磁共振成像原理精选PPT.ppt

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1、关于磁共振成像原理关于磁共振成像原理1第1页，讲稿共70张，创作于星期二2一、引言一、引言 核磁磁共共振振成成像像是利用原原子子核核在磁磁场场内内共共振振所产生的信号信号经重建重建成像的一种技术。特点：无创伤，无电离；无机械运动，任意截面成像；多个参数成像T1，T2，密度。第2页，讲稿共70张，创作于星期二3一、引言一、引言T1 ContrastTE=14 msTR=400 msT2 ContrastTE=100 msTR=1500 msProton DensityTE=14 msTR=1500 ms多参数成像多参数成像第3页，讲稿共70张，创作于星期二4一、引言一、引言T1 Contrast

2、TE=14 msTR=400 msT2 ContrastTE=100 msTR=1500 msProton DensityTE=14 msTR=1500 ms多截面成像多截面成像第4页，讲稿共70张，创作于星期二5一、引言一、引言 1945年年两两个个独独立立小小组组在在几几天天内内同同时时发发现现核核磁共振现象：磁共振现象：1）Bloch Stanford 大大学学（1946）Physics Review 69,127；2）Purcell MIT,（1946）Physics Review 69,37核磁共振现象的发现：核磁共振现象的发现：第5页，讲稿共70张，创作于星期二6一、引言一、引言

3、Felix Bloch 1905-1983Stanford University Edward Mills Purcell 1912-1997 MIT1952 Nobel Prize for Physics第6页，讲稿共70张，创作于星期二7一、引言一、引言 1973年年2个独立小组利用个独立小组利用磁场梯度磁场梯度解决空间解决空间信息获取的问题：图像形成信息获取的问题：图像形成 1）Lauterbur,State University of New York（85年年 Univ.of Illinois）(1973)Nature 242,736 2）Mansfield,Nottingham U

4、niversity(1973)J.Phys.C 6,L422 核磁共振现象的成像应用：核磁共振现象的成像应用：第7页，讲稿共70张，创作于星期二8一、引言一、引言2003 Nobel Prize in Physiology or MedicineLauterbur,1929Mansfied 1933第8页，讲稿共70张，创作于星期二9一、引言一、引言Damadian1969，提出，提出MR scanner 的设想；的设想；1971，“tumor detecting by MR”,T1,T2；1977，第一台，第一台MRI；1978，Fonar 公司；公司；1980，上市，上市第9页，讲稿共70

5、张，创作于星期二10一、引言一、引言Raymond Damadian与第一台第一台MRIMRI装置（装置（19771977）“The Shameful Wrong that must be righted”第10页，讲稿共70张，创作于星期二11Damadian申请的专利世界上第一张世界上第一张 MRI 图像图像 实事求是地讲，DamadianDamadian应该算是最早把核磁共振用于生物医学研究的人之一。早在1970年他便把从人身上切除的肿瘤移植到老鼠身上，并观察到携带肿瘤的老鼠的核磁共振信号发生了变化。这一结果发表在1971年的科学杂志上。第11页，讲稿共70张，创作于星期二12一、引言一

6、、引言 Damadian的的工作直接启发了Lauterbur对成像技术的研究，Lauterbur在认识到这一发现的医学价值的同时，也敏锐地意识到如果不能进行空间上的定位，核磁共振在临床应用的可能性微乎其微。于是便有了那篇1972年发表在自然杂志上的著名文章。而且，Damadian前瞻性地预言了核磁共振作为临床诊断工具的可能性。第12页，讲稿共70张，创作于星期二13二、核磁共振的基本原理二、核磁共振的基本原理 核磁共振是自旋的原子核在磁场中与电磁波相互作用的一种物理现象。人体组织和其他物体一样，也是由分子、原子组成。组成人体的元素有C、O、H、Ca、P及其他微量元素，这就为利用人体中的元素进行

