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1、会计学1MR成像原理成像原理 介绍坐标系介绍坐标系介绍坐标系介绍坐标系-Z Z 轴轴轴轴代表磁力线。代表磁力线。代表磁力线。代表磁力线。-小箭头小箭头小箭头小箭头代表质子的代表质子的代表质子的代表质子的矢量。一个矢量代表矢量。一个矢量代表矢量。一个矢量代表矢量。一个矢量代表着某一方向的一定量着某一方向的一定量着某一方向的一定量着某一方向的一定量的力，的力，的力，的力，我们图中矢量我们图中矢量我们图中矢量我们图中矢量的力为磁力。的力为磁力。的力为磁力。的力为磁力。第1页/共29页 使用坐标系较易描述磁场内运动的质子，使用坐标系较易描述磁场内运动的质子，也不必画外部磁体也不必画外部磁体 第2页/共
2、29页5 个个“指指”向下方的质子与向下方的质子与5 个个“指指”向上方的质子磁向上方的质子磁场互相抵消场互相抵消a，因此，实际上仅看到，因此，实际上仅看到4 个未抵个未抵消的质子消的质子b。第3页/共29页余下的质子处于相余下的质子处于相反方向时反方向时(如如A 与与A)，其磁力互相抵消。，其磁力互相抵消。除沿外磁场方向的除沿外磁场方向的Z 轴外都是如轴外都是如此。实际上，最后此。实际上，最后剩下的是一个顺着剩下的是一个顺着外磁场方向的磁矢外磁场方向的磁矢量（图量（图 中中Z 轴上的轴上的箭头），这个矢量箭头），这个矢量是指向上方质子矢是指向上方质子矢量的总和。量的总和。第4页/共29页这意
3、味着把一个病人放这意味着把一个病人放进进MR 机磁体内，病人机磁体内，病人本身成为一个磁棒，本身成为一个磁棒，即即有他自己的磁场。因为有他自己的磁场。因为这种磁化是沿着外磁场这种磁化是沿着外磁场纵轴方向，故称之为纵轴方向，故称之为纵纵向磁化向磁化 把病人置入强外磁场中，可诱发一个新的把病人置入强外磁场中，可诱发一个新的磁矢量，从而使病人本身成为一个磁体，磁矢量，从而使病人本身成为一个磁体，这个磁矢量与外磁场平行这个磁矢量与外磁场平行 第5页/共29页病人的新磁矢量是顺着病人的新磁矢量是顺着外磁场的方向，沿着外外磁场的方向，沿着外磁场的磁力线，称之为磁场的磁力线，称之为纵向。实际上，纵向。实际上
4、，这正这正是我们可以用来获得信是我们可以用来获得信号的磁矢量。如果我们号的磁矢量。如果我们能够测量病人的这种磁能够测量病人的这种磁化该有多好，但很可惜，化该有多好，但很可惜，我们不能测到这个磁力，我们不能测到这个磁力，因为它平行于外磁场，因为它平行于外磁场，与外磁场处于同一方向与外磁场处于同一方向 第6页/共29页 小小小小 结结结结-质子带正电荷，具有自旋性。因此它们质子带正电荷，具有自旋性。因此它们质子带正电荷，具有自旋性。因此它们质子带正电荷，具有自旋性。因此它们有一个磁场，可看作是一个小磁棒。有一个磁场，可看作是一个小磁棒。有一个磁场，可看作是一个小磁棒。有一个磁场，可看作是一个小磁棒
5、。-把质子放入强磁场时，它们就沿着外磁把质子放入强磁场时，它们就沿着外磁把质子放入强磁场时，它们就沿着外磁把质子放入强磁场时，它们就沿着外磁场的方向排列，一些平行（指向上），场的方向排列，一些平行（指向上），场的方向排列，一些平行（指向上），场的方向排列，一些平行（指向上），一一一一些反平行（指向下）。些反平行（指向下）。些反平行（指向下）。些反平行（指向下）。-质子并非静止不动，而是围绕着磁力线质子并非静止不动，而是围绕着磁力线质子并非静止不动，而是围绕着磁力线质子并非静止不动，而是围绕着磁力线进动，外磁场越强，进动频率越高，它们进动，外磁场越强，进动频率越高，它们进动，外磁场越强，进动频率
