Transcript 第十一章核磁共振
核 磁 共 振 物理教研室 李亚琳 核磁共振 核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR) 简称磁共振 核磁共振是一种物理现象。磁共振成像 (magnetic resonance imaging, MRI)是利用收集磁 共振现象所产生的信号而重建图像的成像技术 。 核磁共振成像技术的优点 1、在对身体没有损害的前提下，快速地获得 患者身体内部结构的高精确度立体图像。 2、不单显示人体内部结构，还能显示其功能。 3、可以为患者需要手术的部位准确定位，特 别是脑手术更离不开这种定位手段； 4、由于使用这种技术时不直接接触被诊断者 的身体，因而还可以减轻患者的痛苦。 1952年诺 贝尔物理 学奖：布 洛赫(Felix Bloch ) & 珀赛尔 (Edward Purcell)因发 展了核磁精 密测量的新 方法及由此 所作的发 现——核磁 共振。 布洛赫(Felix Bloch ) 珀赛尔 (Edward Purcell) 1991年诺贝尔化学奖： 恩斯特R.R.Ernst（1933－） 瑞士物理化学家 他的主要成就在于他在发展高分辨核磁共振 波谱学方面的杰出贡献。这些贡献包括： 一.脉冲傅利叶变换核磁共振谱 二.二维核磁共振谱 三.核磁共振成像 2003年诺 贝尔医学 奖 :美国科 学家保 罗·劳特布 尔 (Paul Lauterbur) 和英国科 学家彼 得·曼斯菲 尔德(Peter Mansfield ) 用核磁共振层析“拍摄”的脑截面图象 第一节 核磁共振的基本概念 核磁共振的基本概念主要包括：原 子核的自旋和磁矩，自旋磁矩在外磁场 中的能量状态，产生核磁共振的条件， 拉莫尔方程（Larmor equation），宏观 磁矩，射频场对宏观磁矩的作用，弛豫 过程和弛豫时间 等。 一、磁场中的核磁矩 B0 1、条形磁铁处在磁场B0中 f 受到最大力矩：M=ml B0 m是磁极强度，l是磁极长度 N S B0 f 2、圆电流处在磁场B0 中受 到最大力矩：M=is B0 is 称 环 形 电 流 的 磁 矩 ， 用 B0 表示，单位是J/T f 核磁矩方向判定 2.核自旋角动量与核磁矩在外磁场中的运动 Iz gmI N N为核磁子，mI称磁量子 g称原子核的g因子， 核磁矩 数 mI=I，I-1，I-2，……-I 原子核角动量与核磁矩 在空间某一选定方向上 投影量子化的现象称为 空间量子化。 I=3/2 2.磁场中核能级分裂 磁矩受外磁场作用而具有 势能，根据电磁学的理论可知，磁矩具有的势 能为 E B0 cos zB0 当Z与B0方向一致时(平行)，系统处于低能状 态；Z与B0方向相反时(反平行)，系统处于高 能状态。 对于氢核: E gmI N B0 1 E g N B0 2 1 mI 2 磁场中氢核能级分裂 二.核磁共振的条件和拉莫尔方程 核磁共振条件：原子核发生共振吸收时的射频 场的角频率等于自旋核在磁场中旋进的角频 率(拉莫尔频率0)，这就是核磁共振条件。 拉莫尔方程： B0 是与原子核性质相关的常数。 核磁共振：处于恒定外磁场B0中的自旋核，由 于核磁矩取向和旋进引起能级分裂，如果在与外 磁场垂直的平面内再加一个旋转的磁场B1(也称为 射频场，记为RF)，只要B1的能量子恰好等于原 子核能级分裂的裂距，即满足拉莫尔公式，原子 核就会吸收这个能量，从低能态激发到高能态， 这一过程就是核磁共振中的共振吸收。停止RF照 射，处于激发态的核磁矩将会回到低能态，同时 发射RF，整个吸收和发射的过程称为核磁共振。 