核磁共振成像PPT學習教案

1、會計學1核磁共振成像核磁共振成像第1頁/共31頁u1924年： Pauli 預言了NMR 的基本理論,斯特恩和蓋拉赫在原子束實驗中觀察到了鋰原子和銀原子的磁偏轉。斯特恩等人測量了質子的磁距u1939年： 拉比第一次做了核磁共振實驗u1946年： Harvard 大學的Purcel和Stanford大學的Bloch各自首次發(fā)現(xiàn)并證實NMR現(xiàn)象u1953年：Varian開始商用儀器開發(fā)，同年制作了第一臺高分辨NMR 儀u1956年：Knight發(fā)現(xiàn)元素所處的化學環(huán)境對NMR信號有影響,且與物質分子結構有關 u1970年：Fourier-NMR 開始市場化（早期多使用的是連續(xù)波 NMR 儀器）u19

2、73年：核磁共振技術被引入醫(yī)學臨床檢測u1991年：Ernst 高分辨核磁共振波譜學方法方面 u2002年：瑞士核磁共振波譜學家維特里希，用多維NMR技術在測定溶液中蛋白質結構的三維構象方面的開創(chuàng)性研究u2003年：美國科學家勞特勞爾于1973年發(fā)明在靜磁場中使用梯度場，能夠獲得磁共振信號的位置，可以得到物體的二維圖像；英國科學家曼斯菲爾德進一步發(fā)展，指出磁共振信號可以用數(shù)學方法精確描述，他發(fā)展的快速成像方法為醫(yī)學磁共振成像臨床診斷打下了基礎。核磁共振發(fā)展史核磁共振發(fā)展史第2頁/共31頁2003年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予美國科學家勞特布爾（圖左）和英國科學家曼斯菲爾德（圖右） 1952年諾貝爾

3、物理學獎授予美國科學家布洛赫（圖左）和波賽爾（圖右）1991年諾貝爾化學獎授予瑞士物理學家艾斯特1944年諾貝爾物理學獎授予美國科學家拉比2002年諾貝爾化學獎授予美日瑞士三國科學家芬恩 （圖左），田中耕一（圖中），維特里希（圖右） 1943年諾貝爾物理學獎授予美國科學家斯特恩核磁共振發(fā)展史核磁共振發(fā)展史第3頁/共31頁醫(yī)用核磁共振成像儀器及通用系統(tǒng)框圖醫(yī)用核磁共振成像儀器及通用系統(tǒng)框圖引用：第4頁/共31頁第5頁/共31頁第6頁/共31頁0()2IpegEBm磁旋比l磁場中的核能級間距: l研究對象: 自旋量子數(shù)0 的原子核uLarmor頻率: 0B(1)JIII 在磁場中 有2種取向00(

4、,1,1, )EBB mmIIII l磁場中核能級分裂: l自旋角動量: 第7頁/共31頁u熱平衡，各能級粒子數(shù)服從玻爾茲曼分布，宏觀磁化強度M： 00220e(1)3eIBkmmIImTBTmIkmNI IMBTNk12N12N0B0M12I 12I u對氫原子核磁共振研究第8頁/共31頁iiM00121()xyzM iM jMMdMMBBkdtTT 0021xyzM iM jMMdMMBkdtTT 旋轉坐標系（xy平面均勻分布，相互抵消）: 000cos()sin()xyztdBtdtconst u 一個核： u 多個核： 0BXYZZM0BXYZZM1B1B第9頁/共31頁核磁共振信號的

5、弛豫u自旋體系可以與周圍環(huán)境相互作用u在低能態(tài)上的核躍遷到高能態(tài)的同時，高能態(tài)的核向周圍環(huán)境轉移能量，及時地恢復到低能態(tài)，核體系仍然保持低能態(tài)核數(shù)目比高能態(tài)微弱過剩的熱平衡狀態(tài)，維持玻爾茲曼分布，從而保證了共振吸收的繼續(xù)進行u這種不經過輻射而回到低能態(tài)的過程叫弛豫u自旋核從共振激發(fā)狀態(tài)恢復到平衡狀態(tài)所需要的時間為弛豫時間第10頁/共31頁從激發(fā)狀態(tài)恢復到Boltzmann平衡的過程就是馳豫過程ElN NkThe 馳豫（relaxation）種類第11頁/共31頁 馳豫（relaxation）種類注：晶格是泛指包含有自旋核的整個自旋分子體系，也可以說它是構成質子和原子的外在環(huán)境第12頁/共31頁

