磁共振成像原理讲解材料课件

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1、核磁共振成像原理 Nuclear Magnetic Resonance Imaging, NMRI,主 讲：易三莉生物医学工程专业 信息工程与自动化学院 昆明理工大学,教材： 核磁共振成像原理 熊国欣 科学出版社 2007年第一版,辅导材料： 1、MRI基础 尹建中译 天津科技翻译出版公司 2004年 2、MRI原理与技术陈武凡 科学出版社 2012年,什么是核磁共振成像？核磁共振成像具有哪些优势？ 核磁共振成像在医学影像中有哪些应用？,第一章 导 言,核磁共振：,物质原子核磁矩在外磁场的作用下发生能级分裂，并在外加射频磁场的能量条件下产生的能级跃迁的核物理现象。,核磁共振的特点：,（1）具有

2、普遍性，在化学元素周期表中92种天然元素中，具有核磁矩的元素有88种。 （2）不同的核有不同的磁矩，使NMR具有很高的选择性； （3）NMR谱线宽度很窄，因而具有很高分辨率； （4）可进行生物过程和化学变化等动态观测；,（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）,核磁共振成像：,Nuclear Magnetic Resonance Imaging, NMRI,其全称是核磁共振电子计算机断层扫描术。它是根据生物磁性核在磁场中表现出来的共振特性进行成像的新技术。由于“核”字的敏感性，故通常将其称为MRI。,核磁共振成像的特点：,（1）多参数成像，可提供丰富的诊断信息。 （2）

3、高对比度成像，尤其可获得高对比度软组织的图像。 （3）任意方位断层，可从三维空间观察人体。 （4）可进行人体能量代谢研究，将解剖结构观察和功能代谢情况观察相对合。 （5）无电离辐射，对人体没有损伤。,以核磁共振成像与CT成像的比较为例来比较说明MRI的特点：,（3）FMRI功能成像,（4）DTMRI扩散张量成像,第二章 MRI扫描仪,主要内容：1、对MRI有初步的了解；2、了解MRI扫描仪有哪些类型；3、掌握MRI扫描仪的基本结构； 重点：掌握MRI扫描仪的基本结构；掌握主磁体的种类；,第一节 核磁共振仪的系统结构及类型,根据磁场的产生方式不同，可分为三大类：1.超导型2.永磁型3.常导型 根

4、据用途不同，可分为两大类：1.临床应用型：其主磁体磁场强度在0.20.5T以下；2.临床研究型：其磁场强度在1.01.5T以上。 根据磁体外形不同，可分为三类： 1、开放式 2、封闭式 3、特殊外形磁体,开放式MRI,封闭式MRI,特殊外形MRI,MRI设备结构示意图,MRI成像系统方框图,磁体系统、,谱仪系统、,计算机系统,MRI系统：,MRI系 统 结 构,用于产生主磁场B0。它是NMR成像系统中一个关键部件，决定了MRI设备的图像质量和工作效率。,第二节 核磁共振仪的磁体系统,一、主磁体,螺旋管型线圈与马鞍型接收线圈的信噪比相差40 。螺旋管型接收线圈的接收信号的有效范围更均匀、利用率更

5、高、对称性更好。,0.3T（特斯拉）以下的称为低磁场强度，主要应用于永磁型MRI设备。1.0T以上的称为高磁场强度，主要应用于超导型MRI设备,永磁型：主磁体为天然材料，不需消耗电能，运行费用低，但主磁体重量大。MRI设备的信号平面垂直于静磁场方向，所以接收线圈使用效率较高的螺旋管型接收线圈。而其他类型的主磁体磁场方向均为水平方向，只能使用马鞍型接收线圈。,常导型：又称阻抗磁体。特点是结构简单，造价低，但运行费用高。并且线圈电源的质量直接影响磁场的稳定，无法保证MRI设备的图像质量。常导型磁体的目前，常导型MRI设备正逐步被淘汰。,超导型：利用超导材料在低温条件下（约-270）零电阻特性（施加

6、很小的电压可得到非常大的电流）制成。磁场强度高，但需要将线圈放入液氦中进行低温处理来形成超导环境，需要一套复杂的低温保障系统，超导磁体的价格昂贵，运行费用高。具有高场强、高均匀度、高稳定性、高信噪比等优点。,成像系统中对主磁体的指标、工艺都有很高要求：（1）大孔径：整体成像最小直径1米左右。（2）强磁场：当前临床所用超导磁铁，磁场强度有0.2到7.0T（特斯拉），常见的为1.5T和3.0T；动物实验用的小型MRI则有4.7T、7.0T与9.4T等多种主磁场强度。（3）均匀度：表示特定容积限度内磁场的同一性。主磁场的均匀度决定了图像的分辨能力。均匀度要求在10-610-5PPM(Parts pe

