MRI的物理基础.

MRI的物理基础2012年10月1前言世界是物质的，物质是由分子构成的，分子又由原子构成。原子由原子核和核外电子组成，原子核由带正电荷的质子和不带电荷的中子组成。核磁共振这一物理现象所要研究的对象就是原子核，而且是具有磁性的原子核。MRI是以核磁共振这一物理现象为基础的，之所以省去“核”字，是为了突出这一检查技术不存在对人体有害的电离辐射的优点，使之区别于要使用x射线的放射科检查以及要使用放射性核素的核医学检查。MRI的物理基础2012年10月2前言人体的化学成分是极其复杂的，包括蛋白质、脂肪、糖、水及钾、钠、钙、磷、铁、铜、硒等微量元素。虽然人体内的磁性核有很多，但最适合于磁共振成像的是氢原子核（质子），所以临床磁共振成像的对象都集中于氢原子核（质子）。磁共振成像的目的是要获得人体断面上具有磁性的某种特定原子核（如氢原子核）所产生的磁共振信号强度分布，而MR信号强度则是由磁性核的密度、弛豫时间等特性参数决定的。MRI的物理基础2012年10月3前言在MRI中，人体被置入磁体后，体内具有磁性的原子核就会在磁体的静磁场作用下显示出宏观磁性来，也就是说人体被磁化了。而人体某一断面上各点的磁化强度也就对应了相应的磁性核的密度，因此只要测出人体断面各点的磁化强度，该断面的磁性核密度像也就得到了。在MRI中，磁体的静磁场强度很大（0.25-1.5T），而人体的磁化强度又很微弱，而且它们又是在同一方向，所以我们就无法测出人体断面各点的磁化强度。但是，如果我们能使人体的磁化方向偏离磁体的磁场方向，就可以把人体的磁化强度测量出来，而这正是核磁共振所要做的工作。MRI的物理基础2012年10月4特点磁共振成像是上世纪八十年代初出现的新的成像技术。MRI和X线CT一样属于计算机断层成像（即CT技术），获得的是无结构重叠的断层图像，尽管两者的重建方法略有不同（X线CT采用卷积反投影法，而MRI采用付立叶变换法），所以历史上曾将MRI称为MR-CT。MRI的物理基础2012年10月5特点尽管MRI的空间分辨力略低于X线CT，但其密度分辨力明显优于X线CT。MRI在原子核水平上对人体组织进行研究，不仅能提供人体组织解剖结构的信息，而且含有较丰富的有关受检体生理、生化特性的信息，可用于疾病的早期诊断和功能及代谢的检测。磁共振功能成像（fMRI)和PET一样被认为是揭示人脑功能的主要工具。MRI可直接获得横断面、冠状面和矢状面，甚至任意斜面的图像。此外，MRI成像对人体无电离辐射损害。MRI的物理基础2012年10月6特点MRI成像时间长一直是限制MRI应用的一个因素，近十几年来，MRI的快速成像序列得到举世瞩目的发展，使其成像时间由分钟级缩短到几十毫秒，极大地缩短了检查时间、扩展了应用范围。MRI的物理基础2012年10月7Lauterbur,1929Mansfied19332003NobelPrizeinPhysiologyorMedicineMRI的物理基础2012年10月8PaulC.Lauterbur–PrizeAwardPhotoSirPeterMansfield–PrizeAwardPhoto10/6,2003MRI的物理基础2012年10月9MRI的物理基础2012年10月10MRI的物理基础2012年10月11超导磁体MRI的物理基础2012年10月12超导磁体MRI的物理基础2012年10月13MRI的物理基础2012年10月14MRI的物理基础2012年10月15MRI的物理基础2012年10月16MRI的物理基础2012年10月17MRI的物理基础2012年10月18MRI的物理基础2012年10月19Spin-EchoImageTR=2000msTE=20msSpin-EchoImageTR=2000msTE=80msSpin-EchoImageTR=750msTE=20msSpin-EchoImageTR=250msTE=80mssMRI的物理基础2012年10月20MRI的物理基础2012年10月21MRI的物理基础第一节原子核的磁性第二节静磁场中的磁性核第三节磁共振第四节驰豫第五节自由感应衰减信号第六节化学位移和磁共振谱MRI的物理基础2012年10月22第一节原子核的磁性在MRI中，人体被置于磁体内，而人体内的原子核要参与核磁共振，就必须具有一定的磁性。