7、成像检测提供了物质基础。第13页，讲稿共70张，创作于星期二14二、核磁共振的基本原理二、核磁共振的基本原理 原子核由质子和中子组成，质子带有正电荷，自旋将产生一个小磁场，称为磁矩。中子自旋时也会产生磁矩（约为质子磁矩的2/3）。对于质子和中子总数为奇数的原子核，存在明显的自旋磁矩，即存在发生核磁共振现象的可能性。比如 。自旋自旋 第14页，讲稿共70张，创作于星期二15二、核磁共振的基本原理二、核磁共振的基本原理 氢原子核 只有一个自旋的质子，结构最单纯，又能提供最强的核磁共振信号，目前磁共振成像主要利用人体内的氢原子核。无外磁场时，自旋质子的取向是随机的，当把它放在磁场中时，将按磁场方向取

8、向，可能倾向南极，也可能倾向北极。第15页，讲稿共70张，创作于星期二16二、核磁共振的基本原理二、核磁共振的基本原理电子质子氢原子核氢原子核1H第16页，讲稿共70张，创作于星期二17二、核磁共振的基本原理二、核磁共振的基本原理 在磁场中，质子倾向于北极的比倾向于南极的要多，因为向北点的质子处于低能级，更稳定一些。向北和向南的质子能级间有一个能量差。当磁力和热力使磁针达到平衡状态时，产生了净磁化。该磁化过程可以表示为时间的指数函数：（9-1）第17页，讲稿共70张，创作于星期二18二、核磁共振的基本原理二、核磁共振的基本原理表示物质核磁共振性质的一个重要参数，与磁场强度、温度和粘滞度有关。T

9、1不仅表示从激发态回到平衡态需要多少时间，也表示进行磁化需要的时间。指时间足够长时的净磁化强度。驰豫时间T1磁化强度的最大值M0第18页，讲稿共70张，创作于星期二19二、核磁共振的基本原理二、核磁共振的基本原理核在磁场中核在磁场中磁针保持南、北向的百分比，与磁场强度和随机热效应的相对比值有关在任一瞬间，磁针取向都是使其持南、北向的磁力和使之随机取向的热力的平衡结果第19页，讲稿共70张，创作于星期二20二、核磁共振的基本原理二、核磁共振的基本原理 进动是磁共振成像中另一个非常重要的概念，用它来表示质子在磁场中的磁化过程。类似于重力作用下的自旋陀螺的进动，外磁场与质子磁矩相互作用也会产生使之进

10、动的扭力，使自旋的质子绕磁场轴进动。进动进动也称为拉莫(Larmor)进动第20页，讲稿共70张，创作于星期二21二、核磁共振的基本原理二、核磁共振的基本原理P P：动量矩动量矩 T T：力矩力矩：磁距磁距质子进动与陀螺进动的类比质子进动与陀螺进动的类比第21页，讲稿共70张，创作于星期二22二、核磁共振的基本原理二、核磁共振的基本原理质子的进动质子的进动第22页，讲稿共70张，创作于星期二23二、核磁共振的基本原理二、核磁共振的基本原理 在观察的样本磁化后，如果再对它施加一个与主磁场垂直的交变磁场，当这个交变磁场的频率与进动频率一致时，原来处于随机相位的进动质子将趋于同相（相位相干）。当质子

11、的进动相位完全一致时，就发生了共振现象，即核磁共振。发生共振时，质子大量吸收交变场的能量，同时向外辐射能量。核磁共振核磁共振第23页，讲稿共70张，创作于星期二24二、核磁共振的基本原理二、核磁共振的基本原理 经典力学观点经典力学观点 带正电荷且具有自旋的核会产生磁场，该自旋磁场与外加磁场相互作用，将会产生进动。进动频率与自旋核角速度及外加磁场的关系可用拉莫尔方程表示：核磁共振的解释核磁共振的解释（9-2）：旋磁比，B0为外加磁场的强度。第24页，讲稿共70张，创作于星期二25二、核磁共振的基本原理二、核磁共振的基本原理 当进动的质子在射频场的作用下出现相位相干时，净磁化向量M0将偏离z轴，并