在实验中一般采用两种方法: 一种是固定外磁场B0,连续改变RF的频 率或用射频脉冲,当频率满足拉莫尔公式时, 就发生共振吸收,这种方法叫做扫频法;另一 种是保持射频波的频率,连续改变外磁感应 强度,当其满足拉莫尔方程时,就发生共振吸 收,这种方法叫扫场法。 核磁共振的宏观描述 个别原子核在磁场中的行为是观测不到的， 所能观测到的只能是大量微观粒子的集体表现， 即宏观现象。 磁化强度矢量 n M i i 1 2 对于核系统，如果在与外磁场B0垂直的方向加 一个旋转的磁场B1(即射频场RF)，其频率等于拉 莫尔频率0，便会产生共振吸收，处于低能态的 自旋核会吸收能量跃迁至高能态，从而使磁化强 度M0在绕磁场B0旋进的同时，逐渐偏离磁场B0的 方向，而倒向xy平面。 三、弛豫过程和弛豫时间 从不平衡状态恢复到平衡状态的过程称为弛豫 过程。 1．纵向弛豫过程 撤消RF后，Mz逐渐由最小恢复 到初始值或最大值(M0)的过程称为(自旋-晶格弛豫) 纵向弛豫。 M z M 0 (1 e t T1 ) T1是描述纵向弛豫过程进行快慢的时间常数，称为 纵向弛豫时间，也称为自旋-晶格弛豫时间，是 90°脉冲后由0恢复到0.63M0时所用的时间， T1的 大小取决于核结构还取决于外磁场B0的强度。 2．横向弛豫过程 撤消RF后，由最大恢复到 零的过程称为（自旋-自旋弛豫）横向弛豫。核磁 共振吸收发生时，各个原子核磁矩相位相同。撤 消RF后，各个原子核绕磁场B0旋进，各个自旋核 从相位一致到相位不一致的过程，这个过程也称 为散相或失相。 M xy M 0 e t T2 T2是描述横向弛豫过程进行快慢的时间常数，称 为横向弛豫时间，是90°脉冲后由M0减小到 0.37M0时所用的时间。 弛豫过程 思考题：在核磁共振吸收过程中， 磁化强度矢量M是如何变化的？ 在核磁共振辐射过程中，磁化强 度矢量M又是如何变化的？ 第二节 核磁共振波谱 一、谱线宽度 拉莫尔方程中0是一个值(谱线)，但实际上它有一定 的宽度。自然宽度( )，偶极加宽(局部 · 磁场影响)，非均匀性加宽(B 0不均匀)。 I 宽度与T2有关 二.化学位移 自旋核共振频率随其所在的化学环境不同而产 生微小波动的现象称为化学位移 三.自旋-自旋劈裂 基团间核自旋磁矩的相互作用引起的。 四.磁共振波谱仪 T1WI T2WI PdWI 水成像技术 第三节 核磁共振成像原理 一、磁共振成像的基本方法 1．层面的选择 沿空间某一方向，磁感应强度随距离呈线性 关系变化的磁场称为梯度磁场。 Bz= B0+BGz= B0+z·Gz 2．编码 (1)相位编码：设已通过沿z轴方向施加线性梯度场BGz选出了 一个层面，若沿x轴方向再施加一个线性梯度磁场BGx，则有 Bx= B0+BGx= B0+x·Gx (2)频率编码：在y轴方向施加一个线性梯度磁场BGy，此时， 有 By= B0+BGy= B0+y·Gy 图像重建方法 采集的核磁共振信号，显然带有各体素的x、 y、z位置信息。要实现图像重建必须把信号按不同的频率 和相位分解使像素与体素信号一一对应。在磁共振成像技 术中普遍采用的是傅立叶变换图像重建。 选 片 相 位 编 码 用 GY 中 的 物 体 用 GZ 0 用 GX B 处 于 频 率 编 码 信 号 采 集 二 维 处 理 层 面 图 像 显 示 二、人体磁共振成像 目前磁共振成像，主要是利用人体不同组织之间、正 常组织与病变组织之间的氢核密度、纵向弛豫时间T1、 横向弛豫时间T2的差异成像。 1．氢核密度 氢核的核磁共振信号强、灵敏度高，便 于检测。 