6、越高，它们进动，外磁场越强，进动频率越高，它们之间的关系可用之间的关系可用之间的关系可用之间的关系可用Larmor Larmor 方程说明。方程说明。方程说明。方程说明。第7页/共29页 小小小小 结结结结-反平行与平行质子的磁力可互相抵消。反平行与平行质子的磁力可互相抵消。反平行与平行质子的磁力可互相抵消。反平行与平行质子的磁力可互相抵消。但有多余的平行的处于低能级的质子但有多余的平行的处于低能级的质子但有多余的平行的处于低能级的质子但有多余的平行的处于低能级的质子（“指向上方指向上方指向上方指向上方”）残留下来，它们的磁）残留下来，它们的磁）残留下来，它们的磁）残留下来，它们的磁力不被抵消
7、。这些质子都指向上方，它力不被抵消。这些质子都指向上方，它力不被抵消。这些质子都指向上方，它力不被抵消。这些质子都指向上方，它们的磁力迭加起来指向外磁场的方向。们的磁力迭加起来指向外磁场的方向。们的磁力迭加起来指向外磁场的方向。们的磁力迭加起来指向外磁场的方向。因此因此因此因此,当我们把病人放入当我们把病人放入当我们把病人放入当我们把病人放入MR MR 磁体内时，磁体内时，磁体内时，磁体内时，病人有自己的磁场，病人有自己的磁场，病人有自己的磁场，病人有自己的磁场，这一磁场纵向于这一磁场纵向于这一磁场纵向于这一磁场纵向于MR MR 磁体磁场（如图磁体磁场（如图磁体磁场（如图磁体磁场（如图7 7
8、及及及及8 8）因为是纵向，所）因为是纵向，所）因为是纵向，所）因为是纵向，所以，它不能被直接测得。以，它不能被直接测得。以，它不能被直接测得。以，它不能被直接测得。第8页/共29页把病人放入磁体后发生了什么呢？把病人放入磁体后发生了什么呢？我们给病人发射一个短促的电磁波，称之为射频脉冲RF脉冲,其目的是要扰乱沿外磁场方向宁静进动的质子。并非任何一种RF 脉冲都能扰乱质子的排列状态。对此，我们需要一个特殊的、能够与质子交换能量的RF 脉冲。第9页/共29页当质子频率与射频脉冲频率相同时当质子频率与射频脉冲频率相同时就能进行能量交换就能进行能量交换 第10页/共29页共共 振振 现现 象象-质子
9、有进动频率，质子有进动频率，质子有进动频率，质子有进动频率，这一频率可由这一频率可由这一频率可由这一频率可由Larmor Larmor 方程算出。只有当方程算出。只有当方程算出。只有当方程算出。只有当RF RF 脉脉脉脉冲与质子频率相同时，质子才能从无线电波中吸收一些能量，这冲与质子频率相同时，质子才能从无线电波中吸收一些能量，这冲与质子频率相同时，质子才能从无线电波中吸收一些能量，这冲与质子频率相同时，质子才能从无线电波中吸收一些能量，这种现象称种现象称种现象称种现象称 为共振（磁共振中，为共振（磁共振中，为共振（磁共振中，为共振（磁共振中，“共振共振共振共振”一词就是来源于此）一词就是来源
10、于此）一词就是来源于此）一词就是来源于此）-以音叉为例来说明共振。设想在一个房间内有各种各样的音叉，音以音叉为例来说明共振。设想在一个房间内有各种各样的音叉，音以音叉为例来说明共振。设想在一个房间内有各种各样的音叉，音以音叉为例来说明共振。设想在一个房间内有各种各样的音叉，音叉的频率是叉的频率是叉的频率是叉的频率是a a、e e 和和和和d d。一个人带着一个。一个人带着一个。一个人带着一个。一个人带着一个“a”a”频率的发声的音叉走频率的发声的音叉走频率的发声的音叉走频率的发声的音叉走进来，那些进来，那些进来，那些进来，那些“a”a”音叉（音叉（音叉（音叉（也只有这些音叉）接收能量后开始振动
11、，也只有这些音叉）接收能量后开始振动，也只有这些音叉）接收能量后开始振动，也只有这些音叉）接收能量后开始振动，突然发出声音，这一现象称为共振。突然发出声音，这一现象称为共振。突然发出声音，这一现象称为共振。突然发出声音，这一现象称为共振。第11页/共29页当当施施加加RF 脉脉冲冲后后，质质子子会会发发生生什什么么变变化化呢呢？a 射频脉冲与质子交换能量，射频脉冲与质子交换能量，一些质子被升到一个较高的一些质子被升到一个较高的 能级水平能级水平 如图如图b中指向下方的两个质子中指向下方的两个质子b实际上实际上Z 轴磁化减少，因为指向下方的质子轴磁化减少，因为指向下方的质子“中和中和”等数等数