12、绕着z轴以共振频率进动。此时的磁化向量可以分解为一个z方向的垂直分量Mz和一个在平面旋转的水平分量Mxy。x0yzB00ttB1+=B1eitB1_ =B1e-ityxB1 =2B1第25页，讲稿共70张，创作于星期二26二、核磁共振的基本原理二、核磁共振的基本原理B0yxB1_z0增加，势能增加，能量增量由外加交变磁场提供；减小，势能减小，能量交给外加交变磁场；仅当交变磁场角频率满足=B=0 时才发生此种能量交换；此时与B1_ 绕z轴同步旋转 核磁共振现象交变磁场引起磁矩变化交变磁场引起磁矩变化第26页，讲稿共70张，创作于星期二27二、核磁共振的基本原理二、核磁共振的基本原理 量子力学观点

13、量子力学观点 施加外磁场：质子指南或指北，刚开始时，指南指北数量相同，净磁化向量为零，随时间推移，开始磁化过程，最终慢慢地趋向于最大平衡值M0，变化过程可由自旋晶格驰豫时间T1表示。无外磁场：质子随机指向；第27页，讲稿共70张，创作于星期二28二、核磁共振的基本原理二、核磁共振的基本原理共振时：能量由无线电波提供，并且外加射频波量子的能量正好与指南、指北质子之间的能量差相等。质子在两个能级（指北能级低）之间是翻动的，能量来回转移。从能级低的位置吸收能量后跃至较高能级，较高能级的质子释放能量到达较低能级。平衡态时：运动能量由热运动提供；第28页，讲稿共70张，创作于星期二29二、核磁共振的基本

14、原理二、核磁共振的基本原理 产生共振所需射频信号的频率是与外加磁场的强度有关的。外加磁场强度越大，指南指北质子能量差越大，产生共振所需的射频信号的频率或能量越大。只要激励射频场的频率和能量合适，就能产生共振。规律第29页，讲稿共70张，创作于星期二30二、核磁共振的基本原理二、核磁共振的基本原理 在短时激励脉冲过后，质子将继续辐射同样频率的射频能量。这个信号的衰减过程被检出，可以用于磁共振成像，即自旋自旋驰豫时间T2。根据量子力学理论，指南指北质子间的能量差取决于外加磁场B0和自身的磁矩：（9-3）第30页，讲稿共70张，创作于星期二31二、核磁共振的基本原理二、核磁共振的基本原理 发生共振的

15、条件是：指南指北质子间的能量差等于射频波光子的能量，即（9-4）这样，共振频率为：（9-5）第31页，讲稿共70张，创作于星期二32二、核磁共振的基本原理二、核磁共振的基本原理共振角频率为：（9-6）可见，共振频率与磁场强度成正比，从量子力学推出的共振关系式与从经典力学推出的关系式是完全一样的！第32页，讲稿共70张，创作于星期二33三、核磁共振的检测参数三、核磁共振的检测参数 核磁共振时，共振（同相进动）共振（同相进动），净磁化 矢量M0偏离z轴以共振频率绕z轴旋转，可 以分解为垂直矢量Mz和横向矢量Mxy；首先要明确质子的三个运动状态：无外磁场时，自旋自旋，磁矩随机指向；有外磁场时，进动进

16、动，磁矩指南或指北，净 磁化矢量M0；第33页，讲稿共70张，创作于星期二34三、核磁共振的检测参数三、核磁共振的检测参数 能提供能量使M0旋转180o的射频脉冲称为180o脉冲。激励共振的两个射频脉冲：能提供能量使M0旋转90o的射频脉冲称为90o脉冲；180o脉冲比90o脉冲持续时间长一倍或者振幅大一倍。第34页，讲稿共70张，创作于星期二35三、核磁共振的检测参数三、核磁共振的检测参数 对磁化的质子施加适当频率的射频脉冲后，质子趋向同相运动。在射频脉冲存在期间，磁化向量在快速绕z轴进动的同时，慢慢地绕x轴旋转（90o或180o）；当射频场消失后，质子的相位相干现象逐渐消失，磁化向量慢慢地

17、回到主磁场的方向。磁化向量的这种衰减过程叫做自由感应衰减(FID)。自由感应衰减过程自由感应衰减过程检测信号就是从自由衰减过程中提取。第35页，讲稿共70张，创作于星期二36三、核磁共振的检测参数三、核磁共振的检测参数 其中，横向磁化向量横向分量的衰减时间称为横向驰豫时间T2，纵向分量的增长时间称为纵向驰豫时间T1。不同的化学物质，具有不同的T1和T2。实际情况中，横向磁化分量比理想情况的衰减快得多。自由感应衰减信号自由感应衰减信号 自由感应衰减信号的强度与质子密度和驰豫时间有关。第36页，讲稿共70张，创作于星期二37三、核磁共振的检测参数自由感应衰减信号自由感应衰减信号第37页，讲稿共70

