第五章核磁共振成像（一）

第五章核磁共振成像第五章核磁共振成像（一）（一）

目录目录第一节绪论第一节绪论第二节核磁共振的基本概念第二节核磁共振的基本概念第三节微观核磁共振第三节微观核磁共振第四节宏观核磁共振第四节宏观核磁共振第五节磁共振信号与加权图像第五节磁共振信号与加权图像第六节磁共振图像重建第六节磁共振图像重建第七节磁共振成像法简述第七节磁共振成像法简述

第一节绪论第一节绪论

一、磁共振成像发展史：一、磁共振成像发展史：

•1946 年美国哈佛大学的 E.Purcell 及斯坦福大学的 F.Bloch 领导的两个研究小组各自独立地发现了磁共振现象。 Purcell 和 Bloch 共同获得 1952 年诺贝尔物理学奖；

第一节绪论


1968 年 Jockson 试制全身磁共振； 1971 年美国纽约州立大学的 R.Damadian

利用磁共振波谱仪对小鼠研究发现，癌变组织的 T1 ， T2 弛豫时间比正常组织长；

第一节绪论


1973 年美国纽约州立大学的 Lauterbur 利用梯度磁场进行空间定位，获得两个充水试管的第一幅磁共振图像；

1978 年英国取得了第一幅人体头部的磁共振图像；

1980 年第一副人体胸腹部 MR 图像产生，磁共振设备商品化。

第一节绪论


1982 年底全世界有 2000 名病例接受 MRI 检查；

1984 年美国 FDA 批准核磁共振使用于临床； 1986 年中国成立安科公司； 1998 年世界磁共振成像年； ……

第一节绪论

BlochBloch 和和 PurcellPurcell 因发现因发现 NMRNMR 现象获得现象获得19521952 年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖

与该领域相关诺贝尔奖学金获得者获得者

发明发明 MRIMRI 中中 FourierFourier 重建方法的重建方法的 ErnstErnst获得获得 19911991 年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖 LauterburLauterbur 和和 MansfieldMansfield 因发明因发明 MRIMRI 方方法获得法获得 20032003 年诺贝尔医学和生理学奖年诺贝尔医学和生理学奖

Paul C. LauterburPaul C. Lauterbur Peter MansfieldPeter Mansfield第一节绪论

为了和原子核及射线的放射性危害区分开来，临床医生建议去掉 N ，简称为磁共振成像（ MRI ）

核磁共振成像：

缩写： NMRI

全名： Nuclear Magnetic Resonance Imaging

第一节绪论

二、磁共振成像二、磁共振成像

11 、成像条件：、成像条件：有信号、获取信号、处理信号及图像重建。22 、、 MRIMRI 的特点与意义的特点与意义• 高、尖、新：高、尖、新：高科技、边缘科学、发展迅速、产

生了 14 位诺贝尔奖金获得者。• 综合性：综合性：数学、核物理、电磁学、电子学、计算

机、生理解剖学、超导技术、材料科学、医学诊断等等从宏观到微观的各个领域；

• 生命意义：生命意义：科技的双刃剑作用；

第一节绪论


33 、、 MRIMRI 应用于医学的优势应用于医学的优势• 利用人体氢质子的 MR 信号成像，从分子水平提供诊断信息；

• 任意截面成像；• 软组织图象更出色；• 不受骨伪影的影响；• 无电离辐射 ,一定条件下可进行介入MRI治疗

第一节绪论


44 、、 MRIMRI 的局限性的局限性• 成像速度慢（相对于 X-CT而言）• 对钙化灶和骨皮质灶不敏感• 图像易受多种伪影影响• 禁忌症：心脏起搏器及铁磁性植入者等• 定量诊断困难

第一节绪论


55 、、 MRIMRI 、、 X-CTX-CT 、、 ECTECT 、、 USUS 对比对比

X-CT ECT MRI US 采集信号

X射线（X线球管产生的 X射线）

γ 射线（放射性核素、正电子湮灭产

γ生的光子）

MR信号（一定频率的电磁波）

一种机械波

生物体信号

X射线吸收率（主要取决于组织密度）

吸收代谢能力（主要取决于器官和药物种类）

质子密度、弛豫时间、化学位移等

机械波的反射率（主要取决于组织密度）

骨像干扰

有

有

无

有

成像截面

直接只能成横断面图像（通过计算机数据重建可成其他截面图像）


成人体任意截面的二维图像


第一节绪论


X-CT ECT MRI US 图像特征

极好的形态学信息 ,只能反映组织物理特性

极好的生理学信息,反映组织生化功能,也提供生态学信息

极好的生态学信息和生理学信息,也能进行功能成像

生态学信息

对病人危害

放射性外照射

同位素放射性内照射

基本没有危害

基本没有危害

屏蔽设置

屏蔽对外部环境的放射性照射

不需要屏蔽设备

屏蔽来自外部的电磁场和金属重物的影响

不需要屏蔽设备

分辨率

很高（1-4mm）

较低（5-15mm）

很高（0.7-2mm）

?

