《MRI基础知识详解》PPT课件.ppt

1、核磁共振成像的物理基础，2010年11月，1。前言，世界是物质，物质由分子组成，分子由原子组成。原子由原子核和核外电子组成，原子核由带正电荷的质子和不带电荷的中子组成。核磁共振是一种物理现象，旨在研究原子核，即磁核。核磁共振成像是基于核磁共振的物理现象。省略“核”一词的原因是为了突出这种检查技术的优点，即不存在对人体有害的电离辐射，并将其与使用x光的放射检查和使用放射性核素的核医学检查区分开来。核磁共振成像的物理基础2010年11月2日，前言，人体的化学成分极其复杂，包括蛋白质、脂肪、糖、水和微量元素如钾、钠、钙、磷、铁、铜和硒。虽然人体内有许多磁核，但氢核(质子)最适合磁共振成像，所以临床磁

2、共振成像的对象都集中在氢核(质子)上。磁共振成像的目的是获得人体横截面上特定磁核(如氢核)产生的磁共振信号强度分布，磁共振信号强度由磁核的密度和弛豫时间等特征参数决定。在核磁共振成像中，人体被放置在磁铁中后，在磁铁的静态磁场作用下，人体内的磁核会表现出宏观磁性，也就是说人体被磁化了。人体某一截面上各点的磁化强度与相应磁芯的密度相对应，因此只要测量人体截面上各点的磁化强度，就可以得到该截面磁芯的密度图像。在核磁共振成像中，磁体的静态磁场很强(0.25-1.5T)，而人体的磁化强度很弱，并且它们在同一个方向，所以我们无法测量人体切片上每个点的磁化强度。然而，如果我们能使人体的磁化方向偏离磁体的磁场

3、方向，我们就能测量人体的磁化，这正是核磁共振应该做的。核磁共振成像的物理基础2010年11月4日，核磁共振成像的物理基础2010年11月5日，核磁共振成像的物理基础2010年11月6日，核磁共振成像的物理基础2010年11月7日，第1节原子核的磁性第2节静态磁场中的原子核第3节磁共振第4节弛豫第5节自由感应衰减信号第6节化学位移和磁共振频谱，核磁共振成像的物理基础2010年11月8日，第1节原子核的磁性，在核磁共振成像中，人体被放置在一个磁体中， 如果人体内的细胞核想参与核磁共振，它们必须具有一定的磁性。 原子核怎么会有磁性呢？所有的原子核都是磁性的吗？核磁共振成像的物理基础，2010年11月

4、，9，第1节原子核的磁性，1。原子核的自旋在微观世界中，像电子、中子、质子和原子核这样的微粒具有一定的性质，如大小、电荷和质量，并且还具有自旋(角动量)的固有性质。微粒的自旋是由它的自旋运动产生的，这可以简单地看作是微粒的物理基础。质子和中子都有自旋角动量和轨道角动量。原子核中质子和中子的自旋角动量和轨道角动量之和构成了原子核的总角动量，但习惯上称原子核的总角动量为“原子核自旋”。核磁共振成像的物理基础2010年11月11日，第一节原子核的磁性，原子核的自旋是一个矢量，自旋的方向垂直于原子核旋转方向的平面。静态磁场中原子核的自旋方向是离散和不连续的，具有空间量子化的性质。核磁共振成像的物理基础

5、，2010年11月12日，第一节，原子核的磁性，通常由静态磁场方向(Z方向)的最大分量或投影最大值表示(单位为)。例如，氢核的自旋是1/2，这意味着氢核的自旋量子数。本质上，这个陈述使用I值来间接表示原子核的自旋大小。静态磁场中原子核的自旋方向是2I 1。核磁共振成像的物理基础2010年11月13日，第一节原子核的磁性，第二节原子核自旋的磁矩将产生绕核旋转的环形电流，而环形电流将在其周围空间产生磁场，因此非零自旋的原子核(简称自旋核)将具有一定的磁性，自旋核可以视为一个小磁体。核磁共振成像的物理基础2010年11月14日第1节原子核的磁性为了描述自旋原子核磁场的大小和方向，引入了物理量_ _磁

6、矩。自旋原子核的磁矩和自旋是由原子核的自旋运动引起的，它们之间有一定的比例关系，即在公式中，它是一个比例系数，称为磁自旋比。核磁共振的物理基础2010年11月15日，第一节原子核的磁性，原子核的磁性很弱，我们在日常生活中感觉不到它的存在。物质常见的铁磁性和顺磁性是由物质原子中不成对的电子产生的。相比之下，原子核的磁性强度弱几个数量级，但是原子核的磁性仍然可以用核磁共振精确测量。核磁共振成像的物理基础，2010年11月16日，第1节，原子核的磁性，第3节，物质的磁性1，原子的磁矩原子的磁矩由核外电子的总磁矩(轨道磁矩和自旋磁矩)和原子核的磁矩组成。核磁共振的物理基础2010年11月17日，第一节

