磁共振物理基础

1磁共振物理基础濮阳市中医院放射科王厚革2定义3•磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）是利用射频（radiofrequency，RF）电磁波对置于磁场中含有自旋不为零的原子核的物质进行激发，发生核磁共振（nuclearmagneticresonance，NMR），用感应线圈采集磁共振信号，按一定数学方法进行处理而建立的一种数字图像。4核——磁共振现象所涉及原子核磁——磁共振过程发生强大磁体内，并用射频场进行激励产生共振，用梯度场进行空间定位并控制成像。共振——原子核间能量吸收和释放可发生共振。LiWeihuaASimpleMRMachineNorthSouthtransmitreceive6磁共振成像MRI是MagneticResonanceImaging的缩写。最早的时候曾称为NMR（NuclearMagneticResonance),即核磁共振，也就是核磁一词的来源。因为与核医学的放射性同位素有本质的区别，日本科学家提出其国家备受核武器伤害，为表示尊重，就把核字去掉了。789磁共振成像的英文全称正确的是A．MagneticResonanceImageB．MagneticResorbentImageC．MagneticResonanceImagingD．MagneticResorbentImagingE．MagnestatResorbentImaging10答案：C11历史121946年——美国加州大学Bloch和麻省哈佛大学Purcell发现核磁共振现象，并用于化学分析。60年代—人们用磁共振技术检测了动物体内分布的氢，磷，氮的NMR信号，开始了对生物组织的化学分析研究。1971年——美国纽约州立大学Damadian发现老鼠正常组织与癌变组织氢原子核弛豫时间不同，肿瘤的T1、T2时间延长。1972年—纽约州立大学Lauterbur首先提出了利用磁场和射频相结合的方法来获得核磁共振图像（两个充水试管MR像）。13布洛赫(FelixBloch)帕塞尔(EdwardPurcell)141973年——Lauterbur用反投影法完成MRI实验室成像的工作。1974年—Lauterbur做出活鼠MR像。1977年—英国阿伯丁大学的Hinshow和Bottomley取得了第一幅人手腕关节剖面MR像。Damadian获得胸部MR像。1978年——英国阿伯丁大学Mallard取得了人体头部的磁共振图像。1980年——完成了MRI全身扫描。151989年—国产MR机商品化。1993年—至今，MR机更新换代发展迅速，目前已形成以下几种形式：综合型（0.3T—3.0T临床）开放式（OPEN以低场为主）专业型（神经、心脏、骨关节、乳腺等）超高场机型（4.0T、7.0T、8.0T、9.4T、17.6T研究）超高速型（扫描成像速度极快、亚毫秒级，具有MR实时成像及多种功能）16核磁共振空间定位方法开拓者劳特伯(PaulLauterbur)磁共振EPI序列发明者曼斯菲尔德(PeterMansfield)171819第一幅头部MR图像是哪一年获取的？A、1946年B、1952年C、1972年D、1977年E、1978年20答案E21原子22一、原子的结构：原子是由原子核及位于其周围轨道中的电子构成的，电子带有负电荷。原子核由中子和质子构成，中子不带电荷，质子带有正电荷。23质子XZA中子原子核核外电子原子2425二、用于人体磁共振成像的原子核：用于人体磁共振成像的原子核为质子（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。26具备磁共振研究的其他奇数质子元素27三、自旋和核磁的概念：1、自旋：任何原子核都有一个特性，就是总以一定的频率绕着自己的轴进行高速旋转，我们把原子核的这一特性称为自旋。2、核磁：由于原子核带有正电荷，原子核的自旋就形成电流环路，从而产生具有一定大小和方向的磁化矢量。我们把这种由带有正电荷的原子核自旋产生的磁场称为核磁。2829四、磁性和非磁性原子核：1、非磁性原子核：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。2、磁性原子核：我们把自旋运动能够产生核磁的原子核称为磁性原子核。30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。3132五、人体组织MRI信号的主要来源：人体内的水分子可以分为自由水和结合水两种。结合水是细胞中和其他物质结合在一起的水，细胞中大部分的水以游离的形式存在，可以自由流动，我们称为自由水。两者可以互相转换，处于动态平衡之中。33需要指出，并非所有质子都产生MRI信号，常规MRI信号主要源于水分子中的质子，部分组织的信号也可来源于脂肪中的质子。343536在一定条件下结合水和蛋白质也可以影响自由水的弛豫而改变组织的信号强度。结合水较易接受自由水释放的能量加快组织的纵向弛豫在t1wi，结合水越多，组织信号越高。3738静磁场39一、MRI系统的坐标系按B0方向，MRI磁体分纵向磁场磁体和横向磁场磁体，超导磁体都采用纵向磁场。纵向磁场系统，Z轴定义为磁体的轴向，Z轴与被检者体轴平行。40414243444546二、进入主磁场前人体内质子的核磁状态进入主磁场前，小磁场的排列是随机无序（即杂乱无章）的，使每个质子产生的磁化矢量相互抵消。4748三、进入主磁场后人体内质子的核磁状态进入主磁场后，质子产生的小磁场有两种排列方式，1、与主磁场方向平行且方向相同——低能级。2、与主磁场平行但方向相反——高能级。3、处于平行同向的质子略多于处于平行反向的质子——宏观纵向磁化矢量。4950处于高能级太费劲，并非人人能做到51四、进动和进动频率：1、进动（precession）：处于主磁场的质子，除了自旋运动外，还绕着主磁场轴进行旋转摆动，称为进动。5253进动是磁性原子核自旋产生的小磁场与主磁场相互作用的结果，进动频率明显低于自旋频率，但对于磁共振成像的来说，进动频率比自旋频率重要得多。