第三章磁共振现象.ppt

《第三章磁共振现象.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章磁共振现象.ppt（81页珍藏版）》请在课桌文档上搜索。

1、核磁共振发现 1946年,诺贝尔物理学奖 1952年,头部MRI投入临床 1978年,全身MRI研制成功 1980年,诺贝尔物理学奖 2003年,磁共振谱分析(MRS)19461972年,第三章 磁共振物理,布洛赫 USA 斯坦福大学,珀塞尔 USA坎伯利基哈佛大学,1952年 诺贝尔物理学奖,第三章 磁共振物理,恩斯特R.R.Ernst 瑞士物理化学家,1991年诺贝尔化学奖,第三章 磁共振物理,第一节 原子核的磁矩,第二节 静磁场中的磁性核,第四节 弛豫过程,第三章 磁共振物理,第五节 自由感应衰减信号,第三节 磁共振,第六节 化学位移和磁共振谱,第一节 原子核的磁矩,一、原子核的自旋,二

2、、原子核的磁矩,三、物质的磁性,四、用于磁共振成像的磁性核,描述物体运动状态的物理量,方向,方向,一、原子核的自旋,角动量（动量矩）,右手螺旋判定,质点角动量,自转物体角动量,描述物体运动状态的物理量,方向,方向,角动量（动量矩）,右手螺旋判定,一、原子核的自旋,自旋（spin）存在由于核内核子具有固有角动量和轨道运动角动量，它们矢量和就是核自旋总角动量，习惯上称为“原子核自旋（nuclear spin）”。,一、原子核的自旋,核自旋LI是量子化的，取一系列不连续值,空间Z方向分量,对应核自旋在外磁场中2I+1个可能取向,、-1、I-2、-I,一、原子核的自旋,不同原子核 自旋磁量子数不同,一

3、、原子核的自旋,核磁矩与核自旋关系,核因子,核自旋磁旋比,二、原子核的磁矩,描述自旋核在其周围空间所产生的磁场特性,磁矩(magnetic moment),核磁矩Z分量,量子化核磁矩,JT-1,(),二、原子核的磁矩,I、I-1、I-2、-I,三、物质的磁性,铁磁性物质,顺磁物质,附加磁场与外磁场方向相同,附加磁场与外磁场方向相同强度远大于外磁场,铁、钴、镍,物质构成,分子或原子,宏观上,物质有可能表现,顺磁性,逆磁性,逆磁性,外磁场作用下,附加磁场与外磁场方向相反,顺磁物质中同样存在逆磁效应，只是逆磁效应比顺磁效应小得多,MRI造影剂(contrast agent)大多是顺磁物质或超顺磁物质

4、 主要是钆、铁、锰的大分子有机化合物这些物质本身不产生信号,信号来自氢原子核,三、物质的磁性,四、用于磁共振成像的磁性核,自旋不为零的原子核都是磁性核，也只有磁性核才能和静磁场相互作用产生磁共振。,但目前能用于临床MRI的只有氢核。,生物组织中存在很多磁性核，如,一是磁性核在组织中的浓度二是磁性核的相对灵敏度,影响磁共振信号强度两个因素,一个水分子,十个核外电子,两个氢核,一个氧核,一个满壳层,五个电子对,自旋为0,偶偶核,核自旋为0,自旋为21/2,从磁矩方面考察相当于两个“裸露”的氢核,水分子的磁矩,四、用于磁共振成像的磁性核,四、用于磁共振成像的磁性核,一、微观描述,二、宏观描述,第二节

5、 静磁场中的磁性核,磁矩 沿空间某几个特定方向分布,无,有,静磁场,一、微观描述,1、取向和磁势能,自旋核附加能量和核磁量子数 关系,共有2I1个可能值,I、I-1、I-2、-I,核磁矩 与 正方向成 角,一、微观描述,1、取向和磁势能,裂距(劈裂间距),一、微观描述,1、取向和磁势能,一、微观描述,裂距(劈裂间距),1、取向和磁势能,能级允许跃迁法则,相邻能级跃迁能量只能等于,投照电磁波量子=裂距A,核强烈吸收电磁波能量,能级跃迁,共振吸收跃迁,自旋核在磁场中和射频电磁波共振,一、微观描述,1、取向和磁势能,产生 NMR 时射频电磁波频率,一、微观描述,1、取向和磁势能,磁性核和陀螺的旋进,

