磁共振成像2013

1、,MRI发展的重要里程碑,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，MRI设备商业化； 1984年美国的食品和药物管理局 (FDA)批准核磁共振使用于临床； 1989年中国开发出第一台MRI； 2002年全球已经大约有2.2万台MRI 2003年劳特布尔 (Lauterbur)和曼斯菲尔德(Mansfield)获得2003年诺贝尔生物医学奖,第一节 原子核的磁矩,一、角动量与进动,核外电子、原子核中的核子都有自旋运动，它们都有自旋角动量。,角动量,1. 重力场中陀螺的进动,只要角动量受到一个与之垂直的力矩的作用，则角动量就产生旋进，表现为角动量矢

2、端沿一圆周转动。,2. 角动量产生纯进动的条件,陀螺的进动,3奇奇核 I=1，2，如 6Li，14N 等。,二、核的自旋磁矩,LI 在外磁场方向(Z方向)的分量LIZ = mI ,mI为核自旋磁量子数， mI =I , I 1 , I 2 , , I , 共有2I+1个可能取值,不同的原子核的自旋磁量子数：,1偶偶核 I=0，如；16O , 12C。,2奇偶核 I=1/2，3/2，如15C, 15N等。 1H核的自旋为1/2。,核自旋LI ： 核自旋量子数I只能取整数和半整数。,核磁矩与核自旋的关系,I 是核自旋磁旋比,量子化的核磁矩I 为,即 IZ = gImIN,称为核磁子,核磁矩的Z分量

3、为,gI 是核的g因子,氧是偶偶核：I=0，LI =0 , I =0， I自旋为零,三、水分子的磁矩,水分子的分子磁矩应是这些粒子的轨道磁矩、自旋磁矩的矢量和,十个核外电子正好构成一个满壳层：Ll =0 , l =0,十个电子也构成五个电子对(配对电子)：Ls =0 , s =0,水分子就相当是两个“裸露”的氢核,第二节 核磁共振现象,一、自旋核能级在外磁场中的劈裂及跃迁,射频(RF)电磁波：10100MHz电磁波。,自旋核在磁场中,裂距A： A= gINB,mI =I , I1 , I 2 , ， I ,共有2I+1个可能值,产生的一个附加能量,核能级劈裂的间距较原子能级的劈裂小得多，发生能

4、级跃迁时的信号能量也小得多。,电磁波能量hRF 等于裂距A，即 hRF = gI BN 则会出现核磁共振吸收跃迁,产生NMR时，射频电磁波的频率,拉莫尔方程,二、自旋磁矩在外磁场的进动,M =I Bsin,磁场 对 的作用力矩：,因为,LI矢端旋进的角速度为 N,N =I B,即发生NMR时，射频电磁波的频率RF等于核旋进的频率N,例：计算1H和23Na在0.5T的磁场中发生核磁共振的频率。,已知 H = 2.6753S1T1 ， Na = 0.7081S1T1,解： 当B=0.5T时，,= 2.67531080.5 / (2) = 21.289 (MHz),= 0.70811080.5 /

5、(2) = 11.269 (MHz),第三节 核磁共振的宏观描述,一、样品的自旋数密度及磁化强度矢量,磁化强度矢量M,（1）当样品外磁场为零时,求和遍及单位体积,（2）样品放在外磁场B时，,以1H核磁矩为例,样品中自旋核的数密度越大，外磁场B0越大，则M0越大；而环境温度越高，则M0越小。,核自旋密度分布满足玻尔兹曼分布,k -玻尔兹曼常数，n-, n+为分别为高低能态的核自旋密度.,样品磁化强度矢量,在磁共振成像中，设主磁场B0沿Z轴方向,例如在常温下，B =1T时，n- /n+ =1：1.000007,二、射频电磁波对样品的激励,在垂直于B0方向上施加一RF射频脉冲. 当RF频率满足拉莫尔

6、公式时，使部分自旋核产生共振吸收而处于激发态.,整个吸收和发射的过程成为核磁共振。,停止RF照射，处于激发态的自旋核回到低能级、同时发射RF电磁波.,样品磁化强度矢量,RF电磁波的吸收,RF电磁波的发射,RF电磁波对样品起激励作用,和 之间的夹角,宏观磁矩M与电磁辐射之间发生共振吸收，M与B0方向的夹角变化 角，即这个电磁辐射是一个 角RF脉冲。,RF作用时的,90 激励脉冲及其对M与的作用,180 激励脉冲及其对M与的作用,三、弛豫过程和弛豫时间,1. 弛豫过程,核系统在平衡状态时，Mz =M0，Mxy =0。,当在 垂直方向施加一90 激励脉冲,当激励脉冲刚结束时，Mz =0，Mxy =M

