核磁共振成像 医学物理本科版.

Presentation on theme: "核磁共振成像 医学物理本科版."— Presentation transcript:

1 核磁共振成像 医学物理本科版

2 (Nuclear) Magnetic Resonance Imaging
(核)磁共振成像 (Nuclear) Magnetic Resonance Imaging MRI（NMR CT） 核? 磁? 共振? 成像?

3 要点 MRI发展的背景、历史和现状 MRI的优点、作用 核磁共振的物理基础 MRI的成像原理 MRI的成像系统 MRI的成像技术

4 背景

5 The Shameful Wrong that must be righted
世界上第一张 MRI 图象

6 MRI 的组成

7 我国MRI的发展 1）安科公司； 2）威达-上海交大； 3）麦迪特？Siemens 4）东大阿尔派成像中心 5）北京万东 6）宁波鑫高益
7）廊坊新奥博为

8 MRI的优点 1) 无创伤, nonionizing,X-线波长1-0.1A , MRI, 1-100m 2) 无机械运动，任意截面成像；
2) 无机械运动，任意截面成像； 3) 多个参数成像T1,T2,密度，分子扩散...

9 多参数成像 T1 Contrast T2 Contrast Proton Density TE = 14 ms TE = 100 ms
TR = 400 ms T2 Contrast TE = 100 ms TR = 1500 ms Proton Density TE = 14 ms TR = 1500 ms

10 多截面成像 T1 Contrast TE = 14 ms TR = 400 ms T2 Contrast TE = 100 ms
Proton Density TE = 14 ms TR = 1500 ms

11 多截面成像

12 MRA核磁血管造影

13 fMRI功能成像

14 MR显微镜 体积分辨率需提高 ~109 倍 100mm 100mm

15 MRE磁共振弹性图

16 第一节、核磁共振的物理基础 质子（proton）+ 自旋（spin） 原子核 中子 自旋 核外电子 轨道运动 自旋

17 自旋具有运动形式和角动量的双重含义 角动量是度量自旋的重要物理量 带电离子的自旋产生磁矢矩 μ=γЈ

18 1.1 电子的自旋与磁矩 自旋产生自旋角动量，带电粒子的自旋产生自旋磁矢距 μ Ј μ=γЈ
1.1 电子的自旋与磁矩 自旋产生自旋角动量，带电粒子的自旋产生自旋磁矢距 μ Ј μ=γЈ 轨道运动产生轨道角动量，带电粒子的轨道运动产生轨道磁矢距 μ s μ=γs

19 1.1 电子的自旋与磁矩 电子总磁矩为轨道磁矩与自旋磁矩的合作用 电子总磁旋比为轨道磁旋比与自旋磁旋比的合作用

20 1.1 原子核的自旋与磁矩 电子的角动量 相对复杂 电子的磁矢距 轨道磁矩 μl=γlЈ 自旋磁矩 μs=γss γl γs 由电子特性确定
1.1 原子核的自旋与磁矩 电子的角动量 相对复杂 电子的磁矢距 轨道磁矩 μl=γlЈ 自旋磁矩 μs=γss γl γs 由电子特性确定 μl μs〉〉 μ 这里只研究μl μs合作用为0的核

21 1.1 原子核的自旋与磁矩 自旋产生自旋角动量，带电粒子的自旋产生自旋磁矢距 μ P μ=γP

22 1.1 原子核的自旋与磁矩 核的自旋角动量（spin angular momentum） 的量子力学概念 ：普朗克常数 ：自旋量子数

23 1.1 原子核的自旋与磁矩 为量子化取值，P即为量子化取值 为原子核固有特性，取值取决于构成原子核的中子数和质子数

24 1.1 原子核的自旋与磁矩 对原子核，我们有下面的讨论： 中子， 中性 N 原子核 质子， 带正电（荷） Z
1.1 原子核的自旋与磁矩 对原子核，我们有下面的讨论： 质子， 带正电（荷） Z 原子核 中子， 中性 N 核的自旋量子数取决于质子和中子数量，核的自旋形态也取决于此

25 1.1 原子核的自旋与磁矩 （1）偶偶核：Z 和 N 都是偶数，A为偶数，I=0
1.1 原子核的自旋与磁矩 （1）偶偶核：Z 和 N 都是偶数，A为偶数，I=0 （2）奇偶核：Z 和 N 中有且只有一个为偶数，A 为奇数I为半整数: n/2。 （3）奇奇核：Z 和N 都是非偶数， A为偶数， I为整数 n。

26 1.1 原子核的自旋与磁矩 有自旋 原子核 无自旋

27 1.1 原子核的自旋与磁矩 与 P 的关系：旋磁比 由实验测定，见下表

28 旋磁比（gyromagnetic-ratio ）
1.1 原子核的自旋与磁矩 旋磁比（gyromagnetic-ratio ） 同位素 自然丰度% 自旋量子数 旋磁比，108s-1T-1 1H 2H 13C 14N 19F 23Na 31P 1/2 2.6753 0.4107 0.6728 0.1934 2.5179 0.7081 1.0840 99.98 9.65×10-3 1.59×10-2 99.63 100 1 1/2 1/2 3/2

29 1.1 原子核的自旋与磁矩 由此可得，氢核的自然风度较高，具有自旋，产生磁矢距。
1.1 原子核的自旋与磁矩 由此可得，氢核的自然风度较高，具有自旋，产生磁矢距。 质子的自旋是产生MR现象的基础，具有氢等特定原子核的物质是产生MR的基本条件之一。

