磁共振波谱.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第二十章,磁共振波谱分析仪器,1,本章学习要求,1.,掌握磁共振波谱仪器的性能参数、基本原理和常用类型；,2.,熟悉常用磁共振波谱仪器的临床应用、维护、调试与使用方法；,3.,了解磁共振波谱仪器的常见故障及其排除方法。,2,主要学习内容,磁共振波谱仪器的工作原理,；,磁共振波谱仪器的基本结构,；,磁共振波谱仪器的性能参数,；,磁共振波谱仪器的使用、维护、常见故障及排除；,磁共振波谱仪器的应用,；,3,概 述,核磁共振发现,1946,年,诺贝尔物理学奖,1952,年,磁共振谱分析,(MRS)1946,1972,年,头部,MRI,投入临床,1978,年,全身,MRI,研制成功,1980,年,诺贝尔物理学奖,2003,年,4,1952,年诺贝尔物理学奖,2003,年诺贝尔物理学奖,布洛赫,USA,斯坦福大学,珀塞尔,USA,坎伯利基哈佛大学,5,1991,年诺贝尔化学奖,恩斯特,R.R.Ernst,瑞士物理化学家,6,2003,年诺贝尔医学或生理学奖获得者,美国科学家保罗,劳特伯,英国科学家彼德,曼斯菲尔德,7,第一节 磁共振波谱分析仪的工作原理与基本结构,一、磁共振波谱分析仪的工作原理,原子核由质子和中子组成，质子带正电荷，中子不带电，因此原子核带正电荷，电荷数等于质子数。大多数原子核都围着某个自身轴作旋转运动，因此，其本身所带正电荷就会形成环形电流，从而产生一种核磁矩。而具有核磁矩的原子核可以在一定磁场作用下受到激发，激发后原子核的能量发生变化，并发出核磁共振信号。,8,第一节 磁共振波谱分析仪的工作原理与基本结构,当以电磁波照射置于磁场中的这种原子核，则会发生某种频率能量的吸收，吸收后原子核能量发生变化，并发出核磁共振信号，这就是核磁共振现象。而且化学环境的不同会导致核磁共振频率的变化。在正常组织中，代谢物在物质中以特定的浓度存在，当组织发生病变时，代谢物浓度会发生改变，核磁共振方法就是通过测量这些变化来确定物质结构的，核磁共振波谱仪在这一基础上，利用核磁共振的原理进行工作。,9,二、磁共振波谱分析仪的基本结构,磁共振波谱分析仪的结构较复杂，但基本设备均由两部分组成，一部分是磁共振信号的发生与采集部分，主要包括磁体、射频振荡器、扫描发生器；另一部分包括射频接收器以及数据处理及图象显示。,10,组成原理,11,1.,磁体,2.,梯度系统,3.,射频系统,（,1,）射频线圈,(,发射线圈和接收线圈,),（,2,）射频发射放大器,（,3,）射频接收放大器,（,4,）射频屏蔽,基本结构,12,射频线圈,乳腺线圈,基本结构,13,体部线圈,射频线圈,基本结构,14,射频线圈,肩关节线圈,基本结构,15,射频线圈,膝关节线圈,基本结构,16,射频线圈,头部线圈,基本结构,17,4.,计算机系统,（,1,）模数（,A,D,转换器）,（,2,）阵列处理机,（,3,）用户计算机,患者管理；,测量系统的组织和控制：,测量数据的采集和处理；,显示原始数据，图像数据及结果；,图像后处理；,图像存取等。,基本结构,18,5.,辅助部分,(1),检查床：承载患者,(2),操作控制台：操纵,MR,检査、影像处理、拍,摄照片,(3),磁屏蔽,基本结构,19,（一）磁体,磁共振波谱分析仪所用的磁体主要有,3,种：,常导型磁体、超导型磁体和永磁体。,1.,常导型磁体,常导型磁体又称阻抗型磁体，是由电流产生磁场，导线由铝或铜制成，线圈分为几组，绕成圆桶状，为了得到强大的磁场强度，需要线圈绕制较多的匝数。