磁共振成像
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• 在核磁共振中，被磁化是一种平衡态。T1不仅表示从激发态回到 平衡态需要多少时间，也表示进行磁化所需要的时间。
2019/5/24
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M M 0[1 exp( t / T1)]
2019/5/24
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外加静磁场中的能级分裂
• 在外磁场的作用下使自旋核的能级发生分裂，分裂成 2I＋1个能级，称为塞曼分裂，这些能级称为塞曼能级。 塞曼能级是等间距的，相邻两个能级的能量差为：
为常见。 1H的I值等于1/2。
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10
核在外加磁场中的磁化
• 在自然状态下，质子的磁矩取向是随机的，对外表现的宏观磁矩 为零。
• 当质子处于磁场中，其磁矩将按磁场取向，并存在两个可能取向， 即与外磁场方向相同或相反。
• 当质子磁矩方向与外磁场相同时，其能量相对较低，比较稳定。 反之，质子则处于高能级。
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射频脉冲作用下产生横向磁化矢量最大化的过程
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驰豫
• 射频磁场对自旋系统的作用称为激发或激励 （irradiate）。
• 自旋系统进入磁场后，形成并保持稳定的纵向磁 化矢量MZ的状态称为平衡态。而系统吸收射频能 量后的不稳定状态，称为激发态。
在主磁场的作用下，进行“自由旋转”，由于粒子之间的能量交 换，所有磁矩将从不平衡态逐渐过渡到平衡态，这一过程称为弛 豫过程。
• 相位：平面内旋转的矢量与某一参照轴的夹角称为相 位。多个矢量在空间的方向一致时称为同相位（inphase）。相位不一致时称离相位（out of phase）。
• 磁场中自旋之间的相位：磁场中自由进动的质子群， 其相位是随机的，因此合成磁矩M0在X-Y平面内的投 影互相抵消，在宏观上不表现磁矩。当外加能量如射 频介入时，使各个MXY分量趋于相位一致，而叠加形 成宏观磁化矢量，使M0偏离平衡位置。
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核的进动 ——NMR的经典力学理论
• 以牛顿力学为基础 • 将质子在磁场中的行为比喻为一个旋转的陀螺 • 质子在自旋运动的基础上，受到外磁场与自身磁矩之间的
作用力，绕外磁场轴进动 • 进动频率又称为拉默频率，其大小远远低于自旋频率
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• ΔE = hγB0 • h为Plank常数。
h=6.62606896×10-34 J·s
• γ为磁旋比。对于1H，I=1/2。B0静磁场强度。 • 静磁场强度一般只有0.1~2T，所以ΔE只相当于几十个
MHz的射频能量。
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• 自旋核的能级分裂与跃迁
2019/5/24
• 可对任意方位层面成像 包括横断面、冠状面、矢状面、任意斜 面的直接采集成象，可立体地观察病变，这是其他所有成像方法 所不及的。
• 多参数、多序列成像 可获得不同程度的T1、T2、 质子密度加 权图像及流体成像，加上很多的特殊辅助技术，可以在很大程度 上改善指定结构的显示，提供多层次诊断信息。
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• 一个短的无线电波或射频能量被称为“射频脉冲”。 • 把一个共振频率的射频脉冲加到样品上，质子开始同相
进动。同相进动被称为相干。
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射频脉冲效应
• 向处于外磁场中的质子施加具有拉默频率的RF脉冲发生 磁共振后，产生两个同时发生的作用。
• 一是低能级的质子吸收能量跃迁，纵向磁化矢量MZ变 小。
• 多种伪影因素 导致磁共振图像产生伪影的因素较其他成像装置 多。
• 价格相对昂贵。
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磁共振成像的物理基础Fra bibliotek• 量子力学理论 • 原子核的自旋和磁矩 • 原子核不停地绕其自身轴旋转，称为自旋。质子带正电荷，其旋转形成环形电流，
并在周围空间产生磁场，具有磁矩。 • 磁矩具有方向和大小，是矢量。以μ表示。