7、，当电子的总磁矩不为零时，原子的磁矩主要来自电子的总磁矩；当电子的总磁矩为零时，原子核磁矩构成了原子的固有磁矩。核磁共振成像的物理基础，2010年11月18日，第1节：原子核的磁性，2。抗磁性物质的一般化合物。如果它们是具有电子闭合壳层结构的分子，这些电子的总磁矩将为零。在外磁场的作用下，分子会诱发电子循环，产生的附加磁场方向与外磁场方向相反。因此，它们在宏观上呈现抗磁性，这被称为抗磁性物质。核磁共振成像的物理基础，2010年11月19日，第1节：原子核的磁性。如果具有非零磁矩的原子核包含在反磁性材料中，它大约是顺磁性材料中电子磁矩的千分之一。核磁共振中的大多数样品都是反磁性材料，而且大多数都

8、是I1/2核。核磁共振成像的物理基础，2010年11月20日，第1节，核磁，3。顺磁性物质由分子或原子组成的物质，其总电子磁矩不为零。当处于外磁场中时，每个分子或原子的磁矩将在外磁场的作用下转向外磁场的方向，从而产生与外磁场方向相同的附加磁场。因此，它在宏观上表现出顺磁性。这种物质被称为顺磁性物质。核磁共振成像的物理基础，2010年11月21日，第一节，原子核的磁性，以及另一种物质，如铁、钴和镍，它们会在外磁场的作用下产生与外磁场方向相同但比外磁场强得多的附加磁场，称为铁磁物质。顺磁性物质中也存在逆磁效应，但逆磁效应远小于顺磁效应，因此主要表现为顺磁效应。核磁共振成像的物理基础，2010年11

9、月22日，第一节，核磁共振成像造影剂主要是顺磁性物质或超顺磁性物质，主要是钆、铁和锰的大分子有机化合物，它们本身不产生信号，但信号来自氢原子核。磁共振成像的物理基础，2010年11月，23，第1节，原子核的磁性，4，磁共振成像的磁核在生物组织中，有许多磁核，如1H，14N，13C，19F，23Na，31P，39K等。但目前只有氢核可用于临床磁共振成像。在核磁共振成像中，由核磁共振核产生的信号强度对图像质量和成像时间起着至关重要的作用。核磁共振成像的物理基础2010年11月24日第1节原子核的磁性一般来说，原子核的磁性对磁场的影响在上述两个因素中，氢原子占生物组织中原子的2/3，氢核的磁化强度也

10、是人体常见磁核中最高的，因此目前临床上的核磁共振成像是核(质子)成像，而其他磁核的核磁共振成像由于各种条件不能在临床上使用。磁共振成像的物理基础，2010年11月25日，第2节，静磁场中的磁心，一、方向和磁势能在人体进入磁体之前，磁心的磁矩处于混沌状态，磁矩在空间的各个方向上以相等的概率分布。当磁芯处于静态磁场中时，在静态磁场的作用下，它只能沿空间2I 1在一个特定的方向上分布，不同取向的磁芯具有不同的能态。例如，氢核I=1/2，它在磁场中只有两个方向。一是沿磁场方向能态较低；另一方面，相对于磁场的方向，能态更高，它们之间的能量差为。=的物理基础，磁共振成像，2010年11月26日，第2节，静

11、磁场中的磁芯；第二，在静磁场中进动，核磁矩存在于进动中。原子核磁矩的进动类似于众所周知的陀螺运动。它以恒定的角速度0在以静磁场为轴(Z方向)的锥面上进动，进动角速度0为02f0b0。核磁共振成像的物理基础，2010年11月27日，第二节静磁场中的磁核，对于氢核，是2.67108弧度/秒特斯拉，所以B0=1核磁共振成像的物理基础，2010年11月28日，核磁共振成像的物理基础，2010年11月29日，第2节静磁场中的磁核，3。宏观描述在人体组织中，细胞核不是单独存在的，而是存在于大量的细胞核中，单个细胞核的行为是无法检测到的。我们能探测到的是样本中大量同类原子核的集体行为，或者它们所表现出的宏观

