磁共振成像原理_ppt
陈武凡 科学出版社 2012年
第一章 导 言
什么是核磁共振成像?
核磁共振成像具有哪些优势?
核磁共振成像在医学影像中有哪些应 用?
核磁共振: (Nuclear Magnetic Resonance,NMR) 物质原子核磁矩在外磁场的作用下发生能级分裂,并
在外加射频磁场的能量条件下产生的能级跃迁的核物理
向,空间取向不同,其能量也不同,形成能级分裂,这种现象称为 塞曼效应,分裂后的能级称为塞曼能级。
(1) 分裂后的塞曼能级正、负对称,且间距均为ΔEm=gI μNB0 ; (2) 只在相邻塞曼能级间进行跃迁;
(3) 无外界激励时,塞曼能级间存在自发跃迁; 外磁场中质子的塞曼能级:
mI =1/2 时,自旋方向与B0平行,
1、原子的组成
核外电子
(带负电)
原 子
原子核
质子 (p,带正电):
mp=1.6726×10-27kg
中子
(n,不带电): mn=1.6749×10-27kg
2、原子的表示
X表示元素符号
A Z
X
Z表示原子的质子数 A表示原子的质量数
16
8
O
3、原子核体积与质量的关系 原子核可近似看成球体;原子核的质量数A与原子 核球体半径R的三次方成正比。
射频发生器:提供一个短而强的射频场,以脉冲 形式施加到成像物体上,使其质子发生磁 共振现象。它包括:频率合成器、正交调 制器、射频功率放大器、射频开关、射频 发射线圈。
射频接收器:接收MR信号调制的射频信号并对 其进行数字化处理最终得到数字化信息。 它包括:接收线圈、衰减器、射频放大 器、模数转换器等
核磁子μN
e I gI PI PI 2m
原子核的旋磁比γ,不 同原子核具有不同旋磁比。
(1)外磁场中质子的核磁 e 矩: IZ g I PIZ
2m
μIZ
(2)自旋量子数不为零的 核都具有磁矩;
μIZ
第二节 外磁场中的原子核
一、拉莫尔进动
原子核在外磁场的作用下绕自身轴旋转的同时又绕外磁场方向
核自旋量子数
★ 质子(氢核)的核自旋量子数为:I=1/2
(3)不同的核具有不同的自旋量子数
(4)在外磁场B的作用下原子核的核角动量在空间取向只能取特定的
几种方向,即空间取向量子化(用mI表示)。mI 称为核的磁量
子数,对于确定的I,其取值为:
mI I , I 1, I 2, , I 1, I
据生物磁性核在磁场中表现出来的共振特性进行成像的 新技术。由于“核”字的敏感性,故通常将其称为MRI。 核磁共振成像的特点: (1)多参数成像,可提供丰富的诊断信息。 (2)高对比度成像,尤其可获得高对比度软组织的图像。 (3)任意方位断层,可从三维空间观察人体。 (4)可进行人体能量代谢研究,将解剖结构观察和功能 代谢情况观察相对合。
Proton Density TE = 14 ms TR = 1500 ms
(2)MRA核磁血管造影
(3)FMRI功能成像
(4)DT-MRI扩散张量成像
第二章
主要内容:
MRI扫描仪
1、对MRI有初步的了解; 2、了解MRI扫描仪有哪些类型; 3、掌握MRI扫描仪的基本结构; 重点:
掌握MRI扫描仪的基本结构;掌握主磁体的种类;
3、原子核的自旋
原子核的自旋又称为原子核的角动量。
(1)原子核自旋由两部分组成:
组成原子核的质子、中子的自旋角动量; 原子核的内质子、中子的轨道角动量; (2)原子核自旋角动量是核子的总角动量的矢量和。由于核子角动量 成对抵消,原子核角动量通常体现为不成对的核子角动量的叠加。
h PI 2
I ( I 1)
第三章 核磁共振的基本概念
主要内容: 1、掌握核共振的基本概念; 2、了解什么是角动量、核自旋、核磁矩;掌握拉莫
尔进动的概念;
3、了解核磁矩在外磁场中的能量状态,掌握核磁共 振产生的原理; 重 点: 掌握核磁共振的基本概念及核磁共振产生的原理;
第一节 原子核的自旋和自旋磁矩
一、原子核的组成与电核
计算机系统
软件部分:系统控制软件、故障诊断软件、 成像协议软件等
第二节 核磁共振仪的磁体系统
一、主磁体 用于产生主磁场B0。它是NMR成像系统中一个关键部件,
决定了MRI设备的图像质量和工作效率。
类型 磁体材料 运行费用 永磁型 常导型 超导型 铌钛合金、镁 硼等 高
螺旋管型线圈与马鞍型接收线圈 钕铁硼、钐钴、铝带、铜线、 的信噪比相差40% 。螺旋管型接 铝镍钴等 铜带等 收线圈的接收信号的有效范围更 均匀、利用率更高、对称性更好。 低 高
V 4 4 3 R 3 R0 A 3 3
R0为一常数:R0=1.2×10-15m
3、氢原子核
氢是人体内含量最丰富、结构最简单的元素。在人体中氢核(即质 子)的核磁共振信号强,灵敏度很高,因而目前临床上磁共振成像就是 利用质子成像。本课程主要以质子为例对核磁共振及成像原理进行介绍。 表2-1:人体组织中氢核与其他元素的MR信号相对灵敏度