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质子的共振
• 把质子从低能级推向高能级需要提供一个能量，这个能量可以由热相 互作用或射频能量（无线电波）来提供。
• 当射频源能量精确地匹配于向北和向南的质子间的能级差时，就会引 起质子在两个能级间更快地上下转移，这时就可称为质子共振。
• 共振就是以离散的或“量子”的方式由射频天线向质子转移能量。
• 当在X-Y平面上放置一个接收线圈，由于MXY的进动，相当 于线圈内磁场的大小和方向发生变化，依据法拉第电磁感应 原理，即通过闭合回路的磁通量发生变化时，闭合回路产生 感应电动势，其大小与磁通量变化率成正比。
• 其输出信号称为自由感应衰减（FID）
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90°作用后磁化矢量的变化 射频能量使体系的M0旋转90°
• 一个向北的质子吸收射频（RF）能量，升到更高的向南的能级。而一 个向南的质子跃到向北的低能级，可发射多余能量的射频电磁波，频 率等于原激发用的射频的频率 。
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自旋——自旋驰豫
• 在RF信号发射停止以后，一个短时间内质子连续辐射 可检测到的RF能量，其频率等于原输入进系统的无线 电波的频率。这个短的时间周期用另一个指数常数T2 来表征，它被称为自旋－自旋弛豫时间。
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核的进动
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经典力学理论计算
• 按照经典力学理论，自旋的原子核在磁场中开始绕垂直轴进动。进动 频率ω（弧度/ 秒）比自旋角频率Ω要慢，ω可由下式给出，被称为拉 默方程
B
B为外磁场强度，γ为磁旋比。 进动角频率ω 与共振频率ν 关系为 γ的定义是磁矩μ与角动量之比
• 二是受射频脉冲磁场的磁化作用，进动的质子趋向于射 频磁场方向而变为同步、同速运动，即处于“同相”状 态。从而形成一个新的宏观磁化矢量，即横向磁化矢量 MXY。
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横向磁化矢量的物理意义
• 质子吸收拉默频率的RF脉冲后，形成新的磁化矢量MXY，而 MXY不再与主磁场叠加在一起，通过测定MXY可获得生物组 织的磁共振信号。
MR影像上呈低或无信号，不利于这些结构与相应病变的显示。
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8
磁共振成像的局限性
• 血管的显示限度 MR血管成像对小血管的显示有一定的限度。 此外，血管的显示也受血管的走行、血流速度、血流方向及血流 状态（如层流、涡流、湍流等）的干扰，可以产生伪影，造成假 阳性、假阴性结果。
7
磁共振成像的局限性
• 空间分辨力较低 尤其是与CT等成像手段相比。 • 成像速度较慢 不利于危重病人及不合作病人的检查。但是随着
MR新技术的发展，磁共振的成像速度越来越快。 • 具有较严格的禁忌证 如装有心脏起搏器、动脉瘤夹、金属假肢
等病人不宜进行MRI检查。 • 对于不含或少含氢质子的组织结构显示不佳如骨骼、钙化灶在
称为90°脉冲
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90°作用后磁化矢量的变化
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总结
• 处于外加磁场中的质子吸收射频能量，产生磁共振。 • 其中低能级的质子吸收射频能量后跃迁到高能级，使之在外
磁场中的排列方向逆转，抵消了相同数量的低能级质子的磁
矩，使纵向磁化矢量MZ 变小。
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纵向驰豫
• 又称为自旋－晶格驰豫，或T1驰豫 • 纵向驰豫机制：纵向驰豫过程中，吸收射频脉冲能量跃迁到高能
第8章 磁共振成像
NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE IMAGING；MRI
磁共振成像的临床应用
• 通过各种参数的MR图像，显示人体不同部位的解剖结构，用于 各种疾病的检查，包括中枢神经系统疾病、颅颈移行区病变、颈 部病变、胸部病变、心脏大血管病变、肝、肾、输尿管、胰腺、 盆腔、四肢和关节病变。
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磁共振成像的基本思路