但匝数增多，电阻则随之增大，仪器工作时也会使产热增多，磁体本身也会产生大量的热。,20,（一）磁体,2.,超导型磁体 超导型磁体的导线由超导材料制成，产生静磁场线圈的导线是用特制超导材料,多股铌钛合金制成。要求这种合金导线的粗细均匀、绕制整齐、中间无接头。这种导线在温度低于某一温度值时，导线电阻极小，呈现出“超导”，可允许通过非常高的电流而耗散功率极小。该型机可以做得磁场强度很大，磁场均匀稳定。可以进行磁共振成像，也可进行磁共振波谱分析等。图像、谱图质量较高。但该类型机的磁体结构最复杂，且为了保持超导状态，导线必须浸泡在液氦中，因此需要昂贵的冷却剂，尤其是液氦，使日常维护费用增高。,21,（一）磁体,3.,永磁性磁体,永磁型磁体是由许多块铁磁性材料组合而成，只有安装得恰当合适，才能保证磁场的均匀度。近年来，一种用于磁共振波谱分析仪的开放型永磁体模块，它涉及一种开放型的永磁体模块，以解决现有磁共振波谱分析仪器采用的超导磁体存在的体积和重量较大、维护成本较高的问题。,22,（二）匀场线圈,无论何种磁体，在制造过程中都不可能使磁体的磁场完全均匀，同时，在磁共振波谱分析仪的周围环境中，铁磁性物体及其他大型的电子、电磁设备等，都会使磁体磁场的均匀性受到影响。为了使磁体的磁场强度趋于均匀，可采用被动地贴补金属小片和主动地调整匀场线圈的方法。匀场线圈是带电的线圈，产生小的磁场以部分调节磁体磁场的不均匀性。匀场线圈可以是常导型的，也可以是超导型的，在常导型匀场线圈中，由匀场电源供给电流。,23,（三）射频系统,射频系统主要由射频发生器（发射部分）和探测器（接收部分）两部分构成。射频发生器是用来向样品传送激发自旋核所必须的射频场，它包括射频振荡器、放大器和发射线圈。样品管垂直地放置在磁场中心，发射线圈的轴线与磁场方向垂直。发射线圈和接牧线圈的轴线互相垂直，在实际谱仪中是安置在一个称之为探头的十分紧凑的部件中，这些线圈紧贴地缠绕在插入的样品管的周围。,24,（三）射频系统,射频发射系统是用来向样品传送激发自旋核所必须的射频场，它包括射频振荡器、放大器和发射线圈。样品管垂直地放置在磁场中心，发射线圈的轴线与磁场方向垂直。高分辨核磁共振仪对射频源的稳定性和均匀性同样也有很高的要求，一般是由称为“主钟”的石英晶体振荡器来产生谱仪所需要的各种频率，各种频率都是以“主钟”频率为基准。频率的稳定性和磁场稳定性是互相关联的，因此核磁共振仪器都包括场一频稳定系统，它是通过一个反馈系统将一个参考信号,(,通常用,2H,的共振信号,),保持在共振位置上来实现联锁的。,25,（四）射频接收器,射频接收器线圈在试样管的周围，并于振荡器线圈和扫描线圈相垂直，当射频振荡器发生的频率,v,0,与磁场强度,B,0,达到前述特定组合时，放置在磁场和射频线圈中间的试样就要发生共振而吸收能量，这个能量的吸收情况为射频接收器所检出，通过放大后记录下来。所以核磁共振波谱仪测量的是共振吸收。,26,（五）探头,探头是一种用来使样品管保持在磁场中某一固定位置的器件，探头中不仅包含样品管，而且包括扫描线圈和接收线圈，以保证测量条件一致。为了避免扫描线圈与接收线圈相互干扰，两线圈垂直放置并采取措施防止磁场的干扰。样品管在探头内可以自由地旋转，而使作用在样品上的磁场均匀化。专门的变温探头，可供在不同温度下测定之用。