磁共振成像.ppt

1、,核磁共振成像技术发展简史 1946年 美国哈佛大学的伯塞尔 (E.Purcell) 及斯坦福大学的布洛赫 (F.Bloch )领导的两个研究小组各自独立地发现了磁共振现象。 1952年 Purcell 和 Bloch 共同获得诺贝尔物理学奖；,1966年 瑞士物理化学家查德恩斯特 (Richard Ernst)研制出脉冲傅利叶变换核磁共振谱仪(ETNMR)，获得了1991年诺贝尔化学奖。 1971年 美国纽约州立大学的达马迪 (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劳特布尔 (Lauterbur)利用梯

2、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；1974年做出了活鼠的核磁图像。（2003年诺贝尔生物医学奖） 1977年 英国科学家曼斯菲尔德 (Mansfield)又进一步验证和改进了这种方法，并发现不均匀磁场的快速变化可以使上述方法能更快地绘制成物体内部结构图像。（2003年诺贝尔生物医学奖）,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；,MRI发展的重要里程碑,1986年 中国成立安科公司； 1989年 中国开发出第

3、一台MRI； 1998年 世界磁共振成像年； 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,1角动量,一、角动量与旋进,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。,对于有对称轴的自旋体 L = J,角动量,2角动量定理,力 对O点的力矩为,M=rFsin,角动量定理,3旋进（进动）,（1）重力场中陀螺的旋进,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，表现为角动量矢端沿一圆周转动。,（2）角动量产生纯旋进的条件,陀螺的旋进,二、角动量

4、和磁矩,1电子的轨道运动,（1）电子的轨道运动角动量,（2）磁矩(magnetic moment),电子轨道角动量与磁矩关系,为电子轨道磁旋比,gl称为朗德因子（g因子） ，电子轨道来说gl = 1。,自旋运动的电子朗德因子gs = 2。,2电子的自旋运动,3量子力学的理论,L大小,l也被称为角量子数，l= 0,1,2，(n-1) ，n是主量子数。, 称为狄拉克(Dirac)常数。,角动量的Z分量LlZ为 LlZ = ml ,ml =l、l-1、l-2、- l，共有2l+1个可能取值， LlZ是量子化的。,轨道磁矩的Z分量应为,轨道磁矩,为玻尔磁子,电子轨道g因子gl = 1,相应的自旋磁矩,

5、自旋角动量在外磁场中Lsz：Lsz = ms ,ms =1/2和-1/2，sz = -B和B,自旋磁矩的Z分量： sz = -gs ms B,自旋磁量子数ms =s、s-1、s-2、-s，共有2s+1个可能取值；对电子而言，因s=1/2，故ms=1/2，-1/2两个值。,自旋g因子gs = 2。,自旋角动量Ls大小由自旋量子数s决定,对于电子 s=1/2,当自旋磁矩 s 处于外恒定磁场B（假设沿Z轴）中时，电子自旋磁矩与外磁场发生相互作用，相互作用能为：,ms取1/2、-1/2。,可见，外磁场导致原来简并的原子态发生塞曼能级分裂，相邻能级能量间隔为 。,此时若沿垂直磁场方向施加一交变的磁场，当

6、交变磁场的能量子 时，原子在相邻塞曼能级之间发生共振跃迁，对入射的交变磁场产生强烈吸收，此即为电子自旋共振（ESR），也称为电子顺磁共振（EPR）,电子自旋共振频率为,此外还有、光磁共振、核磁共振、铁磁共振。,电子自旋共振是一种重要的近代物理实验技术，在物理、化学、材料、生物、医学等领域有广泛的应用。,3奇奇核 I=1，2，如 6Li，14N 等。,三、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、1-2、-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/

7、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。,I = I LI I = gI e/(2mp),核磁矩与核自旋的关系,I 是核自旋磁旋比，gI 是核的g因子,量子化的核磁矩I 为,即 IZ = gImIN,N = e /(2mp) = 5.050951027JT1，称为核磁子,核磁矩的Z分量为,IZ = gI e/(2mp)LIZ = e /(2mp) gI mI,氧是偶偶核：I=0，LI =0 , I =0， I自旋为零,四、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：

8、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,射频(RF)电磁波：10100MHz电磁波。,二、劈裂能级间的跃迁,自旋核在磁场中,裂距A： A= gINB,mI =I、I-1、I-2、-I，共有2I+1个可能值,对于同一种核、在同样强度的磁场中发生能级分裂而言，分裂后的相邻核能级之间的能量差都相等。,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

9、共振吸收跃迁,产生NMR时，射频电磁波的频率,拉莫尔方程,氢核(I=1/2)能级在磁场中的劈裂,三、自旋磁矩在外磁场的旋进,M =I Bsin,磁场 对 的作用力矩：,因为,所以,磁矩 在力矩作用下绕 旋进,dLI = LI sind,将 M =I Bsin代入角动量定理，得,I Bsin dt = LI sind,LI矢端旋进的角速度为 N = d /dt = I /LI B,Mdt = dLI,或 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 = 0.7081S

