北师大fMRI【第二章—1】.ppt

1、第二章 磁共振成像原理,21 MRI信号产生的基本原理 一、基本概念 二、磁共振信号产生,一、基本概念 原子结构,原子核的自旋（spin）,核磁就是原子核自旋产生的磁场,磁距 （Moment）,角动量 （Angular Momentum）,磁旋比 （Gyromagnetic ratio）,无外加磁场时，质子群中各个质子以任意方向自旋，单位体积内其宏观磁距=0。,原子核的能态： 每个原子核具有特定的能级，能级的状态数与自旋量子数S的特性有关。,能态数=2S+1,原子核的三个特征： 质子数、核质量、自旋量子数,人体中一些原子核的特性,氢原子的能态数=2S+1=2,何种原子核用于人体的MR成像？ 用

2、于人体MRI的为1H（氢质子），原因有： 1、1H的质子数为奇数； 2、1H占人体原子的绝大多数, 水和脂肪。 通常所指的MRI为氢质子的MR图像,通常情况下，尽管每个质子自旋均产生一个小的磁场，但呈随机无序排列，磁化矢量相互抵消，人体并不表现出宏观磁化矢量。,Study Questions: 1.What is spin of nucleus? 2. What is the Magnetic Moment? What is the Angular Momentum? 3. gyromagnetic ratio? Why is it important for MRI?,静磁场中的自旋,进入主

3、磁场后人体被磁化了，不同的组织由于氢质子含量的不同，磁化程度也不同。,能态,处于高能状态太费劲，并非人人都能做到,处于低能状态的略多一点,进入磁场质子分布在高和低能量水平 处于低能态的原子核数目略多于高能态的原子核数目。这两种能态的原子核会互相跳来跳去，当样品的温度恒定时，它们跳来跳去的数目相等，即两种能态的原子核数目差是恒定的，这种状态称为热平衡状态。,低能态与高能态的原子核数目之间的相对差与主磁场强度有关。,尽管两者之间的相对差很小，但由于人体中H原子核的数目非常巨大，所以绝对差也是很巨大的。如，1立方厘米水在1T的场强中两者的绝对差达到: 1023 X 6 X 10-6= 6 X 101

4、7 个，即60亿亿个。,进动 (precession) 例子：陀螺,根据陀螺原理-具有自旋的物体受到某个方向的作用力后，此物体将沿着垂直于作用力和自旋轴所形成平面的方向运动，可以知道原子核自旋在外磁场中将绕主磁场方向作进动。,进动的频率明显低于质子的自旋频率，但比后者更为重要。,进动是核磁（小磁场）与主磁场相互作用的结果,进动频率（Lamor Frequency） Lamor 方程：0= B0 或 f0= B0 /2 0、 f0 - 进动角频率、频率 B0 - 磁场强度 - 磁旋比,3T场强中的氢原子核的进动频率为（ Lamor 频率）： 42.6 X 3 =127.8 MHz,不同的场强、不

5、同的原子核决定了不同的进动频率。 这也是MRI能进行多核种成像的基础。,纵向磁化（ Longitudinal magnetization ）与横向磁化（ Transverse magnetization ）,在外加磁场中质子排列方向平行于主磁场Bo ，同向为低能位 ；反向为高能位；处于低能状态的质子略多于处于高能状态的质子，因而产生纵向宏观磁化矢量两者之间的差产生纵向磁化。,尽管每个质子的进动产生了纵向和横向磁化矢量，但由于相位不同，因而只有宏观纵向磁化矢量产生，并无宏观横向磁化矢量产生。,Study Questions 1. What is net magnetization? What i

6、s precession? 2. What is the difference between longitudinal magnetization and transverse magnetization?,射频（RF-radio frequency） MRI射频脉冲： 0= B0,激发(Excitation) 共振：射频频率=进动频率,共振：能量从一个震动着的物体传递到另一个物体，而后者以前者相同的频率震动。,共振,低能氢质子可以通过外来的射频获得能量，产生共振，进入高能状态。,磁共振现象是靠射频线圈发射无线电波（射频脉冲）激发人体内的氢质子来引发的，这种射频脉冲的频率必须与氢质子进动频率

