磁共振物理.pptx

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,2021/10/3,#,第三章 磁共振物理,原子结构：如图。原子核由质子和中子组成，中子和质子由夸克组成，,质子和中子组成,：一个质子由两个,上夸克,和一个,下夸克,组成；一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成；夸克是现时已知唯一一个基本电荷非整数粒子。夸克有六种味，每一个味都有一个对应反粒子，叫反夸克，它跟夸克不一样之处，只在于它一些特征跟夸克大小一样但正负不一样，夸克是由,弦,组成。,原子核带正电，且含有磁性。原子核磁性与其它磁性场产生共振现象称作核磁共振。,第一节 原子磁性,一,、原子核自旋 速度不为零物体就含有一定动量，而绕某一点或某一轴做圆周运动物体含有一定角动量。如图,3-1,微观世界中，电子、质子、中子、原子核含有自旋属性，以自旋角动量描述。同时含有轨道角动量。原子核总角动量由质子与中子自旋和轨道角动量之和。又称原子核自旋,微观世界中，物理量取值是离散、不连续、即量子化。原子核自旋也是量子化。设原子核自旋为,L,I,I,为原子核自旋量子数，取整数或半整数,。,h,是普朗克常数。则：,原子核自旋是个矢量，含有方向和大小。自旋方向和原子核旋转方向平面垂直。假如把原子核放在静磁场中，它自旋在空间中取向也是量子化，有若干个特定得取向。取向多少决定于,I,值大小。为,2I+1,种。在静磁场方向上就有,2I+1,个自旋分量。,质子数和中子数都为偶数，,I=0,；都为奇数，,I,为整数；一奇一偶,I,为半整数。,（,I=0,无自旋，无磁矩，不产生共振吸收；,I=,整数，共振吸收复杂，极少研究；,I=,半整数，有磁矩，产生共振吸收）,m,I,=I,、,I-1,、,I-2,、,.-I,第1页,二 原子核磁矩,原子核能够看作是含有一定质量和体积均匀带电体，原子核自旋运动能够看成是该球体旋转，这也就产生了绕关键旋转环形电流，也就形成了磁场。假如自旋,I,不为零原子核就会含有一定磁性，自旋核也就能够看作是一个小磁体。设自旋核磁矩为u,I,，自旋,LI,都是因为原子核自旋韵达而产生，二者之间存在着一定百分比关系：其中,，,=g,I,/2m,p,c,为百分比系数，称为磁旋比；,g,I,称为朗德因子，是一个取决于原子核种类无量纲数，,m,p,为质子质量。则原子核磁矩为：原子核磁矩方向与自旋方向处于同一直线上，有时方向相同，有时方向相反。原子核磁矩与自旋一样，在静磁场中也存在,2I+1,种可能取向。所以核磁矩在静磁场方向（,z,方向）投影值,uz,有,2I+1,个分量，即：原子核磁性是非常微弱，平时我们极少感觉它存在。但电子磁矩就很大，是核磁矩好几个数量级。通常所指铁磁性和顺磁性就是由物质原子中不成对电子产生。,第2页,三、物质磁性,原子核含有磁矩，电子也含有磁矩。,原子磁矩就是核磁矩与电子磁矩之和,。多电子原子：,1,、,电子总磁矩不为零，原子磁矩主要由电子总磁矩决定；,2,、,电子总磁矩等于零，核磁矩就组成了原子固有磁矩。从宏观上来看，物质可表现为顺磁性，也可表现为逆磁性：,1,、,逆磁性物质,：在外磁场作用下，产生附加磁场方向与外磁场方向相反。总磁矩为零化合物，核磁共振多以逆磁性物质为样品，切多是,I=1/2,核。,2,、,顺磁性物质,：,在外磁场作用下，产生附加磁场方向与外磁场方向相同。电子总磁矩不为零，但不展现出宏观磁性。