10、1T1,解： 当B=0.5T时，,= 2.67531080.5 / (2) = 21.289 (MHz),= 0.70811080.5 / (2) = 11.269 (MHz),在磁共振成像中，设主磁场B0沿Z轴方向,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,（2）样品放在外磁场B时，,求和遍及单位体积,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。,M0与样品内自旋核的数目、外磁场B0大小以及环境温度有关。,核自旋密度分布满足玻尔兹曼分布,k =1.3810-23JK -1是

11、玻尔兹曼常数，T是绝对温度 n-为高能态的核自旋密度，n+为低能态的核自旋密度 例如在常温下，B =1T时，n- /n+ =1：1.000007,样品磁化强度矢量,二、射频电磁波对样品的激励,吸收RF电磁波：处于外磁场B0中的自旋核，若在垂直于B0方向上施加一交变磁场（即RF射频脉冲）。当RF的频率满足拉莫尔公式时，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。,发射RF电磁波：停止RF照射，处于激发态的自旋核回到低能级、同时发射RF,样品磁化强度矢量,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

12、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,将偏离z轴一角度而处于不平衡状态；此时，当激励脉冲刚结束时，Mz =0，Mxy =Mm。,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

13、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、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。也称由T1表示的弛豫过程为热弛豫，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，这是Mxy大小衰减的原因，T2表示的横向弛豫也叫自旋一自旋弛豫。,（1）不同的(正常)组织与器官的弛豫时间

14、有显著不同,T1 780 920 3000 - 260 T2 90 100 300 - 84,T1WI PDWI T2WI,人体正常脑组织的T1、T2弛豫时间,驰预时间(ms) 脑白质 脑灰质 脑脊液 颅板 板障,（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90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

15、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 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

16、 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、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,三、其它几种脉冲序列，T1、T2 的测量,1多回波脉冲序列,SE多回波序列,如果在激励脉冲过后的t= TE 和t=2 T

17、E 时刻摄取图像,从这个方程组中可以求出T2为,两个用不同时间TR 产生的图像,得到,从中可以确定T1 。,2部分饱和序列,当t = TR 时Mz恢复至Mz (TR ),改变脉冲序列中TR 值，可测得t =TR1 ，TR2 时的I (TR1 )，I (TR2 )值,求得T1 ，进而求得,部分饱和序列,3反转恢复序列,当t= T1 时,式中TI 为180脉冲与90脉冲之间的宽度,求得T1，进而求得,反转恢复序列,当纵向磁化为正：T1小者图像亮，采用长TI 当纵向磁化为负：T1小者图像暗，采用短TI,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

18、,梯度磁场,梯度场与静磁场的叠加,MR信号空间位置的确定MR信号本身，就像无线电波一样，不具任何方向信息。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。,RF脉冲频率有一定宽度 v = v0v,二、选层与频率位相编码,1层面选择,决定层厚的因素：层厚大小与v、选层脉冲的形状及梯度磁场的斜度有关,脉冲带宽与层厚的关系,旋进频率为 y =B0 +BGy = B0 + yGy = 0 + y, = yty = Gyyty 与y成正比,2.相位编码的物理概念,若沿层面的Y方向加一梯度为Gy的梯度场BGy,它们的相位

19、 = yty = 0ty+ yty = 0+,相位编码与频率编码,用这种相位差作标记，可识别y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。,3频率编码的物理概念,空间位置x用频率编码，其磁化矢量以y=yty为初相，以x = B0 + Gxx为角频率旋进着,沿X方向加一梯度为Gx的线性梯度磁场BGx,2D-FT法中梯度磁场施加次序,用这种磁矩旋进频率的差异作标记，可识别沿x轴方向的每一条直线各体素的MR信号，这一过程称为频率编码,三、二维傅里叶变换及体层图像重建的时间估计,二维傅里叶变换重建法(2D-FT)，又称KWE法（Kumar,Welti和Ernst于1975年提出）,1一维

20、傅里叶变换的物理描述,设Gx 和Gy 分别为频率编码和相位编码梯度，设Gx 和Gy 分别位于图像矩阵的列和行方向， nx 和ny 分别为矩阵的列数和行数。,MR对相位编码的识别有限，每次只识别一种相位，所以要完成多行的数据采集，必须重复多次相位编码及测量，得到每行每列体素的信号强度，以及相应的灰度值（即MR图像），这是2D FT。,MRI中要求有多次的相位编码，每次使用的相位编码梯度的大小和持续时间都有一定改变。这些额外的相位编码通常要求额外的RF脉冲激发，这些多次激发使MRI需要较长时间。,22D-FT方法的物理描述,2D-FT方法,2D-FT二维傅立叶变换重建法是磁共振系统中常用的断面成像法，基本思想是用MR信号的频率存储成像断面空间的一维信息，用MR信号的相位存储断面的另一维空间信息。对采集的MR信号进行二维傅立叶变换后，可得幅度及频率、相位信号。通过2D FT，就可使以频率和相位表示的差别转换为体素空间位置的差别即代表重建的图像。,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。,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