• 在人体组织的空间不同点上施加不同强度的梯度磁场， 对人体组织实现空间定位。因此不同的组织所在点所 需的核磁共振频率也就不同。某个频率的射频信号对 应于某一对应空间位置，在某个频率上射频信号强度 反应在对应位置空间体积元内氢原子的个数，把空间 各个位置对应的射频辐射信号强度画出来，就得到了 质子密度象。
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MRI优点
• 对比增强 MRI可使用对比剂作增强检查，常规的钆剂增强检查 特异性已较高，而组织特异性与器官特异性对比剂可显著提高增 强效果。
• 流动测量 MRI可以对脑脊液和血液的流动作定量分析，可以提 供一组有关流动的非形态学信息。
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• 受射频脉冲磁场的磁化作用，进动的质子趋向于射频磁场方 向而变为同步、同速运动，即处于同相状态。从而在X-Y平 面上叠加形成一个宏观磁化矢量MXY。
• 新的磁化矢量M0就偏离了Z轴。
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驰豫
（1）弛豫过程（relaxation process)：磁矩在射频场结束后，
• 系统从激发态恢复到平衡态的过程称为驰豫 （relaxation）。
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驰豫
• 纵向磁化矢量逐步恢复的过程称为纵向驰豫（longitudinal relaxation）
• 横向磁化矢量逐步消失的过程称为横向驰豫（transverse relaxation）
2
4 h / 4 h
可得到共振所需的射频频率ν为
2
h
B
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经典力学的磁化过程
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经典力学的磁化过程
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结论
• 质子群在外加磁场中磁化完成后， 可用一个在Z轴方向的磁化矢量 来表示，其大小定义为M0。
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磁共振成像疾病诊断
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MRI优点
• 可提供代谢、功能方面的信息 如MR波谱、MR脑功能成像等技 术。
• 多种特殊成像 例如各种血管影像、水成像、脂肪抑制成像。血 管影像可以显示颅内的大多数血管，可无创性地作出血管性疾病 的诊断。
• 无电离辐射属于无创伤性检查。
• 自旋质子在外磁场中发生能级分裂，其中低能级上的质子数占优 势，从而呈现净磁矩，称为磁化，其大小称为磁化强度。
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磁化方程
• 质子放进外磁场中，开始磁化过程较快，随着接近最大值时速度 变慢，磁化过程可表示成时间的指数函数，时间常数T1称为弛豫 时间。
• T1是表示物质核磁共振性质的一个重要参数，它与磁场强度、温 度、粘滞度有关。一般说，“弛豫”表示由激发态回到平衡态。
μ = h γ[I(I+1)]1/2/2π
• 其中γ，称为磁旋比，质子的磁旋比为42.58MHz/T. • 具有磁矩的原子核有一定的质量和大小，因此具有自旋角动量P。 • P＝h[I(I+1)]1/2。 • I为核自旋量子数，代表原子核的固有特性。I≠0时，才能产生磁共振现象。 • 1H、13C、19F、23Na、31P存在于生物组织中，可产生磁共振现象，其中1H成像最
• 通过流动效应来评价血液和脑脊液的流动。 • 可进行弥散成像、灌注成像以及脑皮层活动功能成像。 • 可进行MRI波谱成像，分析组织化学结构。
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磁共振成像的临床应用
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MRI优点
• 具有较高组织对比度和组织分辨力 MRI对脑白质、脑灰质、髓 鞘、软骨、肌肉、韧带等组织的形态及病理改变的显示具有较高 的敏感性。
• 平均的磁化矢量M0不进动。 • M0的大小与质子数量、外加磁
场强度、质子自旋速率等因素相 关。
• M0可以被分解成一个平行Z轴的 垂直矢量MZ和一个X-Y平面上的 横向矢量MXY。
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射频脉冲效应
• 一旦样品被磁化后，再按照拉莫频率向样品辐射电磁波， 引起核磁谐振，能量将被输入进系统。
