核磁共振成像读书报告

《核磁共振成像》读书报告一、概述10月6日，瑞典卡罗林斯卡医学院宣布，74岁的美国科学家保罗•劳特布尔和70岁的英国科学家彼得•曼斯菲尔德，因在核磁共振成像领域的突出贡献而共获2003年诺贝尔生理学或医学奖。这两位科学家在使用核磁共振技术拍摄不同结构的图像上获得了关键性发现，他们的研究导致了现代核磁共振诊断手段的产生,利用这一技术可产生人体器官的三维图像，对获取脑部和脊髓的详细图像及诊断癌症具有重要意义，它代表了医学诊断和研究领域的一个重大突破.1982年，核磁共振成像技术从美国开始正式应用于临床医学，并逐渐成为最先进的医学诊断手段之一。与此前的人体组织成像诊断手段X光和X-CT（X射线计算机断层扫描成像）相比，核磁共振成像具有两个特别大的优点：一是没有对人体有害的辐射，X射线穿透人体成像对人体有害是人所共知的，而核磁共振成像则是将检查对象置于均匀的强磁场中，人体在磁场作用中不会受到伤害；二是能够对多种病变进行早期诊断。病变首先影响人体组织的化学变化，到一定程度才会引起形态变化，如果发现形态变化说明病变已经发展到一定程度了，即使是同样获得诺贝尔医学奖殊荣的X-CT技术也只能检查出人体组织的形态变化。而核磁共振成像则能反映人体组织内的化学变化。核磁共振扫描现在已经成为一项常规的医学检查，全球估计共有22000台全身核磁共振扫描仪投入使用，每年扫描总数超过6000万次。二、核磁共振基本原理1、原子核的自旋与原子核的磁矩核磁共振研究的对象是具有磁矩的原子核。原子核是由质子和中子组成的带正电荷的粒子，其自旋运动将产生磁矩。但并非所有同位素的原子核都具有自旋运动，只有存在自旋运动的原子核才具有磁矩。原子核的自旋运动与自旋量子数I相关。量子力学和实验均已证明，I与原子核的质量数(A)、核电荷数(Z)有关。I值为零、半整数、整数。A为偶数、Z为偶数时，I＝0。如12C6，16O8，32S16等。A为奇数、Z为奇数或偶数时，I为半整数。如1H1，13C6，15N7，19F9，31P15等，I=1/2；11B5，33S16，35C117，37C117，81Br35等，I＝3／2；17O8，25Mg12,27Al13等，I＝5／2。A为偶数、Z为奇数时，I为整数。如2H1，6Li3,14N7，I＝1；58Co27等，I=2;10B5等，I＝3。(1)I0的原子核，都具有自旋现象，其自旋角动量（P）为P=h/2I(I+1)h为普朗克常数，h=6.62410-34J.S具有自旋角动量的原子核也具有磁矩，与P的关系如下：＝·P称磁旋比(magnetogyricratio)。同一种核,为常数。如1H：＝2.6752108radT-1S-1)；13C：＝6.728(107radT-1S-1)；T=104高斯。值可正可负，是核的本性所决定。(2)I=1/2的原子核是电荷在核表面均匀分布的旋转球体。核磁共振谱线较窄，最适宜于核磁共振检测，是NMR研究的主要对象。如1H，13C；19F，31P等。(3)I1/2的原子核是电荷在核表面非均匀分布的旋转椭球体。2、核磁共振下面用矢量图示法讨论射频磁场的作用.如图1所示，磁矩在静磁场B0的作用下，只能静止在它的平衡位置Bo(z轴)方向。要使离开平衡位置(实现能级跃迁)，必须在与Bo垂直的方向(如x轴)上加一个射频磁场Bl.B1对施加的力矩为·Bl，它使偏离z轴，偏离z轴之后要受到力矩·Bo的作用而绕z轴进动。图1射频磁场Bl的作用根据动量矩定理，进动的方向就是力矩·Bo的方向。在Bo中，自旋核绕其自旋轴(与磁矩方向一致)旋转，而自旋轴既与Bo场保持一夹角又绕Bo场进动，称Larmor进动。进动的圆频率o=2o，即磁矩的进动频率就是核磁共振的共振频率，这是核磁共振的条件。B1在Bo的作用下也将绕z轴旋转，旋转的方向和频率与的进动方向和频率是相同的，即绕z轴的进动与B1绕z轴的旋转是同步的.