醫(yī)學(xué)成像技術(shù)課件-NMR

MedicalImagingTechnology核磁共振角動(dòng)量與進(jìn)動(dòng)原子核的自旋及磁矩微觀核磁共振核磁共振現(xiàn)象的宏觀描述MedicalImagingTechnology角動(dòng)量與進(jìn)動(dòng)角動(dòng)量angularmomentum右手螺旋定理MedicalImagingTechnology角動(dòng)量與進(jìn)動(dòng)MedicalImagingTechnology原子核的自旋及磁矩原子的結(jié)構(gòu)核子：質(zhì)子和中子自旋(Pauli,1924)MedicalImagingTechnology原子核的自旋及磁矩質(zhì)子帶正電荷，它們像地球一樣在不停地繞軸旋轉(zhuǎn)，并有自己的磁場(chǎng)。核子的自旋核子的自旋角動(dòng)量：核子的固有角動(dòng)量與軌道角動(dòng)量的矢量和。MedicalImagingTechnology原子核的自旋及磁矩核子的磁矩MedicalImagingTechnology原子核的自旋及磁矩磁性和非磁性原子核并非所有原子核的自旋運(yùn)動(dòng)均能產(chǎn)生核磁，根據(jù)原子核內(nèi)中子和質(zhì)子的數(shù)目不同，不同的原子核產(chǎn)生不同的核磁效應(yīng)。如果原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均為偶數(shù)，則這種原子核的自旋并不產(chǎn)生核磁，我們稱這種原子核為非磁性原子核。反之，我們把自旋運(yùn)動(dòng)能夠產(chǎn)生核磁的原子核稱為磁性原子核。磁性原子核需要符合以下條件：（1）中子和質(zhì)子均為奇數(shù)；（2）中子為奇數(shù)，質(zhì)子為偶數(shù)；（3）中子為偶數(shù)，質(zhì)子為奇數(shù)。詳見Page100MedicalImagingTechnology原子核的自旋及磁矩氫核用于人體磁共振成像的原子核為氫核（1H），選擇1H的理由有：（1）1H是人體中最多的原子核，約占人體中總原子核數(shù)的2/3以上；（2）1H的磁化率在人體磁性原子核中是最高的。1H是氫原子核，僅有一個(gè)質(zhì)子而沒有中子，由于人體MR圖像一般采用1H作為成像對(duì)象，因此除非特殊說明，一般所指的MR圖像即為1H的共振圖像。MedicalImagingTechnology微觀核磁共振當(dāng)將自旋核子置于外磁場(chǎng)B中會(huì)怎樣？什么是共振？什么是核磁共振？MedicalImagingTechnology微觀核磁共振當(dāng)將自旋核子置于外磁場(chǎng)B中的兩個(gè)效應(yīng)：核繞B旋進(jìn)能級(jí)劈裂MedicalImagingTechnology微觀核磁磁共振核繞B旋進(jìn)v:進(jìn)動(dòng)動(dòng)頻率（（Larmor頻率率），Hzγ：磁旋旋比，Hz/TB0：外磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)度,T對(duì)于1H，當(dāng)B0＝＝1T時(shí)時(shí)，v約為42.5MHZLarmor方方程MedicalImagingTechnology微觀核磁磁共振能級(jí)劈裂裂核子在外外磁場(chǎng)中中的排列列MedicalImagingTechnology微觀核磁磁共振共振音叉的共共振物理學(xué)上上，共振振被定義義為能量量從一個(gè)個(gè)振動(dòng)著著的物體體傳遞到到另一個(gè)個(gè)物體，，而后者者以前者者相同的的頻率振振動(dòng)。從從這個(gè)概概念可以以看出，，共振的的條件是是相同的的頻率，，實(shí)質(zhì)是是能量的的傳遞。。MedicalImagingTechnology微觀核磁磁共振共振交換換能量MedicalImagingTechnology微觀核磁磁共振核磁共振振NuclearMagneticResonance(NMR)給處于主主磁場(chǎng)中中的樣品品施加射射頻電磁磁波，如如果該射射頻電磁磁波的能能量正好好等于原原子核能能級(jí)劈裂裂的間距距時(shí)，就就會(huì)出現(xiàn)現(xiàn)樣品中中的核子子強(qiáng)烈吸吸收電磁磁波能量量，從劈劈裂后的的低能級(jí)級(jí)向相鄰鄰的高能能級(jí)躍遷遷的現(xiàn)象象。MedicalImagingTechnology微觀核核磁共共振射頻電電磁波波（RadioFrequency，RF））0.1～300兆赫赫MedicalImagingTechnology微觀核核磁共共振核磁共共振產(chǎn)產(chǎn)生的的條件件MedicalImagingTechnology核磁共共振現(xiàn)現(xiàn)象的的宏觀觀描述述大量自自旋核核子置置于外外磁場(chǎng)場(chǎng)B中中會(huì)有有怎樣樣的宏宏觀效效應(yīng)？？如何獲獲得NMR信號(hào)號(hào)？MRI檢查查的步步驟是是怎樣樣的？？