7、r million),主磁体的工艺要求,二、梯度系统,1、系统组成：梯度线圈、梯度控制器及数模转换器、梯度放大器,2、梯度场的性能：均匀容积、梯度场强度、梯度场的线性、梯度场的切换率和上升时间,MR仪的三套梯度线圈,第三节 核磁共振仪的谱仪系统,谱仪系统：也称射频系统。是MRI中实施射频激励 并接收和处理RF信号的功能单元。包括射频发生器与射频接收器两部分。,射频发生器：提供一个短而强的射频场，以脉冲形式施加到成像物体上，使其质子发生磁共振现象。它包括：频率合成器、正交调制器、射频功率放大器、射频开关、射频发射线圈。,射频接收器：接收MR信号调制的射频信号并对其进行数字化处理最终得到数字化信息

8、。它包括：接收线圈、衰减器、射频放大器、模数转换器等,第三章 核磁共振的基本概念,主要内容：1、掌握核共振的基本概念；2、了解什么是角动量、核自旋、核磁矩；掌握拉莫尔进动的概念；3、了解核磁矩在外磁场中的能量状态，掌握核磁共振产生的原理； 重 点：掌握核磁共振的基本概念及核磁共振产生的原理；,第一节 原子核的自旋和自旋磁矩,一、原子核的组成与电核,1、原子的组成,2、原子的表示,X表示元素符号,Z表示原子的质子数,A表示原子的质量数,3、原子核体积与质量的关系,原子核可近似看成球体；原子核的质量数A与原子核球体半径R的三次方成正比。,R0为一常数：R0=1.21015m,3、氢原子核,氢是人体

9、内含量最丰富、结构最简单的元素。在人体中氢核（即质子）的核磁共振信号强，灵敏度很高，因而目前临床上磁共振成像就是利用质子成像。本课程主要以质子为例对核磁共振及成像原理进行介绍。,表2-1：人体组织中氢核与其他元素的MR信号相对灵敏度,二、原子核的自旋,1、角动量的概念,角动量：描述物体转动状态的物理量。质量为m的质点绕距离为r的固定轴以速度v，角速度做圆周运动时，其角动量P为：,2、电子轨道角动量和自旋角动量,轨道角动量：电子绕原子做轨道运动所具有的角动量，用Pl表示。,自旋角动量：电子绕自身轴做旋转运动具有的角动量，用Ps表示。,质子、中子、电子的自旋量子数都为1/2,一切粒子具有自旋，因而

10、具有自旋角动量,电子轨道角动量,电子自旋角动量,总角动量轨道角动量+自旋角动量,3、原子核的自旋,原子核的自旋又称为原子核的角动量。,（1）原子核自旋由两部分组成：组成原子核的质子、中子的自旋角动量；原子核的内质子、中子的轨道角动量；,（2）原子核自旋角动量是核子的总角动量的矢量和。由于核子角动量成对抵消，原子核角动量通常体现为不成对的核子角动量的叠加。, 质子（氢核）的核自旋量子数为：I=1/2,（3）不同的核具有不同的自旋量子数,（4）在外磁场B的作用下原子核的核角动量在空间取向只能取特定的几种方向，即空间取向量子化（用mI表示）。mI 称为核的磁量子数，对于确定的I，其取值为：,原子核的

11、核角动量在外磁场方向的投影为：,外磁场中质子的角动量仅两个取向： mI =1/2; mI =-1/2;,无外磁场时质子的自旋。,三、原子核的磁矩,磁矩：环形电流i与它所围面积s的乘积，用表示，其方向服从右手螺旋关系。,原子核的磁矩：组成原子核的各核子的磁矩的矢量和。原子核的磁矩具以下特点：,（1）由本征磁矩和轨道磁矩组成；,（2）质子磁矩为正，中子磁矩为负，但不能相互抵消；质子与质子配对，中子与中子配对，配对后总磁矩为零。,（3）原子核的磁矩I与原子核角动量PI的关系为：,(1)外磁场中质子的核磁矩：(2)自旋量子数不为零的核都具有磁矩;,第二节 外磁场中的原子核,一、拉莫尔进动,原子核在外磁

