磁共振成像原理_ppt

陈武凡 科学出版社 2012年
第一章 导 言
什么是核磁共振成像？
核磁共振成像具有哪些优势？
核磁共振成像在医学影像中有哪些应 用？
核磁共振： （Nuclear Magnetic Resonance，NMR） 物质原子核磁矩在外磁场的作用下发生能级分裂，并
在外加射频磁场的能量条件下产生的能级跃迁的核物理
向，空间取向不同，其能量也不同，形成能级分裂，这种现象称为 塞曼效应，分裂后的能级称为塞曼能级。
（1） 分裂后的塞曼能级正、负对称，且间距均为ΔEm=gI μNB0 ； （2） 只在相邻塞曼能级间进行跃迁；
（3） 无外界激励时，塞曼能级间存在自发跃迁； 外磁场中质子的塞曼能级：
mI =1/2 时,自旋方向与B0平行，
1、原子的组成
核外电子
（带负电）
原 子
原子核
质子 （p,带正电）:
mp=1.6726×10-27kg
中子
(n,不带电): mn=1.6749×10-27kg
2、原子的表示
X表示元素符号
A Z
X
Z表示原子的质子数 A表示原子的质量数
16
8
O

3、原子核体积与质量的关系 原子核可近似看成球体；原子核的质量数A与原子 核球体半径R的三次方成正比。
射频发生器：提供一个短而强的射频场，以脉冲 形式施加到成像物体上，使其质子发生磁 共振现象。它包括：频率合成器、正交调 制器、射频功率放大器、射频开关、射频 发射线圈。
射频接收器：接收MR信号调制的射频信号并对 其进行数字化处理最终得到数字化信息。 它包括：接收线圈、衰减器、射频放大 器、模数转换器等
核磁子μN
e I gI PI PI 2m
原子核的旋磁比γ，不 同原子核具有不同旋磁比。
(1)外磁场中质子的核磁 e 矩： IZ g I PIZ
2m
μIZ
(2)自旋量子数不为零的 核都具有磁矩;
μIZ
第二节 外磁场中的原子核
一、拉莫尔进动
原子核在外磁场的作用下绕自身轴旋转的同时又绕外磁场方向
核自旋量子数
★ 质子（氢核）的核自旋量子数为：I=1/2
（3）不同的核具有不同的自旋量子数
（4）在外磁场B的作用下原子核的核角动量在空间取向只能取特定的
几种方向，即空间取向量子化（用mI表示）。mI 称为核的磁量
子数，对于确定的I，其取值为：
mI I , I 1, I 2, , I 1, I
据生物磁性核在磁场中表现出来的共振特性进行成像的 新技术。由于“核”字的敏感性，故通常将其称为MRI。 核磁共振成像的特点： （1）多参数成像，可提供丰富的诊断信息。 （2）高对比度成像，尤其可获得高对比度软组织的图像。 （3）任意方位断层，可从三维空间观察人体。 （4）可进行人体能量代谢研究，将解剖结构观察和功能 代谢情况观察相对合。
Proton Density TE = 14 ms TR = 1500 ms
（2）MRA核磁血管造影
（3）FMRI功能成像
（4）DT－MRI扩散张量成像
第二章
主要内容：
MRI扫描仪
1、对MRI有初步的了解； 2、了解MRI扫描仪有哪些类型； 3、掌握MRI扫描仪的基本结构； 重点：
掌握MRI扫描仪的基本结构；掌握主磁体的种类；
3、原子核的自旋
原子核的自旋又称为原子核的角动量。
（1）原子核自旋由两部分组成：
组成原子核的质子、中子的自旋角动量； 原子核的内质子、中子的轨道角动量； （2）原子核自旋角动量是核子的总角动量的矢量和。由于核子角动量 成对抵消，原子核角动量通常体现为不成对的核子角动量的叠加。
h PI 2
I ( I 1)
第三章 核磁共振的基本概念
主要内容： 1、掌握核共振的基本概念； 2、了解什么是角动量、核自旋、核磁矩；掌握拉莫
尔进动的概念；
3、了解核磁矩在外磁场中的能量状态，掌握核磁共 振产生的原理； 重 点： 掌握核磁共振的基本概念及核磁共振产生的原理；
第一节 原子核的自旋和自旋磁矩
一、原子核的组成与电核
计算机系统
软件部分：系统控制软件、故障诊断软件、 成像协议软件等
第二节 核磁共振仪的磁体系统
一、主磁体 用于产生主磁场B0。它是NMR成像系统中一个关键部件，
决定了MRI设备的图像质量和工作效率。
类型 磁体材料 运行费用 永磁型 常导型 超导型 铌钛合金、镁 硼等 高
螺旋管型线圈与马鞍型接收线圈 钕铁硼、钐钴、铝带、铜线、 的信噪比相差40％ 。螺旋管型接 铝镍钴等 铜带等 收线圈的接收信号的有效范围更 均匀、利用率更高、对称性更好。 低 高
V 4 4 3 R 3 R0 A 3 3
R0为一常数：R0=1.2×10－15m
3、氢原子核
氢是人体内含量最丰富、结构最简单的元素。在人体中氢核（即质 子）的核磁共振信号强，灵敏度很高，因而目前临床上磁共振成像就是 利用质子成像。本课程主要以质子为例对核磁共振及成像原理进行介绍。 表2-1：人体组织中氢核与其他元素的MR信号相对灵敏度