6、一、微观描述,2、旋进,原子核旋进称为拉摩尔旋进（Larmor precession）,根据角动量定理,一、微观描述,2、旋进,宏观现象,可观测的大量微观粒子集体表现,磁化强度矢量(magnetization vector),核磁矩矢量总和,本质为磁矩,二、宏观描述,能用于临床磁共振成像的自旋核只有氢核（质子），所以自旋核密度也即质子密度（proton density）,自旋核密度（spin density）单位体积内自旋核的数目或含量,宏观总磁矩为零,热运动,核磁矩 取向概率各向均等,磁化强度矢量 随时间变化,宏观总磁矩不为零,二、宏观描述,1、静磁场 时,2、静磁场 时,上喇叭筒-低能级

7、下喇叭筒-高能级,二、宏观描述,周期运动物体，可用位置和速度来表征其运动状态，但用相位（phase）来表征却更方便。,微观粒子在热平衡（thermal equilibrium）状态下服从玻尔兹曼分布(Boltzmann distribution)，即,二、宏观描述,处于热平衡状态的高低能级核数之比为,温度为300K，静磁场场强为1T时，高能级粒子数与低能级粒子数之比为7/100万,为顺着静磁场分布的 核磁矩 在Z轴上的分量的矢量和,二、宏观描述,为顺着静磁场分布的 核磁矩 在Z轴上的分量的矢量和,病灶不同病理阶段含水量不同即 核 不同则 不同,这是MRI诊断病灶分期根据之一,越大 越大,温度越

8、高 越小,的大小与样品内自旋核的密度静磁场大小以及环境温度有关,二、宏观描述,第三节 磁共振,二、磁共振的宏观表现,一、磁共振的基本原理,三、稳态核磁共振,一、磁共振的基本原理,则处于低能态的氢核就会吸收电磁波能量跃迁到高能态（受激吸收），这就是所谓的核磁共振。,当外界施加的电磁波的能量正好等于不同取向的氢核之间的能量差,医学影像领域，核磁共振一般简称为磁共振,一、磁共振的基本原理,电磁波角频率 等于核旋进角频率,产生NMR时,如外界施加的电磁波的频率为，,则不同取向的氢核间的能级差可表示成,一、磁共振的基本原理,要产生磁共振，除了施加的电磁波的频率必须和磁性核的旋进频率相同外，对电磁波方向也

9、有要求。我们知道，电磁波中既有磁矢量又有电矢量，而且 必须垂直于，磁共振中起作用的只有磁矢量,这对施加电磁波方向提出了要求。,一、磁共振的基本原理,磁共振中，所施加的电磁波又叫射频波（radio frequence wave）,简称RF波，其含义是指该电磁波的频率处于无线电波（radio）频率范围内，而无线电波是可以发射出去再向各个方向传播开来的，故称射频。RF波又常被称为射频脉冲（RF pulse）。RF波只持续很短的一段时间（以ms计）。,核磁共振时,一、磁共振的基本原理,处于低能态的氢核数量 N1处于高能态的氢核数量 N2,处于低能态氢核吸收电磁波能量跃迁到高能态,处于高能态的氢核释放能

10、量回到低能态的情况,（受激吸收),（受激辐射）,受激吸收,受激辐射,受激跃迁,发生几率是相等,热平衡状态时,吸收大于总辐射,多于,外加射频波,受激跃迁,样品处于激发态,热平衡状态被打破,热弛豫跃迁过程,处于高、低能态上的氢核会与周围环境（晶格）作用分别跃迁到低、高能态上。对于热弛豫跃迁，由高能态跃迁到低能态的几率，大于由低能态跃迁到高能态的几率。,一、磁共振的基本原理,共振吸收信号的强度就正比于样品每秒吸收的能量,当高、低能态上的氢核数之差随时间的变化率为零时(dn/dt=0,n=N1-N2),系统达到动态平衡，可以持续观察稳定的核磁共振吸收现象,受 激 跃 迁 高、低能态上氢核数之差趋向于零

11、 热弛豫跃迁 高、低能态上氢核数之差趋向于玻尔兹 曼热平衡分布,如高、低能态上粒子数相等，样品既不吸收能量也不辐射出能量，此时观察不到连续核磁共振现象，此状态称为饱和态(saturation state)。,一、磁共振的基本原理,二、磁共振的宏观表现,由于静磁场强度很大，而样品的磁化强度矢量又很微弱，这就使得的检测成为不可能,在射频电磁波的作用下，样品会发生磁共振，样品的 也会偏离 方向,这也就使的检测成为可能,磁共振的宏观表现所要讨论的也就是样品 的变化规律,二、磁共振的宏观表现,1RF波的磁矢量-旋转磁场,假定RF波的磁矢量 施加在 轴，其强度的变化规律为,，即RF波的频率和磁性核的旋进频

