040±10肾上腺癌570±160110±40肺癌940±46020±10前列腺癌610±60140±90膀胱癌600±280140±110骨髓炎770±20220±40几种病变组织在0.5T情况下的T1、T2值范围第15章

核磁共振15.3.2人体的磁共振成像3.人体不同组织的T1、T2值

人体各种组织的T1、T2值是不相同的，这就提供了用T1、T2值来建立人体组织的分布图像的可能性。可以形成T1、T2加权图像，人体正常组织与病变组织的含水量和T1、T2值均有所不同，所以可从图像中把病变组织识别出来，从中还可以判断病变的不同发展阶段，为临床诊断提供依据。人体组织的MR信号强度决定于这些组织中氢核密度和氢核周围的环境，即人体组织结构和生化病理状态，磁共振原理告诉我们，T1、T2反映了氢核周围环境的信息，因此人体不同组织之间、正常组织与该组织中的病变组织之间氢核密度

和T1、T2三个参数的差异，是MRI用于临床诊断最主要的物理学基础。中国科学技术大学出版社第15章

核磁共振15.3.3磁共振成像系统中国科学技术大学出版社磁共振成像系统的框图第15章

核磁共振15.3.3磁共振成像系统中国科学技术大学出版社1.磁体系统磁体是磁共振成像系统的关键部件，用来产生一个高度均匀、稳定的静磁场，可以是永久磁体、常导磁体和超导磁体。一般把主磁体做成圆柱形或矩形腔体，里面不仅可以安装主磁体的线圈，还可以安装x、y、z方向梯度磁场的线圈和全身的射频发射线圈及接收线圈，病人借助于扫描床进入其中。对整体成像，其膛孔直径在1m左右，主磁场强度一般在0.15～3.0T，膛孔成像范围内磁场的均匀度要求在10-6～10-5，即要求在成像体积范围内达到几个ppm均匀度。目前使用的超导磁体，磁场有0.5、1.0、1.5、1.8、2.0、3.0T等，有很高的均匀度，但造价较高，维护也比较复杂。第15章

核磁共振15.3.3磁共振成像系统中国科学技术大学出版社2.梯度磁场系统梯度磁场系统用来产生并控制磁场中的梯度，以实现磁共振信号的空间编码，这个系统有三组线圈，产生x、y、z三个梯度方向的梯度场Gx、Gy、Gz。这里值得一提的是近几年许多厂家出于介入诊断、治疗和增加病人舒适感等的需要，推出一种叫开放式的磁共振成像仪，其主要是在主磁场、梯度磁场和扫描床架等的布局上作了改进，其功能几乎与封闭式的磁共振成像仪一样，但其主磁场的磁感应强度都不超过0.3T，不具有在体获得波谱的功能。第15章

核磁共振15.3.3磁共振成像系统中国科学技术大学出版社3.射频系统射频系统用来发射射频磁场（射频电磁波RF），激发样品的宏观磁矩M产生磁共振，同时接收样品磁共振MR信号。因此射频系统包括发射射频磁场部分和接收射频信号部分。（1）发射射频磁场部分

由发射线圈和发射通道组成。发射通道由射频频率产生、功率放大及发射控制等组成，可得到所需频率范围和功率的射频脉冲。其中的发射控制器，用以形成或转换射频系统所需要的控制信号，如控制RF脉冲的持续时间，形成90°、180°角RF脉冲序列等。（2）接收射频信号部分

由接收线圈和接收通道组成。当由发射部分发射的射频满足共振条件时，射频场与成像层面各体素中的氢核发生磁共振，使宏观磁矩M偏离平衡态，射频脉冲过后，在接收线圈中感应出MR总和信号。这个信号经接收通道的低噪声前置放大、混频、检波后得到模拟的含ρ、T1、T2特征的MRI信号。第15章

核磁共振15.3.3磁共振成像系统中国科学技术大学出版社4.图像重建系统图像重建系统部分的作用是进行图像重建，给出所激发层面的组织分布图像。工作过程如下：由射频接收部分送来的信号经A/D转换器，把模拟信号转变为数字信号，便于贮存和用计算机进行累加计算。由经过累加的MRI信号，在目前的MRI中都采用傅立叶变换或快速傅立叶变换，得到具有相位和频率特征的层面中各体素MRI信号大小，然后根据与观测层面体素的对应关系，经计算机运算和处理，得到层面体素数据，再经过D/A转换，加到图像显示器，按信号的幅度用不同的灰度等级显示出所欲观测的层面图像。15.4氢核三种图像的获取

及进行诊断的物理学依据第15章

核磁共振中国科学技术大学出版社第15章

核磁共振15.4

氢核三种图像的获取及进行诊断的物理学依据中国科学技术大学出版社15.4.1如何产生氢核密度ρ和T1、T2加权图像1.自旋-回波序列自旋-回波序列在自旋-回波脉冲序列作用下，MR回波信号的幅度满足下式：回波信号幅度I实际上由多个参数决定。假定自旋核静止不动，核种类、主磁场均不变，I还与T1、T2、TR、TE及ρ有关。第15章

核磁共振中国科学技术大学出版社15.4.1如何产生氢核密度ρ和T1、T2加权图像2.加权图像（1）ρ加权

当TR》T1、TE《T2时，因子

，因子

，则

，K、B0均为不变量，即MR信号幅度仅由ρ决定与T1、T2相关不大，这就是ρ加权。用这种信号重建的图像称为氢核密度图像。一般TR取1500ms～2500ms，TE取较小值15ms～25ms。第15章

核磁共振中国科学技术大学出版社15.4.1如何产生氢核密度ρ和T1、T2加权图像2.加权图像（2）T1加权

TR≤T1、TE《T2时，例如TE选取15ms～25ms，而TR选取中等大小如200ms～300ms，则I主要由ρ、T1决定，称为T1加权。在T1加权中，若氢核密度ρ差别不大，当TR一定时，如T1（1）小于T1（2），有就是说，T1大的组织呈弱信号（暗），T1小的组织呈强信号（亮）。第15章

核磁共振中国科学技术大学出版社15.4.1如何产生氢核密度ρ和T1、T2加权图像2.加权图像（3）T2加权

当TR》T1、TE≥T2时,例如TR取1500ms～2500ms,TE适当的长，在90～120ms中选取，此时I由ρ、T2决定，称T2加权。在T2加权情况下，当TE一定时，

T2大的组织有强信号（亮），T2小的组织表现为弱信号（暗）。第15章

核磁共振中国科学技术大学出版社15.4.1如何产生氢核密度ρ和T1、T2加权图像2.加权图像用自旋-回波序列的优点是选用适当的TE和TR，可以用一个脉冲序列获得ρ图像或T1、T2加权图像，或者获得不同T1、T2加权程度的图像。MRI成像选用的脉冲序列，可有多回波脉冲序列，还有反转恢复序列、部分饱和序列等，通过对周期序列中产生的各MR信号幅度的测量，还可具体算出检查层面各体素组织中氢核的T1、T2等参数大小，从而据此得到更逼真的相应参数影像。第15章

核磁共振中国科学技术大学出版社15.4.2磁共振成像临床诊断的物理学依据利用脉冲序列激励获取MR信号，从而重建出层面中不同组织、脏器（包括病灶）的