角量子数
普朗克常量：6.62×10－34 J · s
自旋角动量：电子绕自身轴做旋转运动具有的角动 量，用Ps表示。
h Ps 2
s ( s 1)
自旋量子数
质子、中子、电 子的自旋量子数 都为1/2
★一切粒子具有自旋，因而具有自旋角动量
电子轨道角动量
电子自旋角动量
总角动量＝轨道角动量+自旋角动量
原子核的核角动量在外磁场方向的投影为： P mI IZ
PIZ
h 2
PIZ
无外磁场时质子的自旋。
外磁场中质子的角动量仅两 个取向： mI =1/2; mI =-1/2;
三、原子核的磁矩
磁矩：环形电流i与它所围面积s的乘积，用μ表示，其方向服从 右手螺旋关系。
原子核的磁矩：组成原子核的各核子的磁矩的矢量和。原子核 的磁矩具以下特点：
核磁共振成像原理
Nuclear Magnetic Resonance Imaging, NMRI
主 讲：易三莉
生物医学工程专业
信息工程与自动化学院 昆明理工大学
教材：
《核磁共振成像原理》 熊国欣 科学出版社 2007年第一版
辅导材料：
1、《MRI基础》 尹建中译 天津科技翻译出版公司 2004年
2、《MRI原理与技术》
ΔE1=-0.5gI μNB0 mI = -1/2时,自旋方向与B0反平行，
元素 H C N O F 相对灵敏度 1.000 2.5×10－4 3.1×10－4 4.9×10－4 6.3×10－5 元素 Na P K Ca Fe 相对灵敏度 1×10－3 1.4×10－3 1.1×10－4 9.1×10－6 5.2×10－9
二、原子核的自旋
1、角动量的概念
角动量：描述物体转动状态的物理量。
质量为m的质点绕距离为r的固定轴以速度v，角
速度ω做圆周运动时，其角动量P为：
p r mv r m
2
2、电子轨道角动量和自旋角动量 轨道角动量：电子绕原子做轨道运动所具有的角动 量，用Pl表示。
h Pl 2
l (l 1)
(l 0,1,2, , n 1)
主量子数
（1）由本征磁矩和轨道磁矩组成；
（2）质子磁矩为正，中子磁矩为负，但不能相互抵消；质 子与质子配对，中子与中子配对，配对后总磁矩为零。
（3）原子核的磁矩μI与原子核角动量PI的关系为：
I gI
e PI 2m
朗德因子
质子电荷 质子质量
e eh I gI PI g I I ( I 1) g I I ( I 1) N 2m 4m
主磁体的工艺要求
成像系统中对主磁体的指标、工艺都有很高要求： （1）大孔径：整体成像最小直径1米左右。 （2）强磁场：当前临床所用超导磁铁，磁场强度有0.2 到7.0T（特斯拉），常见的为1.5T和3.0T；动物实验用的
小型MRI则有4.7T、7.0T与9.4T等多种主磁场强度。
（3）均匀度：表示特定容积限度内磁场的同一性。主 磁场的均匀度决定了图像的分辨能力。均匀度要求在106~10-5PPM(Parts
per million)
二、梯度系统 1、系统组成：
梯度线圈、梯度控制器及数模转换器、梯度放大器 2、梯度场的性能： 均匀容积、梯度场强度、梯度场的线性、梯度场的 切换率和上升时间
MR仪的三套梯度线圈
第三节 核磁共振仪的谱仪系统
谱仪系统：也称射频系统。是MRI中实施射频激励 并接收和处理RF信号的功能单元。包括 射频发生器与射频接收器两部分。
生附加能量ΔEm：
E m I cosB0
θ为μ与B0间的夹角
（1） 当θ=π/2时： μ与B0垂直， ΔEm为0，即附加能量为0； （2） 当θ<π/2时： ΔEm<0，即原子核能量减小； （3） 当θ>π/2时： ΔEm>0，即原子核能量增加；
2、塞曼能级
在外磁场的作用下原子核的自旋在空间中只能取特定的几种方
接收线圈
是否需要降温 磁感应强度
螺旋管型
0.3T（特斯拉）以下的称为低磁 否 场强度，主要应用于永磁型MRI设 是（水） 备。1.0T以上的称为高磁场强度， 0.15T~0.5T <0.4T 主要应用于超导型MRI设备
马鞍型
马鞍型
是（液氦） 0.2~7.0T
永磁型：主磁体为天然材料，不需消耗电能，运行费用低， 但主磁体重量大。MRI设备的信号平面垂直于静磁场方向， 所以接收线圈使用效率较高的螺旋管型接收线圈。而其他类 型的主磁体磁场方向均为水平方向，只能使用马鞍型接收线 圈。 常导型：又称阻抗磁体。特点是结构简单，造价低，但运行 费用高。并且线圈电源的质量直接影响磁场的稳定，无法保 证MRI设备的图像质量。常导型磁体的目前，常导型MRI设 备正逐步被淘汰。 超导型：利用超导材料在低温条件下（约-270℃）零电阻特 性（施加很小的电压可得到非常大的电流）制成。磁场强度 高，但需要将线圈放入液氦中进行低温处理来形成超导环境， 需要一套复杂的低温保障系统，超导磁体的价格昂贵，运行 费用高。具有高场强、高均匀度、高稳定性、高信噪比等优 点。