第五章核磁共振成像（一）

第五章核磁共振成像（一）

目录 • 第一节绪论 • 第二节核磁共振的基本概念 • 第三节微观核磁共振 • 第四节宏观核磁共振 • 第五节磁共振信号与加权图像 • 第六节磁共振图像重建 • 第七节磁共振成像法简述

第一节绪论

一、磁共振成像发展史： • 1946年美国哈佛大学的 E.Purcell 及斯坦福大学的 F.Bloch 领导的两个研究小组各自独立地发现了磁共振现象。Purcell 和 Bloch 共同获得1952年诺贝尔物理学奖；第一节绪论

一、磁共振成像发展史： • 1968年Jockson 试制全身磁共振； • 1971年美国纽约州立大学的 R.Damadian 利用磁共振波谱仪对小鼠研究发现，癌变组织的T1，T2弛豫时间比正常组织长；第一节绪论

一、磁共振成像发展史： • 1973年美国纽约州立大学的 Lauterbur 利用梯度磁场进行空间定位，获得两个充水试管的第一幅磁共振图像； • 1978年英国取得了第一幅人体头部的磁共振图像； • 1980年第一副人体胸腹部MR图像产生，磁共振设备商品化。第一节绪论

一、磁共振成像发展史： • 1982年底全世界有2000名病例接受MRI检查； • 1984年美国FDA批准核磁共振使用于临床； • 1986年中国成立安科公司； • 1998年世界磁共振成像年； • …… 第一节绪论

与该领域相关诺贝尔奖学金获得者 Lauterbur和Mansfield因发明MRI方法获得2003年诺贝尔医学和生理学奖发明MRI中Fourier重建方法的Ernst获得1991年诺贝尔化学奖 Bloch和Purcell因发现NMR现象获得1952年诺贝尔物理学奖 Paul C. Lauterbur Peter Mansfield 第一节绪论

二、磁共振成像 核磁共振成像：缩写： NMRI 全名： Nuclear Magnetic Resonance Imaging 为了和原子核及射线的放射性危害区分开来，临床医生建议去掉N，简称为磁共振成像（MRI）第一节绪论

二、磁共振成像 1、成像条件：有信号、获取信号、处理信号及图像重建。 2、MRI的特点与意义 • 高、尖、新：高科技、边缘科学、发展迅速、产生了14位诺贝尔奖金获得者。 • 综合性：数学、核物理、电磁学、电子学、计算机、生理解剖学、超导技术、材料科学、医学诊断等等从宏观到微观的各个领域； • 生命意义：科技的双刃剑作用；第一节绪论

二、磁共振成像 3、MRI应用于医学的优势 • 利用人体氢质子的MR信号成像，从分子水平提供诊断信息； • 任意截面成像； • 软组织图象更出色； • 不受骨伪影的影响； • 无电离辐射,一定条件下可进行介入MRI治疗第一节绪论

二、磁共振成像 4、MRI的局限性 • 成像速度慢（相对于X-CT而言） • 对钙化灶和骨皮质灶不敏感 • 图像易受多种伪影影响 • 禁忌症：心脏起搏器及铁磁性植入者等 • 定量诊断困难第一节绪论

二、磁共振成像 5、MRI、X-CT、ECT、US对比第一节绪论

二、磁共振成像 6、MRI的发展目的、方向及热点 • 发展目的：缩短成像时间提高图像质量降低成像费用更舒适、人性化的受检环境第一节绪论

二、磁共振成像 • 发展方向： • 原理方面：开发研究新的成像参数，温度、压强、 • 导电率、粘滞度、弹性等 • 软件方面：开发新的脉冲序列 • 硬件方面：高温超导材料研究、4K技术、高灵敏 • 线圈研发等 • 应用技术方面：血管造影技术、心脏电影、介入 • MRI治疗、增强剂技术等第一节绪论

二、磁共振成像 • 发展热点： fMRI:功能磁共振成像，主要指脑功能磁共振成像 • MRS:磁共振波谱分析，化学位移、核磁矩、元素 • 确定、体内化学成分分析。 • 新的成像核素的开发：如31P专用小型磁共振的开 • 发，如关节磁共振、站立式磁共振。第一节绪论