原子核怎么会具有磁性,是不是所有的原子核都具有磁性?MRI的物理基础2012年10月23第一节原子核的磁性一、原子核的自旋在微观世界中，电子、中子、质子、原子核等微观粒子除了具有一定的大小、电荷、质量等属性外，还有一种固有属性__自旋（角动量），微观粒子的自旋是由其自旋运动产生的，微观粒子的自旋运动可以简单地看成微观粒子的自转，虽然实际情况并非如此。MRI的物理基础2012年10月24第一节原子核的磁性原子核是由质子和中子组成的。质子和中子既具有自旋角动量，也具有轨道角动量。原子核内质子和中子的自旋角动量与轨道角动量之和就构成了原子核的总角动量，但习惯上把原子核的总角动量称为“原子核自旋（nuclearspin）”。MRI的物理基础2012年10月25第一节原子核的磁性原子核的自旋是个矢量，自旋的方向与原子核旋转方向的平面垂直。处于静磁场中的原子核，它的自旋在空间所取的方向是离散的、不连续的，具有空间量子化的性质。MRI的物理基础2012年10月26第一节原子核的磁性通常以在静磁场方向（z方向）的最大分量或投影最大值I来代表的大小（以为单位），例如氢核的自旋为1/2是指氢核的核自旋量子数，这种说法本质上是用I值来间接表示原子核的自旋的大小。原子核的自旋在静磁场中的取向为2I+1种。ILILMRI的物理基础2012年10月27第一节原子核的磁性二、原子核的磁矩原子核的自旋运动会产生绕核心旋转的环形电流，而环形电流会在其周围空间产生磁场，所以自旋不为零的原子核（简称自旋核）就会具有一定的磁性，自旋核也就可以看成是一个小磁体。MRI的物理基础2012年10月28第一节原子核的磁性为描述自旋核磁场的大小和方向，引入物理量__磁矩。自旋核的磁矩和自旋都是由原子核的自旋运动引起来的，它们之间存在着一定的比例关系，即式中，为比例系数，称为磁旋比。IIμIILIμMRI的物理基础2012年10月29第一节原子核的磁性原子核的磁性是非常微弱的，我们在日常生活中感觉不到它的存在。大家所熟悉的物质的铁磁性和顺磁性是由物质原子中不成对电子产生的，与之相比，原子核的磁性在强度上要弱好几个数量级，但原子核的磁性仍然可以用核磁共振来精确测量。MRI的物理基础2012年10月30第一节原子核的磁性三、物质的磁性1、原子的磁矩原子的磁矩由核外电子的总磁矩（轨道磁矩和自旋磁矩）和原子核磁矩构成。MRI的物理基础2012年10月31第一节原子核的磁性当电子的总磁矩不为零时，原子的磁矩主要来自电子的总磁矩；当电子的总磁矩为零时，核磁矩就构成了原子的固有磁矩。MRI的物理基础2012年10月32第一节原子核的磁性2、逆磁性物质一般的化合物，如果是具有电子闭合壳层结构的分子，这些的电子总磁矩就为零，而在外磁场的作用下，分子会感生电子环流，由此产生的附加磁场方向与外磁场方向是相反的，因此，在宏观上呈现出逆磁性，这类物质称为逆磁物质。MRI的物理基础2012年10月33第一节原子核的磁性假如逆磁物质中含有磁矩不为零的原子核，那么，它大约为顺磁物质中电子磁矩的千分之一。核磁共振多以逆磁物质为样品，且多是I＝1/2的核。MRI的物理基础2012年10月34第一节原子核的磁性3、顺磁物质电子总磁矩不为零的分子或原子构成的物质，当它处于外磁场时，各分子或原子的磁矩就会在外磁场的作用下转向外磁场方向，结果形成了一个与外磁场方向相同的附加磁场，因此，在宏观上呈现出顺磁性，这类物质称为顺磁物质。MRI的物理基础2012年10月35第一节原子核的磁性另外还有一类物质，如铁、钴、镍，它们在外磁场的作用下会产生方向与外磁场相同，但强度远大于外磁场的附加磁场，这类物质称为铁磁性物质。