核磁共振報告

核磁共振報告人：陳佳、龔如雪、劉怡茗目錄核磁共振原理核磁共振發(fā)展史磁共振成像設(shè)備及發(fā)展磁共振成像技術(shù)磁共振特點核磁共振原理4原理一、什么是NMRNMR的研究對象磁性核與電磁波的相互作用圖1:(1)無外加磁場時，樣品中的磁性核任意取向。

(2)放入磁場中，核的磁角動量取向統(tǒng)一，與磁場方向 平行或反平行5原理圖2:(1)無外加磁場時，磁性核的能量相等。

(2)放入磁場中，有與磁場平行（低能量）和反平行（高能量）兩種，出現(xiàn)能量差E=h。6原理用能量等于E的電磁波照射磁場中的磁性核，則低能級上的某些核會被激發(fā)到高能級上去(或核自旋由與磁場平行方向轉(zhuǎn)為反平行)，同時高能級上的某些核會放出能量返回低能級，產(chǎn)生能級間的能量轉(zhuǎn)移，此即共振。NMR利用磁場中的磁性原子核吸收電磁波時產(chǎn)生的能級分裂與共振現(xiàn)象。NSNSSNNS7原理自旋角動量與磁矩磁矩1.原子核的自旋若原子核存在自旋，產(chǎn)生核磁矩二、共振基礎(chǔ)8原理

原子核荷正電，當其繞軸旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生電流，周圍形成磁場，使得原子核存在磁距μ。 磁距μ與自旋角動量P成正比，比例常數(shù)為

： =P

稱為磁旋比，原子核的磁矩與自旋角動量之比稱為磁旋比，是原子核的重要屬性但是，不是所有的原子核都有磁性。磁性核：109種元素所有的核均帶電荷，有些核具有角動量，即其電荷可以繞自旋軸自轉(zhuǎn)(似帶電的陀螺)9自旋角動量：I：自旋量子數(shù)；h：普朗克常數(shù)；自旋角動量P是量子化的，可用自旋量子數(shù)I表示:I為整數(shù)、半整數(shù)或零;I0的核為磁性核，可以產(chǎn)生NMR信號。I=0的核為非磁性核，無NMR信號。

原子核組成(質(zhì)子數(shù)p與中子數(shù)n)與自旋量子數(shù)I的經(jīng)驗規(guī)則：p與n同為偶數(shù)，I=0。如12C,16O,32S等。p+n=奇數(shù)，I=半整數(shù)(1/2,3/2等)。如1H,13C,15N,17O,31P等。p與n同為奇數(shù)，I=整數(shù)。如2H,6Li等。10原理2.核磁共振現(xiàn)象

自旋量子數(shù)I=1/2的原子核（氫核），可當作電荷均勻分布的球體，繞自旋軸轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生磁場，類似一個小磁鐵。

當置于外加磁場H0中時，相對于外磁場，可以有（2I+1）種取向：氫核（I=1/2），兩種取向（兩個能級）：

(1)與外磁場平行，能量低，磁量子數(shù)ｍ＝＋1/2;(2)與外磁場相反，能量高，磁量子數(shù)ｍ＝－1/2;

兩種取向不完全與外磁場平行，＝54°24’和125°36’11原理

當原子核的核磁矩處于外加磁場H0

中，由于核自身的旋轉(zhuǎn)，而外加磁場又力求它取向于磁場方向，在這兩種力的作用下，核會在自旋的同時繞外磁場的方向進行回旋，這種運動稱為Larmor(拉莫進動)。

拉莫進動進動頻率

0；角速度0；0=20=B0

磁旋比；B0外磁場強度；兩種進動取向不同的氫核之間的能級差：E=B0

（磁矩）12進入主磁場后質(zhì)子核磁狀態(tài)質(zhì)子自旋產(chǎn)生小磁場可以分解成兩個部分：1）沿主磁場方向（Z軸）的恒定磁化分矢量2）在X,Y平面旋轉(zhuǎn)的橫向磁化分矢量縱向磁化分矢量產(chǎn)生一個與主磁場同向的宏觀縱向磁化矢量；橫向磁化分矢量相互抵消，因而沒有宏觀橫向矢量產(chǎn)生