,27,（六）数据处理及图像显示系统,磁共振波谱分析仪一般采用固定电磁波频率，然后连续改变外加磁场强度进行扫描，当某种原子核的频率与照射频率相同时就产生共振，原子核发生跃迁，此时，接收线圈因感应而产生电流，经放大器放大后在记录仪上描记下来，从而获得磁共振信号。为了提高仪器的分辨率，必须注意样品管的转速，转速太低了会出现附加的边峰，即在强吸收峰的两旁出现对称的小峰，称为旋转旁带。,28,（七）其他部件,1,电源柜 电源包括带屏蔽的电源变压器、产生主磁体磁场的大功率稳压稳流直流电源，射频脉冲电源、供给辅助磁场的电源和供给计算机、图像处理系统、存储器、多幅照相机的电源等。,2,样品台 测量样品使用和承放容器的台面都要求用非磁性材料制成。,3,致冷系统 致冷系统分为液氮致冷、液氦致冷和水致冷三种。,29,第二节 磁共振波谱分析仪的性能指标与影响因素,一、磁共振波谱分析仪的性能指标,磁共振波谱分析仪的性能直接影响图谱的质量。如磁场的均匀度、稳定度、射频脉冲的强度、主磁场的强度、表面线圈的信噪比、计算化学位移的精确度和采样矩阵的大小等。下面介绍几个主要的性能指标。,30,一、磁共振波谱分析仪的性能指标,1.,磁场强度,磁场强度对波普分析仪影响为：对信噪比的影响。磁场强度增高，信号强度增高，信噪比提高（一般认为噪声电平不变）。信噪比的提高与磁场强度的增高不呈线性关系，靠增高磁场强度来提高信噪比是有限度的；对对比度的影响。因磁场强度增高，,T1,变长，必须加长,TR,，才能获得高对比度的,T1,加权图像，这将导致扫描时间的延长，是不可取的；,31,一、磁共振波谱分析仪的性能指标,1.,磁场强度,对运动伪影和化学伪影的影响。因磁场强度增高，共振频率变高，自旋加快，同样运动的相位漂移变大，使运动伪影和化学伪影增多。另外，磁场强度高低与磁共振波普分析仪器设备的成本成正比。磁场强度增高，磁共振波普分析仪器设备的成本随之提高。,32,一、磁共振波谱分析仪的性能指标,2.,磁场均匀度,它是磁共振波普分析仪器设备的一个很重要的指标。磁场均匀度在很大程度上决定着磁共振波普分析仪器设备的图像质量好坏。如,MRS,图像的信噪比（,S/N,）、空间分辨力（,SR,）和有效视野（,field of view,，,FOV,）的几何畸变。磁场均匀度用磁场不均匀度（,ppm,，百万分之一）衡量。磁场不均匀度越小，磁场均匀度越好。,33,一、磁共振波谱分析仪的性能指标,磁场不均匀度的数学定义为：,上式中，,ppm,为某一个限定的空间范围；,B,0,为主磁场中心磁感应强度（,Gs,）；,B,0,为磁感应强度最大值与最小值的差（,Gs,）。,34,一、磁共振波谱分析仪的性能指标,3.,磁场的稳定性,它是保证,MR,图像的一致性和可重复性的重要指标。永磁体自身的衰减很少。受主磁体周围铁磁性物质、环境温度的影响，静磁场的磁场强度会发生变化（磁场漂移）。在,1,2h,之内，一般要求磁场漂移小于,5ppm,。在,1,8h,之内，磁场漂移小于,10ppm,。,35,一、磁共振波谱分析仪的性能指标,4.,信噪比（,singal noise ratio,，,SNR,）,是衡量,MRS,图像质量的重要指标。,MRS,信号是横向磁化的旋进运动在接收线圈上感应出的电动势，而噪声则来源于成像物体横向磁化的随机变化和,MR,系统固有的电子学噪声。,36,一、磁共振波谱分析仪的性能指标,若,SNR,较低的话，波动的幅度就较大，这就会使得组织或结构的交界部分变得模糊不清，一些微小的差别就被掩盖了，所以提高信噪比也就有助于提高,MRS,图像质量。