磁共振成像(MRI)的基本原理
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的磁共振靶核。
13
第二节：磁场
• 磁场的概念 • 均匀磁场 • 稳定磁场 • 交变磁场
14
磁场
• 物质场 • 对磁性物质的力效应 • 磁场的强度
15
均匀磁场
大小方向恒定不变的磁场.
16
交变磁场
大小或方向呈规律性变化的磁场
17
Y BX=Bsina
B(RF) a
X BY=Bcosa
18
第三节：磁场对样体的作用
49
50
T1图像 T1 Image
• 每一个像素的亮度表示其所对应的构成体素的组织的T1值,这种 图像称为T1图像。
51
人体正常组织的T1值
• 量子化遵循波兹定律E(1/2)/E(-1/2)=exp(rhI/kT) • 平衡态：在磁场和温度的作用下，样体达到稳定磁化的状态。是
一种动态平衡。
28
29
剩余自旋与净磁化
• 剩余自旋：平衡态时，上旋态与下态自旋差。 • 净磁化M（宏观磁化）：自旋系统在磁场作用下产生的磁化总量。
是所有自旋磁矩的矢量和 。M=ΔB0·N/T • 影响M的因素：静磁场强度、温度、自旋密度（单位体积的自旋
数）。 • 纵向磁化：平行于磁场方向的磁化矢量 • 横向磁化：垂直于磁场方向的磁化矢量
30
31
磁共振成像中的坐标系统
Z X
Y
32
第四节 核磁共振现象
• 单摆共振 • 核磁共振
33
单摆共振的条件
• 系统与激发源的固有频率相同 • 系统吸收能量内能增加
F
34
核磁共振的条件
• 激发磁场的频率与自旋系统的进动频率相等。 • 自旋系统吸收激发磁场能量内能增加
2
N RF
S
3
T
射 频 强 度
:
射频频率 F
4
磁共振的应用
• 物理化学|：利用磁共振波谱测定物质的化学结构。 • 医学影象：磁共振成像及化学物质含量测定。
5
第一节：原子及其磁特性
• 原子的构成 • 自旋 • 自旋磁矩 • 净自旋
6
原子的构成
• 原子核
• 核外电子
• 质子（＋） • 中子
• 核外电子（－）
7
原子核的运动特性
• 自旋：物体沿一定方向绕自身某一轴的转动 • 自旋角动量 I：由于自旋运动的矢量性，自旋具有一定的角动量，
自旋角动量I通常也称为自旋I。I为矢量。
8
9
自旋磁矩
• 自旋粒子的磁性：带电粒子的自旋都可产生磁矩。 • 原子核运动的自旋磁矩：每一个自旋I对应于一个磁动μ， μ=гhI：
磁共振成像(MRI)的基本原理 Magnetic Resonance Imaging
同济医科大学附属协和医院MR室 刘定西
1
磁共振现象的发现及发展
1924年pauli在进行电在子波谱试验中发现了许多 原子核象带电的自旋粒子一样具有角动量和磁动量。
1946年美国物理学家Block和Purcell分别测出了在 均匀物质中磁共振的能量吸收，进一步证实了核自旋 的存在，并为此获得了1952年诺贝尔物理学奖。
• MZ = M0(1－e-t/T1) • T1的物理学意义：弛豫周期。
47
纵向磁化对比
由于各种组织的T1不同，在纵向弛豫过程中，不同时 刻各种组织在纵向磁化中的比例不同，因而产生了不 同组织间的纵向磁化对比。也称为T1对比。
48
T1加权图像
T1 weighted image
图像的对比主要依赖T1对比称为T1加权（权重） 图像。
35
射频
• 射频及磁特性 • 射频的空间效应 • 射频激发与核磁共振 • 章动与翻转角θ= rB1t • 90°、180°脉冲，α脉冲 • 射频对自旋磁矩的相位相干效应
36
Y BX=Bsina
B(RF) a
X BY=Bcosa
37
Z
M0
Y B1
X
射频磁场对磁矩的激发
38
39
横向磁化的相位相干进动
10
3
11
净自旋
• 原子核的运动:自旋 • 净自旋：具有自旋磁动量的自旋。 • 零自旋/非零自旋：净自旋为零/净自旋不为零 • 净自旋产生的条件:奇数质子和/或奇数中子 • 净自旋的意义：是磁共振信号来源的基础。 • 自旋系统：磁场中所有自旋的集合。
Leabharlann Baidu12
1H的原子核结构及特性
1H原子核仅有一个质子，无中子。 其磁化敏感度高，在人体的自然 丰富度很高，是很好
MXY
射频激发使自旋的横向磁矩相位一致
（相位相干），产生一个大的横向磁
化矢量MXY。相位是矢量与参照轴间
的夹角
40
横向磁矩的相位
X
MXY
m1
a m2 m3
Y
41
M0
MXY Y
B1
X
横向磁化的检测
42
自旋弛豫