對于氫核，能級差：E=B0

（磁矩）產(chǎn)生共振需吸收的能量：E=B0=h0由拉莫進動方程：0=20=B0;共振條件：0=

B0/(2)13磁共振現(xiàn)象磁場中旋轉(zhuǎn)的原子核有一個特點，即可以吸收頻率與其旋轉(zhuǎn)頻率相同的電磁波，使原子核能量增加，當原子核恢復原狀時，就會把多余的能量以電磁波的形式釋放，這種現(xiàn)象稱為磁共振現(xiàn)象;給主磁場中的樣本一個與待測核進動頻率相同的射頻脈沖，射頻脈沖的能量將傳遞給處于低能級的質(zhì)子，使其躍遷到高能級，使宏觀磁矢量發(fā)生偏轉(zhuǎn)；偏轉(zhuǎn)的角度與射頻脈沖的能量有關(guān)，能量越大偏轉(zhuǎn)角度越大，而射頻脈沖能量的大小與脈沖強度及持續(xù)時間有關(guān)。原理14原理產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象的基本條件核磁共振信號產(chǎn)生三個基本條件：1．能夠產(chǎn)生共振躍遷的原子核；2．恒定的靜磁場（外磁場、主磁場）；3．誘發(fā)共振的射頻磁場，

0=

B0/(2)。核：共振躍遷的原子核磁：主磁場B0和射頻磁場共振：當射頻磁場的頻率與原子核進動的頻率一致時原子核吸收能量，發(fā)生能級間的共振躍遷。15原理磁共振層面定位在Z向施加梯度后，垂直于Z軸的所有層面均有不同的共振頻率：Z=γ(B0+ZGZ)選擇性激勵的原理：用一個有限頻寬(窄帶)的射頻脈沖僅對共振頻率在該頻帶范圍的質(zhì)子進行共振激發(fā)即可實現(xiàn)層面定位。核磁共振成像：NuclearMagneticResonanceImaging，NMRI全稱是核磁共振電子計算機斷層掃描術(shù)。根據(jù)生物磁性核的核磁共振特性進行成像的新技術(shù)。由于“核”字敏感，常稱作MRI核磁共振發(fā)展史17NMR發(fā)展史1924年：PauliW.假設(shè)特定的原子核具有自旋和磁矩，放入磁場中會產(chǎn)生能級分裂斯恩特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(zhuǎn)。隨后斯特恩等人測量了質(zhì)子的磁矩，斯恩特于1943年獲得諾貝爾物理獎1939年：拉比第一次做了核磁共振實驗，并于1944年獲得諾貝爾物理獎1946年：Harvard大學的Purcell和Stanford大學的Bloch各自首次發(fā)現(xiàn)并證實NMR現(xiàn)象，并于1952年，分享了諾貝爾物理獎1953年：Varian開始商用儀器開發(fā)，并于同年制作了第一臺高分辨NMR儀1970年：Fourier（pilsed）-NMR開始市場化1973年：引入到醫(yī)學臨床檢測18MRI發(fā)展史1946年美國哈佛大學的E.Purcell及斯坦福大學的F.Bloch領(lǐng)導的兩個研究小組各自獨立的發(fā)現(xiàn)了磁共振現(xiàn)象。Purcell和Bloch共同獲得了1952年的諾貝爾物理學漿1968年：Jockson試制全身磁共振1971年：美國紐約州立大學額R.Damadian利用磁共振波譜儀對小鼠研究發(fā)現(xiàn)，癌變組織的T1，T2弛豫時間比正常組織長1973年：美國紐約州立大學的Lauterbur利用梯度磁場進行空間定位，獲得兩個充水試管的第一幅磁共振圖像1978年：英國獲得了第一幅人體頭部的磁共振圖像1980年：第一幅人體胸腹部MR圖像產(chǎn)生，磁共振設(shè)備商品化1982年：美國FDA批準磁共振使用于臨床……磁共振成像設(shè)備NMR核磁共振波普儀廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)：物理化學確定化學結(jié)構(gòu)、混合物成分分析等生物醫(yī)藥藥物設(shè)計、蛋白質(zhì)卷曲折疊動力學過程等礦業(yè)研究煤炭的煤階（煤的變質(zhì)程度）農(nóng)業(yè)研究測定土壤中動植物的腐殖物研究土壤起源等磁共振成像（MRI）設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)磁體系統(tǒng)、梯度磁場系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)磁體梯度線圈射頻線圈梯度控制梯度驅(qū)動接受通道發(fā)射通道脈沖程序計算機顯示器存儲器MRI設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)磁體系統(tǒng)、梯度磁場系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)磁體系統(tǒng)磁體系統(tǒng)是磁共振成像系統(tǒng)最重要、成本最高的部件，是磁共振系統(tǒng)中最強大的磁場。評論磁共振設(shè)備的大小就是指靜磁場的場強數(shù)值，單位用特斯拉（Tesla，簡稱T）