在磁共振成像中，影像,SNR,的因素很多，主要有磁场强度、,RF,线圈的选择、体素容积、翻转角、重复时间、回波时间、重复测量次数等。,37,一、磁共振波谱分析仪的性能指标,5.,空间分辨力,空间分辨力反映的是磁共振波普分析仪器设备系统在一定的对比度下对微小物体的分辨能力。高的空间分辨力容易检测出微小的物体，在诊断时不易漏掉微小病变。,38,一、磁共振波谱分析仪的性能指标,空间分辨力取决于体素的大小，体素越小分辨力也就越高，而体素的大小又取决于断层厚度，视野,FOV,和成像矩阵的选择。空间分辨力还与相位编码和频率编码时所用的梯度磁场的梯度幅度有关，梯度幅度越高，空间分辨力越好。但保持,FOV,不变，提高相位编码的步数，空间分辨力提高，但,SNR,下降了。,39,二、磁共振波谱分析仪的影响因素,用,MRS,监测体内组织的化学成分是临床诊断的重要课题，影响,MRS,的主要因素有仪器的灵敏度、定位技术、分辨率和磁共振信号的频率。提高灵敏度最简捷的途径是增加磁场强度，提高定位技术要减少涡流，提高分辨率需要采用表面线圈并不断改进其技术（提高信噪比，减少相位编码交换点，并提供最佳信号定位，更清晰地显示图谱）。,40,二、磁共振波谱分析仪的影响因素,磁共振信号的频率主要取决于两个方面,:,一个是,旋磁比，,这是原子核的固有属性；另一个是,共振原子核所处位置的磁场强度,影响磁场强度的因素有外加磁场的磁场强度和该原子核周围的电子和邻近原子核周围电子的作用，这些电子与外磁场相互作用，改变原子核周围的局部磁场强度，这种现象称为,化学位移。,41,二、磁共振波谱分析仪的影响因素,因此，某一样本中每一种化学组分的不同原子核都将以略有差异的频率发生共振，从而产生不同的磁共振信号。化学位移所产生的磁共振频率差异非常小，所以磁共振波谱分析仪要求外磁场必须很强且十分均匀，外磁场在均匀性上有一点微小改变，都将使化学位移引起的微小信号无法辨认。,42,二、磁共振波谱分析仪的影响因素,外磁场、样品磁场的均匀性，会影响磁共振信号（是由一系列较狭窄的波峰组成，波峰的位置反映原子核的种类，波峰的高度反映受检原子核的数量）。,43,第三节 磁共振波谱分析仪的工作环境,一、磁共振波谱分析仪的安装要求,由于磁场的均匀度、稳定度、射频脉冲的强度、主磁场的强度、表面线圈的信噪比、计算化学位移的精确度和采样矩阵的大小等，会直接影响磁共振波谱分析仪磁共振信号和图谱的质量，所以，对仪器的安装环境要求较高。,44,一、磁共振波谱分析仪的安装要求,1,磁场屏蔽,磁共振波谱分析仪的磁场对附近的电子及电磁设备产生不良影响，对带有心脏起搏器及神经刺激器的患者造成危险，所以必须对磁共振波谱分析仪加以屏蔽，对磁体及磁场加以保护。另外，较大的铁磁性物体如汽车、钢瓶等从附近经过，也会影响磁体的均匀性，造成图谱质量下降。磁屏蔽设施多以廉价的铁制造，近年来也采用超导线圈以抵消磁体远处的磁场。,45,一、磁共振波谱分析仪的安装要求,2,稳压电源,电源电压的波动不得超过,1%;,频率变化不得超过,5%,，电源的功率视机型而定。,46,一、磁共振波谱分析仪的安装要求,3,恒定的温度和湿度,温度和湿度会影响磁场的稳定度，加空调和排气设备是必要的。计算机室的温度一般要求在,25,左右。超导型机产生液氮和液氦蒸发气体，因此，对此类机还要求有良好的通风排气设备。,47,二、磁共振波谱分析仪的安全操作注意事项,1.,射频的能量,注意线圈及线缆不要直接接触人体，要用随机配的隔离垫隔开，以免灼伤患者。