12、目的指向上方的质子。纵向磁化从目的指向上方的质子。纵向磁化从6减到减到2 第12页/共29页正常情况下，无线电波对质子产生两种效应：它把一些质子升正常情况下，无线电波对质子产生两种效应：它把一些质子升到较高的能级水平到较高的能级水平它们指向下方它们指向下方，它也引起质子同步、同，它也引起质子同步、同相运动。前者导致相运动。前者导致Z 轴，即纵向磁化减少，后者在轴，即纵向磁化减少，后者在X-Y 平面上平面上产生一个新的磁化产生一个新的磁化，即横向磁化，它随着进动的质子而，即横向磁化，它随着进动的质子而运动运动 第13页/共29页把病人置入强外磁场中，沿着外磁场方向产生一把病人置入强外磁场中，沿着
13、外磁场方向产生一个新的磁矢量个新的磁矢量a。施加。施加RF 脉冲后，产生一个脉冲后，产生一个新的横向磁化，而纵向磁化减少新的横向磁化，而纵向磁化减少b。在。在RF 脉脉冲的作用下，纵向磁化甚至可完全消失冲的作用下，纵向磁化甚至可完全消失c 第14页/共29页-当我们把病人放人当我们把病人放人当我们把病人放人当我们把病人放人MR MR 机时，质子平机时，质子平机时，质子平机时，质子平行或反平行于行或反平行于行或反平行于行或反平行于MR MR 机的磁场，结果使病机的磁场，结果使病机的磁场，结果使病机的磁场，结果使病人的磁场纵向于外磁场（图人的磁场纵向于外磁场（图人的磁场纵向于外磁场（图人的磁场纵向
14、于外磁场（图a a）。）。）。）。-施加与质子进动频率相同的施加与质子进动频率相同的施加与质子进动频率相同的施加与质子进动频率相同的RF RF 脉冲，脉冲，脉冲，脉冲，则引起两种效应：则引起两种效应：则引起两种效应：则引起两种效应：(1)(1)一些质子吸收能量后使纵向磁化减少一些质子吸收能量后使纵向磁化减少一些质子吸收能量后使纵向磁化减少一些质子吸收能量后使纵向磁化减少(2)(2)质子同步化，开始以同相进动，其矢质子同步化，开始以同相进动，其矢质子同步化，开始以同相进动，其矢质子同步化，开始以同相进动，其矢量也在横向于外磁场的方向上迭加起来，量也在横向于外磁场的方向上迭加起来，量也在横向于外磁
15、场的方向上迭加起来，量也在横向于外磁场的方向上迭加起来，产生横向磁化。产生横向磁化。产生横向磁化。产生横向磁化。-总之，总之，总之，总之，RF RF 脉冲引起纵向磁化减少，脉冲引起纵向磁化减少，脉冲引起纵向磁化减少，脉冲引起纵向磁化减少，产生一个新的横向磁化产生一个新的横向磁化产生一个新的横向磁化产生一个新的横向磁化 第15页/共29页弛弛 豫豫 现现 象（象（relaxation）RF 脉冲一旦中止，由脉冲引起的系脉冲一旦中止，由脉冲引起的系统改变，很快就回到原来静止时的统改变，很快就回到原来静止时的状态，状态，即发生即发生弛豫弛豫。新建立起来的。新建立起来的横向磁化开始消失此过程称为横向磁
16、化开始消失此过程称为横向横向弛豫弛豫,纵向磁化恢复到原来的大小纵向磁化恢复到原来的大小这一过程称为这一过程称为纵向弛豫纵向弛豫第16页/共29页中断中断RF 脉冲后，质子从高能状态返回到低脉冲后，质子从高能状态返回到低能状态，重新指向上方，结果纵向磁化增加，能状态，重新指向上方，结果纵向磁化增加，恢复到原来的数值恢复到原来的数值 第17页/共29页在在RF 脉冲中止后，以纵向磁化对时间画成曲脉冲中止后，以纵向磁化对时间画成曲线，就得到线，就得到T1 曲线。纵向磁化恢复到原来数曲线。纵向磁化恢复到原来数值所经历的时间，称为纵向弛豫时间，也简值所经历的时间，称为纵向弛豫时间，也简称为称为T1。实际
