核磁共振成像原理

核的种类 (质子数／中子 数) 偶／偶核 奇／偶核 偶／奇核
质子数或 核的自 原子序数 中子数(N) 旋 (Z ) 偶数 奇数 偶数 偶数 偶数 奇数 无 有 有
奇／奇核
奇数
奇数
有
各种MR核的对比
r /2π 自然產率 spi n (MHz/T) (%)
1H 13C
體內含 量
100M 10mM
相對靈敏 度
弛豫过程是激励过程的反过程,因此也包括2个 分过程：
1、放出能量，从高能级向低能级跃迁；纵向 磁化逐渐增加；纵向弛豫过程，T1弛豫过程 2、相位分散，横向磁化矢量逐渐减小；横向 弛豫过程，T2弛豫过程
纵 向 弛 豫 过 程
a、射频结束瞬间，纵向磁化为零，横向磁化最大 b、反平行质子释放能量跃迁回平衡态，纵向磁化逐渐增大 c、最后回归原始状态，纵向磁化恢复到最大
•如果能将上面的T2时间差别体现在图像的灰 度差别，则能够达到区分正常组织和病变组 织的目的，完成对疾病的诊断；
核磁共振的两种解释
• 量子理论（Pucell） • 微观角度 • 波函数在哈米尔顿能量 算符的作用下，从而造 成量子化能量的吸收和 释放； • 较容易初步理解，容易 说明极化传递和相干转 移等现象； • 基本理论为：含时微扰 理论； • 二者相互补充，各有优 缺点； • 经典电磁学理论(Bloch) • 宏观角度 • 宏观磁化矢量在各种磁 矩的作用下的运动； • 较难理解，但在说明磁 共振信号产生方面有优 越性； • 基本理论为：Bloch方程； • 在理解和应用时需区分 场合，相得益彰；
震荡梯度Gr
主要用于功能MRI
RF GpLeabharlann Baidu
回波链 Gr 回波链
自旋回波EPI
梯度回波EPI
2次激发EPI（MS-EPI）序列及其K空间
第二章 核磁共振成像原理
本章主要讲述内容： 磁共振信号的产生
磁共振信号的获取与傅立叶变换
像素位置信息的确定（梯度） 像素灰度信息（信号幅度）的确定 序列参数对图像权重的影响 磁共振成像序列
• 进动频率(Precession Frequency)
拉莫尔方程
0 B0
其中：ω0 ：进动的频率 （Hz或MHz） B0 ：外磁场强度(单位T，特斯拉)。 γ ：旋磁比；质子的为 42.5MHz / T。
驰豫过程的综合表示（三种运动的综 合过程）
磁化矢量的进 动
纵向磁化的逐 渐增大过程
横向磁化的逐 渐减小过程
磁共振信号的获取与傅立叶变换
• 如果在垂直于XY平面，加一个接收线圈， 会接收到什么信号？
FID
补充说明3点 •组织的弛豫时间是组织的一种固有属性，与 组织的密度类似，在场强和环境确定后其时 间是一个确定不变的值； •病变组织相对于正常组织的一个典型变化是 含水量增加；由于水具有长T2和长T1值，因 此病变组织的T2时间比正常组织的长； （Damadian发表在Science上的文章）；
横向恢复时间T2是由于相位同步质子的又开始
变得不同步,所以横向磁化减小。弛豫快慢遵循指数 递减规律，把从最大下降到最大值的37%的时间定义 为横向驰豫时间(T2)。
• 组织T2时间的分析。
T2的长短取决于组织内部的局部小磁 场的均匀性对小磁化散相的有效性。 T2与磁场强度无关。 不同成分和结构的组织T2不同，例如 水的T2值要比固体的T2值长。
1 3×10-3
1/2 1/2
42.58 10.71
99.98 1.108
14N
19F 23Na 31P 39K
1
1/2 3/2 1/2 3/2
3.08
40.05 11.26 17.23 1.99