,48,二、磁共振波谱分析仪的安全操作注意事项,2.,磁体失超时的安全,如遇失超，失超是超导磁体内电磁能迅速转化为热能的一种现象。应立刻将患者撤离磁体间，以免超低温氦气冻伤，甚至窒息。并请立即联系厂家。,49,二、磁共振波谱分析仪的安全操作注意事项,3.,铁磁性物质的安全问题,严禁携带任何铁磁性的物质进入磁体间，如持针器、镊子、听诊器、剪刀、担架、吸尘器、轮椅及氧气瓶等否则将会对患者和设备造成不可估量的 伤害和破坏，甚至危及患者和医生的生命安全。银行卡以及其他带磁性卡也不能带入磁体间以免造成不必要的麻烦。,50,二、磁共振波谱分析仪的安全操作注意事项,4.,噪音的应对,机器工作期间如需要进入磁体间需要佩戴防噪音耳机。,5.,带有心脏起搏器和人工植入物的患者严禁进入磁体间。,51,二、磁共振波谱分析仪的安全操作注意事项,6.,非电器维修专业人员严禁随意开启设备间的电器柜，以免高压和大电流危及生命安全。,7.,每天及时保存患者的数据。,8.,每天都要读取液氦的量并作记录。,52,第四节 磁共振波谱分析仪的临床应用,一、,MRS,在神经系统检测中的应用,神经波谱学是研究人脑磁共振波谱的学科。人脑病变通常分为三类：结构方面,(,包括退行性变、肿瘤、发育缺陷,),；生理方面,(,血供中断,),；生化或基因方面。在,MRS,问世前，不能直接无创测定基因表达产物、脑代谢产物，也没有可直接测定能量代谢的神经元标记物、星形细胞标记物及其相关测定技术，神经波谱学填补了这些空白。随着临床经验的逐步积累，,MRS,将会在神经系统检测方面得到更为广泛的应用。,53,第四节 磁共振波谱分析仪的临床应用,二、,MRS,在肾、前列腺疾病中的应用,MRS,在肾、前列腺疾病中的应用已有报道。低温储存的移植肾的活力可用。,31P MRS,无创的测定：,ATP,的出现提示移植后功能较好。肾移植排斥患者的,PDE,PME,和,Pi,ATP,升高，而且这些指标对预测排斥具有相当的敏感性和特异性。,1H MRS,显示正常前列腺和前列腺增生的柠檬酸水平较高，而前列腺癌的柠檬酸水平降低。,31P MRS,提示前列腺癌的,PME,水平升高，治疗后下降，这些方法给前列腺癌的诊断和治疗效果的评价提供了较为有价值的参考信息。,54,第四节 磁共振波谱分析仪的临床应用,三、在生物学研究中的应用,在生物学研究中应用的范围很广。分析研究：如确定生物分子成分及浓度，特别是可不破坏组织细胞而测知其中组分；确定异构体比例；确定分子解离状态；确定金属离子或配基是否处于结合状态；以及测定细胞膜内外的,pH,差异。磁共振波谱技术用来研究生物大分子有如下特点：不破坏生物高分子结构（包括空间结构）；,55,第四节 磁共振波谱分析仪的临床应用,在溶液中测定符合生物体的常态，也可测定固体样品，比较晶态和溶液态的构象异同；不仅可用来研究构象而且可用来研究构象变化即动力学过程；可以提供分子中个别基团的信息，对于比较小的多肽和蛋白质已可通过二维,NMR,获得全部三维结构信息；可用来研究活细胞和活组织。,56,第四节 磁共振波谱分析仪的临床应用,此外，,MRS,还被用于研究一些肌病的代谢紊乱。用,MRS,研究,McArdle,综合征时发现其特征是正常时运动造成的,pH,降低情况没有出现，这可能与酸的缺乏抑制了与磷氧基酶缺乏相关的肝糖原分解有关。,MRS,还被用于糖原储积症、线粒体疾病、肌营养不良等的研究。充血性心力衰竭患者的运动实验显示，其肌肉,PCr,耗竭的速度更快，酸中毒更加严重，这就提示肌肉代谢的损害。,57,再见！,58,