国际: PHILIPS G.E SIEMENS HITACHI MARCONI ( 原PICHER) TOSHIBA 国内: 东大阿尔派(沈阳) 安科(深圳) 麦迪特(深圳) 鑫高益(宁波) 万东(北京) 威达（广东） 7、主要MRI厂家二、磁共振成像第一节绪论

百闻不如一见 One picture is worth more than ten thousand words. Anonymous 第一节绪论

第一台MRI装置 (1977) 第一节绪论

MRI: Magnetic Resonance Imaging MRI 第一节绪论

Success belongs to the persevering. 成功属于那些锲而不舍的人。

第二节核磁共振的基本概念

1. 磁场强度 • 直线电流产生的磁场，其方向用右手螺旋法则确定。 • 单位为高斯（Gauss, 简称G）和特斯拉（Tesla，简称T），1G=10-4T。 • 物质的磁性是由分子电流引起的。是一种特殊的物质形式。磁场不仅可由电流激发，也可通过变化着的电场激发。 • 磁场强度B是用来度量磁场中某点磁场大小和方向的物理量。 • 在磁体内部，磁场方向由S极指向N极；在磁体外部，磁场方向由N极指向S极。

2. 磁矩 将磁极强度为m，长度为l的条形，磁铁放入场强为B0的匀强磁场中，磁铁就会受到一种力偶矩（M）的作用。 M=mlB0 M与l反映磁铁的固有性质，与外磁场无关。乘积ml叫条形磁铁的磁矩。第二节核磁共振的基本概念

物体运动时，如果其上各点都绕同一直线作圆周运动，该运动就称为转动(rotation)，此直线就是转轴。物体运动时，如果其上各点都绕同一直线作圆周运动，该运动就称为转动(rotation)，此直线就是转轴。 3.转动和角频率（角速度）如圆盘匀速转动，则角速度为常数，单位是。第二节核磁共振的基本概念

4. 角动量 角动量(angular momentum)或动量矩(moment of momentum) P J为转动惯量(rotational inertia),其大小由物体的质量、质量分布以及转轴的位置三者决定。 J和相当于运动物体的动量(momentum) 中的m和v。第二节核磁共振的基本概念

5. 进动 以陀螺的转动为例，当其转动轴线与重力方向出现倾角时，陀螺在绕自身轴线转动的同时，其转轴还绕重力方向回转。物理学上把这种回转现象称为进动(precession) 第二节核磁共振的基本概念

6. 原子核的自旋 原子由原子核和绕核运动的电子所组成。自旋（spin）是指微观粒子像地球自转轴旋转那样高速旋转。这种旋转又与圆线圈中的电流（圆电流）类似，因而会产生磁场。自旋是粒子或原子核具有磁矩的原因。核外电子有单电子的轨道运动和电子的自旋两种运动方式。大多数原子核也具有自旋的特性。第二节核磁共振的基本概念

7. 原子核的磁矩 原子核是带正电的粒子,其电荷均匀地分布在它的表面上。核的自旋运动使得核的周围出现磁场。原子核的磁矩为方向垂直于环形电流的方向。为核的磁旋比。（核的特征常数）第二节核磁共振的基本概念

原子核的自旋情况由核的自旋量子数I来表征。不同的核具有不同的I值。I只能取整数或半整数，即它只能取0，1/2，1，3/2，…等。原子核的自旋情况由核的自旋量子数I来表征。不同的核具有不同的I值。I只能取整数或半整数，即它只能取0，1/2，1，3/2，…等。 8. 自旋的空间量子化原子核的自旋角动量P在z轴上的投影Pz只能取一些不连续的数值，共有（2I+1）个可能取值，对应于核自旋在空间的（2I+1）个可能取向。定向重排P的量子化第二节核磁共振的基本概念

氢核（ ）是医用磁共振成像中使用的核种，它是I=1/2的自旋核，有m=1/2和m=-1/2两种空间取向。第二节核磁共振的基本概念

核磁矩在z轴上的投影为 9. 核磁矩的空间量子化 m有（2I+1）个取值。第二节核磁共振的基本概念

10. 核磁矩在磁场中的能量 具有自旋磁矩的原子核置于静磁场B0中，核磁矩的能量E B0与核磁矩之间的夹角为。是量子化的，核磁矩在静磁场中的能量也是量子化的。第二节核磁共振的基本概念