18、张，创作于星期二38三、核磁共振的检测参数自旋晶格驰豫时间自旋晶格驰豫时间T1第38页，讲稿共70张，创作于星期二39三、核磁共振的检测参数三、核磁共振的检测参数自旋自旋驰豫过程自旋自旋驰豫过程第39页，讲稿共70张，创作于星期二40三、核磁共振的检测参数自旋自旋驰豫时间自旋自旋驰豫时间T2第40页，讲稿共70张，创作于星期二41三、核磁共振的检测参数T1的大小与外加磁场强度有关第41页，讲稿共70张，创作于星期二42三、核磁共振的检测参数三、核磁共振的检测参数T1加权图像（脑部）加权图像（脑部）T2加权图像（脑部）加权图像（脑部）第42页，讲稿共70张，创作于星期二43四、核磁共振信号的采集

19、四、核磁共振信号的采集 用射频信号激励样本后产生的横向磁化向量将最终决定磁共振信号的强度。通常采集信号的办法是采用一个特定时序的脉冲序列来激励，不同形式的脉冲激励将直接影响磁共振图像的灰度、对比度等。通过特定时序的脉冲序列采集信号：通过特定时序的脉冲序列采集信号：常用的脉冲序列有三种：部分饱和序列倒转恢复序列自旋回波序列第43页，讲稿共70张，创作于星期二44四、核磁共振信号的采集四、核磁共振信号的采集 由一系列等间隔的90o射频脉冲组成，数据采集紧跟着每个90o脉冲进行。部分饱和序列下，检测信号的强度为：（9-7）对于某一特定物质，TR增大，信号强度增大；TR相同时，T1越短，检测到的信号越

20、强。部分饱和序列部分饱和序列第44页，讲稿共70张，创作于星期二45四、核磁共振信号的采集四、核磁共振信号的采集Mz的恢复过程的恢复过程第45页，讲稿共70张，创作于星期二46四、核磁共振信号的采集四、核磁共振信号的采集 指一个180o射频脉冲后紧跟一个90o脉冲，两个脉冲的间隔时间为TI，每组脉冲间的时间间隔为TR。在倒转恢复序列激励下，MRI信号的强度为：（9-8）倒转恢复序列激励时，图像对T1的变化更敏感，精度高，测量范围大。倒转恢复序列倒转恢复序列第46页，讲稿共70张，创作于星期二47四、核磁共振信号的采集四、核磁共振信号的采集倒转恢复脉冲序列倒转恢复脉冲序列第47页，讲稿共70张，

21、创作于星期二48四、核磁共振信号的采集四、核磁共振信号的采集 指一个90o脉冲紧跟着一个180o脉冲组成的脉冲序列。180o脉冲可以维持相位相干现象，使横向磁化分量出现多个峰值（衰减）自旋回波。其中，外磁场决定自旋回波的宽度，内磁场决定自旋回波的高度。自旋回波序列自旋回波序列 当TITR时，自旋回波序列激励的信号为：（9-8）第48页，讲稿共70张，创作于星期二49四、核磁共振信号的采集四、核磁共振信号的采集式中，TE为回波延迟时间。可见，增大脉冲重复时间TR和缩短回波延迟时间TE都能提高自旋回波的强度。自旋回波序列的缺点：分子的扩散过程影响测量的精度，测量时间比较长。第49页，讲稿共70张，

22、创作于星期二50四、核磁共振信号的采集四、核磁共振信号的采集自旋回波脉冲序列自旋回波脉冲序列第50页，讲稿共70张，创作于星期二51四、核磁共振信号的采集四、核磁共振信号的采集 信号强度与这些参数的具体关系由所采用的脉冲序列决定；从观察样本的某一个体元中接收的MRI信号的强度与质子密度、纵向驰豫时间T1，横向驰豫时间T2有关；自由感应信号只提供样本的T1信息，自旋回波信号则同时提供T1和T2的信息。第51页，讲稿共70张，创作于星期二52五、核磁共振成像方法层面选择层面选择第52页，讲稿共70张，创作于星期二53五、核磁共振成像方法层面选择层面选择第53页，讲稿共70张，创作于星期二54五、核