人体几种组织、脏器含水比例 组织、脏器 含水比例(%) 组织、脏器 含水比例(%) 皮肤 69 肾 81 肌肉 79 心 80 脑灰质 83 脾 79 脑白质 72 肝 71 脂肪 80 骨 13 人体几种正常组织的T1、T2值范围(0.5T) 组织 T1(ms) T2(ms) 脂肪 240±20 60±10 肌肉 400±40 50±20 肝 380±20 40±20 胰 398±20 60±40 肾 670±60 80±10 主动脉 860±510 90±50 骨髓(脊柱) 380±50 70±20 胆道 890±140 80±20 尿 2200±610 570±230 人体几种病变组织的T1、T2值范围(0.5T) 组织 T1(ms) T2(ms) 肝癌 570±190(正常值380) 40±10(40) 胰腺癌 840±130(正常值398) 40±10(60) 肾上腺癌 570±160(正常值670) 110±40(80) 肺癌 940±460 20±10 前列腺癌 610±60 140±90 膀胱癌 600±280 140±110 骨髓炎 770±20 220±40 三、氢核密度与加权图像 1、自旋回波序列：自旋回波(spin echo，SE) 序列是目前临床磁共振成像中最基本、最常用 的脉冲序列，它包括单回波SE序列和多回波SE 序列。 1) 单回波SE序列在一个周期中，于90°脉冲后， 再以特定的时间间隔连续施加一个180°脉冲， 由此产生一个自旋回波。 2) 多回波SE序列在一个周期中，于90°脉冲后， 再以特定的时间间隔连续施加多个180°脉冲， 由此产生多个自旋回波， 磁共振的原理证明,在自旋-回波脉冲作用下，磁共 振信号的幅度满足下式： A A0 (1 e TR / T1 ) e TE / T2 重复时间TR 自旋回波时间TE (1)、氢核密度图像：TR>>T1、TE<<T2此时上式可 写成： A A0 实际操作中获得密度图像的典型数据是 TE ≤30ms，TR ≥1500ms (2)、T1加权图像：TR≤T1、TE<<T2此时上式 可写成： A A0 (1 e TR / T1 ) 实际操作中获得T1加权图像的典型数据是 TR ≤300ms，TE ≤ 30ms (3)、T2加权图像：TR>>T1、TE≥T2此时上式可 写成： A A0 (e TE / T2 ) 实际操作中获得T2加权图像的典型数据是 TE ≥60ms，TR≥1500ms 四、核磁共振成像临床诊断的物理学依据 1、氢核密度 与 T 、T 的对比度 1 2 氢核密度 不同，造成磁矩大小的差别 不同组织 T1 、T2 值不同，信号强弱程度不同 不同组织 T1 、T2 值不同，信号强弱程度不同 五.磁共振成像系统 1、磁场系统 2、射频系统 3、图像重建系统 梯度磁场系统： 用来提供磁共 射频系统：用来 振信号的空间 磁体系统是由主磁 磁共振成像系统 位置信息。 发射射频磁场， 体、梯度线圈、垫 激发样品的磁化 是由磁体系统、 计算机系统：主 补线圈和与主磁场 要是控制梯度磁 强度产生磁共振， 梯度磁场系统、 正交的射频线圈组 场、射频脉冲； 同时，接收样品 射频系统、计算 控制图像的重建 成，是磁共振发生 磁共振发射出来 和显示。 和产生信号的主体 机系统组成。 的信号进而送给 部分。 计算机进行图像 重建。 思考题:P388 1、5、6、7、10 第四节 核磁共振技术在医学上的应用 1、核磁共振成像技术现状 2、核磁共振成像技术发展趋势 1 2 ①T1WI轴位 ②T2WI轴位 ③DWI轴位 ④T1矢状位 ⑤Flair冠状位 3 T1WI T2WI DWI DWI flair(冠状位) T1WI(矢状位)