磁共振成像原理(经典)-ppt

饱和现象(Saturation) 自旋核系统对射频能量的吸收减少 或完全不能吸收，导致NMR信号减 小或消失的现象 化学位移（chemical shift) 由化学环境不同而引起的共振频率 偏移的现象
MRI中的弛豫 • 原子核系统从受激的不平衡态向 平衡态恢复的过程 • 包括两方面: 纵向磁化分量MZ的恢复 横向磁化分量 MXY的衰减
两种能态自旋粒子分布
两种能态自旋粒子分布
两种能态自旋粒子分布
两种能态自旋粒子分布
两种能态自旋粒子分布
原子核系的静磁学
原子核系的静磁学
原子核系的静磁学
剩余自旋与净磁化 • 剩余自旋：平衡磁场中上旋态核磁 矩与下旋态核磁矩之差 • 净磁化：平行于磁场方向由剩余自 旋产生的磁化矢量（宏观 磁化矢量）



• 核磁矩在净磁场0中的运动
• • • • • 磁矩分解为Z轴、X-Y平面矢量 旋进过程中Z轴矢量方向不变 X-Y平面矢量绕Z轴方向不断变化 X-Y平面矢量相位随机 不形成宏观磁化矢量
进动时核磁矩各分量的运动
在静磁场中，核磁矩围绕0进动， 运动轨迹为圆锥 进动的特征频率——拉莫频率0 (Larmor frequency)
净磁化的产生
影响净磁化矢量的因素
净磁化矢量M：由于自旋的量子化分布，平 衡态样体在磁力线方向上形 成的稳定磁化矢量。
M=· B0· N/T
—常数 B0—磁场强度 N—单位体积样体质子数（组织质子密度） T—绝对温度
核磁矩在净磁场0作用下 产生力矩
= 0
核磁矩对时间的变化率
d B dt
180度脉冲的作用：使去相位状态（dephase)变为 在相位状态(inphase)
I KB0 e
考虑自旋核运动 （如血流）时

TE T2
(1 e

TR T1
) (1 e
TR T1
I KB0 f (v) e
TE T2
)
I KB0 e
讨论：
TE T2
(1 e
在1.0T 磁场中不同组织的横向弛豫时间常数
T2*弛豫——有效横向弛豫
T2′弛豫效应——由于磁场不均匀性所 致横向弛豫效应 T2*弛豫——由T2弛豫效应和T2′弛豫效 应共同作用所产生的横向弛豫
1/ T2*=1/ T2′+1/ T2
T2 、 T2′和 T2* 衰减的关系
T2*加权又称磁敏感加权 磁敏感对比 MRI常采集T2*产生T2*加权图象，用 于发现具有磁化率不同的病灶
0=0
• 拉莫进动——核磁矩的进动 • 0取决于：原子核种类 外加磁场强度
二、磁共振现象
分子、原子或原子核能级在外磁场中劈裂后，当外界电 磁场（电磁波）的频率适当（光子能量适当）时，处于低能 态的分子、原子或原子核等吸收电磁波的能量跃迁至高能态， 这种现象称为磁共振现象。
h RF B gB N
纵向弛豫与纵向弛豫时间常数的关系 t=T1时, Mz/M0=1-e-1=63%
纵向磁化对比（组织对比）
各种组织在纵向磁化完全恢复之前， 已恢复的纵向磁化内产生的不同组织 T1不同而形成纵向磁化不同的现象。
不同组织的纵向弛豫时间常数
横向弛豫与横向弛豫时间常数的关系 t=T2时, MXY/M0=1/e=37%
I
自旋磁矩 原子核自旋运动产生的微观磁场
I
—磁旋比，磁矩与角动量之比