30 1.1 原子核的自旋与磁矩 H2O Magnetic Moment Hydrogen X 2 Oxygen X 1 Oxygen X 10

31 1.1 原子核的自旋与磁矩 核的磁矢距 自旋核产生磁矢距

32 1.1 原子核的自旋与磁矩 医学核磁共振成像主要利用人体中的氢核 质子密度像 NMR的研究范围则更广：自旋不为0 H He F Xe Na
1.1 原子核的自旋与磁矩 医学核磁共振成像主要利用人体中的氢核 质子密度像 NMR的研究范围则更广：自旋不为0 H He F Xe Na I=1/2的核无电四极距，易获得高分辨率NMR/MRI I〉1/2的核有电四极距，与电场梯度相互作用较大，NMR观察困难

33 1.2 静磁场中的自旋核 将磁性核置于外磁场中B0 磁性核受到 力 能量 E =  B0

34 1.2 静磁场中的自旋核 物质在外磁场作用下，在磁场方向上产生磁性的过程称为磁化，其大小称为磁化强度。物质在磁场中被磁化产生磁性的能力称为磁化率，也称为磁敏感性（susceptivility）。 抗磁性 顺磁性 反铁磁性 亚铁磁性 铁磁性

35 磁矩 E = Emin =   B， 此时 = 0，与B同向， 即平行； E = Emax =  B，
即反平行； 平行 反平行

36 1.2 静磁场中的自旋核 E =   B， 是具有量子取向的。因此 角也具有不同取值，对于氢核，具有两种趋向。

37 1.2 静磁场中的自旋核 E=-μB=-hγB0/2π
1.2 静磁场中的自旋核 E=-μB=-hγB0/2π 在外磁场的作用下使原来简并的能级分裂成2I+1个能级，这称为塞曼分裂，这些能级称为塞曼能级。

38 1.2 静磁场中的自旋核 塞曼（zeeman）能级是等间距的，相邻两个能级之能量差为： ΔE=hγB/2π ΔE

39 氢质子 自旋量子数I=1/2 IZ =1/2 在外磁场中氢质子分裂为两个能级 高能量(高能级的质子沿与外磁场反平行方向排列，其位能为E=hγB0/4π) 低能量(低能级的质子沿与外磁场平行方向排列，E=-hγB0/4π) 能级质子数目 低能级>高能级(常温下多10-6)

40 处于外磁场中的质子，其磁矩并不是完全按外磁场的方向排列，其自旋轴与外磁场轴有一个小的夹角。同时每个质子不停地改变其磁化方向，即除了质子本身的自旋外，其自旋轴以一定夹角绕外加静磁场方向，即磁力线方向旋进，类似一种陀螺样旋转运动，其运动轨迹沿旋转轴的顶点呈一圆锥形，质子的这种运动方式称为“进动”（precession）或称“旋进”。

41 “进动频率”（precession frequency） 进动频率与外磁场 的场强相关 拉莫（Larmor）方程 ω0=γB0
质子进动的频率 “进动频率”（precession frequency） 进动频率与外磁场 的场强相关 拉莫（Larmor）方程 ω0=γB0 Joseph Larmor ( )

42 进动 L rc mg .

43 Larmor方程得出，质子的进动频率与外磁场的场强成正比，还与原子核的种类有关，在1.0Tesla场强中，氢质子的进动频率为42.5MHz。

44 外磁场中的原子核 ——量子力学观点 自旋量子数 I 磁量子数 m＝ m只能取2I＋1个值：I，I－1，……， －(I－1)，－I
外磁场中的原子核 ——量子力学观点 自旋量子数 I 磁量子数 m＝ m只能取2I＋1个值：I，I－1，……， －(I－1)，－I 原子能态(能级) E=

45 外磁场中的原子核 ——量子力学观点 由于磁量子数按自然数增减，所以原子核能级跃迁只能在相邻能级之间进行。
外磁场中的原子核 ——量子力学观点 由于磁量子数按自然数增减，所以原子核能级跃迁只能在相邻能级之间进行。 将电磁波施于原子核系统，在满足光子能量 的时候，可以发生原子核能态的跃迁，此种现象称作核磁共振现象

46 外磁场中的原子核 ——量子力学观点 从核磁矩角度考虑，原子核吸收光子能量，核磁矩和外磁场夹角偏向高势能方向，其中夹角由以下公式求出

47 外磁场中的原子核 ——经典力学观点 P —动量矩 T —力矩 μ—磁距

48 外磁场中的原子核 ——经典力学观点 带正电荷的、且具有自旋量子数的核会产生磁场，该自旋磁场与外加磁场相互作用，将会产生回旋，称为进动。进动频率与自旋核角速度及外加磁场的关系可用Larmor方程表示： 在磁场中的进动核有两个相反方向的取向，可通过吸收或发射能量而发生翻转。

49 核磁共振 为使核磁矩在磁场中的势能发生变化（即使μ与B夹角θ变化），必须外施能量或吸收能量。这可借与静磁场B的方向相垂直的平面（x-y平面）内加上一个在时间上交变的磁场 ωt B1 =2B1 ~ B1+ =B1eiωt B1_ =B1e-iωt y x x y z B0 ~ B1

50 核磁共振 θ增加，势能增加，能量增量由外加交变磁场提供； θ减小，势能减小，能量交给外加交变磁场。
仅当交变磁场角频率满足 ω=γB=ω0 时才发生此种能量交换。 此时μ与B1_ 绕z轴同步旋转 —〉核磁共振现象 B0 μ y’ x’ B1_ z’ θ