这些不连续的能量值称为原子核的能级。 • m<0: Em为正值，低态能； m>0: 高态能。第二节核磁共振的基本概念

Creep before you walk. 循序渐进

第三节微观核磁共振

一、能级劈裂 1. 塞曼效应无外磁场时的一个能级（一种角动量对应一个能级），在外场作用下因产生了（）个附加能量而分裂为（）层能级。物理学上把这种基态能级在外场中发生分裂的现象称为塞曼效应（Zeeman effect）。经塞曼分裂而形成的能级就是塞曼能级或叫做磁能级。第三节微观核磁共振

2. 自旋核在静磁场中的进动 进动轨道自旋核有一定的自旋角动量和核磁矩。在静磁场作用下，核磁矩将如旋转陀螺在地球引力场中进动一样运动，称为自旋核的进动。自旋第三节微观核磁共振

3. 拉莫尔频率 拉莫尔频率：是核磁矩在静磁场中绕进动时的频率。将核磁矩的上述进动称做拉莫尔进动（Larmor precession）表示磁旋比。第三节微观核磁共振

二、磁共振现象 自然界中共振现象是普遍存在的。共振又是有条件的，如频率条件和相位条件。原子核的共振频率是由原子核的特性和磁场强度共同决定的。只有自旋核才能发生核磁共振。核磁矩在外磁场作用下将产生能级分裂，形成塞曼能级，核磁共振实际上就是指一定条件下在塞曼能级之间进行的共振吸收跃迁现象。第三节微观核磁共振

三、NMR的经典力学原理 • 在静磁场的垂直平面内施加一个以角速度旋转的磁场，就可使所具有的能量发生变化。也就是说，要破坏其平衡，必须从外界向进动的核系统提供能量。 • 为获得角速度为的磁场，可在轴方向加一个线偏振（极化）的交变磁场：第三节微观核磁共振

1.旋转坐标系 x’y’z’ 轴与固定坐标系的轴以及相重合，其，轴围绕轴旋转，并取旋转角速度为。旋转磁场与轴相重合，有着相同的角频率。在系中就可认为是静止的。第三节微观核磁共振

2.章动 进动是指固定坐标系中绕轴的转动。章动是指核磁矩在射频场作用下进行的缓慢进动。特指满足共振条件时绕轴的转动。在坐标系中观察到两种运动的合成。第三节微观核磁共振

不稳定状态： 如果旋转磁场的旋转频率正好等于核磁矩的进动频率，那么在系中观察，也将是静止的。场一旦加入，立刻受到一个相当于静磁场的作用。稳定状态：核磁矩具有一定的能量。在静磁场中，它以定角作拉莫尔进动，其能量并没有发生变化。又将围绕进动，其进动角频率为第三节微观核磁共振

3.核磁共振条件 核磁共振的条件：的旋转频率核磁矩的进动频率第三节微观核磁共振

四、NMR的量子力学描述 1. 当原子核处于外磁场中时，它的能级将产生塞曼分裂。 2.核磁矩在静磁场中的能量 3.根据量子力学的选择定则，只有磁量子数之差（）为时，相邻两能级间的跃迁才是允许的。 4.两相邻能级的能量差为 5.在磁场中一个核要从低能态向高能态跃迁，就必须吸收的能量。第三节微观核磁共振

1.核磁共振现象 在外磁场的垂直方向设置射频线圈。当激励电磁波的电磁辐射的能量与两相邻能级之间的能量差相等时：原子核两个能级之间的跃迁就会发生。式中的和分别为普朗克常数和约化的普朗克常数，二者的关系为。 2.共振条件即拉莫尔方程第三节微观核磁共振

五、NMR的经典力学与量子力学的综合描述 自旋核的磁矩在外磁场中以的角频率围绕进动。稳定条件下，即没有交变磁场时，与的夹角保持不变。核磁矩在磁场中只能取某些固定的方向。第三节微观核磁共振

第五章 核磁共振成像（一）