核磁共振成像原理

1、核磁共振成像原理第1頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四進(jìn)動頻率(Precession Frequency)拉莫爾方程其中：0 ：進(jìn)動的頻率 （Hz或MHz） B0 ：外磁場強度(單位T，特斯拉)。 ：旋磁比；質(zhì)子的為 42.5MHz / T。第2頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四核的種類(質(zhì)子數(shù)中子數(shù))質(zhì)子數(shù)或原子序數(shù)(Z)中子數(shù)(N)核的自旋偶偶核偶數(shù)偶數(shù)無奇偶核奇數(shù)偶數(shù)有偶奇核偶數(shù)奇數(shù)有奇奇核奇數(shù)奇數(shù)有第3頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四spinr /2(MHz/T)自然產(chǎn)率(%)體內(nèi)含量相對靈敏度1H1/242.5899

2、.98100M113C1/210.711.10810mM310-314N13.0899.6310mM210-719F1/240.0510010mM910-523Na3/211.2610080mM110-331P1/217.2310010mM410-539K3/21.9993.145mM110-4各種MR核的對比第4頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四如果此時去掉RF脈沖，質(zhì)子將會恢復(fù)到原來狀態(tài)，當(dāng)然恢復(fù)有一個時間過程，這個過程就叫弛豫過程。弛豫：Relaxation;自然界的一種固有屬性；即任何系統(tǒng)都有在外界激勵撤銷后回到原本（原始、平衡）狀態(tài)的性質(zhì)；這種從激勵狀態(tài)回到平衡

3、狀態(tài)的過程就是弛豫過程弛豫快慢：用弛豫時間T來進(jìn)行度量；第5頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四弛豫過程是激勵過程的反過程,因此也包括2個分過程：1、放出能量，從高能級向低能級躍遷；縱向磁化逐漸增加；縱向弛豫過程，T1弛豫過程2、相位分散，橫向磁化矢量逐漸減小；橫向弛豫過程，T2弛豫過程第6頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四a、射頻結(jié)束瞬間，縱向磁化為零，橫向磁化最大b、反平行質(zhì)子釋放能量躍遷回平衡態(tài)，縱向磁化逐漸增大c、最后回歸原始狀態(tài)，縱向磁化恢復(fù)到最大縱向弛豫過程第7頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四a、射頻結(jié)束瞬間，橫向磁

4、化達(dá)到最大,進(jìn)動相位一致b、c、內(nèi)部小磁場的不均勻性使得進(jìn)動相位分散，橫向磁化矢量逐漸減小d 、最終相位完全分散，橫向磁化矢量為零橫向弛豫過程第8頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四 縱向恢復(fù)時間T1是由于被激發(fā)的反平行于靜磁場的質(zhì)子恢復(fù)到平行狀態(tài)，所以縱向磁化增大。弛豫快慢遵循指數(shù)遞增規(guī)律，把從0增大到最大值的63%的所需時間稱定義為縱向馳豫時間(T1)。弛豫時間T第9頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四縱向馳豫時間T1T1與靜磁場的強度大小有關(guān)，一般靜磁場強度越大， T1就大T1長短取決于組織進(jìn)行能量傳遞的有效性。第10頁，共33頁，2022年，5月

5、20日，5點22分，星期四一般大分子（如生物蛋白）和小分子（如水）由于共振頻率與拉莫爾頻率差別較大，對能量傳遞有效性差，因此T1較長。上圖中白線表示的腦脊液的t1為3秒。中等分子（如脂肪）的共振頻率接近于拉莫爾頻率，能量傳遞越有效，因此T1較短。上圖中紅線代表的腦白質(zhì)的t1為0.9秒第11頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四 橫向恢復(fù)時間T2是由于相位同步質(zhì)子的又開始變得不同步,所以橫向磁化減小。弛豫快慢遵循指數(shù)遞減規(guī)律，把從最大下降到最大值的37%的時間定義為橫向馳豫時間(T2)。第12頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四組織T2時間的分析。T2的長短