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M M 0[1 exp( t / T1)]
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外加静磁场中的能级分裂
• 在外磁场的作用下使自旋核的能级发生分裂，分裂成 2I＋1个能级，称为塞曼分裂，这些能级称为塞曼能级。 塞曼能级是等间距的，相邻两个能级的能量差为：
为常见。 1H的I值等于1/2。
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核在外加磁场中的磁化
• 在自然状态下，质子的磁矩取向是随机的，对外表现的宏观磁矩 为零。
• 当质子处于磁场中，其磁矩将按磁场取向，并存在两个可能取向， 即与外磁场方向相同或相反。
• 当质子磁矩方向与外磁场相同时，其能量相对较低，比较稳定。 反之，质子则处于高能级。
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射频脉冲作用下产生横向磁化矢量最大化的过程
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驰豫
• 射频磁场对自旋系统的作用称为激发或激励 （irradiate）。
• 自旋系统进入磁场后，形成并保持稳定的纵向磁 化矢量MZ的状态称为平衡态。而系统吸收射频能 量后的不稳定状态，称为激发态。
在主磁场的作用下，进行“自由旋转”，由于粒子之间的能量交 换，所有磁矩将从不平衡态逐渐过渡到平衡态，这一过程称为弛 豫过程。
• 相位：平面内旋转的矢量与某一参照轴的夹角称为相 位。多个矢量在空间的方向一致时称为同相位（inphase）。相位不一致时称离相位（out of phase）。
• 磁场中自旋之间的相位：磁场中自由进动的质子群， 其相位是随机的，因此合成磁矩M0在X-Y平面内的投 影互相抵消，在宏观上不表现磁矩。当外加能量如射 频介入时，使各个MXY分量趋于相位一致，而叠加形 成宏观磁化矢量，使M0偏离平衡位置。
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核的进动 ——NMR的经典力学理论
• 以牛顿力学为基础 • 将质子在磁场中的行为比喻为一个旋转的陀螺 • 质子在自旋运动的基础上，受到外磁场与自身磁矩之间的
作用力，绕外磁场轴进动 • 进动频率又称为拉默频率，其大小远远低于自旋频率
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• ΔE = hγB0 • h为Plank常数。
h=6.62606896×10-34 J·s
• γ为磁旋比。对于1H，I=1/2。B0静磁场强度。 • 静磁场强度一般只有0.1~2T，所以ΔE只相当于几十个
MHz的射频能量。
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• 自旋核的能级分裂与跃迁
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• 可对任意方位层面成像 包括横断面、冠状面、矢状面、任意斜 面的直接采集成象，可立体地观察病变，这是其他所有成像方法 所不及的。
• 多参数、多序列成像 可获得不同程度的T1、T2、 质子密度加 权图像及流体成像，加上很多的特殊辅助技术，可以在很大程度 上改善指定结构的显示，提供多层次诊断信息。
2019/5/24
• 一个短的无线电波或射频能量被称为“射频脉冲”。 • 把一个共振频率的射频脉冲加到样品上，质子开始同相
进动。同相进动被称为相干。
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射频脉冲效应
• 向处于外磁场中的质子施加具有拉默频率的RF脉冲发生 磁共振后，产生两个同时发生的作用。
• 一是低能级的质子吸收能量跃迁，纵向磁化矢量MZ变 小。
• 多种伪影因素 导致磁共振图像产生伪影的因素较其他成像装置 多。
• 价格相对昂贵。
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磁共振成像的物理基础Fra bibliotek• 量子力学理论 • 原子核的自旋和磁矩 • 原子核不停地绕其自身轴旋转，称为自旋。质子带正电荷，其旋转形成环形电流，
并在周围空间产生磁场，具有磁矩。 • 磁矩具有方向和大小，是矢量。以μ表示。
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质子的共振
• 把质子从低能级推向高能级需要提供一个能量，这个能量可以由热相 互作用或射频能量（无线电波）来提供。
• 当射频源能量精确地匹配于向北和向南的质子间的能级差时，就会引 起质子在两个能级间更快地上下转移，这时就可称为质子共振。
