生物医学工程专业医学成像5-(1).ppt

磁共振成像系统磁共振成像系统生物医学工程生物医学工程2009年年5月月教学要点：教学要点：磁共振成像的物理基础，磁共振的可测磁共振成像的物理基础，磁共振的可测参数，磁共振成像的基本原理参数，磁共振成像的基本原理一、一、NMRI概述概述（一）（一）NMRIMRI 磁共振成像是利用原子核在磁场内共磁共振成像是利用原子核在磁场内共振所产生信号经重建成像的一种成像技术。振所产生信号经重建成像的一种成像技术。核磁共振（核磁共振（nuclearmagneticresonance，NMR）是一种核物理现象。）是一种核物理现象。早在早在1946年年Block与与Purcell就报道了这种现就报道了这种现象并应用于波谱学。象并应用于波谱学。Lauterbur1973年发表了年发表了MR成象技术，使成象技术，使核磁共振不仅用于物理学和化学，也应用于核磁共振不仅用于物理学和化学，也应用于临床医学领域。临床医学领域。近年来，核磁共振成像技术发展十分迅近年来，核磁共振成像技术发展十分迅速，已日臻成熟完善。检查范围基本上覆速，已日臻成熟完善。检查范围基本上覆盖了全身各系统，并在世界范围内推广应盖了全身各系统，并在世界范围内推广应用。用。为了准确反映其成像基础，避免与核为了准确反映其成像基础，避免与核素成像混淆，现改称为磁共振成象。素成像混淆，现改称为磁共振成象。参与参与MRI成像的因素较多，信息量大而且不同成像的因素较多，信息量大而且不同于现有各种影像学成像，在诊断疾病中有于现有各种影像学成像，在诊断疾病中有很大优越性和应用潜力。很大优越性和应用潜力。（二）将某些物质放入磁场中时，这些物质（二）将某些物质放入磁场中时，这些物质就具备了共振的特性，即这些物质可以吸就具备了共振的特性，即这些物质可以吸收，然后再发射具有一个特定频率的电磁收，然后再发射具有一个特定频率的电磁辐射，并以射频（辐射，并以射频（RF）信号进行，所发射）信号进行，所发射RF的特性决定于它的某些物理和化学特性。的特性决定于它的某些物理和化学特性。在在MRI过程中，这种过程中，这种RF信号也携带着信号也携带着人体内组织空间定位的信息，人体内组织空间定位的信息，MR图像就是图像就是显示来自人体层面内每个组织体素的显示来自人体层面内每个组织体素的RF信信号强度大小的像素阵列。号强度大小的像素阵列。图像中每个像素的亮度取决于相应组图像中每个像素的亮度取决于相应组织体素所发射的织体素所发射的RF信号的强度，信号的强度，RF信号的信号的强度又决定于组织的性质，其中任何一个强度又决定于组织的性质，其中任何一个性质对亮度对比度所起的作用范围都决定性质对亮度对比度所起的作用范围都决定于操作者所选择某些成像因素，例如，可于操作者所选择某些成像因素，例如，可对一图像加权，因此首先要依靠核密度或对一图像加权，因此首先要依靠核密度或T1，T2的大小来决定的大小来决定RF信号。信号。二、基础知识回顾二、基础知识回顾（一）原子核的基本性质（一）原子核的基本性质 指原子核作为一个整体所具有的静态指原子核作为一个整体所具有的静态性质，包括原子核的电荷、半径、自旋、性质，包括原子核的电荷、半径、自旋、磁矩等，这些性质与原子核的结构及其变磁矩等，这些性质与原子核的结构及其变化密切相关。化密切相关。1、原子核的组成、原子核的组成 质子质子p和中子和中子n组成，二者统称核子。组成，二者统称核子。2、原子核的电荷、原子核的电荷 原子核带正电，电荷量是原子核带正电，电荷量是e的整倍数，的整倍数，倍数等于质子数，与对应的原子序数倍数等于质子数，与对应的原子序数Z相同。相同。3、原子核的质量、原子核的质量 中性原子的质量中性原子的质量=原子核的质量原子核的质量+全部全部核外电子的质量核外电子的质量-核外电子全部结合能所折核外电子全部结合能所折合的质量合的质量4 4、原子核的半径、原子核的半径、原子核的半径、原子核的半径 半径半径半径半径R R与质量数与质量数与质量数与质量数A A关系关系关系关系 因原子质量几乎全部集中于原子核的绩效范围因原子质量几乎全部集中于原子核的绩效范围因原子质量几乎全部集中于原子核的绩效范围因原子质量几乎全部集中于原子核的绩效范围内，可见原子核有极大密度，其值为内，可见原子核有极大密度，其值为内，可见原子核有极大密度，其值为内，可见原子核有极大密度，其值为5、核力、核力库仑排斥力库仑排斥力万有引力万有引力核力核力核力的性质：核力的性质：（1）短程力）短程力（2）强相互作用）强相互作用（3）与电荷无关）与电荷无关（4）在极短程内存在斥力）在极短程内存在斥力 核子不能无限靠近，核子间除引力外，核子不能无限靠近，核子间除引力外，还存在斥力。还存在斥力。实验证明：实验证明：核子间距离核子间距离0.82fm，核力表现为引力，核力表现为引力 10fm，核力完全消失，核力完全消失 磁共振在本质上同光的吸收、发射是磁共振在本质上同光的吸收、发射是同一种现象，因而可用量子力学来分析，同一种现象，因而可用量子力学来分析，但由于相关频率与光相比非常低，故近似但由于相关频率与光相比非常低，故近似经典理论是可以成立。