,3,、,铁磁性物质,：在外磁场作用下，产生附加磁场方向与外磁场方向相同，且强大远大于外磁场。如，铁、钴、镍。,MRI,造影剂大多是顺磁性物质，它不产生共振信号。,四、用于磁共振磁性核,自旋不为零原子核都是磁性核，也只有磁性核才能和静磁场相互作用产生磁共振。如表,3-1.,当前临床,MRI,是氢核。,磁性查对磁共振信号强度影响主要取决于两个原因：,1,、磁性核在组织中浓度。,2,、磁性核相对灵敏度。氢原子在生物组织中占,2/3,，磁化强度也是常见核中最高。,第3页,第二节 静磁场中磁性核,在,MRI,中，当人体置于静磁体时，人体内部磁性核就会受到静磁场作用，使得其运动状态发生改变。,一、微观描述,1,、,取向和磁势能 设磁场中坐标系为（,x,y,z,），如图,3-3.,在人体进入磁场前，磁性核磁矩,u,I,取向处于一个杂乱无章状态，即磁矩方向在各个方向上分布几率是等同。人体进入静磁场后，磁性核磁矩在外磁场作用下，只能沿空间几个特殊方向分布，即,空间量子化,。量子化取向决定于磁性核自旋,I,，共有,2I+1,种，取向不一样磁性核含有能量也是不一样，如图,3-4.,氢核自旋,I=1/2,，它取向就只有两个，一个顺磁场方向，能量较低一个逆磁场方向，能量较高，二者能级差为：,第4页,2,、,旋进,在静磁场作用下，核磁矩有了特定取向，使核磁矩与静磁场存在着特定夹角,（,0,），静磁场对原子核磁矩产生作用力，在该力作用下，核磁矩以夹角在静磁场,B,0,为轴圆锥面上以恒定角速度旋进，称为,拉摩尔旋进,，旋进角速度为,0,，如图,3-5,。,0,=2.f,0,=B,0,其中,f,0,旋进频率，为旋磁比，,B,0,为静磁场强度，单位是特斯拉（,T,）。对于氢核,f,0,=42.58MH,Z,即每秒氢核磁矩要围绕静磁场旋进,42.5810,6,圈。,第5页,二、宏观描述,在人体组织中，是大量磁性核集合体，它所表现出宏观磁性是磁性核群体性行为结果。在此引入,磁化强度矢量,概念来描述群体性磁性核在静磁场中表现出宏观特征。,N,为单位体积核磁矩总数。磁化强度矢量定义能够看出，,正比于样品体内自旋核数目，即密度。,对于其临床,MRI,来说就是质子密度。,1,、,静磁场,B,0,=0,时,原子核不受外界磁场影响，原子核热运动使原子磁矩杂乱无章，即,B,O,=0,M=0,2,、,静磁场,B,0,0,时,样品磁矩受到静磁场作用，将围绕着,B0,方向旋进，并有,2I+1,种取向。对于氢核来说，仅有两种取向，一个是顺磁方向，一个是逆磁方向，形成了两个对尖形式圆锥。如图,3-6,所表示。,各取向磁矩在圆锥面上呈均匀分布,。,在静磁场中氢原子核，两种取向磁矩含有不一样磁势能。顺磁方向磁性核含有能量要低一些，逆磁场磁性核能量要高一些。,增大静磁场强度,B,0,，高低能级上粒子数差异增大,。,第6页,第三节,磁共振,一、磁共振基本原理,共振是物质世界中普遍现象之一，但系统共振需要一定客观条件才能产生。如两个固有频率相同音叉，一个发生振动时，另一个也会随之发生振动。在外来磁场激励下，磁性原子核也可发生共振。,以氢原子核为例。在静磁场为,B,0,中氢原子核会有两种取向，一个是顺磁方向；一个是逆磁方向。二个取向能级差为,E,，外界电磁波能量恰好等于二者能级之差,E,，则低能级氢核就会吸收电磁波能量而跃迁至高能级状态（从顺次方向到逆磁方向），这就是核磁共振。即,处于静磁场中磁性核受电磁波作用而产生不一样能级之间共振跃迁现象。,磁共振产生条件：,1,、磁性原子核,2,、在静磁场中,3,、适当频率电磁波,且方向垂直于磁场方向。