若采用旋转坐标系，则与B1是相对静止的，如图2图2旋转坐标系与Bo的夹角θ叫倾倒角，它是由B1引起的。在B1的作用下，将以1=θ/Tp在竖直平面内绕坐标原点O’匀速转动。其中Tp是射频磁场作用于核磁矩的时间，叫脉冲宽度。θ=/2的脉冲叫/2脉冲，相当于从Bo的方向倒向y’方向，θ=的脉冲叫脉冲，相当于与Bo反向。3、弛豫磁矩在射频磁场B1的作用下偏离平衡态后，撤去B1，经过一段时间将恢复到平衡状态，这样的过程叫做原子核的弛豫过程.弛预效率常用弛豫过程的半衰期来衡量，半衰期愈短，弛豫效率愈高.弛豫过程分为两种.第一种是2分量恢复到平衡态的过程，叫做纵向弛豫，它是核磁矩把能量传递给周围环境的过程，又叫自旋-晶格弛豫。纵向弛豫时间用其半衰期T1表示。第二种是Mxy分量恢复到平衡态的过程，叫做横向弛豫，是高能态核磁矩把能量传递给邻近低能态同类核磁矩的过程，又叫自旋一自旋弛豫.这一过程不改变磁核的总能量.横向弛豫时间用其半衰期T2表示。T1的数值与核的种类、化学环境、样品的状态和温度有关。自旋一晶格弛豫过程，是磁核从高能级辐射出射频波回到低能级(平衡态)的过程.磁核辐射出去的射频波，不断被周围死境所吸收，频率基本不变，而振幅随时间按指数规律衰减，从而形成阻尼由磁振荡.利用电磁感应可以将这种电磁阻尼振荡转化为同频率的电流(或电压)的阻尼振荡曲线.这种转化过程，叫做自由感应衰减，如图3所示图3自由感应衰减过程三、核磁共振成像原理核磁共振成象的核心问题是把核磁共振原理同空间编码技术结合起来，同时把物体内部各位置的特征信息显示出来。如何进行空间编码呢?磁核在静磁场Bo作用下的共振频率。与空间位置无关，不能提供物体内的空间分布信息，起不到空间编码的作用。如果在静磁场Bo上叠加一个梯度磁场，就可以把物体的共振频率与物体内部的空间分布联系起来，从而达到空间编码的目的。现以一维梯度磁场为例，如图4所示。梯度磁场与Bo的方向一致，沿x方向的梯度为Gx，则坐标为x处的磁感应强度Bx=Bo+Gx·X,对应的核磁共振频率v=(Bo+Gx·X)/2。这样，共振频率v与坐标x之间就有了一一对应的关系.如物体内部的四个位置1,2,3,4，对应的频率是1,2.3,4，那么这四个位置的坐标x1,x2,x3,x4是唯一确定的。图4梯度磁场的作用若梯度磁场是三维的，可根据v=Gy·Y/2和v=Gz·Z/2再确定各位置的Y,Z坐标.如果定义空间某一体积元△Vxyz中频率vxyz=.(Bo+Gx·X+Gy·Y十Gz·Z)/2,就可据此式对物体内部的各个微小部分进行空间编码了.在空间编码的基础上，通过同步射频磁场B，的激发产生核磁共振.在停止射频脉冲之后，任其自由衰减并通过电磁感应转化为自由感应衰减信号，测出衰减的时间即弛豫时间T1和T2，最后通过傅里叶变换并以图形的形式表示出来，就得到物体的核磁共振象。四、核磁共振成像方法1、层面选择2、投影重建法1973年Lauterbur用梯度磁场区分空间坐标，用连续波（CW）NMR获得了世界上第一个NMR图像。NMR频率通过ω＝γG·r可和空间直接相关起来，Lauterbur测得投影P(ωk,φ)，使直接背投影获得了图像。其实也可以进行滤波背投影而获得清晰的图像。这种重建与CT完全相似，可以称之为纯粹的NMR-CT。3、二维傅立叶变换重建1975年瑞士核磁学家Ernst等人用二维傅立叶成像法重新作了Lauterbur的实验，其脉冲序列如图3所示，90度脉冲之后，使用两个脉冲梯度，第一个脉冲梯度持续t1时间，其间不检测，让FID信号自由发展。在第二个梯度t2期间，检测FID信号，取样N次，得到N个数据，第二次实验时，让t1有一增量，再在t2期间检测，取得N个数据。t1作为参变量，共执行N次实验，可获得N*N数据矩阵，依此可重建自旋密度像。