6、12111TTTl馳豫時間決定核在高能級上的平均壽命馳豫時間決定核在高能級上的平均壽命T，由下式，由下式 知知T取決于取決于T1及及T2之較小者之較小者第13頁/共31頁橫向馳豫過程中，各種取向的核總數(shù)沒有變化，是一個相位發(fā)散的過程。在均勻磁場中，被激發(fā)的瞬間，核具有相同的進動頻率。在自旋自旋耦合的作用下，導致頻散，失去同步，進而產生相散。局部磁場的非均勻性會改變質子的進動頻率，進而加速相散，加快橫向馳豫。第14頁/共31頁 自旋-晶格弛豫時間（T1）u核磁共振中，自旋體系因受到射頻波的激勵而失去平衡u射頻場關斷后，借自旋-晶格弛豫而恢復玻爾茲曼平衡。弛豫快慢遵循指數(shù)遞增規(guī)律，把從0增大到最大

7、值的63%所需時間定義為縱向馳豫時間影響T1時間的因素uT1與靜磁場的強度大小有關，一般靜磁場強度越大， T1就大uT1長短還取決于組織進行能量傳遞的有效性u大分子、小分子的共振頻率與拉莫爾頻率差別較大，能量傳遞有效差，T1較長u中等分子（脂肪）的共振頻率接近于拉莫爾頻率，能量傳遞有效好，T1較短第15頁/共31頁影響T2的因素u不同成分和結構的組織T2不同，例如水的T2值要比固體的T2值長。uT2與磁場強度無關uT2的長短取決于組織內部的局部小磁場的均勻性對小磁化散相的有效性均勻性越好（水），散相效果越差，T2越長；越不均勻（肌肉），散相越快，T2越短第16頁/共31頁u組織含水量組織含水量

8、組織含水量是決定組織間弛豫率差異的主要因素。含水量下降則弛豫加快，反之弛豫變慢。任何使組織水量變化的化學物理環(huán)境均可導致組織弛豫的變化。u水的雜亂運動水的雜亂運動不同的大分子可對其表面上水分子的運動產生不同程度的擾亂，使附件水的運動狀態(tài)發(fā)生變化，這是造成T1，T2差異的另一個重要原因。u脂肪的含量脂肪的含量脂肪具有疏水性，使其中的氫質子得以與水中的氫質子分開。當脂肪與肌肉和肝臟等組織或器官一起分布時，仍能表現(xiàn)出很好的弛豫特性來是MRI具有極高軟組織對比度的組織學基礎。u順磁性粒子的作用順磁性粒子的作用順磁粒子對核磁共振的弛豫有很大影響。在樣品中摻入少量順磁粒子，由于其總磁矩不為零，它所產生的局

9、部場要比自旋核的強得多。如此強的局部場會使自旋核的弛豫加快。第17頁/共31頁空間定位核磁共振成像原理核磁共振成像原理u 頻率編碼梯度（Gf）u相位編碼梯度 （Gp）u 原理：用一個梯度磁場作為層面選擇梯度（slice select gradient），確定掃描層面，然后用另外兩個梯度磁場來確定層面內的坐標位置。通過三個梯度的不同組合，MRI 可以實現(xiàn)任意層面斷層成像u 選層梯度磁場（Gs）引用：correction of rotational motion artifacts in magnetic resonance imaging第18頁/共31頁uRF的頻帶寬度與梯度場強度共同決定層厚

10、u選層的厚度取決于兩個因素：選層梯度的強度（梯度場的斜率）、激勵射頻的頻率范圍（射頻帶寬）u層厚與射頻帶寬成正相關：射頻頻率范圍越大，能夠激發(fā)的質子層面越厚，反之越薄核磁共振成像原理核磁共振成像原理第19頁/共31頁核磁共振成像原理核磁共振成像原理空間定位-頻率編碼原理圖u 利用Gx和Gy對該層面內的 x 和 y 方向進行平面內的空間定位,Gx和Gy分別叫做頻率編碼梯度（frequency encoding gradient）和相位編碼梯度（phase encoding gradient）第20頁/共31頁u 利用相位編碼梯度造成氫核有規(guī)律的相位差，利用該相位差來確定體素在某一個方向的空間位置

