医学成像技术课件--07NMR

MedicalImagingTechnology核磁共振角动量与进动原子核的自旋及磁矩微观核磁共振核磁共振现象的宏观描述MedicalImagingTechnology角动量与进动角动量angularmomentum右手螺旋定理()()LrmvmrvLJwMedicalImagingTechnology角动量与进动MedicalImagingTechnology原子核的自旋及磁矩原子的结构核子：质子和中子自旋(Pauli,1924)MedicalImagingTechnology原子核的自旋及磁矩质子带正电荷，它们像地球一样在不停地绕轴旋转，并有自己的磁场。核子的自旋核子的自旋角动量：核子的固有角动量与轨道角动量的矢量和。MedicalImagingTechnology原子核的自旋及磁矩核子的磁矩LL－自旋磁矩旋磁比－自旋角动量MedicalImagingTechnology原子核的自旋及磁矩磁性和非磁性原子核并非所有原子核的自旋运动均能产生核磁，根据原子核内中子和质子的数目不同，不同的原子核产生不同的核磁效应。如果原子核内的质子数和中子数均为偶数，则这种原子核的自旋并不产生核磁，我们称这种原子核为非磁性原子核。反之，我们把自旋运动能够产生核磁的原子核称为磁性原子核。磁性原子核需要符合以下条件：（1）中子和质子均为奇数；（2）中子为奇数，质子为偶数；（3）中子为偶数，质子为奇数。详见Page100MedicalImagingTechnology原子核的自旋及磁矩氢核用于人体磁共振成像的原子核为氢核（1H），选择1H的理由有：（1）1H是人体中最多的原子核，约占人体中总原子核数的2/3以上；（2）1H的磁化率在人体磁性原子核中是最高的。1H是氢原子核，仅有一个质子而没有中子，由于人体MR图像一般采用1H作为成像对象，因此除非特殊说明，一般所指的MR图像即为1H的共振图像。MedicalImagingTechnology微观核磁共振当将自旋核子置于外磁场B中会怎样？什么是共振？什么是核磁共振？MedicalImagingTechnology微观核磁共振当将自旋核子置于外磁场B中的两个效应：核绕B旋进能级劈裂MedicalImagingTechnology微观核磁共振核绕B旋进v:进动频率（Larmor频率），Hzγ：磁旋比，Hz/TB0：外磁场强度,T对于1H，当B0＝1T时，v约为42.5MHZ0vBLarmor方程MedicalImagingTechnology微观核磁共振能级劈裂核子在外磁场中的排列001212INININEEgBEEgBAgBMedicalImagingTechnology微观核磁共振共振音叉的共振物理学上，共振被定义为能量从一个振动着的物体传递到另一个物体，而后者以前者相同的频率振动。从这个概念可以看出，共振的条件是相同的频率，实质是能量的传递。MedicalImagingTechnology微观核磁共振共振交换能量MedicalImagingTechnology微观核磁共振核磁共振NuclearMagneticResonance(NMR)给处于主磁场中的样品施加射频电磁波，如果该射频电磁波的能量正好等于原子核能级劈裂的间距时，就会出现样品中的核子强烈吸收电磁波能量，从劈裂后的低能级向相邻的高能级跃迁的现象。MedicalImagingTechnology微观核磁共振射频电磁波（RadioFrequency，RF）0.1～300兆赫MedicalImagingTechnology微观核磁共振核磁共振产生的条件RFRFRFNhvAvvMedicalImagingTechnology核磁共振现象的宏观描述大量自旋核子置于外磁场B中会有怎样的宏观效应？如何获得NMR信号？MRI检查的步骤是怎样的？MedicalImagingTechnology核磁共振现象的宏观描述矢量和－磁化强度MedicalImagingTechnology核磁共振现象的宏观描述矢量和－磁化强度用一个箭头【矢量】表示核子A的磁矩，它可被看作来源于两部分：一部分指向Z轴，一部分指向丫轴。Y轴的磁矩被核子A’所抵消，因质子A，也有一部分磁矩来源于Y轴，但方向相反。其它核子也是如此，例如B与B’沿X轴上的磁矩互相抵消。与X－Y平面互相抵消的磁矩相比，Z轴上的矢量指向同一方向，迭加起来形成一个新的，指向上方的磁化强度矢量M。00zxyMMMMedicalImagingTechnology核磁共振现象的宏观描述NMR信号的获得因此，人体进入主磁场后被磁化了，但没有宏观横向磁化矢量产生，仅产生了宏观的纵向磁化矢量，某一组织（或体素）产生的宏观矢量的大小与其含有的质子数有关，质子含量越高则产生宏观纵向磁化矢量越大。我们可能认为MRI已经可以区分质子含量不同的组织了。然而遗憾的是MRI仪的接收线圈并不能检测到宏观纵向磁化矢量，也就不能检测到这种宏观纵向磁化矢量的差别。那么接收线圈能够检测到怎样的宏观磁化矢量呢？接受线圈能够检测到的是旋转的宏观横向磁化矢量，因为旋转的宏观横向磁化矢量可以切割接收线圈产生电信号。