12、率相同,0,二、磁共振的宏观表现,1RF波的磁矢量-旋转磁场,交变磁场 可由两个半径为、角速度为 的旋转方向相反的磁场 叠加而成.,旋转磁场的获得,脉冲,角越大,获能越多,半球面螺旋线,YZ平面划四分之一圆周,球面螺旋线,YZ平面划半个圆周,两个基本脉冲,偏转 角度,RF电磁波作用,脉冲,脉冲宽度越大,二、磁共振的宏观表现,2射频波对样品的激励,RF电磁波频率,正交入射,激励样品产生MR,如图,提供旋转磁场,二、磁共振的宏观表现,脉冲,二、磁共振的宏观表现,脉冲,二、磁共振的宏观表现,特定的条件下（1），磁化强度矢量 在静磁场、射频场 和弛豫的作用下会达到平衡，即,布洛赫方程（Bloch eq

13、uation）描述了这种状态下磁化强度矢量,不仅会受到静磁场、射频场的作用，磁化强度矢量还处于弛豫过程当中,核磁共振样品的磁化强度矢量,三、稳态磁共振,这时的核磁共振被称为稳态核磁共振,利用Bloch方程，样品的磁化强度矢量在旋转坐标系（xyz）中的稳态解可表示成：,=,式中，。从上式可以得到磁化强度矢量纵向分量的变化量 为,三、稳态磁共振,第四节 弛豫过程,一、弛豫及其规律,二、弛豫的机制,一、弛豫及其规律,1、弛豫,弛豫（ralaxtion是“松弛”、“放松”之意，是一种向原有平衡状态恢复的过程。,纵向弛豫(longitudinal ralaxtion)，是指纵向磁化 逐渐恢复为 的过程,

14、横向弛豫(transverse ralaxtion)，是指横向磁化逐渐衰减恢复为零的过程。,2、弛豫的规律,“自由旋进”,恢复热平衡态,射频脉冲结束,仅受主磁场作用,一、弛豫及其规律,弛豫中 和 随时间变化规律,变化率正比于偏离平衡态的程度,Bloch方程,横向弛豫时间,纵向弛豫时间,忽略RF 作用期间的弛豫,纯弛豫过程,一、弛豫及其规律,高能态,基态,激励,弛豫,37%M0,63%M0,释能,基态,获能,一、弛豫及其规律,横向弛豫时间,纵向弛豫时间,一、弛豫及其规律,二、弛豫的机制,纵向弛豫,横向弛豫,相对独立,0.63,T1,T2,900脉冲激励后的弛豫过程,二、弛豫的机制,自旋核与晶格热

15、辐射相互作用,高能态低能态过渡释放热能,自旋-晶格弛豫,热弛豫,1、纵向弛豫,自由旋进,作用,恢复热平衡,增加,又称自旋-晶格弛豫（spin lattic ralaxtion），是自旋核与周围物质相互作用交换能量的过程。,二、弛豫的机制,中的 核的 最长,病理分期,病灶不同阶段含水量不同 不同,病灶定性,的影响因素,1、纵向弛豫,的影响因素,1、纵向弛豫,二、弛豫的机制,共振频率段,不同分子中1H核有不同的共振频率值,温度、粘度对 的影响,低温、高粘,高温、低粘,缩短,延长,环境温度、粘度对T1的影响,二、弛豫的机制,主磁场0.42.0T,主磁场 对 的影响,弛豫粒子数增多,弛豫时间延长,延长

16、,增大,增大,值 ms数量级,顺磁性环境,增强晶格自旋作用,较明显缩短,1、纵向弛豫,二、弛豫的机制,2、横向弛豫,局部磁场 各异,旋进频率 不等,相位参差不一,最终均匀分布,作用,二、弛豫的机制,二、弛豫的机制,自旋核磁矩方向由相对有序状态向相对无序状态过渡,核磁矩在聚焦方向分散,每个自旋核相互磁作用,本质,自旋自旋弛豫,2、横向弛豫,二、弛豫的机制,与温度、粘度无关,主磁场大小相关不大,磁场不均匀性,顺磁环境,明显缩短,的影响因素,比 小一个数量级,磁场不均匀时的横向弛豫时间,2、横向弛豫,1.不同组织器官弛豫时间显著不同,2.同一组织器官不同病理阶段弛豫时间显著不同,MRI进行病理分期,