• 共振就是以离散的或“量子”的方式由射频天线向质子转移能量。
• 当在X-Y平面上放置一个接收线圈，由于MXY的进动，相当 于线圈内磁场的大小和方向发生变化，依据法拉第电磁感应 原理，即通过闭合回路的磁通量发生变化时，闭合回路产生 感应电动势，其大小与磁通量变化率成正比。
• 其输出信号称为自由感应衰减（FID）
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90°作用后磁化矢量的变化 射频能量使体系的M0旋转90°
• 一个向北的质子吸收射频（RF）能量，升到更高的向南的能级。而一 个向南的质子跃到向北的低能级，可发射多余能量的射频电磁波，频 率等于原激发用的射频的频率 。
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自旋——自旋驰豫
• 在RF信号发射停止以后，一个短时间内质子连续辐射 可检测到的RF能量，其频率等于原输入进系统的无线 电波的频率。这个短的时间周期用另一个指数常数T2 来表征，它被称为自旋－自旋弛豫时间。
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核的进动
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经典力学理论计算
• 按照经典力学理论，自旋的原子核在磁场中开始绕垂直轴进动。进动 频率ω（弧度/ 秒）比自旋角频率Ω要慢，ω可由下式给出，被称为拉 默方程
B
B为外磁场强度，γ为磁旋比。 进动角频率ω 与共振频率ν 关系为 γ的定义是磁矩μ与角动量之比
• 二是受射频脉冲磁场的磁化作用，进动的质子趋向于射 频磁场方向而变为同步、同速运动，即处于“同相”状 态。从而形成一个新的宏观磁化矢量，即横向磁化矢量 MXY。
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横向磁化矢量的物理意义
• 质子吸收拉默频率的RF脉冲后，形成新的磁化矢量MXY，而 MXY不再与主磁场叠加在一起，通过测定MXY可获得生物组 织的磁共振信号。
MR影像上呈低或无信号，不利于这些结构与相应病变的显示。
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磁共振成像的局限性
• 血管的显示限度 MR血管成像对小血管的显示有一定的限度。 此外，血管的显示也受血管的走行、血流速度、血流方向及血流 状态（如层流、涡流、湍流等）的干扰，可以产生伪影，造成假 阳性、假阴性结果。
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磁共振成像的局限性
• 空间分辨力较低 尤其是与CT等成像手段相比。 • 成像速度较慢 不利于危重病人及不合作病人的检查。但是随着
MR新技术的发展，磁共振的成像速度越来越快。 • 具有较严格的禁忌证 如装有心脏起搏器、动脉瘤夹、金属假肢
等病人不宜进行MRI检查。 • 对于不含或少含氢质子的组织结构显示不佳如骨骼、钙化灶在
称为90°脉冲
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90°作用后磁化矢量的变化
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总结
• 处于外加磁场中的质子吸收射频能量，产生磁共振。 • 其中低能级的质子吸收射频能量后跃迁到高能级，使之在外
磁场中的排列方向逆转，抵消了相同数量的低能级质子的磁
矩，使纵向磁化矢量MZ 变小。
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纵向驰豫
• 又称为自旋－晶格驰豫，或T1驰豫 • 纵向驰豫机制：纵向驰豫过程中，吸收射频脉冲能量跃迁到高能
第8章 磁共振成像
NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE IMAGING；MRI
磁共振成像的临床应用
• 通过各种参数的MR图像，显示人体不同部位的解剖结构，用于 各种疾病的检查，包括中枢神经系统疾病、颅颈移行区病变、颈 部病变、胸部病变、心脏大血管病变、肝、肾、输尿管、胰腺、 盆腔、四肢和关节病变。
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磁共振成像的基本思路
• 在人体组织的空间不同点上施加不同强度的梯度磁场， 对人体组织实现空间定位。因此不同的组织所在点所 需的核磁共振频率也就不同。某个频率的射频信号对 应于某一对应空间位置，在某个频率上射频信号强度 反应在对应位置空间体积元内氢原子的个数，把空间 各个位置对应的射频辐射信号强度画出来，就得到了 质子密度象。