MedicalImagingTechnology核磁共共振現(xiàn)現(xiàn)象的的宏觀觀描述述矢量和和－磁磁化強(qiáng)強(qiáng)度MedicalImagingTechnology核磁共共振現(xiàn)現(xiàn)象的的宏觀觀描述述矢量和和－磁磁化強(qiáng)強(qiáng)度用一個(gè)個(gè)箭頭頭【矢矢量】】表示示核子子A的的磁磁矩，，它可可被看看作來來源于于兩部部分：：一部部分指指向Z軸軸，一一部分分指向向丫軸軸。Y軸軸的磁磁矩被被核子子A’’所抵抵消，，因質(zhì)質(zhì)子A，也也有一一部分分磁矩矩來源源于Y軸軸，但但方向向相反反。其它核核子也也是如如此，，例如如B與與B’沿沿X軸軸上上的磁磁矩互互相抵抵消。。與X－Y平平面互互相抵抵消的的磁矩矩相比比，Z軸軸上的的矢量量指向向同一一方向向，迭迭加起起來形形成一一個(gè)新新的，，指向向上方方的磁磁化強(qiáng)強(qiáng)度矢矢量M。MedicalImagingTechnology核磁共共振現(xiàn)現(xiàn)象的的宏觀觀描述述NMR信號(hào)號(hào)的獲獲得因此，，人體體進(jìn)入入主磁磁場(chǎng)后后被磁磁化了了，但但沒有有宏觀觀橫向向磁化化矢量量產(chǎn)生生，僅僅產(chǎn)生生了宏宏觀的的縱向向磁化化矢量量，某某一組組織（（或體體素））產(chǎn)生生的宏宏觀矢矢量的的大小小與其其含有有的質(zhì)質(zhì)子數(shù)數(shù)有關(guān)關(guān)，質(zhì)質(zhì)子含含量越越高則則產(chǎn)生生宏觀觀縱向向磁化化矢量量越大大。我我們可可能認(rèn)認(rèn)為MRI已經(jīng)經(jīng)可以以區(qū)分分質(zhì)子子含量量不同同的組組織了了。然然而遺遺憾的的是MRI儀的的接收收線圈圈并不不能檢檢測(cè)到到宏觀觀縱向向磁化化矢量量，也也就不不能檢檢測(cè)到到這種種宏觀觀縱向向磁化化矢量量的差差別。。那么么接收收線圈圈能夠夠檢測(cè)測(cè)到怎怎樣的的宏觀觀磁化化矢量量呢？？接受線線圈能能夠檢檢測(cè)到到的是是旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的宏宏觀橫橫向磁磁化矢矢量，，因?yàn)闉樾D(zhuǎn)轉(zhuǎn)的宏宏觀橫橫向磁磁化矢矢量可可以切切割接接收線線圈產(chǎn)產(chǎn)生電電信號(hào)號(hào)。那那么如如何才才能產(chǎn)產(chǎn)生接接收線線圈能能夠探探測(cè)到到的旋旋轉(zhuǎn)宏宏觀橫橫向磁磁化矢矢量呢呢？MedicalImagingTechnology核磁共共振現(xiàn)現(xiàn)象的的宏觀觀描述述射頻脈脈沖MedicalImagingTechnology核磁共共振現(xiàn)現(xiàn)象的的宏觀觀描述述射頻脈脈沖的的作用用當(dāng)施加加與質(zhì)質(zhì)子進(jìn)進(jìn)動(dòng)頻頻率相相同的的RF脈沖沖，則則引起起兩種種效應(yīng)應(yīng)：一些質(zhì)質(zhì)子吸吸收能能量后后躍遷遷至高高能態(tài)態(tài)，使使縱向向磁化化減少少。質(zhì)子同同步化化，開開始以以同相相進(jìn)動(dòng)動(dòng)，其其矢量量也在在橫向向于外外磁場(chǎng)場(chǎng)的方方向上上迭加加起來來，產(chǎn)產(chǎn)生橫橫向磁磁化。。總之，，RF脈沖沖引起起縱向向磁化化強(qiáng)度度減少少，產(chǎn)產(chǎn)生一一個(gè)新新的橫橫向磁磁化強(qiáng)強(qiáng)度矢矢量MedicalImagingTechnology核磁共共振現(xiàn)現(xiàn)象的的宏觀觀描述述射頻脈脈沖的的作用用MedicalImagingTechnology核磁共共振現(xiàn)現(xiàn)象的的宏觀觀描述述射頻脈脈沖的的作用用MedicalImagingTechnology核磁共共振現(xiàn)現(xiàn)象的的宏觀觀描述述射頻脈脈沖的的作用用90°°脈沖沖和180°脈脈沖MedicalImagingTechnology核磁共共振現(xiàn)現(xiàn)象的的宏觀觀描述述馳豫（（Relaxation)RF脈脈沖沖一旦旦中止止，由由脈沖沖引起起的系系統(tǒng)改改變很很快就就回到到原來來靜止止時(shí)的的狀態(tài)態(tài)，即即發(fā)生生弛豫豫。新新建立立起來來的橫橫向磁磁化矢矢量開開始消消失，，縱向向磁化化恢復(fù)復(fù)到原原來的的大小小。橫向弛豫(TransverseRelaxation）縱向弛豫(LongitudinalRelaxation)MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述馳豫過程MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述馳豫信號(hào)的的接收FID信號(hào)號(hào)MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述縱向馳豫MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述縱向馳豫從RF脈沖沖吸收的能能量被傳遞遞到周圍的的晶格（1attice），，轉(zhuǎn)化為熱熱運(yùn)動(dòng)。