•进动是在B0存在时出现的，所以进动与B0密切相关。外加磁场的大小决定着磁矩与B0轴的角度，磁场越强大，角度越小，B0方向上的磁矩值就会越大，因此可用来进行磁共振的信号会越强，图像结果会更好。542、进动频率（precessionfrequency）：质子进动的频率非常快，每秒进动的次数称“进动频率”。555657五、静磁场中的宏观效应：1、小磁场的矢量分解：由于进动的存在，质子自旋产生小磁场又可以分解成两个部分：一部分为方向恒定的纵向磁化分矢量，处于高能级者与主磁场方向相反，处于低能级者与主磁场的方向相同；另一部分为以主磁场方向（B0）即Z轴为轴心，在X、Y平面旋转的横向磁化分矢量。5859【附】向量—代表一种数量值和方向。向量不仅用于物理学中的力，也表示磁场的大小和方向。向量可被分解为分向量。60简单向量ZXMzMxMy612、静磁场中的宏观效应：（1）纵向磁化矢量（longitudinalmagnetization，MZ）：小磁场的纵向磁化分矢量，处于低能级的数目略多于处于高能级的那一小部份质子，相互叠加产生一净的宏观磁化矢量。方向与B0相同，称为纵向磁化矢量。6263（2）横向磁化矢量（transversemagnetization。MXY）：小磁场的横向磁化分矢量绕Z轴旋转，由于相位不同，磁化矢量相互抵消，因而没有宏观横向磁化矢量产生。64横向磁化矢量相互抵消，数量为量65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，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，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。宏观横向磁化矢量的产生靠射频脉冲来实现，这将在下面讲到。66磁共振探测不到纵向磁化矢量，但能检测到旋转的横向磁化矢量6768射频场69一、共振的概念和磁共振现象1、共振的概念（经典力学）：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。70712、磁共振现象（量子力学）：如果我们给处于主磁场中的人体组织一个射频脉冲，这个射频脉冲的频率与质子的进动频率相同，射频脉冲的能量将传递给处于低能级的质子，处于低能级的质子获得能量后将跃迁到高能级，我们把这种现象称为磁共振现象。72从微观角度来说，磁共振现象是低能级的质子获得能量跃迁到高能级。从宏观的角度来说，磁共振现象的结果是使宏观纵向磁化矢量发生偏转，偏转的角度与射频脉冲的能量有关，能量越大偏转角度越大。73共振现象的三个基本条件(1)必须有一个主动振动的频率(2)主动振动频率与被动振动的物体固有频率必须相同(3)主动振动物体具有一定强度并与被振动物体保持一定距离74二、射频脉冲的概念：1、电磁波：射频脉冲是一种电磁波，在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；交变电流通过导体，导体周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。75762、射频及脉冲：射频：在电磁波频率低于100khz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输，但电磁波频率高于100khz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远距离传输能力，我们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频；脉冲：在短持续时间内突变，随后又迅速返回其初始值的物理量称之为脉冲。77783、磁共振中的射频脉冲：MRI中的射频脉冲必须具备条件：射频脉冲的频率与质子的旋进频率相同。已知B0及1H的γ值，可根据拉莫尔方程计算出使B0中的1H产生共振所需要的RF脉冲频率。79三、射频场的作用1．RF脉冲作用向B0内的1H施加有拉莫尔频率的RF脉冲，发生MR后产生两个作用：（1）MZ变小：低能级质子吸收RF脉冲能量后跃迁到高能级，使在B0中排列方向由同向变为反向，抵消相同数目低能级质子的磁力，MZ变小。80（2）形成横向磁化矢量：受RF脉冲的磁化作用，旋进质子趋向于射频磁场方向变为同步、同速运动，即处于“同相”（inphase）。在XY平面上叠加起来，形成横向磁化（transversemagnetization）矢量MXY，MXY继续绕Z轴旋进。新的M0偏离了Z轴。8182832．共振信号的产生获得的MXY不与B0叠加在一起，由于MXY的旋进，相当于线圈内磁场大小和方向的变化。根据法拉第电磁感应原理，通过闭合回路的磁通量发生变化时，产生感应电压。在线圈两端会感应出交流电动势，这个电动势即为线圈接收到的MR信号，该信号同样具有旋进频率。通过在XY平面设置接收线圈测定可得组织的MR信号（MXY）。84四、射频脉冲的方式射频脉冲是一个在XY平面的旋转磁场B1，磁场方向垂直于Z轴，沿XY平面以拉莫尔频率转动。在B1的作用下，M开始绕B1轴旋进，结果由Z轴逐渐向XY平面靠近；在B0的作用下，M还要绕B0轴旋进。在B0和B1的双重作用下，M运动轨迹为螺旋线形，该运动方式称为“章动”。8586RF脉冲发射结束时章动后的M与Z轴之间有一个夹角α，α称为翻转角（flipangle）。α的大小与RF脉冲的强度及其持续时间τ成正比。使M翻转到XY平面的RF脉冲称90°脉冲；使M翻转到B0反方向上的RF脉冲称180°脉冲。使M偏离B0α角的RF脉冲称α角脉冲。8788五、90度射频脉冲的微观和宏观效应如前一节所述，接收线圈仅能接收旋转的宏观横向磁化矢量，因此在MR成像中必须有宏观横向磁化矢量的产生。在各种角度的射频脉冲中，90度射频脉冲产生的横向宏观磁化矢量最大。90度脉冲是MRI序列中最常用的射频脉冲之一，让我们来看看90度脉冲激发后的微观效应。89图7所示