7、m。,之后核磁矩只受到主磁场 的作用而逐渐恢复到原来的热平衡状态，这一恢复过程称为弛豫过程。,根据磁化强度矢量的两个分量Mz、Mxy 在弛豫过程中随时间变化,式中T1、T2都是时间常数，纵向、横向驰豫过程同时进行。,即T1表示 随时间变化的快慢，称为纵向弛豫时间； T2表示 随时间变化的快慢， 称为横向弛豫时间。,横向弛豫时间,纵向弛豫时间,T1、T2 驰豫时间对比,（2）自由感应衰减 FID,90脉冲激励,自由感应衰减 FID,1纵向弛豫T1,四、T1、T2的物理学意义及生物学意义,组织液的粘度增加，温度降低， T1缩短；主磁场B0的数值增大时， T1增加。,2横向弛豫T2,T2与环境温度、

8、粘度无关；与主磁场的相关性不大；T2与主磁场的均匀性关系特别大。,在纵向弛豫过程中，样品中的自旋核与晶格以热辐射的形式相互作用。也称为热弛豫，或自旋-晶格弛豫。,在横向弛豫过程中自旋核之间存在磁的相互作用，使核磁矩从聚焦的方向上分散开来，叫自旋一自旋弛豫。,（1）不同的(正常)组织与器官的弛豫时间有显著不同,T1 780 920 3000 T2 90 100 300,T1WI PDWI T2WI,人体正常脑组织的T1、T2弛豫时间,弛豫时间(ms) 脑白质 脑灰质 脑脊液,（2）同一组织、器官的不同病理阶段上的弛豫时间也有显著不同。这为用MRI进行病理分期成为可能。,此脉冲序列中第一个脉冲即9

9、0脉冲是起对样品的激励作用，使样品产生横向分量Mxy 。,第四节 自旋回波序列,一、自旋回波序列(SE),1SE序列的组成：由90、180脉冲组成,TI为脉冲间隔时间，TR为序列重复时间，TE为回波时间，一般取TE=2 TI,自旋回波序列及FID、SE信号,而90之后的180 脉冲的作用是使使分散的核磁矩重新会聚起来，称为位相回归.,磁场空间的不均匀性使得自旋核磁矩方向的分散（即去位相状态）.,180 脉冲的作用,SE序列中90 、 180脉冲的作用,SE序列中回波信号的幅度,考虑到信号大小还与自旋核的运动状态f(v)有关,K是与主磁场、自旋核种类有关的常数,图像的亮度与、T1、T2及流速v

10、有关,1T1 加权(T1 IW) TE 选取较小值，如1525ms，而TR选取中等大小如200800ms,I主要由、T1 决定，称为T1 IW,二、加权图像,图像加权(IW)的概念,在T1 IW中T1 大的地方呈弱信号(暗)，T1 小的地方呈强信号(亮)。,当TR T1 时，在公式中的因子,选TE T2 ，则因子,一般TR 取1500ms2500ms，TE 取15ms25ms。,2加权(IW),I = KB0，K、B0 均为不变常量，即MR信号仅由决定与T1、T2相关不大，这就是加权。,3. T2 加权(T2 IW),当、TE一定时，如T2 (1) T2 (2)，有,当TR T1 时，有,I由

11、、T2 决定，称为T2加权,而TE 适当的长，例如在90120ms中选取,图像加权决定于TR、TE 的选择及T1、T2的大小,图像亮度逆转现象,一、梯度磁场,则,第五节 空间位置编码,MRI的空间位置编码的理论基础,如将梯度设为,圆电流的磁场,梯度磁场,梯度场与静磁场的叠加,由拉莫尔方程可知，改变外加磁场的大小，可以改变共振频率的大小，确定MR信号位置的方法是使扫描平面上每一点都具有不同的磁场强度梯度磁场。,二、MR信号空间位置的确定,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

12、进行介入MRI治疗。,四、磁共振成像技术的进展,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； 定量诊断困难。,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,MRI的发展目的、方向及热点,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,MRI的发展目的、方向及热点,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（STAND-UP MRI）,（1）氢原子核在外加静磁场和射频电磁波照射下，发生共振；,MRI成像原理总结,（2）利用X、Y、Z三个方向叠加的梯度磁场计算共振质子的空间位置；,（3）外来射频脉冲停止后，由M0产生的横向磁化矢量在晶格磁场