7、相同，低能的质子获能进入高能状态,微观效应,射频的强度与持续时间,射频脉冲激发后的效应是使宏观磁化矢量发生偏转 射频脉冲的强度和持续时间决定射频脉冲激发后的效应,低能量,中等能量(90脉冲),高能量(180脉冲),宏观效应,通过外来射频给低能的氢质子能量，氢质子获得能量进入高能状态，即核磁共振。射频取消，氢质子回到低能状态。,驰豫现象与驰豫时间 （ Relaxation ） 射频脉冲停止后，在主磁场的作用下，横向宏观磁化矢量逐渐缩小到零，纵向宏观磁化矢量从零逐渐回到平衡状态，这个过程称为核磁弛豫。,核磁弛豫又可分解为两个部分： 横向弛豫: 横向磁化矢量减少,直至到0状态的过程。 纵向弛豫: 纵

8、向磁化矢量开始恢复，直至恢复到平衡状态的过程。,Study questions: 1.What is the difference between longitudinal magnetization and transverse magnetization? 2.What is the Larmor Frequency? How does it relate to the gyromagnetic ratio? How does it relate to magnetic resonance? 3.How does the net magnetization of a spin system

9、 (e.g., a set of atomic nuclei in a voxel) change over time when exposed to a strong magnetic field? 4.Why does the net magnetization need to be tipped from the longitudinal plane to the transverse plane?,二、磁共振信号产生,第一步：静磁场 进入主磁场后，质子自旋产生的核磁与主磁场相互作用发生进动 进动使每个质子的核磁存在方向稳定的纵向磁化分矢量和旋转的横向磁化分矢量 由于相位不同，只有宏观纵

10、向磁化矢量产生，并无宏观横向磁化矢量产生,第二步：静磁场+射频 射频激发后，人体内宏观磁场偏转了90度，MR可以检测到人体发出的信号 氢质子含量高的组织纵向磁化矢量大，90度脉冲后偏转到横向的磁场越强，MR信号强度越高。 此时的MR图像可区分质子密度不同的两种组织,第三步：射频消失,无线电波激发使磁场偏转90度，关闭无线电波后，磁场又慢慢回到平衡状态（纵向),纵向弛豫时间 T1 指90度脉冲关闭后，在主磁场的作用下，纵向磁化矢量开始恢复，直至恢复到平衡状态的纵向磁场强度63%所需的时间，反映组织T1弛豫的快慢。,不同组织有不同的T1弛豫时间,横向弛豫时间 T2 指90度脉冲关闭后，横向最大磁化

11、矢量减少了63%所需的时间，反映组织T2弛豫的快慢。,不同的组织横向弛豫速度不同（T2值不同）,人体各种组织的T2弛豫要比T1弛豫快得多,T2 T1,重要提示 不同组织有着不同 质子密度(如:氢) 横向(T2)弛豫速度 30-150ms 纵向(T1)弛豫速度 300-2000ms 这是MRI显示解剖结构和病变的基础,第四步：MR信号的接受,磁共振“加权成像”,所谓的加权就是“重点突出”的意思 T1加权成像（T1WI）-突出组织T1弛豫（纵向弛豫）差别 T2加权成像（T2WI）-突出组织T2弛豫（横向弛豫）差别 质子密度加权成像（PD）突出组织氢质子含量差别,在任何序列图像上，信号采集时刻旋转横

12、向的磁化矢量越大，MR信号越强,T1加权成像(T1WI),T1值越小 纵向磁化矢量恢复越快 MR信号强度越高（白） T1值越大 纵向磁化矢量恢复越慢 MR信号强度越低（黑） 脂肪的T1值约为250毫秒 MR信号高（白） 水的T1值约为3000毫秒 MR信号低（黑）,反映组织纵向弛豫的快慢！,T1WI,T2加权成像（T2WI),T2值小 横向磁化矢量减少快 MR信号低（黑） T2值大 横向磁化矢量减少慢 MR信号高（白） 水T2值约为3000毫秒 MR信号高 脑T2值约为100毫秒 MR信号低,反映组织横向弛豫的快慢！,T2WI,人体大多数病变的T1值、T2值均较相应的正常组织大，因而在T1WI上比正常组织“黑”，在T2WI上比正常组织“白”。,一般说来，一种组织的T2值小于其T1值。 T1值较大的组织，其T2值一般也较大；即T1值与T2值有某种程度上的相关性。,Study Questions: 1.How do we measure MR signal? 2.What is T1 relaxation? Does it relate primarily to longitudinal or transvers