,设外界电磁波频率为v，不一样取向氢核能级差值为,E,，则有：,可见，外界电磁波频率,v,恰好等于氢核在静磁场中旋进频率,f,0,，,在磁共振中，施加电磁波又称为,射频电磁波,，简称,RF,波。磁共振发生时，现有低能级跃迁至高能级（,受激吸收,），也有高能级跃迁至低能级（,受激辐射,），统称为,受激跃迁。,发生几率是相同。,1,、在热平衡状态下，低能级氢原子核多于高能级原子核，,总吸收大于总辐射。,2,、在热平衡被打破状态下，因为存在热弛豫跃迁过程，,高能状态跃迁到低能状态概率更大,。,第7页,二、磁共振宏观表现,处于静磁场,B0,中样品，其磁化强度矢量,M,和静磁场矢量,B0,在同一方向上，而静磁场强度很大，样品磁化强度矢量又很小，它测量也就很困难。在射频电磁波作用下，样品发生磁共振吸收后，磁化强度矢量会偏离静磁场,B0,方向（,z,方向）。检验变得可能。,1,、,RF,波磁矢量,-,旋转磁场,假定,RF,波磁矢量,B,1,施加在,x,轴，其强度,B,1,改变规律为,B,1,=2B,1,COS,0,t,式中，,0,=,。,B,0,即,RF,波频率和磁性核旋进频率相同。由图,3-7,所表示，交变磁场,B,1,，,能够由两个半径,B,1,两个方向相反磁场所成。,2,、,RF,波对样品激励,RF=0,时,在静磁场中，处于热平衡状态样品，其磁化强度矢量,M,大小为,M,0,，方向与静磁场,B,0,相同，二者作用力矩为零。,RF0,时,射频电磁波磁矢量,B,1,与磁化强度,矢量,M,垂直，二者相互作用产生一力矩，,此力矩使,M,以角速度,1,=B,1,绕,B1,旋进，,结果,M,偏离了,B,0,方向。,M,又受到,B,0,作用，,以角速度,0,=B,0,绕,B,0,旋进，其运动如图,3-8,第8页,在,RF,作用下，样品产生了磁共振，其宏观表现为磁化强度矢量,M,偏离了静磁场,B,0,方向,角，该角大小取决于,RF,强度和作用时间。在临床磁共振成像中，使用两个基本脉冲是,90,0,RF,和,180,0,RF,，它作用过程如图,3-9.,三、稳态磁共振,样品发生磁共振时，样品磁化强度矢量,M,不但受到静磁场,B0,、射频,RF,磁场,B1,作用，还处于弛豫过程中，其运动规律可用布洛赫（,Bloch),方程描述。,在特定条件下（,1,2,T,1,T,2,1),磁化强度矢量,M,在静磁场,B,0,、射频电磁波,B,1,和弛豫作用下会到达平衡，即：,这时核磁共振被称为,稳态磁共振,第9页,第四节 弛豫过程,1,、,什么是弛豫,一个向原有平衡状态迟缓恢复过程就叫,弛豫,。如同一个被拉开弹簧在外力撤消后逐步恢复到原来平衡状态。更像是口香糖被拉开后自己慢慢收缩过程。弛豫分类：,纵向弛豫,是指纵向磁化,M,z,逐步恢复为,M,0,过程。,横向弛豫,是指横向磁化,M,xy,逐步衰减恢复为零过程。处于静磁场中样品会逐步被磁化，当到达热力学平衡状态时，静磁场作用使样品在静磁场方向形成一个稳定磁化强度,M,0,。此时，外加一个射频电磁脉冲后，被磁化样品和,RF,产生共振。造成,M,偏离,Z,轴方向，而处于激发状态。激发态样品又会迟缓恢复到原来平衡态。,2,、,弛豫规律,静磁场,B,0,中样品处于热平衡状态时，在旋转坐标系中，磁共振中弛豫就是磁化强度由非平衡状态转向平衡状态过程。试验证实，弛豫过程中磁化强度偏离平衡状态程度越大，则恢复速度就越快。在旋转坐标系中能够以下表示：,第10页,二、,弛豫机制,纵向弛豫和横向弛豫是两个完全独立过程，它产生机制是不一样。