11、信息核磁共振成像原理核磁共振成像原理空間定位-相位編碼原理yyy= yGoytByGtt后體素進動相位：相位差：第21頁/共31頁u核磁共振成像的種類：核磁共振成像的種類：T1成像、成像、T2成像、密度成像成像、密度成像12/21121221(,)()(1)TR TTE TS TE TRN HeeTETTRTTTETTRTTTETTRT密度加權：，加權像：，加權像：，u最常用的圖像重建算法：最常用的圖像重建算法： FFT （快速傅里葉變換）（快速傅里葉變換）自旋回波序列信號： u將人體組織發(fā)出的微弱核磁共振信號重建成二維斷面圖像將人體組織發(fā)出的微弱核磁共振信號重建成二維斷面圖像 點成像法：對每

12、個組織體素信號逐一進行測量成像的方法 線成像法：一次采集一條掃描線數(shù)據(jù)的方法 面成像法：同時采集整個斷面數(shù)據(jù)的方法 體成像法：施加兩維的相位編碼梯度和一維的頻率編碼梯度同時對組織進行整個三維體積的數(shù)據(jù)采集和成像方法（不使用選層梯度進行面的選擇）核磁共振成像原理核磁共振成像原理磁共振圖像重建第22頁/共31頁核磁共振成像原理核磁共振成像原理K空間u MRI成像時，需要多次射頻激發(fā)采集多行數(shù)據(jù)，將采集到的原始信號數(shù)據(jù)填入到一個矩陣中，稱為K空間u 該空間內的數(shù)據(jù)對應的是空間位置的空間頻率數(shù)據(jù)u 利用該空間內的數(shù)據(jù)經過傅里葉反變換，可以得到圖像數(shù)據(jù)u K空間中的數(shù)據(jù)點陣與圖像的點陣不是一一對應的，每

13、一個點包括了全層信息第23頁/共31頁u二維成像是用方向正交的相位編碼梯度和頻率編碼梯度進行空間編碼u三維成像是利用三個相互正交的磁場梯度實現(xiàn)空間編碼，它增加一個與層面方向垂直的相位編碼梯度以實現(xiàn)第三個方向上的空間編碼。一次性激勵整個成像容積u三維圖像重建或容積成像是通過擴展二維成像平面中的空間編碼方向來實現(xiàn)的核磁共振成像原理核磁共振成像原理核磁共振成像圖像重建第24頁/共31頁u 根據(jù)核磁共振的基本原理結合計算機斷層圖像重建原理而開發(fā)的一種影像診斷設備u 線圈向樣品發(fā)射電磁波，通過調制振蕩器使射頻電磁波的頻率在樣品共振頻率附近連續(xù)變化。當頻率正好與核磁共振頻率吻合時，射頻振蕩器的輸出就會出現(xiàn)

14、一個吸收峰。同時由頻率計即刻讀出這時的共振頻率值u 探頭置于磁極之間，用于探測核磁共振信號u 譜儀是將共振信號放大處理并顯示和記錄下來核磁共振成像各系統(tǒng)框圖及連接引用：百度圖片關鍵詞“核磁 系統(tǒng)”第25頁/共31頁核磁共振成像系統(tǒng)核磁共振成像系統(tǒng)磁體子系統(tǒng)磁體子系統(tǒng)第26頁/共31頁u射頻發(fā)射單元射頻發(fā)射單元射頻線圈的射頻線圈的主要性能指標主要性能指標：信噪比、靈敏度、射頻均勻性、品質因素、填充系數(shù)、有效范圍：信噪比、靈敏度、射頻均勻性、品質因素、填充系數(shù)、有效范圍射頻子系統(tǒng)射頻子系統(tǒng)核磁共振成像系統(tǒng)核磁共振成像系統(tǒng)u信號接收單元信號接收單元第27頁/共31頁u 梯度磁場是在主磁場上附加的梯度磁場，可以單梯度，可以雙梯度，可以在X，Y，Z軸上設立。雙梯度就是梯度轉換更快。梯度磁場的用處主要在空間定位，包括相位編碼及頻率編碼，可以通過梯度場明確空間上的任意位置。u 梯度磁場的主要參數(shù)：線性、均勻容積；梯度磁場的啟動時間；梯度磁場的強度核磁共振成像系統(tǒng)核磁共振成像系統(tǒng)梯度磁場子系統(tǒng)梯度磁場子系統(tǒng)引用：百度圖片關鍵詞“核磁共振 梯度磁場”第28頁/共31頁核磁共振成像系統(tǒng)核磁共振成像系統(tǒng)譜儀及計算機系統(tǒng)譜儀及計算機系統(tǒng)u譜儀是將共振信號放大