23、磁共振成像方法梯度磁场与层面选择梯度磁场与层面选择第54页，讲稿共70张，创作于星期二55五、核磁共振成像方法其中，其中，为质子的旋磁比，则断面为质子的旋磁比，则断面 中的中的质子将产生共振，其他断层中的质子均不处于共质子将产生共振，其他断层中的质子均不处于共振频率，未受激励。振频率，未受激励。若选择的激励脉冲射频频率为：若选择的激励脉冲射频频率为：（9-9）第55页，讲稿共70张，创作于星期二56五、核磁共振成像方法 若在若在x x轴上施以频率为轴上施以频率为 的的 射频射频脉冲，则脉冲，则 平面中的质子磁化强平面中的质子磁化强度矢量将转至度矢量将转至x-yx-y平面，在平面，在 脉冲结脉冲

24、结束后，质子核磁矩发生自由进动，产生束后，质子核磁矩发生自由进动，产生核磁共振信号。进动的频率视当时当地核磁共振信号。进动的频率视当时当地的磁场强度的磁场强度B B而定。而定。第56页，讲稿共70张，创作于星期二57五、核磁共振成像方法射频脉冲及相应的频谱射频脉冲及相应的频谱由于所施加的射频脉冲具有一定的时宽 ，并为射频 所调制，故相应的频谱呈sinc函数，中心频率为 ，频谱宽度为 。所选层面有一厚度：第57页，讲稿共70张，创作于星期二58也可以选择其他断面，例如矢状面或冠状面，只要让 随x或y作线性变化，即在x或y方向加上线性梯度磁场即可。五、核磁共振五、核磁共振成像方法成像方法层面既然具

25、有一定厚度 ，在这一层中的核子实际上感受不同的 ，其值与z有关。故在 激励脉冲作用期间这些核子以不同速度进动着，激励结束后它们沿z方向的相位不一致。第58页，讲稿共70张，创作于星期二59五、核磁共振成像方法 为了纠正这一相位差异，紧跟着在激励脉冲结束后应加一反极性 。层面层面选择选择磁场磁场结构结构第59页，讲稿共70张，创作于星期二60五、核磁共振成像方法核磁共振的图像重建算法核磁共振的图像重建算法 投影重建法 二维傅立叶变换法（主要）回波平面成像法第60页，讲稿共70张，创作于星期二61五、核磁共振成像方法磁共振信号产生磁共振信号产生检测检测编码编码磁体发射与接收线圈射频发射器射频接收器

26、供电系统 数据采集数据采集存储存储图像重建显示图像重建显示模数转换器计算机核磁共振成像流程第61页，讲稿共70张，创作于星期二62六、小结与作业六、小结与作业1.核磁共振现象的产生与解释（质子的自旋、进动、共振）；2.核磁共振成像参数检测方法；3.核磁共振成像信号采集方法。重点掌握内容：第62页，讲稿共70张，创作于星期二63六、小结与作业六、小结与作业1.为什么T1会随环境温度的升高而缩短？2.为什么磁场的不均匀性会使T2急剧缩短？作业：第63页，讲稿共70张，创作于星期二64附录附录 磁共振成像设备磁共振成像设备第64页，讲稿共70张，创作于星期二65附录附录 磁共振成像设备磁共振成像设备第65页，讲稿共70张，创作于星期二66附录附录 磁共振成像设备磁共振成像设备第66页，讲稿共70张，创作于星期二67附录MRA核磁血管造影第67页，讲稿共70张，创作于星期二68fMRI功能成像第68页，讲稿共70张，创作于星期二69附录100mm100mm体积分辨率需提体积分辨率需提高高 109 倍倍MR显微镜显微镜第69页，讲稿共70张，创作于星期二感感谢谢大大家家观观看看第70页，讲稿共70张，创作于星期二