在顺磁物质中也同样存在逆磁效应，只是逆磁效应比顺磁效应小得多，所以主要表现为顺磁效应。MRI的物理基础2012年10月36第一节原子核的磁性MRI造影剂大多是顺磁物质或超顺磁物质，主要是钆、铁、锰的大分子有机化合物，这些物质本身不产生信号，信号来自氢原子核。MRI的物理基础2012年10月37第一节原子核的磁性4、用于磁共振成像的磁性核在生物组织中，存在很多的磁性核，如1H、14N、13C、19F、23Na、31P、39K等，但目前能用于临床MRI的却只有氢核。MRI中，磁性核在磁共振中所产生的信号强度对图像质量及成像时间起着至关重要的作用。H1MRI的物理基础2012年10月38第一节原子核的磁性一般来说，磁性核对磁共振信号强度的影响主要取决于两个因素，一是磁性核在组织中的浓度；二是磁性核的相对灵敏度，即等量的不同磁性核所产生的信号强度之比（与磁性核的磁化强度有关）。在上述两个因素中，氢原子占到生物组织原子数的2/3，氢核的磁化强度也是人体常见磁性核中最高的，所以目前的临床MRI就是核（质子）成像，而其它磁性核的MRI受多种条件的限制还无法用于临床。MRI的物理基础2012年10月39第二节静磁场中的磁性核一、取向和磁势能在人体进入磁体之前，磁性核的磁矩处于一种杂乱无章的状态，磁矩沿空间各方向呈一种等几率分布。当磁性核处于静磁场中时，就会在静磁场的作用下，只能沿空间2I+1种特定方向分布，而取向不同的磁性核所具有的能量状态是不同的，例如氢核I=1/2,它在磁场中的取向就只有两种，一是顺着磁场方向，能量状态较低；另一是反着磁场方向，能量状态较高，它们之间的能量差为=E0BIMRI的物理基础2012年10月40第二节静磁场中的磁性核二、旋进在静磁场中，核磁矩是以旋进（即进动）形式存在的。核磁矩的旋进类似于我们所熟知的陀螺的运动，它以夹角在以静磁场为轴（z方向）的圆锥面上以恒定的角速度ω0旋进，旋进的角速度ω0为ω0＝2πf0＝γB0MRI的物理基础2012年10月41第二节静磁场中的磁性核对于氢核来说，γ＝2.67×108弧度/秒·特斯拉，因此在B0=1特斯拉（T）时，ω0＝2.67×108弧度/秒，f0＝ω0/2π＝42.58Mhz,这也就意味着一秒钟氢核的磁矩要绕旋进42.58×106圈。MRI的物理基础2012年10月42MRI的物理基础2012年10月43第二节静磁场中的磁性核三、宏观描述在人体组织中，原子核不是单独存在的，而是处于大量原子核的群体中，而且单个原子核的行为也是无法检测到的，我们所能检测到的是样品中大量同种原子核的集体行为，或者说它们所表现出来的宏观特性。为了描述原子核在磁场中的运动所表现出来的宏观特性，我们引入磁化强度矢量M，磁化强度矢量M定义为样品中单位体积核磁矩的矢量和，即Ni1iμMMRI的物理基础2012年10月44第二节静磁场中的磁性核式中求和遍及单位体积。从磁化强度矢量的定义可以看出具有磁矩的本质，而且正比于样品中单位体积内自旋核的数目或含量，即自旋核密度。MRI的物理基础2012年10月45第二节静磁场中的磁性核目前能用于临床磁共振成像的自旋核只有氢核（质子），所以自旋核密度也即质子密度。人体内不同的组织所具有的质子密度是不同的，脂肪组织、脑组织及含大量水分的囊腔器官的质子密度均较高；人体中的肌肉、肝脏、脾脏、肾脏等实体组织的质子密度为中等；而人体内的骨胳、硬脑膜、纤维组织、含气组织（如肺、胃、肠等）质子密度则较低。MRI的物理基础2012年10月46第二节静磁场中的磁性核静磁场=0时，原子核的热运动会使核磁矩的空间取向处于杂乱无章状态，从统计角度看，核磁矩在空间各方向上出现的几率是均等的，所以各互相抵消，对外不呈现宏观磁效应，宏观总磁矩M为零。MRI的物理基础2012年10月47第二节静磁场中的磁性核静磁场≠0时，各核的磁矩不仅要产生