這這就是為什什么這一過過程不僅叫叫縱向弛豫豫，也叫自自旋――晶晶格弛豫（（spin-1attice-relaxation））的原因。。MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述縱向馳豫時(shí)時(shí)間T163％MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述橫向馳豫MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述橫向馳豫每一核子都都受到鄰近近核小磁場(chǎng)場(chǎng)的影響，，這些核分分布不均勻勻，因而也也導(dǎo)致不同同的進(jìn)動(dòng)頻頻率。這些些內(nèi)磁場(chǎng)的的差異可以以某種方式式作為一種種組織的特特征。這樣樣，RF脈脈沖中止止后，質(zhì)子子不再被強(qiáng)強(qiáng)制停留在在同步狀態(tài)態(tài)，它們具具有不同的的進(jìn)動(dòng)頻率率，很快失失去了相位位一致性。。由于是核核子自旋———自旋相相互作用（（spin-spin-interaction），也也稱為自旋旋——自旋旋弛豫（spin-spin-relaxation））。MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述橫向馳豫時(shí)時(shí)間T237％MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述T1和T2的特性比比較縱向弛豫時(shí)時(shí)間與橫向向弛豫時(shí)間間是不同的的；T1大約2－10倍倍于T2。或者以以生物組織織的絕對(duì)值值：T1大大約為300－2000毫秒秒，T2大大約為30－150毫秒。。T1不依賴賴進(jìn)動(dòng)T2不依賴賴于場(chǎng)強(qiáng)MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述T1和T2的特性比比較MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述T1和T2的特性比比較MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述T1和T2的特性比比較與液體／水水相比，脂脂肪具有短短T1與短短T2。因因?yàn)椋篢1依賴組組織的成分分、結(jié)構(gòu)和和環(huán)境。當(dāng)晶格由純純液體／水水組成時(shí)，，核子難于于丟失它們們的能量，，因?yàn)樾〉牡乃肿舆\(yùn)運(yùn)動(dòng)太快。。處于高能能級(jí)狀態(tài)的的核子不能能把它們的的能量最迅迅速傳給周周圍晶格，，只能慢慢慢地回到原原來的低能能級(jí)水平，，即縱向排排列。因此此，縱向磁磁化重新出出現(xiàn)需要較較長(zhǎng)時(shí)間，，這意味著著液體／水水具有長(zhǎng)T1s。當(dāng)晶格由中中等大小的的分子組成成（體內(nèi)多多數(shù)組織可可被看作是是含有不同同大小分子子的液體，，有點(diǎn)兒像像湯），這這些分子運(yùn)運(yùn)動(dòng)、磁場(chǎng)場(chǎng)波動(dòng)接近近進(jìn)動(dòng)核子子的Larmor頻頻率時(shí)，，能量轉(zhuǎn)遞遞要快得多多，因此T1短。脂肪酸末端端的碳鍵接接近Larmor頻頻率，所以以能量轉(zhuǎn)遞遞十分有效效。如果B大，，T1會(huì)如如何？MedicalImagingTechnology核磁共振現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀觀描述T1和T2的特性比比較與液體／水水相比，脂脂肪具有短短T1與短短T2。因因?yàn)椋汉俗邮ハ嘞辔灰恢滦孕詴r(shí)，發(fā)生生T2弛弛豫。已經(jīng)經(jīng)知道，核核子失去相相位一致性性有兩個(gè)原原因，即外外磁場(chǎng)不均均勻性和組組織內(nèi)局部部磁場(chǎng)不均均勻性。當(dāng)當(dāng)水分子非非常迅速地地運(yùn)動(dòng)時(shí)，，其局部磁磁場(chǎng)波動(dòng)非非常快，平平均場(chǎng)強(qiáng)為為零，內(nèi)部部磁場(chǎng)在各各處也就沒沒有多大差差別。因此此，如果一一種組織的的內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)沒有多大大差別時(shí)，，核子的同同步化狀態(tài)態(tài)就能維持持較長(zhǎng)時(shí)間間，T2也也就較長(zhǎng)。。對(duì)于于不不純純液液體體，，如如含含有有大大分分子子的的液