17、MRI对软组织及器官分辨能力,二、弛豫的机制,发生核磁共振后，样品就会出现横向磁化，横向磁化在在xy平面的旋进就会使放置在xy平面上接收线圈产生感生电压，这一感生电压就是MR信号.,第五节 自由感应衰减信号,可以是发生核磁共振时的共振吸收信号也可以是核磁共振发生后自由旋进时的信号,MR信号,MR信号种类:,自由感应衰减信号（free induced decay,FID）自旋回波信号反转恢复信号梯度回波信号等,自由感应衰减信号（FID）,自由旋进(无射频场时磁化强度在恒定静磁场中的旋进),接收线圈中角频率为 的感生电动势幅值衰减,FID包含生物组织信息多,第五节 自由感应衰减信号,磁化强度矢量

18、在自由旋进的情况下所产生的MR信号,自由感应衰减（FID）,第五节 自由感应衰减信号,第五节 自由感应衰减信号,一.只有横向磁化才能产生MR信号,要测量纵向磁化,必须将 其翻转到平面上来；二.900脉冲作用下FID信号的初始幅度正比于M0；三.质子密度相同,T2时间较长组织横向磁化衰减较慢，组织 FID信号较高，反之则较低；四.质子密度相同，在T1时间较短的组织纵向磁化恢复的快，FID信号较高，反之则较低；五.影响FID信号强度因素T1、T2和质子密度，所以磁共振成 像是多参数成像。,第六节 化学移位和磁共振谱,一、化 学 移 位,二、MRS分析,三、“自由水”、“结合水”及其MRS,测试样品

19、自旋核共振频率,标准样品自旋核共振频率,化学位移是核磁共振波谱分析的主要对象,化学位移（Chemical shift）,一、化 学 移 位,均匀静磁场中，处于不同化学环境下的同一种自旋核会受到不同磁场B的作用，因而会有不同的共振频率，这种共振频率的差异称为化学位移（chemical shift）,化学位移另一定义,B、Bs 分别表示维持 RF 电磁波频率不变，测试样品、标准物质中同类自旋核发生NMR所需要外磁场的大小。,很小,ppm数量级磁共振波谱分析不仅要求静磁场场强高于1.5T，而且对磁场均匀度要求更高,一、化 学 移 位,纵坐标 共振吸收强度,横坐标 共振频率,自旋核的共振频率及其MR吸

20、收信号强度变化的曲线,唯一可观察载体细胞代谢变化的非损伤检测技术,1、MRS,二、MRS分析,如图 乙基苯的质子谱线,乙基苯有C6H6、CH2、CH3三个原子团,三个原子团中氢核结合状态不同,三种氢核产生三条共振吸收谱线,乙基苯的质子核共振谱线,1、MRS,谱线位移程度不同,二、MRS分析,NMR灵敏度,MRS 限制因素,人体自旋核密度高低 1H、31P、13C、19F、23Na,灵敏度最高的是1H，其次为31P、19F、23Na、13C,应用临床 1H-MRS，31P-MRS,自旋核密度,2、MRS分析,二、MRS分析,一.化合物有自己特有的共振吸收峰的频率位置二.从共振吸收峰频率位置知道每

21、种质子所处电子环境三.共振吸收峰面积正比于化合物中质子的比数或数量四.共振吸收峰分裂情况可知它邻近有多少个不同质子,MRS分析主要依据：,2、MRS分析,二、MRS分析,目前较先进的MRI装置均附有MRS功能,2、MRS分析,磁共振波谱共振峰面积与所测代谢产物含量成正比，通过计算共振峰面积就能知道相应的代谢产物的含量,代谢产物三种定量方法,应用很少,代谢产物定量测量依据,二、MRS分析,获得MRS谱线方法步骤,MRI断层取像,选出欲分析部位,特制小线圈RF激励,扫场范围,RF频率变化范围,抑制技术,H2O峰抑制,1H-MRS分析,31P-MRS分析,1H 峰抑制,2、MRS分析,二、MRS分析

22、,MRS出现异常早于MRI图像异常,对细胞能量代谢的观测,MRS 技术观测细胞代谢的医学基础,细胞中物质和能量的代谢变化早于组织学结构改变,2、MRS分析,二、MRS分析,三、“自由水”、“结合水”及其MRS,根据水分子运动自由度多少可把细胞外的水分为,自由度少的“结合水(bound water)”自由度大的“自由水(free water)”。,水分子1H核弛豫时间长,含水多少对组织平均弛豫时间举足轻重,“结合水”1H核弛预时间相对“自由水”短,“自由水”分子热运动强烈，相对长,“结合水”多时，组织 平均短,MRS呈单个窄峰,MRS宽而幅值低,MRI所有信号来自“自由水”,“自由水”合磁场一致,以相同频率旋进,“结合水”合磁场不一致,以不同的频率旋进,三、“自由水”、“结合水”及其MRS,三、“自由水”、“结合水”及其MRS,