17、上，。实际上，T1 并非一个确切时间，而并非一个确切时间，而是一个时间常数是一个时间常数 第18页/共29页在在RF 脉冲中止后，质子失去相位一致性、失去同脉冲中止后，质子失去相位一致性、失去同步化。当您从上面整体地来看这些失相位的质子步化。当您从上面整体地来看这些失相位的质子时（画在图的下部），就会看到质子如何呈扇形时（画在图的下部），就会看到质子如何呈扇形散开。呈扇形散开时，指向同一方向越来越小，散开。呈扇形散开时，指向同一方向越来越小，因而横向磁化减少。因而横向磁化减少。第19页/共29页在在RF 脉冲中止后，以横向磁化对时间脉冲中止后，以横向磁化对时间画一曲线，就可以得到一条像图上所画
18、画一曲线，就可以得到一条像图上所画的曲线，称为的曲线，称为T2 曲线曲线 第20页/共29页把把T1 与与T2 曲线连接起来，类似一座具曲线连接起来，类似一座具有斜坡的山，登山比滑下去或跳下去有斜坡的山，登山比滑下去或跳下去所用的时间要长。这有助于记住正常情所用的时间要长。这有助于记住正常情况下况下T1 长于长于T2 第21页/共29页小小 结结-质子像小磁棒。质子像小磁棒。-在外磁场里，质子的排列方式是在外磁场里，质子的排列方式是平行或反平平行或反平 行于外磁场。行于外磁场。-低能状态（平行）的排列方式占低能状态（平行）的排列方式占优势，因此有较多的质子以此种优势，因此有较多的质子以此种方式
19、排列。方式排列。-质子的运动方式与一个旋转着的质子的运动方式与一个旋转着的陀螺受到撞击时的运动相似。陀螺受到撞击时的运动相似。这这种运动为进动。种运动为进动。-进动频率依赖外磁场的场强（它进动频率依赖外磁场的场强（它们之间的关们之间的关 系用系用Larmor 方程表示）场强越强，方程表示）场强越强，进动频进动频 率越高。方向相反的质子，它们率越高。方向相反的质子，它们的磁力互相的磁力互相 抵消。抵消。第22页/共29页小小 结结-因为有较多的质子是沿着与外磁场平因为有较多的质子是沿着与外磁场平因为有较多的质子是沿着与外磁场平因为有较多的质子是沿着与外磁场平行的方向排列，因此凈磁矩纵向于外行的方
20、向排列，因此凈磁矩纵向于外行的方向排列，因此凈磁矩纵向于外行的方向排列，因此凈磁矩纵向于外磁场。磁场。磁场。磁场。-与质子进动频率相同的射频脉冲，能与质子进动频率相同的射频脉冲，能与质子进动频率相同的射频脉冲，能与质子进动频率相同的射频脉冲，能引起共振，把能量传给质子，致使较引起共振，把能量传给质子，致使较引起共振，把能量传给质子，致使较引起共振，把能量传给质子，致使较多的质子处于反平行状态，这就中和多的质子处于反平行状态，这就中和多的质子处于反平行状态，这就中和多的质子处于反平行状态，这就中和抵消了平行状态的质子。结果：纵抵消了平行状态的质子。结果：纵抵消了平行状态的质子。结果：纵抵消了平行
21、状态的质子。结果：纵向磁化减少。向磁化减少。向磁化减少。向磁化减少。-RF RF 脉冲也引起质子同步、同相进动，脉冲也引起质子同步、同相进动，脉冲也引起质子同步、同相进动，脉冲也引起质子同步、同相进动，结果产生一个新的磁矢量，即横向磁结果产生一个新的磁矢量，即横向磁结果产生一个新的磁矢量，即横向磁结果产生一个新的磁矢量，即横向磁化。化。化。化。第23页/共29页小小 结结 -当中止当中止RF 脉冲后脉冲后,纵向磁化再次纵向磁化再次增加，纵向弛豫由时间常数增加，纵向弛豫由时间常数T1 表表示，即纵向弛豫时间。示，即纵向弛豫时间。-横向磁化减少和消失，横向弛豫横向磁化减少和消失，横向弛豫由时间常数
22、由时间常数T2 表示，即横向弛豫表示，即横向弛豫时间。时间。-纵向弛豫时间与横向弛豫时间纵向弛豫时间与横向弛豫时间是不同的，不依赖进动是不同的，不依赖进动.第24页/共29页第25页/共29页磁共振成像原理磁共振成像原理-1n n是利用人体组织中原子核运动所产生能级和相位变化，经过是利用人体组织中原子核运动所产生能级和相位变化，经过是利用人体组织中原子核运动所产生能级和相位变化，经过是利用人体组织中原子核运动所产生能级和相位变化，经过电子计算机运算处理而转变成图像。电子计算机运算处理而转变成图像。电子计算机运算处理而转变成图像。电子计算机运算处理而转变成图像。n n 人体组织中大量存在并能产生