角量子数
普朗克常量:6.62×10-34 J · s
自旋角动量:电子绕自身轴做旋转运动具有的角动 量,用Ps表示。
h Ps 2
s ( s 1)
自旋量子数
质子、中子、电 子的自旋量子数 都为1/2
★一切粒子具有自旋,因而具有自旋角动量
电子轨道角动量
电子自旋角动量
总角动量=轨道角动量+自旋角动量
原子核的核角动量在外磁场方向的投影为: P mI IZ
PIZ
h 2
PIZ
无外磁场时质子的自旋。
外磁场中质子的角动量仅两 个取向: mI =1/2; mI =-1/2;
三、原子核的磁矩
磁矩:环形电流i与它所围面积s的乘积,用μ表示,其方向服从 右手螺旋关系。
原子核的磁矩:组成原子核的各核子的磁矩的矢量和。原子核 的磁矩具以下特点:
核磁共振成像原理
Nuclear Magnetic Resonance Imaging, NMRI
主 讲:易三莉
生物医学工程专业
信息工程与自动化学院 昆明理工大学
教材:
《核磁共振成像原理》 熊国欣 科学出版社 2007年第一版
辅导材料:
1、《MRI基础》 尹建中译 天津科技翻译出版公司 2004年
2、《MRI原理与技术》
ΔE1=-0.5gI μNB0 mI = -1/2时,自旋方向与B0反平行,
元素 H C N O F 相对灵敏度 1.000 2.5×10-4 3.1×10-4 4.9×10-4 6.3×10-5 元素 Na P K Ca Fe 相对灵敏度 1×10-3 1.4×10-3 1.1×10-4 9.1×10-6 5.2×10-9
二、原子核的自旋
1、角动量的概念
角动量:描述物体转动状态的物理量。
质量为m的质点绕距离为r的固定轴以速度v,角
速度ω做圆周运动时,其角动量P为:
p r mv r m
2
2、电子轨道角动量和自旋角动量 轨道角动量:电子绕原子做轨道运动所具有的角动 量,用Pl表示。
h Pl 2
l (l 1)
(l 0,1,2, , n 1)
主量子数
(1)由本征磁矩和轨道磁矩组成;
(2)质子磁矩为正,中子磁矩为负,但不能相互抵消;质 子与质子配对,中子与中子配对,配对后总磁矩为零。
(3)原子核的磁矩μI与原子核角动量PI的关系为:
I gI
e PI 2m
朗德因子
质子电荷 质子质量
e eh I gI PI g I I ( I 1) g I I ( I 1) N 2m 4m
主磁体的工艺要求
成像系统中对主磁体的指标、工艺都有很高要求: (1)大孔径:整体成像最小直径1米左右。 (2)强磁场:当前临床所用超导磁铁,磁场强度有0.2 到7.0T(特斯拉),常见的为1.5T和3.0T;动物实验用的
小型MRI则有4.7T、7.0T与9.4T等多种主磁场强度。
(3)均匀度:表示特定容积限度内磁场的同一性。主 磁场的均匀度决定了图像的分辨能力。均匀度要求在106~10-5PPM(Parts
per million)
二、梯度系统 1、系统组成:
梯度线圈、梯度控制器及数模转换器、梯度放大器 2、梯度场的性能: 均匀容积、梯度场强度、梯度场的线性、梯度场的 切换率和上升时间
MR仪的三套梯度线圈
第三节 核磁共振仪的谱仪系统
谱仪系统:也称射频系统。是MRI中实施射频激励 并接收和处理RF信号的功能单元。包括 射频发生器与射频接收器两部分。
生附加能量ΔEm:
E m I cosB0
θ为μ与B0间的夹角
(1) 当θ=π/2时: μ与B0垂直, ΔEm为0,即附加能量为0; (2) 当θ<π/2时: ΔEm<0,即原子核能量减小; (3) 当θ>π/2时: ΔEm>0,即原子核能量增加;
2、塞曼能级
在外磁场的作用下原子核的自旋在空间中只能取特定的几种方
接收线圈
是否需要降温 磁感应强度
螺旋管型
0.3T(特斯拉)以下的称为低磁 否 场强度,主要应用于永磁型MRI设 是(水) 备。1.0T以上的称为高磁场强度, 0.15T~0.5T <0.4T 主要应用于超导型MRI设备
马鞍型
马鞍型
是(液氦) 0.2~7.0T
永磁型:主磁体为天然材料,不需消耗电能,运行费用低, 但主磁体重量大。MRI设备的信号平面垂直于静磁场方向, 所以接收线圈使用效率较高的螺旋管型接收线圈。而其他类 型的主磁体磁场方向均为水平方向,只能使用马鞍型接收线 圈。 常导型:又称阻抗磁体。特点是结构简单,造价低,但运行 费用高。并且线圈电源的质量直接影响磁场的稳定,无法保 证MRI设备的图像质量。常导型磁体的目前,常导型MRI设 备正逐步被淘汰。 超导型:利用超导材料在低温条件下(约-270℃)零电阻特 性(施加很小的电压可得到非常大的电流)制成。磁场强度 高,但需要将线圈放入液氦中进行低温处理来形成超导环境, 需要一套复杂的低温保障系统,超导磁体的价格昂贵,运行 费用高。具有高场强、高均匀度、高稳定性、高信噪比等优 点。