• 自旋弛豫：自旋系统由激发态恢复到其平衡态的过程。可分为 纵向弛豫和横向弛豫两个过程。
21
M1 M2
22
Z
M0 B1 X
Y
23
24
自旋在磁场中的运动
• 进动（旋进）：自旋轴绕磁场方向的圆周运动。遵循 lamor 定理，w=rB0
• 影响进动频率的因素：磁场强度。 • 进动的方向：上旋态与下旋态。
25
26
27
量子化与平衡态
• 量子化概念：在磁场的作用下，自旋只能处于两种能级状态，低 能态（上旋态）与高能态（下旋态）自旋只有吸收或释放一个特 定能量值（ E）时才相互转化。
45
影响纵向弛豫的因素
• 组织特异性：中等大小分子快，小分子及大分子慢 • 晶格的物理状态：液态快、固态慢。 • 晶格的温度：低快，高慢。 • 周围大分子结构：加快。 • 磁场强度：低场快，高强慢
46
纵向弛豫特征时间常数T1
• T1：射频激发停止后，纵向磁化弛豫至其平衡态值的63%时所经 历的时间。
• 磁化 :磁场对样体作用的过程。 • 磁化强度m：样体经过磁化而产生的磁矩的大小。 • 磁化率：单位磁场强度的磁化强度 X= m/B。顺磁性物质的磁化
率为正值，抗磁性物质的磁化率为负值。 • 影响磁化率的因素：
1、外层电子；2、原子核结构。
19
N
M:
S
20
磁场对磁矩的作用
垂直于磁场的磁矩，磁场对其以磁转矩形式产生 作用，即以磁场为轴垂直于磁场转动。
• 纵向弛豫（自旋晶格弛豫、T1弛豫）：纵向磁化逐渐恢复的过 程。
• 横向弛豫（自旋自旋弛豫、T2弛豫）：横向磁化逐渐消失的过 程
43
44
纵向弛豫的机理
波动的晶格磁场是一个连续频率的波动磁场，Lamor 频 率的晶格磁场可以吸收激发态自旋所释放的量子化能量，恢 复其平衡态。晶格磁场的频率越接近 Lamor 频率，纵向弛豫 的速度越快。人体各种不同类型组织的晶格磁场频率有差异。 纵向弛豫速度不同。
13
第二节：磁场
• 磁场的概念 • 均匀磁场 • 稳定磁场 • 交变磁场
14
磁场
• 物质场 • 对磁性物质的力效应 • 磁场的强度
15
均匀磁场
大小方向恒定不变的磁场.
16
交变磁场
大小或方向呈规律性变化的磁场
17
Y BX=Bsina
B(RF) a
X BY=Bcosa
18
第三节：磁场对样体的作用
49
50
T1图像 T1 Image
• 每一个像素的亮度表示其所对应的构成体素的组织的T1值,这种 图像称为T1图像。
51
人体正常组织的T1值
• 量子化遵循波兹定律E(1/2)/E(-1/2)=exp(rhI/kT) • 平衡态：在磁场和温度的作用下，样体达到稳定磁化的状态。是
一种动态平衡。
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剩余自旋与净磁化
• 剩余自旋：平衡态时，上旋态与下态自旋差。 • 净磁化M（宏观磁化）：自旋系统在磁场作用下产生的磁化总量。
是所有自旋磁矩的矢量和 。M=ΔB0·N/T • 影响M的因素：静磁场强度、温度、自旋密度（单位体积的自旋
数）。 • 纵向磁化：平行于磁场方向的磁化矢量 • 横向磁化：垂直于磁场方向的磁化矢量
30
31
磁共振成像中的坐标系统
Z X
Y
32
第四节 核磁共振现象
• 单摆共振 • 核磁共振
33
单摆共振的条件
• 系统与激发源的固有频率相同 • 系统吸收能量内能增加
F
34
核磁共振的条件
• 激发磁场的频率与自旋系统的进动频率相等。 • 自旋系统吸收激发磁场能量内能增加
2
N RF
S
3
T
射 频 强 度
:
射频频率 F
4
磁共振的应用
• 物理化学|：利用磁共振波谱测定物质的化学结构。 • 医学影象：磁共振成像及化学物质含量测定。
5
第一节：原子及其磁特性
• 原子的构成 • 自旋 • 自旋磁矩 • 净自旋
6
原子的构成
• 原子核
• 核外电子
• 质子（＋） • 中子
• 核外电子（－）
7
原子核的运动特性
• 自旋：物体沿一定方向绕自身某一轴的转动 • 自旋角动量 I：由于自旋运动的矢量性，自旋具有一定的角动量，
自旋角动量I通常也称为自旋I。I为矢量。
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自旋磁矩
• 自旋粒子的磁性：带电粒子的自旋都可产生磁矩。 • 原子核运动的自旋磁矩：每一个自旋I对应于一个磁动μ， μ=гhI：
磁共振成像(MRI)的基本原理 Magnetic Resonance Imaging
同济医科大学附属协和医院MR室 刘定西
1
磁共振现象的发现及发展