23、较强信号的氢原子核人体组织中大量存在并能产生较强信号的氢原子核人体组织中大量存在并能产生较强信号的氢原子核人体组织中大量存在并能产生较强信号的氢原子核（HH）或称质子，具有自旋及磁矩的物理性能。在外加磁场）或称质子，具有自旋及磁矩的物理性能。在外加磁场）或称质子，具有自旋及磁矩的物理性能。在外加磁场）或称质子，具有自旋及磁矩的物理性能。在外加磁场的作用下，质子以一种特定方式绕磁场方向旋转。在经受一的作用下，质子以一种特定方式绕磁场方向旋转。在经受一的作用下，质子以一种特定方式绕磁场方向旋转。在经受一的作用下，质子以一种特定方式绕磁场方向旋转。在经受一个频率与质子自旋频率相同的射频脉冲激发，便引
24、起质子共个频率与质子自旋频率相同的射频脉冲激发，便引起质子共个频率与质子自旋频率相同的射频脉冲激发，便引起质子共个频率与质子自旋频率相同的射频脉冲激发，便引起质子共振，即所谓核磁共振，并发生质子相位与能级变化。在射频振，即所谓核磁共振，并发生质子相位与能级变化。在射频振，即所谓核磁共振，并发生质子相位与能级变化。在射频振，即所谓核磁共振，并发生质子相位与能级变化。在射频脉冲停止激发后，质子的相位和能级又由非平衡状态转入平脉冲停止激发后，质子的相位和能级又由非平衡状态转入平脉冲停止激发后，质子的相位和能级又由非平衡状态转入平脉冲停止激发后，质子的相位和能级又由非平衡状态转入平衡状态。亦即由激发后
25、状态转变为激发前状态。这个过程称衡状态。亦即由激发后状态转变为激发前状态。这个过程称衡状态。亦即由激发后状态转变为激发前状态。这个过程称衡状态。亦即由激发后状态转变为激发前状态。这个过程称为弛豫过程，经历的时间称为弛豫时间（为弛豫过程，经历的时间称为弛豫时间（为弛豫过程，经历的时间称为弛豫时间（为弛豫过程，经历的时间称为弛豫时间（T1T1和和和和T2T2）。）。）。）。第26页/共29页n n它反映质子的运动特征。这些能级变化和相位变化所产生的它反映质子的运动特征。这些能级变化和相位变化所产生的它反映质子的运动特征。这些能级变化和相位变化所产生的它反映质子的运动特征。这些能级变化和相位变化所产
26、生的信号均能为位于身体附近的接受器所测得，经过电子计算机信号均能为位于身体附近的接受器所测得，经过电子计算机信号均能为位于身体附近的接受器所测得，经过电子计算机信号均能为位于身体附近的接受器所测得，经过电子计算机的运算处理转变成图像。因此，构成人体组织的磁共振成像的运算处理转变成图像。因此，构成人体组织的磁共振成像的运算处理转变成图像。因此，构成人体组织的磁共振成像的运算处理转变成图像。因此，构成人体组织的磁共振成像的三要素是身体组织中的质子密度和质子弛豫时间常数（的三要素是身体组织中的质子密度和质子弛豫时间常数（的三要素是身体组织中的质子密度和质子弛豫时间常数（的三要素是身体组织中的质子密度
27、和质子弛豫时间常数（T1T1和和和和T2T2）。尤其是后二者在成像中起主导作用。因为人休组织）。尤其是后二者在成像中起主导作用。因为人休组织）。尤其是后二者在成像中起主导作用。因为人休组织）。尤其是后二者在成像中起主导作用。因为人休组织之间质子密度的差异仅为之间质子密度的差异仅为之间质子密度的差异仅为之间质子密度的差异仅为10%10%，而弛豫时间则可相差百分之，而弛豫时间则可相差百分之，而弛豫时间则可相差百分之，而弛豫时间则可相差百分之数百，甚至可以反应分子结构上的差异，这就开拓磁共振成数百，甚至可以反应分子结构上的差异，这就开拓磁共振成数百，甚至可以反应分子结构上的差异，这就开拓磁共振成数百，甚至可以反应分子结构上的差异，这就开拓磁共振成像作为疾病诊断的广阔前景。像作为疾病诊断的广阔前景。像作为疾病诊断的广阔前景。像作为疾病诊断的广阔前景。磁共振成像原理磁共振成像原理-2第27页/共29页谢谢 谢谢第28页/共29页