12、场的作用下绕自身轴旋转的同时又绕外磁场方向进动称为拉莫尔进动。它是产生核磁共振的主要机制。,（1）拉莫尔进动由磁力矩而产生；磁矩为的原子核在均匀磁场B0中所受磁力矩为：M= B0,（2）拉莫尔进动方向：垂直与B0所确定的平面的方向。,（3）拉莫尔方程：,二、塞曼能级,当原子核在外磁场中，受磁场作用在原来能量E0的基础上，产生附加能量Em：,（1） 当=/2时： 与B0垂直， Em为0，即附加能量为0；,（2） 当/2时： Em/2时： Em0，即原子核能量增加；,1、原子核的附加能量,2、塞曼能级,在外磁场的作用下原子核的自旋在空间中只能取特定的几种方向，空间取向不同，其能量也不同，形成能级分

13、裂，这种现象称为塞曼效应，分裂后的能级称为塞曼能级。,（1） 分裂后的塞曼能级正、负对称，且间距均为Em=gI NB0 ；,（2） 只在相邻塞曼能级间进行跃迁；,（3） 无外界激励时，塞曼能级间存在自发跃迁；,外磁场中质子的塞曼能级：mI =1/2 时,自旋方向与B0平行， E1=-0.5gI NB0 mI = -1/2时,自旋方向与B0反平行， E2=0.5gI NB0,E1=E0-0.5Em,E2=E0+0.5Em,E2-E1=Em,第三节 核磁共振现象,核磁共振：若在与外磁B0垂直的平面内施加一个射频脉冲，其能量正好等于核的两相邻能级间的能量差时，原子核会强烈吸收射频脉冲的能量，从低能级

14、跃迁到高能级，这种现象称为核磁共振。,射频脉冲（ radio frequency pulse, RF）：电磁波脉冲，即短促的电磁波,频率为的射频脉冲其脉冲能量为：E=h,产生磁共振的条件： (1) 核有自旋(磁性核) (2) 外磁场，能级分裂 (3) 脉冲能量与原子核相邻能级能量差相等，即h=E=gI NB0,（1）当射频脉冲的角频率与原子核在磁场B0中的拉莫尔角频率相等时，会产生核磁共振现象； （2）不同原子核，其旋磁比也不同，相应的核磁共振频率也不同； （3）相同原子核，外磁场越强，其核磁共振频率就越高。,第四章 核磁共振的宏观描述,主要内容：1、理解什么是磁化强度、旋转坐标系2、理解并掌

15、握什么是纵向磁化、横向磁化；了解/2脉冲、脉冲以及部分翻转脉冲的概念；3、掌握纵向弛豫、横向弛豫以及纵向弛豫时间及横向弛豫时间等概念； 重 点： 掌握纵向弛豫、横向弛豫以及纵向弛豫时间及横向弛豫时间等概念；,磁 化：磁场中的物体在外磁场作用下，在磁场方向上产生磁性的过程。不同物质磁化程度不同，磁化大小用磁化强度m表示。 磁化强度：单位体积内所有原子核磁矩的矢量和；磁化率 ：物体在磁场中被磁化产生磁化的能力（磁敏感性），定义为产生磁化强度与施加磁场之比：,第一节 基本概念,第二节 核磁共振,一、平衡态,(1) 当没有外磁场时，核磁矩的方向杂乱无章，对外合成磁矩为零，其磁化矢量 M0，即不呈现磁性

16、。 (2) 在外磁场B0的作用下，各核磁矩围绕该磁场拉莫进动,并产生能级分裂。,纵向：与外磁场B0平行的方向； 横向：与外磁场B0垂直的方向； 纵向磁化：物质在外磁场中产生的沿外磁场方向的磁化强度矢量M0。,没有外磁场时原子核的分布,外磁场作用下原子核的分布,（1）在外磁场的作用下，磁场中的原子核绕B0进动并产生能级分裂，根据玻尔兹曼分布规律，处在低能级的核子数多于高能级的核子数，从而产生纵向磁化矢量M0； （2）由于核子的分布是均匀的，所以它们在XOY平面上的分量相互抵消，即横向分量Mxy=0;,M0和Mxy的矢量和M M0,二、激发态,核磁共振沿着x轴方向施加一射频脉冲B1，当射频脉冲的角频率等于原子核的拉莫尔角频率时，则产生核磁共振。此时，原子核吸收相同频率的射频磁场能量而从平衡态变为激发态； 激发射频磁场对自旋系统的作用过程,