或高斯（Gauss）表示，1T=1萬高斯。臨床上磁共振成像要求磁場強度在0.05～3T范圍內(nèi)。一般將≤0.3T稱為低場，0.3T～1.0T稱為中場，＞1.0T稱為高場。磁場強度越高，信噪比越高，空間分辨率越高，圖像質(zhì)量越好。但磁場強度過高也會導致圖象對比度分辨率較低。為了獲得不同場強的磁體，生產(chǎn)廠商制造出了不同類型的磁體，常見的磁體有永久磁體、常導磁體和超導磁體。

MRI設(shè)備——磁體系統(tǒng)、梯度磁場系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)磁體系統(tǒng)常導磁鐵常導磁體是根據(jù)電流產(chǎn)生磁場的原理設(shè)計的。當電流通過圓形線圈時，在導線的周圍會產(chǎn)生磁場。常導磁體的線圈是由高導電性的金屬導線或薄片繞制而成。它的結(jié)構(gòu)主要由各種線圈組成。優(yōu)點：造價較低，不用時可以停電，在0.2T以下可以獲得較好的臨床圖像。缺點：磁場的不穩(wěn)定性因素主要是受供電電源電壓波動的影響，均勻度差。另外易受環(huán)境因素（如溫度、線圈繞組的位置或尺寸）的影響。只能用于成像，不能進行生化分析，限制其進一步推廣和應(yīng)用。MRI設(shè)備——磁體系統(tǒng)、梯度磁場系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)磁體系統(tǒng)永久磁鐵永久磁體是能夠長期保持磁性的磁鐵（如鐵氧體或釹鐵硼）。它的結(jié)構(gòu)主要有兩種，即環(huán)型和U型。優(yōu)點：造價低，場強可以達到0.3T，能產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)圖像，需要功率極小，維護費用低，可裝在一個相對小的房間里。缺點：磁場強度較低，磁場的均勻度和強度欠穩(wěn)定，易受外界因素的影響（尤其是溫度）。MRI設(shè)備——磁體系統(tǒng)、梯度磁場系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)磁體系統(tǒng)超導磁鐵超導磁體是利用超導現(xiàn)象（某些物質(zhì)的電阻在超低溫的條件下急劇下降為零）產(chǎn)生一個穩(wěn)定均勻的靜磁場。超導磁鐵是目前最先進的設(shè)備。優(yōu)點：場強高，穩(wěn)定性和均勻度好，因此可開發(fā)更多的臨床應(yīng)用功能。缺點：技術(shù)復雜和成本高。（低溫環(huán)境需液氦維持）MRI設(shè)備——磁體系統(tǒng)、梯度磁場系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)梯度磁場系統(tǒng)磁體系統(tǒng)梯度磁場簡稱梯度場，梯度是指磁場強度按其磁場的位置（距離）的變化而改變，它的產(chǎn)生是由梯度線圈完成的，一般在主磁體空間沿著X、Y、Z三個方向放置。梯度線圈有三組即GX、GY、GZ，疊加在靜磁場的磁體內(nèi)，當線圈通電時可在靜磁場中形成梯度改變。MRI設(shè)備——磁體系統(tǒng)、梯度磁場系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)身體不同位置所處的磁場強度不同，那里的能級分裂的間距就不同，能引起核磁共振的無線電波頻率就不同。通過不同的頻率值即可推斷出所檢測的身體部位。從而完成定位功能。射頻系統(tǒng)射頻脈沖磁場簡稱射頻脈沖（radiofrequency，RF）是一種以正弦波震蕩的射頻電波。磁共振系統(tǒng)中應(yīng)用的頻率較低，相當于調(diào)頻廣播FM波段，根據(jù)靜磁場的強度不同其RF頻率也不同。射頻系統(tǒng)作用：用來發(fā)射射頻磁場，激發(fā)樣品的磁化強度產(chǎn)生磁共振，同時，接收樣品磁共振發(fā)射出來的信號，通過一系列的處理，得到數(shù)字化原始數(shù)據(jù)，送給計算機進行圖像重建。它是由發(fā)射射頻磁場部分和接收射頻信號部分組成。MRI設(shè)備——磁體系統(tǒng)、梯度磁場系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)在MRI設(shè)備中，計算機系統(tǒng)包括各種規(guī)模的計算機、單片機、微處理器等，構(gòu)成了MRI設(shè)備的控制網(wǎng)絡(luò)。信號處理系統(tǒng)可采用高檔次微型機負責信號預處理、快速傅立葉變換和卷積反投影運算進行圖像重建。微機系統(tǒng)負責信息調(diào)度（如人機交互等）與系統(tǒng)控制（如控制梯度磁場、射頻脈沖）。MRI設(shè)備——磁體系統(tǒng)、梯度磁場系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)MRI設(shè)備——磁體系統(tǒng)、梯度磁場系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)GE1.5TMRIGE2.0TOPENMRI開放式磁共振成像：提高患者舒適度，擴大適用患者范圍（肥胖、幽閉恐懼