那么如何才能产生接收线圈能够探测到的旋转宏观横向磁化矢量呢？MedicalImagingTechnology核磁共振现象的宏观描述射频脉冲MedicalImagingTechnology核磁共振现象的宏观描述射频脉冲的作用当施加与质子进动频率相同的RF脉冲，则引起两种效应：一些质子吸收能量后跃迁至高能态，使纵向磁化减少。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，产生横向磁化。总之，RF脉冲引起纵向磁化强度减少，产生一个新的横向磁化强度矢量MedicalImagingTechnology核磁共振现象的宏观描述射频脉冲的作用MedicalImagingTechnology核磁共振现象的宏观描述射频脉冲的作用MedicalImagingTechnology核磁共振现象的宏观描述射频脉冲的作用90°脉冲和180°脉冲MedicalImagingTechnology核磁共振现象的宏观描述驰豫（Relaxation)RF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状态，即发生弛豫。新建立起来的横向磁化矢量开始消失，纵向磁化恢复到原来的大小。横向弛豫(TransverseRelaxation）纵向弛豫(LongitudinalRelaxation)MedicalImagingTechnology核磁共振现象的宏观描述驰豫过程MedicalImagingTechnology核磁共振现象的宏观描述驰豫信号的接收FID信号MedicalImagingTechnology核磁共振现象的宏观描述纵向驰豫MedicalImagingTechnology核磁共振现象的宏观描述纵向驰豫从RF脉冲吸收的能量被传递到周围的晶格（1attice），转化为热运动。这就是为什么这一过程不仅叫纵向弛豫，也叫自旋――晶格弛豫（spin-1attice-relaxation）的原因。MedicalImagingTechnology核磁共振现象的宏观描述纵向驰豫时间T163％1/0(1)tTzMMeMedicalImagingTechnology核磁共振现象的宏观描述横向驰豫MedicalImagingTechnology核磁共振现象的宏观描述横向驰豫每一核子都受到邻近核小磁场的影响，这些核分布不均匀，因而也导致不同的进动频率。这些内磁场的差异可以某种方式作为一种组织的特征。这样，RF脉冲中止后，质子不再被强制停留在同步状态，它们具有不同的进动频率，很快失去了相位一致性。由于是核子自旋——自旋相互作用（spin-spin-interaction），也称为自旋——自旋弛豫（spin-spin-relaxation）。MedicalImagingTechnology核磁共振现象的宏观描述横向驰豫时间T237％2/0tTXYMMeMedicalImagingTechnology核磁共振现象的宏观描述T1和T2的特性比较纵向弛豫时间与横向弛豫时间是不同的；T1大约2－10倍于T2。或者以生物组织的绝对值：T1大约为300－2000毫秒，T2大约为30－150毫秒。T1不依赖进动T2不依赖于场强MedicalImagingTechnology核磁共振现象的宏观描述T1和T2的特性比较MedicalImagingTechnology核磁共振现象的宏观描述T1和T2的特性比较MedicalImagingTechnology核磁共振现象的宏观描述T1和T2的特性比较与液体／水相比，脂肪具有短T1与短T2。因为：T1依赖组织的成分、结构和环境。当晶格由纯液体／水组成时，核子难于丢失它们的能量，因为小的水分子运动太快。处于高能级状态的核子不能把它们的能量最迅速传给周围晶格，只能慢慢地回到原来的低能级水平，即纵向排列。因此，纵向磁化重新出现需要较长时间，这意味着液体／水具有长T1s。当晶格由中等大小的分子组成（体内多数组织可被看作是含有不同大小分子的液体，有点儿像汤），这些分子运动、磁场波动接近进动核子的Larmor频率时，能量转递要快得多，因此T1短。脂肪酸末端的碳键接近Larmor频率，所以能量转递十分有效。如果B大，T1会如何？MedicalImagingTechnology核磁共振现象的宏观描述T1和T2的特性比较与液体／水相比，脂肪具有短T1与短T2。因为：核子失去相位一致性时，发生T2弛豫。已经知道，核子失去相位一致性有两个原因，即外磁场不均匀性和组织内局部磁场不均匀性。当水分子非常迅速地运动时，其局部磁场波动非常快，平均场强为零，内部磁场在各处也就没有多大差别。因此，如果一种组织的内部场强没有多大差别时，核子的同步化状态就能维持较长时间，T2也就较长。对于不纯液体，如含有大分子的液体，局部磁场有较大的差异，因为较大的分子运动不太快，局部磁场抵消的也不多，结果使核子进动频率有较大的差别。这样，失去相位一致性的速度加快，T2就较短。MedicalImagingTechnology核磁共振现象的宏观描述MRI检查的步骤把病入放入磁体内发射无线电波关掉无线电波病人发出一个信号，该信号被接收并用作图像重建。