因为时域与k-图5Ernst实验脉冲序列域是直接相关的，检测到的信号是时域信号，也就是k空间信号，不妨用S(t1,t2)表示。又由于使用梯度场，频域和空间域是直接相关的，因此，直接对S(t1,t2)作二维傅立叶变换得到S(ω1,ω2)是自旋密度像。在t2期间检测到的FID信号中包含着与Z相关的ωz成份，对S(tl,t2)作第一个傅立叶变换得到S(t1,ω2)，其中给出ωz谱。gxt1影响FID信号的初位相因此gx,t1分别称为相位编码梯度和相位编码时间，并把gz,t2分别称为频率编码梯度核频率编码时间。与最初Lauterbur的NMR实验相比，Ernst的实验的区别在于:Lauterbur实验在90度脉冲后，gx，gz同时加在样品上，FID信号是在g方向的投影，被全部记录下来。而Ernst的傅立叶成像实验中，不存在投影。各个FID信号在一个梯度作用下发展，在另一个梯度作用下采集，经过一维傅立叶变换后得混合域上的信号S(t1,ω2)，相当于gx作用时间t1长短不同，信号幅度和相位受到了不同的调制。对S(t1,ω2)再作一次傅立叶变换，就得到S(ω1,ω2)，也就是自旋密度像。如图6所示图6时域、混合域和频域之间的关系在傅立叶成像中，除了投影的概念，用脉冲梯度代替了旋转梯度，用两个时间段tl,t2作成正交时域，直接用二维傅立叶变换就可以得到自旋密度像。由于革除了投影的栩念，也就不需要背投影。由于无旋转，也就不需要内插，也很容易推广到三维成像，不需要挖空心思去寻找各种滤波函数。其实，Ernst等人已经从理论上证明自旋密度像ρ(r')就等于真实自旋密度ρ(r)和峰形函数的卷积，即有式中在MRI中，滤波函数是现成的，就是NMR信号在频域上的共振峰函数，机器信噪比越高，共振峰形函数越尖锐，滤波效果越好。其实，这里自旋密度是广义的，ρ(r')可代表各种不同的NMR参数，比如tl,t2,D,δ，......。傅立叶成像理论，方法很自然地包含在Ernst多维NMR谱理论中，在方法学理论上相对于CT是一场新的革命。由于MRI测量的是k空间信号，如果没有弛豫，tl步进和gx步进是等效的，由于迟豫存在，把相位编码时间tl步进修改为gx步进，称之为Spin-Warp傅立叶成像，而且大部以检测回波（Echo）来代替FID，已发展的脉冲序列多达数百种，成像参数多达十几个。图7显示了一个典型的自旋回波（SE）成像的脉冲序列。图7典型的自旋回波（SE）成像的脉冲序列4、其它重建法自旋-扭曲法，回波-成像法平面，Flash法五、讨论CT的投影重建数学方法可以用于MRI，而MRI图像重建方法却不可以用于CT。这是因为，不论是X射线，Y射线，还是红外光线，它们都是电磁波，其速度都是光速c，它们穿过人体的速度可以忽略不及，因而测量到的信号与时间无关。于是CT是从空间域采集投影信号，通过Radon变换到k(空间倒数)域，再通过Radon反变换到图像域。而MRI，虽然用电磁波激发共振，但信号载体是水质子磁矩，因为水质子有一个弛豫过程，而且，时间是在几十毫秒到秒的量级，这就决定了NMR信号是一个时间域信号。在MRI中，梯度磁场使时间t和k空间建立了线性关联。因而k空间信号本质上就是时间域信号。同时，梯度磁场又使得质子拉摩频率和空间线性关联起来，这就决定了用傅立叶变换的必然性。总之，MRI用傅立叶变换是直截了当的，用其它变换则是累赘的。同样，CT用Radon变换是直截了当的，用傅立叶变换则是累赘的。要求：给定椭圆的长轴2a＝20，短轴2b＝10，椭圆内密度＝11，椭圆外部密度＝0（见图1）。求：（1）不同视角下的投影（＝1～180，3or5）。（2）用滤波反投影法重建图像（取R-L，S-L两种滤波函数并作比较）。结果：5时，用S-L，R-L滤波反投影重建得出的图像分别如下图所示：S-LR-L路慧丽2b2aO图1