癥患者、兒童等）。MRI設(shè)備MRI趨勢發(fā)展在磁共振成像領(lǐng)域，有兩個發(fā)展趨勢：一個是超導方向即高場，場強一般在1.5T~3T之間，國際上主要的生產(chǎn)廠商包括GE、西門子、飛利浦等國際公司；一個是永磁方向即低場，場強在0.2T~0.5T之間，低場磁共振成像領(lǐng)域現(xiàn)在主要是中國和日本公司在主導市場，日本以日立公司的產(chǎn)品為主。中國由于是稀土大國，具有資源優(yōu)勢，在材料上已經(jīng)形成壟斷，在中國研發(fā)永磁具有優(yōu)勢。MRI設(shè)備MRI趨勢發(fā)展超高磁場MRI技術(shù)近年發(fā)展起來的技術(shù)，主磁場強度發(fā)展到3T以上，由于信號強度與磁場信號呈平方關(guān)系，可增加化學位移和提高信號值與噪聲值比值。增加質(zhì)子成像靈敏度，高分辨率的解剖成像和高敏感度檢測動態(tài)和功能成像。高場MRI系統(tǒng)可對人類的大腦開展記憶、注意力、決定等認知層次的研究，甚至能夠鑒別謊言這類復雜狀態(tài)。超高磁場MRI技術(shù)目前主要應(yīng)用于科學研究，市場規(guī)模較小。MRI設(shè)備MRI超導磁體產(chǎn)業(yè)化進展由于超導MRI磁場強度高，在神經(jīng)系統(tǒng)成像等領(lǐng)域應(yīng)用較低場MRI成像具有明顯優(yōu)勢，且成像功能也較為豐富。但超導MRI一直是國外MRI企業(yè)主要產(chǎn)品，國內(nèi)由于一直未突破超導MRI磁體技術(shù)，限制了超導MRI整機技術(shù)的發(fā)展。目前，中國科學院電工研究所已經(jīng)完成1.5T全身核磁共振磁體的研制，并完成1.5T~3T完全無需液氦的成像系統(tǒng)。在中國，超導MRI不能取代永磁MRI：對于中國大部分醫(yī)院，永磁MRI完全滿足其日常臨床診斷需求超導MRI設(shè)備運行昂貴國內(nèi)缺乏氦氣資源，所有超導MRI設(shè)備均需要從國外進口液氦磁共振成像技術(shù)34醫(yī)學磁共振技術(shù)包括三大部分MRI：研究人體器官大體形態(tài)的病生理變化fMRI：研究人腦功能的病生理變化MRS：研究人體能量代謝的病生理變化35MRI顯示技術(shù)脈沖序列在磁共振成像過程中，一般采用多個脈沖按先后順序進行激發(fā)，我們稱這個脈沖組合為脈沖序列常用脈沖序列36自旋回波脈沖序列(SE)反轉(zhuǎn)恢復脈沖序列(IR)梯度回波脈沖序列(GRE)自旋回波脈沖序列(SE)37射頻脈沖層面選擇梯度相位編碼梯度頻率編碼梯度MR信號TETR90°180°90°以90射頻激勵脈沖開始，繼而施加一次180相位重聚脈沖使質(zhì)子相位重聚，產(chǎn)生自旋回波信號。SE掃描參數(shù)T1加權(quán)成像(T1WI):短TR和短TE。主要受TR影響，T1越短，信號越高。反映組織縱向弛豫快慢。T2加權(quán)成像(T2WI):長TR和長TE。TR越長，T2權(quán)重越大，信號越高。反映組織橫向弛豫快慢。質(zhì)子密度加權(quán)成像(PDWI):長TR和短TE。質(zhì)子密度越大，信號越高。38MRI特殊成像技術(shù)MRI血管造影技術(shù)(MRA)MRI血管造影技術(shù)作為一種無創(chuàng)傷性的檢查，與CT及常規(guī)放射學相比，具有特殊的優(yōu)勢。不需要穿刺插管、無X射線、不需要注入造影劑，流體的流動便是MRA成像固有的生理造影劑39MRI特殊成像技術(shù)增強血管造影(CE-MRI)Gd-DTPA的引進，顯著縮短組織的T1時間快速掃描，時間在30s內(nèi)消除呼吸運動的偽影捕捉乳糜微粒（CM）的首次循環(huán)少量造影劑劑量，且不用碘造影劑，