—约化普朗克常数
1.0545726 10 J s
34
净自旋 • 只有奇数质子或奇数中子数的原 子核产生的自旋磁矩 • 泡利不相容原理： 原子核内成对质子或中子的自旋 相互抵消
第一节：磁共振现象
核磁共振NMR的条件 原子核在进动中吸收外界能量产生能 级跃迁现象 外界能量 短射频脉冲激发源 射频磁场RF 自旋磁矩在主磁场中进动.
核磁共振NMR的条件 • 射频脉冲频率必须与磁场中自旋磁矩 的旋进频率相同，与宏观磁化M的固 有频率相同，与质子的拉莫频率相同。 • 射频对自旋系统做功，系统内能增加， 在RF激发下，宏观磁化矢量产生共 振—NMR。
磁共振成像
Magnetic resonance imaging, MRI
1.5T MRI
GE 2.0T OPEN MRI
磁共振成像
Magnetic resonance imaging, MRI
磁共振成像
Magnetic resonance imaging, MRI
T1 Weighted slice
L
2、自旋质子在磁场中的旋进
量子力学告诉我们，质子在磁场中形成定态时，有如图 所示的两种状态。这两种状态的能量不同。这称为自旋 核能级在外磁场中的劈裂。
无外加磁场时自旋的运动
• 磁化：磁场中样体在外磁场作用下，在 磁场方向上产生磁性的过程。 大小用磁化强度m表示 • 磁化率 ：样体在磁场中被磁化产生磁 化的能力。（磁敏感性）
VFID M 0 sin cos t e
t / T2*
自由感应衰减信号
• FID不包含位置信息 • FID 是NMR信号源 • FID又称自由进动衰减 • 自由进动——射频场作用停止后磁 化矢量M的运动
自旋回波的信号
1.自旋回波
静磁场的不均匀性所致的自旋磁 矩去相位效应T2′，可用180°翻转 脉冲重聚相位而产生回波信号。
m/ B
• 磁化强度来源：原子核自旋磁矩 核外电子分布*
自旋核磁矩在外加磁场中能量
自旋核的能级
自旋核的能级
量子化 • 自旋系统在外磁场作用下趋于磁场 方向 • 两种能态： 上旋—平行于磁场方向的核磁矩 低能态 E（+1/2） 下旋—反向磁场方向的核磁矩 高能态 E（-1/2）
磁场对自旋的量子化作用
与FID同相位的SE(Hahn回波）
与FID反相的SE(CPMG回波）
回波时间TE
自旋回波信号幅度随相位重聚达到峰 值的时间。
回波时间信号的变化
180°翻转脉冲只能使由于静磁场不 均匀所造成的自旋去相位产生相位重 聚
自旋回波信号的变化
四、弛豫时间的测量（自旋回波（SE)法）
在磁共振现象中， 物质的宏观磁化 强度及变化与自 旋核的密度、 T1、T2密切相关， 但这些信息不能 直接测出，只能 通过弛豫过程中 辐射的射频信号 来分析。
相位重聚——180°翻转脉冲作用后， 慢频率自旋磁矩在远位赶上快频率自 旋磁矩的过程 自旋回波信号——随着相位的重新 聚合， 产生的新的MR信号
Hahn回波——沿与激发脉冲垂直方向 施加180°翻转脉冲，所产生的回波。 回波在+Y 方向 CPMG自旋回波序列——沿激发脉冲方 向施加180°翻转脉冲，所产生的回 波。回波在-Y 方向
磁共振成像
Magnetic resonance imaging, MRI
磁共振成像
Magnetic resonance imaging, MRI 主要内容: 1、核磁共振原理 2、弛豫过程、特征量T1、T2的意义 3、MRI空间位置编码 4、磁共振信号
5、脉冲序列
6、图像的重建 7、磁共振成像的质量控制
Basic Quantum Mechanics Theory of MR
The Effect of Irradiation to the Spin System
Lower
Higher
Basic Quantum Mechanics Theory of MR
Spin System After Irradiation
两种能态自旋粒子分布
• 两种能态自旋粒子分布服从波尔兹曼分 公式 H :下旋态,上旋态
N (1/ 2) / N (1/ 2) e
E / kT
E E ( 1 / 2) E ( 1 / 2) B0
k—波尔兹曼常数，1.38×10-23Jk-1 T—绝对温度
两种能态自旋粒子分布
三、磁共振的宏观描述
B 1、磁化现象：作为宏观 物体，包含大量的自旋 磁矩，即大量的微小磁 体，但是，一般物体并 不对外显磁性，是由于 这些小磁体杂乱无章的 排列，磁性相互抵消， 对外不显磁性。在外磁 场的作用下，这些磁矩 有沿外磁场排列的趋势， 从而对外显磁性，这就 是我们熟知的磁化现象。
• 激发—射频磁场对自旋系统的作用 过程 • 核磁共振——原子核自旋系统吸收 相同频率的射频磁场能量而从平衡 态变为激发态的过程 • 系统激发后特征： MZ<M0；MXY0
T2 Weighted slice
原子核及其磁特性
一. 原子核的一般特性 • 同位素：质子数相同，中子数不 同的核构成的元素 1 2 3 H有三种同位素：1 H , 1H , 1H 1 • 1 H 只有质子，没有中子 • 临床MRI主要原子核 1H
自旋（spin)——MRI基础
自旋角动量 大小—原子核、 质子、中子数 方向—自旋轴
磁化强度矢量的弛豫过程
核磁化强度的运动-Bloch方程
核磁化强度的运动-Bloch方程
2、射频电磁波对样品的激励。
如图：在射频电磁 波旋转磁场的作用 下，磁化强度矢量 或宏观磁矩矢量沿 着如图所示的曲线 变化，从而改变了 宏观磁矩的大小和 方向。（在磁共振 中主要是改变方 向。）