1924年pauli在进行电在子波谱试验中发现了许多 原子核象带电的自旋粒子一样具有角动量和磁动量。
1946年美国物理学家Block和Purcell分别测出了在 均匀物质中磁共振的能量吸收，进一步证实了核自旋 的存在，并为此获得了1952年诺贝尔物理学奖。
• MZ = M0(1－e-t/T1) • T1的物理学意义：弛豫周期。
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纵向磁化对比
由于各种组织的T1不同，在纵向弛豫过程中，不同时 刻各种组织在纵向磁化中的比例不同，因而产生了不 同组织间的纵向磁化对比。也称为T1对比。
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T1加权图像
T1 weighted image
图像的对比主要依赖T1对比称为T1加权（权重） 图像。
35
射频
• 射频及磁特性 • 射频的空间效应 • 射频激发与核磁共振 • 章动与翻转角θ= rB1t • 90°、180°脉冲，α脉冲 • 射频对自旋磁矩的相位相干效应
36
Y BX=Bsina
B(RF) a
X BY=Bcosa
37
Z
M0
Y B1
X
射频磁场对磁矩的激发
38
39
横向磁化的相位相干进动
10
3
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净自旋
• 原子核的运动:自旋 • 净自旋：具有自旋磁动量的自旋。 • 零自旋/非零自旋：净自旋为零/净自旋不为零 • 净自旋产生的条件:奇数质子和/或奇数中子 • 净自旋的意义：是磁共振信号来源的基础。 • 自旋系统：磁场中所有自旋的集合。
Leabharlann Baidu12
1H的原子核结构及特性
1H原子核仅有一个质子，无中子。 其磁化敏感度高，在人体的自然 丰富度很高，是很好
MXY
射频激发使自旋的横向磁矩相位一致
（相位相干），产生一个大的横向磁
化矢量MXY。相位是矢量与参照轴间
的夹角
40
横向磁矩的相位
X
MXY
m1
a m2 m3
Y
41
M0
MXY Y
B1
X
横向磁化的检测
42
自旋弛豫
• 自旋弛豫：自旋系统由激发态恢复到其平衡态的过程。可分为 纵向弛豫和横向弛豫两个过程。
21
M1 M2
22
Z
M0 B1 X
Y
23
24
自旋在磁场中的运动
• 进动（旋进）：自旋轴绕磁场方向的圆周运动。遵循 lamor 定理，w=rB0
• 影响进动频率的因素：磁场强度。 • 进动的方向：上旋态与下旋态。
25
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27
量子化与平衡态
• 量子化概念：在磁场的作用下，自旋只能处于两种能级状态，低 能态（上旋态）与高能态（下旋态）自旋只有吸收或释放一个特 定能量值（ E）时才相互转化。
45
影响纵向弛豫的因素
• 组织特异性：中等大小分子快，小分子及大分子慢 • 晶格的物理状态：液态快、固态慢。 • 晶格的温度：低快，高慢。 • 周围大分子结构：加快。 • 磁场强度：低场快，高强慢
46
纵向弛豫特征时间常数T1
• T1：射频激发停止后，纵向磁化弛豫至其平衡态值的63%时所经 历的时间。
• 磁化 :磁场对样体作用的过程。 • 磁化强度m：样体经过磁化而产生的磁矩的大小。 • 磁化率：单位磁场强度的磁化强度 X= m/B。顺磁性物质的磁化
率为正值，抗磁性物质的磁化率为负值。 • 影响磁化率的因素：
1、外层电子；2、原子核结构。
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N
M:
S
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磁场对磁矩的作用
垂直于磁场的磁矩，磁场对其以磁转矩形式产生 作用，即以磁场为轴垂直于磁场转动。
• 纵向弛豫（自旋晶格弛豫、T1弛豫）：纵向磁化逐渐恢复的过 程。
• 横向弛豫（自旋自旋弛豫、T2弛豫）：横向磁化逐渐消失的过 程
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纵向弛豫的机理
波动的晶格磁场是一个连续频率的波动磁场，Lamor 频 率的晶格磁场可以吸收激发态自旋所释放的量子化能量，恢 复其平衡态。晶格磁场的频率越接近 Lamor 频率，纵向弛豫 的速度越快。人体各种不同类型组织的晶格磁场频率有差异。 纵向弛豫速度不同。