经典理论是可以成立。（二）原子核的角动量和磁矩（二）原子核的角动量和磁矩1、角动量与进动磁矩、角动量与进动磁矩（1）角动量与力矩）角动量与力矩 综上所述，因综上所述，因与同向，如与同向，如 ，这时，这时将在将在作用下，只作用下，只变方向，不变大小。变方向，不变大小。（2）进动）进动 如图示，高速如图示，高速自转陀螺，其顶点着自转陀螺，其顶点着地于地于O点，它在绕自点，它在绕自转轴转轴OZ高速转动的高速转动的同时，其自转轴同时，其自转轴OZ还绕铅直方向还绕铅直方向OZ轴轴旋转，前者叫自转，旋转，前者叫自转，后者叫进动。后者叫进动。陀螺为什么会产生进动现象？陀螺为什么会产生进动现象？综上所述综上所述：只要角动量受到一个：只要角动量受到一个与之垂直的力矩作用，则角动量就要与之垂直的力矩作用，则角动量就要产生进动，表现为角动量矢端沿一圆产生进动，表现为角动量矢端沿一圆角运动，角运动，NMR要用到这一结论。要用到这一结论。（3）磁势能）磁势能由推导电流磁势能到任意磁矩的磁势能由推导电流磁势能到任意磁矩的磁势能2、原子核的角动量和磁矩、原子核的角动量和磁矩（1）历史）历史 1924年，泡利为解释原子光谱超精细结年，泡利为解释原子光谱超精细结构，提出原子光谱作为一个整体，必须假构，提出原子光谱作为一个整体，必须假定它具有自旋。定它具有自旋。1932年，发现中子后，人们理解到自旋年，发现中子后，人们理解到自旋存在的起源是核内的核子都具有固定的角存在的起源是核内的核子都具有固定的角动量和轨道角动量，其矢量就是核的自旋动量和轨道角动量，其矢量就是核的自旋角动量。角动量。（2）原子核的角动量和磁矩）原子核的角动量和磁矩（3）实验发现）实验发现 所有偶偶核（中子、质子均为偶数），所有偶偶核（中子、质子均为偶数），其自旋都是其自旋都是0，I=0 所有奇偶核自旋都是半整数，即所有奇偶核自旋都是半整数，即I=1/2，3/2 所有奇奇核自旋都是整数，即所有奇奇核自旋都是整数，即I=1，2，实验证明：实验证明：自旋量子数为自旋量子数为0的原子核无自旋现象，的原子核无自旋现象，没有磁矩，不产生共振现象没有磁矩，不产生共振现象 自旋量子数自旋量子数I1的原子核，他们的电荷的原子核，他们的电荷分布不均匀，共振吸收常会导致复杂的情分布不均匀，共振吸收常会导致复杂的情况况 很少用作很少用作NMR实验实验 自旋量子数自旋量子数I=1/2的原子核的原子核,其电荷可以其电荷可以看做是分布均匀的球体，它们像陀螺一样看做是分布均匀的球体，它们像陀螺一样自旋，有磁矩自旋，有磁矩 适用于适用于NMR（4）医学应用）医学应用3、外磁场对原子的作用、外磁场对原子的作用塞曼效应塞曼效应（1）原子角动量的进动）原子角动量的进动（2）磁矩在磁场中附加的能量与原子能级的）磁矩在磁场中附加的能量与原子能级的塞曼分裂塞曼分裂三、核磁共振三、核磁共振 每个自旋不为每个自旋不为0的原子核都有一个相应的原子核都有一个相应的磁矩。如果能级分裂是核自旋磁矩受外的磁矩。如果能级分裂是核自旋磁矩受外磁场作用而产生的，则分裂的塞曼能级之磁场作用而产生的，则分裂的塞曼能级之间的共振吸收跃迁称为核磁共振（间的共振吸收跃迁称为核磁共振（NMR），这种能级跃迁仅发生在核自旋基态能级，这种能级跃迁仅发生在核自旋基态能级分裂成的相邻子能级之间。分裂成的相邻子能级之间。核磁共振的实质：在外加磁场作用下，核磁共振的实质：在外加磁场作用下，某些具有磁矩的原子核的能量可以分为两某些具有磁矩的原子核的能量可以分为两个或多个量化能级。此时，如有一外加能个或多个量化能级。此时，如有一外加能量，它正好等于分裂后相邻两能级之差，量，它正好等于分裂后相邻两能级之差，则该原子核就可能吸收此能量从低能级跃则该原子核就可能吸收此能量从低能级跃迁到高能级，该现象称为共振吸收。迁到高能级，该现象称为共振吸收。（一）磁场中原子核行为的经典图像（一）磁场中原子核行为的经典图像1、磁场、磁场B中的进动中的进动 原子核处于磁场原子核处于磁场B之中，因为磁矩受到之中，因为磁矩受到磁力矩作用磁力矩作用（经典理论）核自旋角动（经典理论）核自旋角动量要产生绕量要产生绕B B方向的进动，核自旋磁矩也以方向的进动，核自旋磁矩也以同样进动角频率绕同样进动角频率绕B B进动。进动。2、磁场、磁场B1中的进动中的进动 在与在与B垂直的方向再加一个旋转磁场垂直的方向再加一个旋转磁场B1，使，使B1在垂直于在垂直于B的平面上绕的平面上绕B轴旋转，且轴旋转，且使其角速度与使其角速度与 的进动角频率的进动角频率 相同。如相同。如图图2。可见，可见，3、实验、实验（二）核磁共振的量子力学描述（二）核磁共振的量子力学描述（三）核磁共振的宏观（三）核磁共振的宏观（四）产生核磁共振的原理（四）产生核磁共振的原理四、四、NMR的重要参数的重要参数（一）弛豫时间常数（一）弛豫时间常数（二）自由感应衰减信号（二）自由感应衰减信号（三）化学位移（三）化学位移