普通，同一组织,T1,远比,T2,长，也就是说横向磁化在,RF,停顿后很快完成弛豫而衰减为零，但纵向磁化恢复却需要较长时间才完成。,纵向弛豫,又称为自旋,-,晶格弛豫。一个宏观样品能够看作是由若干个小磁矩与它们依附晶格系统组成，小磁矩是寄生于晶格之中，所谓晶格普通是指自旋核以外部分。如右图所表示。一个宏观样品能够看作是由自旋系统和晶格系统组成，这,两个系统之间不停进行着相互作用和能量交换,。纵向弛豫时间,T,1,反应是组织纵向磁化恢复速度。,T,1,大小与氢核所处分子结构、环境温度、静磁场强度等原因相关。,普通液体,T,1,很短。布朗运动造成,固体,T,1,很长，可达几小时或几天。,脑组织弛豫时间如表,3-2.,横向弛豫,由称自旋,-,自旋弛豫，是自旋核之间相互作用产生。,T,2,反应是组织横向磁化衰减速度，,T,2,大小主要与氢核所处分子结构、静磁场均匀性相关，而与温度、粘度、静磁场强度关系不大,。约几十到几百毫秒。,对人体而言，游离水较多组织,T,2,较长，脂肪中等，脾、肝、肌肉、含水较少或纤维化显著肿瘤等组织,T,2,较短。,第11页,第五节 自由感应衰减信号,样品发生磁共振后就会出现横向磁化，且在,xy,平面旋进就会使放置在平面上接收线圈产生感应电压，这一感应电压就是磁共振（,MR,）信号。,MR,信号能够发生在核磁共振时共振吸收信号，也可在磁共振发生后自由旋进时信号。,MRI,所获取,MR,信号基本都是核磁共振发生后自由旋进时信号。,MR,信号分类：自由感应衰减信号（,FID),、自旋回波信号、反转恢复信号、梯度回波信号等。,自感应衰减信号,磁化强度矢量,M,在自由旋进情况下所产生,MR,信号，而自由旋进就是在无,RF,时磁化强度,M,在恒定静磁场,B,0,中旋进。,在静磁场是均匀情况下，,FID,信号衰减速度反应了样品自旋,-,自旋相互作用时间常数,T,2,（图,3-11a),，若磁场不均匀其自旋频率各有差异，时间常数,T,2,也会有差异,(,图,3-11b,）。,自感应衰减信号特点,：,1,、只有横向磁化才能产生,MR,信号,2,、,90,0,脉冲作用下，,FDI,信号初始幅度正比于质子密度。,3,、,T,2,时间较长组织,FDI,信号较高。反之则低。,4,、,T,1,时间较短组织,FDI,信号较高，反之则低。,5,、磁共振成像是多参数成像,第12页,第六节 化学位移和磁共振图谱,当我们分析样品磁共振图像信息时，除了要考虑质子密度、弛豫时间,T,1,、,T,2,及血流速度、粘度影响外，化学位移对图谱影响也是不可忽略。化学位移是磁共振波谱（,MRS,）主要研究对象。一、化学位移 在均匀静磁场中，处于不一样化学环境自旋核会受到不一样磁场,B,作用，因而会有不一样共振频率,v,，这种共振频率差异称为化学位移。即,v=v-v,s,其中，,v,s,是标准样品自旋核共振频率；,v,是测试样品自旋核共振频率。因为v与磁化强度,B,相关，设化学位移,=,（,v-v,s,）,/v,s,，普通很小，在,ppm,级。化学位移产生机制：核外电子对核屏蔽作用引发。电子云密度越大屏蔽效应就越大。,二、,MRS,分析,1,、,MRS,就是某种自旋核共振频率及其,MR,吸收信号强度改变曲线。其横坐标表示共振频率，纵坐标表示,MR,吸收强度。横坐标也可用化学位移来表示。如图,3-12,2,、,MRS,分析,利用,MRI,设备来取得人体组织内一些生化物质所产生,MR,信号频率和强度，用于分析这些生化物质含量及其所处化学环境，并深入推断人体组织代谢改变。,三、自由水 结合水及其,MRS,第13页,