12、行为。为了描述原子核在磁场中运动的宏观特征，我们引入了磁化矢量m，它被定义为样品中每单位体积的原子核磁矩的矢量和，即核磁共振成像的物理基础，2010年11月30日，第二节静态磁场中的磁性原子核，其中的和涵盖了单位体积。从磁化矢量的定义中，我们可以看出磁矩的本质，它与样品中每单位体积自旋核的数量或含量成正比，即自旋核的密度。磁共振成像的物理基础，2010年11月31日，第2节静磁场中的磁核。目前，唯一可用于临床磁共振成像的自旋核是氢核(质子)，因此自旋核的密度也是质子密度。人体不同组织的质子密度不同，脂肪组织、脑组织和含有大量水分的囊性器官的质子密度较高；人体肌肉、肝脏、脾脏、肾脏等固体组织的质

13、子密度中等；然而，质子密度高的骨、硬脑膜、纤维组织和含气组织(如肺、胃、肠等)。)在人体内较低。磁共振成像的物理基础，2010年11月32日，第2节，静磁场中的磁核，当静磁场=0时，原子核的热运动将使核磁矩的空间取向处于混沌状态。从统计学的角度来看，空间中各个方向出现的原子核磁矩的概率是相等的，所以每个磁矩相互抵消，不对外表现宏观磁效应，宏观总磁矩m为零。磁共振成像的物理基础，2010年11月33日，第2节静磁场中的磁核。当静磁场为0时，每个原子核的磁矩不仅沿Z方向进动，而且具有2I 1的空间取向。对于原子核，有两种不同的取向，一种是沿磁场方向，另一种是逆磁场方向，形成两个锥体，锥体上的矢量线

14、代表了原子核磁矩的取向。核磁共振成像的物理基础，2010年11月34日，第2节静磁场中的磁芯，对于周期运动的物体，可以用位置和速度来表征其运动状态，但是用相位来表征它更方便，因为周期运动的物体在一个周期内没有一个状态是相同的，所以只要有一个核磁共振成像的物理基础2010年11月35日，第二段静磁场中的磁芯，无论是在上锥中进动还是在下锥中进动，它们在锥面上的位置都是随机或等概率的，也就是说，磁矩在锥面上是均匀分布的。平面内的旋转矢量与参考轴之间的夹角称为相位，因此，在圆锥表面上均匀分布的磁矩使其分量在平面内的相位概率分布相等。这样，核磁共振成像的物理基础，2010年11月36日，相的等概率分布使

15、得在xy平面上的核磁矩分量的矢量和为零，也就是说，氢核在静态磁场中有两个不同的方向。氢原子核的磁势能不同，低能态氢原子核的数量略多于高能态氢原子核的数量，所以Z轴上的原子核磁矩分量的矢量和不为零，即MZ=m-m-0。磁共振成像的物理基础2010年11月37日，第三节磁共振，第一节磁共振的基本原理静态磁场中的氢原子核有两个不同的方向。氢原子核的磁势能也是不同的。如果外界施加的电磁波的能量(量子)正好等于不同取向的氢原子核之间的能量差，处于低能态的氢原子核将吸收电磁波的能量并跃迁到高能态。这就是所谓的磁共振，即由电磁波在磁场中的作用引起的不同能级之间的共振跃迁现象。磁共振成像的物理基础，2010年

16、11月38日，第3节，磁共振，假设外加电磁波的频率为，不同取向的氢原子核之间的能级差可以表示为=公式，因此外加电磁波的频率与氢原子核的进动频率f完全相同。磁共振成像的物理基础，2010年11月39日，第3节磁共振，为了产生磁共振，除了电磁波的频率必须与磁核的进动频率相同外，对电磁波的方向也有要求。电磁波既有磁矢量又有电矢量，只有磁矢量B1在磁共振中起作用，它必须垂直于B0，这是电磁波方向的要求。在2010年11月40日第3节“磁共振”中，磁共振中应用的电磁波也称为射频波(Radio Frequence Wave，RF wave)，这意味着电磁波的频率在射频范围内，并且可以发射无线电波，然后向各个方向传播，因此短波长的电磁波，如射频、x光和射线，不能在很宽的空间内传播。射频波也称为射频脉冲，因为在磁共振中，施加的射频波只持续很短的时间(毫秒)。在2010年11月41日第3节“磁共振”中，当核磁共振发生时，低能态的氢原子核将吸收电磁波能量并转换到高能态(受激吸收)，高能态的氢原子核也将释放能量回到低能态(受激辐射)。受激吸收和受激辐射统称为受激跃迁，它们的出现概率相等。然而，在热平衡状态下，低能态(N