99.63
100 100 100 93.1
10mM
10mM 80mM 10mM 45mM
2×10-7
9×10-5 1×10-3 4×10-5 1×10-4
几种常见组织在不同场强下的T1，T2及质子密度值 组织 脂肪 白质 灰质 脑脊液 肌肉 T1 0.2T 240 390 490 1400 370 1.0T --620 810 2500 730 1.5T --718 998 3000 860 T2 60 76 91 140 50
质子密度 (%)
9.6 10.6 10.6 10.8 9.3
扫场法
扫频法
核磁共振波谱仪结构
傅立叶变换的作用：
复杂的时间域信号 傅立叶变换
简单的频率域信号
Amplitude
第三节 磁共振信号的空间定位
核磁共振的2大用途：
MRS：MR Spectroscopy MRI：MR Imaging
核磁共振谱图：分子结构的“指纹”
•组成灰度数字图像的基本单元是像素 •像素只有两个基本信息：像素位置信息和像素 灰度信息 •像素位置信息表示图像中的该像素对应人体内 的体素位置 •像素灰度信息表示对应体素的检测信息的强度 •对磁共振而言,实现像素与体素对应的手段是施 加三个维度上的梯度磁场; •对磁共振而言,检测的生物体信息是磁共振信号
• 如果此时去掉RF脉冲，质子将会恢复到 原来状态，当然恢复有一个时间过程， 这个过程就叫弛豫过程。
弛豫：Relaxation;
自然界的一种固有属性；即任何系统都有在外 界激励撤销后回到原本（原始、平衡）状态的 性质；这种从激励状态回到平衡状态的过程就 是弛豫过程
弛豫快慢：用弛豫时间T来进行度量；
加快磁共振成像时间的途径
回波平面序列
•使成像时间由常规的扫描序列的秒级提高到了亚秒 级；30ms之内采集一幅完整的图像，使每秒获取的图 像达到20幅 ； •心脏电影 成为可能并进入临床； •从原理上讲，EPI应归属于GRE类序列，但现在已自 成体系了 ； •分为梯度回波EPI 和自旋回波EPI ； •梯度的转换速度要达到今天常规梯度的4倍，梯度的 幅值也需提出1倍。这样的梯度就是前面所说的振荡 梯度，而振荡梯度的代价是高昂的。
横 向 弛 豫 过 程
a、射频结束瞬间，横向磁化达到最大,进动相位一致 b、c、内部小磁场的不均匀性使得进动相位分散，横向磁化矢 量逐渐减小 d 、最终相位完全分散，横向磁化矢量为零
弛豫时间T
纵向恢复时间T1是由于被激发的反平行于静磁场 的质子恢复到平行状态，所以纵向磁化增大。弛豫快慢 遵循指数递增规律，把从0增大到最大值的63%的所需 时间称定义为纵向驰豫时间(T1)。
核磁 共振 的三 种方 法
• 连续波核磁共振：连续施加与拉 莫尔频率相等的射频电磁波，在 射频作用于弛豫作用达到平衡时 采集信号；根据共振条件的调节 又分为： • 调频法：固定场不变，调节射频 频率； • 调场法：固定射频不变，改变调 场电流从而改变场强； • 脉冲傅立叶变换法：时间短暂的 射频脉冲后进行信号采集；相当 于多道连续波核磁共振，因此灵 敏度高，目前都采用；
• 纵向驰豫时间T1
T1与静磁场的强度大小有关，一般静 磁场强度越大， T1就大 T1长短取决于组织进行能量传递的有 效性。
一般大分子
（如生物蛋白）和小分子（如水）由于共振频率与拉莫尔频率 差别较大，对能量传递有效性差，因此T1较长。上图中白线表 示的脑脊液的t1为3秒。 中等分子 （如脂肪）的共振频率接近于拉莫尔频率，能量传递越有效， 因此T1较短。上图中红线代表的脑白质的t1为0.9秒