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MRI优点
• 对比增强 MRI可使用对比剂作增强检查，常规的钆剂增强检查 特异性已较高，而组织特异性与器官特异性对比剂可显著提高增 强效果。
• 流动测量 MRI可以对脑脊液和血液的流动作定量分析，可以提 供一组有关流动的非形态学信息。
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• 受射频脉冲磁场的磁化作用，进动的质子趋向于射频磁场方 向而变为同步、同速运动，即处于同相状态。从而在X-Y平 面上叠加形成一个宏观磁化矢量MXY。
• 新的磁化矢量M0就偏离了Z轴。
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驰豫
（1）弛豫过程（relaxation process)：磁矩在射频场结束后，
• 系统从激发态恢复到平衡态的过程称为驰豫 （relaxation）。
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驰豫
• 纵向磁化矢量逐步恢复的过程称为纵向驰豫（longitudinal relaxation）
• 横向磁化矢量逐步消失的过程称为横向驰豫（transverse relaxation）
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4 h / 4 h
可得到共振所需的射频频率ν为
2
h
B
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经典力学的磁化过程
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经典力学的磁化过程
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结论
• 质子群在外加磁场中磁化完成后， 可用一个在Z轴方向的磁化矢量 来表示，其大小定义为M0。
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磁共振成像疾病诊断
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MRI优点
• 可提供代谢、功能方面的信息 如MR波谱、MR脑功能成像等技 术。
• 多种特殊成像 例如各种血管影像、水成像、脂肪抑制成像。血 管影像可以显示颅内的大多数血管，可无创性地作出血管性疾病 的诊断。
• 无电离辐射属于无创伤性检查。
• 自旋质子在外磁场中发生能级分裂，其中低能级上的质子数占优 势，从而呈现净磁矩，称为磁化，其大小称为磁化强度。
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磁化方程
• 质子放进外磁场中，开始磁化过程较快，随着接近最大值时速度 变慢，磁化过程可表示成时间的指数函数，时间常数T1称为弛豫 时间。
• T1是表示物质核磁共振性质的一个重要参数，它与磁场强度、温 度、粘滞度有关。一般说，“弛豫”表示由激发态回到平衡态。
μ = h γ[I(I+1)]1/2/2π
• 其中γ，称为磁旋比，质子的磁旋比为42.58MHz/T. • 具有磁矩的原子核有一定的质量和大小，因此具有自旋角动量P。 • P＝h[I(I+1)]1/2。 • I为核自旋量子数，代表原子核的固有特性。I≠0时，才能产生磁共振现象。 • 1H、13C、19F、23Na、31P存在于生物组织中，可产生磁共振现象，其中1H成像最
• 通过流动效应来评价血液和脑脊液的流动。 • 可进行弥散成像、灌注成像以及脑皮层活动功能成像。 • 可进行MRI波谱成像，分析组织化学结构。
2019/5/24
暨南大学生物医学工程系
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磁共振成像的临床应用
2019/5/24
暨南大学生物医学工程系
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MRI优点
• 具有较高组织对比度和组织分辨力 MRI对脑白质、脑灰质、髓 鞘、软骨、肌肉、韧带等组织的形态及病理改变的显示具有较高 的敏感性。
• 平均的磁化矢量M0不进动。 • M0的大小与质子数量、外加磁
场强度、质子自旋速率等因素相 关。
• M0可以被分解成一个平行Z轴的 垂直矢量MZ和一个X-Y平面上的 横向矢量MXY。
2019/5/24
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射频脉冲效应
• 一旦样品被磁化后，再按照拉莫频率向样品辐射电磁波， 引起核磁谐振，能量将被输入进系统。