避免靜脈污染多角度旋轉(zhuǎn)觀察血管細微結(jié)構(gòu)40主動脈夾層造影MRI特殊成像技術(shù)磁共振胰膽管造影(MRCP）屬于MR水成像近年來發(fā)展起來的一種非創(chuàng)傷性

且不需要造影劑即可顯示胰膽管系統(tǒng)的磁共振技術(shù)獲得重T2加權(quán)圖像用最大強度密度投影（MIP）或表面遮蔽顯示（SSD）對原始圖像進行三維重建，獲得胰膽管不同方位，不同角度的二維圖像41磁共振功能成像（fMRI）是一種新興的神經(jīng)影像學方式，其原理是利用磁振造影來測量神經(jīng)元活動所引發(fā)之血液動力的改變。由于fMRI的非侵入性、沒有輻射暴露問題與其較為廣泛的應(yīng)用，從1990年代開始就在腦部功能定位領(lǐng)域占有一席之地。目前主要是運用在研究人及動物的腦或脊髓。42血紅素氧化狀態(tài)（帶氧血紅素）的時候為抗磁性的，相對于缺氧血紅素為順磁性的。根據(jù)血液中血紅素的氧化比率可輕易的分辨出不同的磁共振訊號。脫氧血紅蛋白具有比氧合血紅蛋白T2短的特性，另一方面，脫氧血紅蛋白較強的順磁性破壞了局部主磁場的均勻性，使得局部腦組織的T2縮短，這兩種效應(yīng)的共同的結(jié)果就是，降低局部磁共振信號強度。由于激活區(qū)脫氧血紅蛋白相對含量的降低，作用份額減小，使得腦局部的信號強度增加，即獲得激活區(qū)的功能圖像。由于這種成像方法取決于局部血氧含量，故稱為血氧水平依賴功能成像（BOLD-fMRI)。43fMRI實驗44雙手握拳運動雙側(cè)運動區(qū)明顯激活時間-信號強度曲線磁共振波譜成像（MRS）MRS是在MRI形態(tài)學診斷的基礎(chǔ)上，從代謝方面對病變進一步定性；臨床上用于評價腦發(fā)育成熟程度、顱腦腫瘤代謝、感染性病變、脫髓鞘病變、缺血性病變、系統(tǒng)性疾病的肝臟受累和腎移植術(shù)后的急性排異反應(yīng)等。單光子發(fā)射計算機斷層成像（SPECT）和正電子發(fā)射計算機斷層成像（PET）相比，磁共振波譜無需要放射性示蹤劑標記，沒有放射性損害。45成像原理MRS掃描后，一定時域內(nèi)獲得的信號通過快速傅立葉轉(zhuǎn)換（FourierTransform）產(chǎn)生一個質(zhì)子成分按頻率分布的波譜圖46波譜原理帶負電荷的電子在原子核周圍形成電子云，電子云的作用使得外加磁場對原子核的作用減弱，其作用的大小用屏蔽系數(shù)（σ）表示，因此被消弱掉的磁場強度為σB0。這部分磁場（σB0）與外加磁場方向相反，強度與外加磁場強度（B0）成正比考慮到電子云的磁屏蔽作用，拉莫方程應(yīng)修正為：ω=γ（1-σ