6、取決于組織內(nèi)部的局部小磁場的均勻性對小磁化散相的有效性。T2與磁場強度無關(guān)。不同成分和結(jié)構(gòu)的組織T2不同，例如水的T2值要比固體的T2值長。第13頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四幾種常見組織在不同場強下的T1，T2及質(zhì)子密度值組織T1T2質(zhì)子密度(%)0.2T1.0T1.5T脂肪240-609.6白質(zhì)3906207187610.6灰質(zhì)4908109989110.6腦脊液14002500300014010.8肌肉370730860509.3第14頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四馳豫過程的綜合表示（三種運動的綜合過程）磁化矢量的進(jìn)動縱向磁化的逐漸增大

7、過程橫向磁化的逐漸減小過程第15頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四磁共振信號的獲取與傅立葉變換如果在垂直于XY平面，加一個接收線圈，會接收到什么信號？FID第16頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四補充說明3點組織的弛豫時間是組織的一種固有屬性，與組織的密度類似，在場強和環(huán)境確定后其時間是一個確定不變的值；病變組織相對于正常組織的一個典型變化是含水量增加；由于水具有長T2和長T1值，因此病變組織的T2時間比正常組織的長；（Damadian發(fā)表在Science上的文章）；如果能將上面的T2時間差別體現(xiàn)在圖像的灰度差別，則能夠達(dá)到區(qū)分正常組織和病變組織的目

8、的，完成對疾病的診斷；第17頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四核磁共振的兩種解釋量子理論（Pucell）微觀角度波函數(shù)在哈米爾頓能量算符的作用下，從而造成量子化能量的吸收和釋放；較容易初步理解，容易說明極化傳遞和相干轉(zhuǎn)移等現(xiàn)象；基本理論為：含時微擾理論；二者相互補充，各有優(yōu)缺點；經(jīng)典電磁學(xué)理論(Bloch)宏觀角度宏觀磁化矢量在各種磁矩的作用下的運動；較難理解，但在說明磁共振信號產(chǎn)生方面有優(yōu)越性；基本理論為：Bloch方程；在理解和應(yīng)用時需區(qū)分場合，相得益彰；第18頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四核磁共振的三種方法連續(xù)波核磁共振：連續(xù)施加與拉莫爾頻

9、率相等的射頻電磁波，在射頻作用于弛豫作用達(dá)到平衡時采集信號；根據(jù)共振條件的調(diào)節(jié)又分為：調(diào)頻法：固定場不變，調(diào)節(jié)射頻頻率；調(diào)場法：固定射頻不變，改變調(diào)場電流從而改變場強；脈沖傅立葉變換法：時間短暫的射頻脈沖后進(jìn)行信號采集；相當(dāng)于多道連續(xù)波核磁共振，因此靈敏度高，目前都采用；第19頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四掃場法第20頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四掃頻法第21頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四核磁共振波譜儀結(jié)構(gòu)第22頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四傅立葉變換的作用：復(fù)雜的時間域信號簡單的頻率域信號

10、傅立葉變換Amplitude第23頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四第24頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四第三節(jié) 磁共振信號的空間定位MRS：MR SpectroscopyMRI：MR Imaging核磁共振的2大用途：第25頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四核磁共振譜圖：分子結(jié)構(gòu)的“指紋”第26頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四組成灰度數(shù)字圖像的基本單元是像素像素只有兩個基本信息：像素位置信息和像素灰度信息像素位置信息表示圖像中的該像素對應(yīng)人體內(nèi)的體素位置像素灰度信息表示對應(yīng)體素的檢測信息的強度對磁共振

11、而言,實現(xiàn)像素與體素對應(yīng)的手段是施加三個維度上的梯度磁場;對磁共振而言,檢測的生物體信息是磁共振信號第27頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四加快磁共振成像時間的途徑第28頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四回波平面序列 使成像時間由常規(guī)的掃描序列的秒級提高到了亞秒級；30ms之內(nèi)采集一幅完整的圖像，使每秒獲取的圖像達(dá)到20幅 ；心臟電影 成為可能并進(jìn)入臨床；從原理上講，EPI應(yīng)歸屬于GRE類序列，但現(xiàn)在已自成體系了 ；分為梯度回波EPI 和自旋回波EPI ；梯度的轉(zhuǎn)換速度要達(dá)到今天常規(guī)梯度的4倍，梯度的幅值也需提出1倍。這樣的梯度就是前面所說的振蕩梯度，而振蕩梯度的代價是高昂的。 第29頁，共33頁，2022年，5月20日，5點22分，星期四震蕩梯度Gr主要用于功能M