角脉冲
一、旋进 （precession)：角动量受到一个与之垂直 的力矩的作用，角动量矢量沿一圆周转动的现象。
T L
Ω为进动角速度（反 映旋转轴转动的快 慢），T为力矩，L 为角动量（反映旋 转的快慢）。
自旋在磁场中的运动 1.进动
1、核的自旋磁矩
磁场对磁体的作用
磁矩可以理解为由于电荷转动 形成的小磁体磁性的强弱，显 然其与电荷转动的角动量有关， 同时与电荷的大小有关。
过T2，Mxy减少63%。由于磁矩之间的相互作用，各磁
矩的旋进速度不一样，从而使基本一致的取向逐渐消失， 变为在横向杂乱无章的排列，从而使横向磁化矢量减小 至最后为零。又称自旋——自旋弛豫。主要反应样品磁 环境的不均匀性。
M xy M xymaxe
t / T2
b.纵向弛豫：和主磁场方向平行的磁化矢量由零逐渐恢复 最大值的过程。满足下式，T1称为纵向弛豫时间，经过
射频（RF 电磁波）脉 冲使磁化矢 量偏离外磁 场方向的角 度，与脉冲 时间成正比。
Electromagnetic Excitation Pulse (RF Pulse)
Fo
FT
0
Time
Fo
t
Fo Fo+1/ t
Frequency FT
Fo
t
F= 1/ t
3、自由感应衰减信号（free induced decay, FID):射频脉冲停 止后样品的射频辐射。
T1，Mz恢复63%。这是由于热辐射的存在，从低能态跃
迁至高能态的磁矩逐渐跃迁至低能态，恢复平衡态。这一 驰豫过程常又称热弛豫或自旋——晶格弛豫。主要反映局 部的能量交换信息 。
M z M 0 (1 e
t / T1
)
一般说来，纵向弛豫时间远大于横向弛豫时间。而且，不 同的组织与器官的弛豫时间显著不同，从而对软组织及器 官有特殊的分辨能力。在主磁场为0.4~2T时，人体组织 T1~103ms，T2~102ms。
自由感应衰减信号 （free induction decay signal,FID)
射频脉冲停止→横向磁化矢量MXY在 X-Y平面以拉莫频率自由旋进 → 相位相干逐渐消失
→ MXY迅速衰减
M xy M 0 sin e
* t / T2
—翻转角
自由感应衰减信号FID——
以拉莫频率在X-Y平面内自由旋 进的横向磁化矢量，在线圈内感 应出与拉莫频率相同、幅度快速 衰减的MR的波动信号
TR T1
)
自由衰减速信号包含了，T1，T2信息。
不同时刻测得的信号各因素起的作用（权重）不一样。 可以通过不同时刻测得的自由衰减信号联立解方程求出 上述三个物理量。这就是核磁共振成像的数理基础。
（1）弛豫过程（relaxation process)：磁矩在射频场结束后，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。这一过程将发生相对独立的纵向弛豫和横向弛豫。 下面以90度脉冲后弛豫过程加以说明。
a.横向弛豫：在垂直于主磁场的横向磁化矢量由初始值 逐渐复零的过程。满足下式，T2称为横向弛豫时间，经