）B0。上式顯示，即使同一種原子核由于處于不同化合物中的，所受磁屏蔽作用的程度不同（即σ不同），因此將具有不同的共振頻率，這就是所謂的化學位移現(xiàn)象（ChemicalShiftPhenomenon），也是磁共振波譜成像的基礎(chǔ)。47顱內(nèi)常見病變的代謝物特征48疾病NAACrChoLacLipaa腫瘤---膿腫梗死---MS---癲癇--磁共振波譜成像發(fā)展方向多體素波譜又稱波譜成像（SI）優(yōu)點：1次采集可獲得多部位譜線，可放映同一時間不同部位代謝物的分布，有利于彌漫病變的發(fā)現(xiàn)及早期檢出，并可雙側(cè)對比。多核波譜31P可用于判定磷代謝產(chǎn)物的濃度，并可根據(jù)無機磷波譜的位置，測定pH值；13C可用于幫助診斷酶缺乏性疾?。?3Na波譜成像可以反映鈉泵的活性；49磁共振波譜成像發(fā)展方向波譜成像與解剖相結(jié)合在強大的計算機幫助下，不僅能重建出譜線，而且將重建出橫斷面及三維立體代謝圖，更早、更詳盡地把病生理的代謝改變提供給診斷醫(yī)生，同時可以加上偽色彩，引導活檢。50磁共振成像特點52（一）多參數(shù)成像T1加權(quán)圖像的對比取決于不同組織的不同T1時間常數(shù)T2加權(quán)圖像的對比取決于不同組織不同T2時間常數(shù)質(zhì)子密度N（H）對比質(zhì)子密度圖像的對比T2&加權(quán)圖像的對比來源于組織磁化率的差異相位對比用以顯示流體對比以及流體與靜態(tài)組織的對比彌散對比彌散加權(quán)圖像的對比，主要取決于細胞分子的熱運動速度磁化傳遞對比取決于大分子與小分子的相對比率流動靜止對比流動增強效應(yīng)與靜態(tài)飽和之間的對比流速對比流動速度對應(yīng)于信號強度所產(chǎn)生的圖像對比（一）多參數(shù)成像由于MRI的信號是多種組織特征參數(shù)的可變函數(shù)，它所反映的病理生理基礎(chǔ)較CT更廣泛，具有更大的靈活性MRI的信號強度與組織的弛豫時間、氫質(zhì)子的密度、血液（或腦脊液）流動、化學位移、及磁化率有關(guān)，其中弛豫時間，即T1和T2時間圖像對比起了重要作用，它是區(qū)分不同正常組織、正常與異常組織的主要診斷基礎(chǔ)。MRI的多參