第一节绪论

55 、、 MRIMRI 、、 X-CTX-CT 、、 ECTECT 、、 USUS 对比对比二、磁共振成像二、磁共振成像

X-CT ECT MRI US 成像时间

4S~1m

1~20m

50~100ms (折合计算)

实时

运行耗费

与成像层数有关

放射性核素药物或加速器的耗费

与层数有关,致冷耗费

系统升级

更新新系统

更新软件

更新软件或开发高灵敏线圈

更新软件或开发探头

成像局限

妊娠病人受限

核素药物的取材及组织对药物吸收

心脏起搏器、铁磁性植入者

空气组织部位

第一节绪论

55 、、 MRIMRI 、、 X-CTX-CT 、、 ECTECT 、、 USUS 对比对比二、磁共振成像二、磁共振成像

66、、MRIMRI 的发展目的、方向及热点的发展目的、方向及热点

发展目的：发展目的：

缩短成像时间

提高图像质量

降低成像费用

更舒适、人性化的受检环境

第一节绪论


发展方向：发展方向：

原理方面：开发研究新的成像参数，温度、压强、

导电率、粘滞度、弹性等

软件方面：开发新的脉冲序列

硬件方面：高温超导材料研究、 4K 技术、高灵敏

线圈研发等

应用技术方面：血管造影技术、心脏电影、介入

MRI治疗、增强剂技术等第一节绪论


发展热点：发展热点：

fMRI: 功能磁共振成像，主要指脑功能磁共振成像

MRS:磁共振波谱分析，化学位移、核磁矩、元素

确定、体内化学成分分析。

新的成像核素的开发：如 31P专用小型磁共振的开

发，如关节磁共振、站立式磁共振。

第一节绪论


77 、主要、主要 MRIMRI 厂家厂家

国际 : PHILIPS G.E SIEMENS HITACHI MARCONI ( 原 PICHER) TOSHIBA

国内 : 东大阿尔派 (沈阳 ) 安科 ( 深圳 ) 麦迪特 (深圳 ) 鑫高益 (宁波 ) 万东 (北京 ) 威达（广东）

第一节绪论


百闻不如一见One picture is worth more than ten thousand words.

Anonymous

第一节绪论

第一台第一台 MRIMRI 装置装置 (1977)(1977)

第一节绪论

MRI: Magnetic Resonance ImagingMRI: Magnetic Resonance Imaging第一节绪论

MRIMRI

Success belongs to the Success belongs to the persevering. persevering.

成功属于那些锲而不舍的成功属于那些锲而不舍的人。人。

第二节核磁共振的基本概念第二节核磁共振的基本概念

1. 1. 磁场强度磁场强度

磁场强度 B是用来度量磁场中某点磁场大小和方向的物理量。

在磁体内部，磁场方向由S极指向 N极；在磁体外部，磁场方向由 N极指向S极。

直线电流产生的磁场，其方向用右手螺旋法则确定。

单位为高斯（ Gauss, 简称 G）和特斯拉（ Tesla ，简称 T ）， 1G=10-4T 。

物质的磁性是由分子电流引起的。是一种特殊的物质形式。磁场不仅可由电流激发，也可通过变化着的电场激发。

2. 2. 磁矩磁矩

将磁极强度为 m ，长度为 l的条形，磁铁放入场强为 B

0 的匀强磁场中，磁铁就会受到一种力偶矩（ M ）的作用。

M=mlB0

M 与 l反映磁铁的固有性质，与外磁场无关。乘积ml叫条形磁铁的磁矩。

第二节核磁共振的基本概念

3.3.转动和角频率（角速度）转动和角频率（角速度）

如圆盘匀速转动，则角速度为常数，单位是。

2 f /rad s

物体运动时，如果其上各点都绕同一直线作圆周运动，该运动就称为转动 (rotation) ，此直线就是转轴。


4. 4. 角动量角动量

P J

角动量 (angular momentum)或动量矩 (moment of momentum) P

mv

J 为转动惯量 (rotational inertia),其大小由物体的质量、质量分布以及转轴的位置三者决定。

J 和相当于运动物体的动量 (momentum) 中的 m 和 v 。


5. 5. 进动进动

以陀螺的转动为例，当其转动轴线与重力方向出现倾角时，陀螺在绕自身轴线转动的同时，其转轴还绕重力方向回转。物理学上把这种回转现象称为进动 (precession)


6. 6. 原子核的自旋原子核的自旋

原子由原子核和绕核运动的电子所组成。

自旋（ spin ）是指微观粒子像地球自转轴旋转那样高速旋转。这种旋转又与圆线圈中的电流（圆电流）类似，因而会产生磁场。

自旋是粒子或原子核具有磁矩的原因。

核外电子有单电子的轨道运动和电子的自旋两种运动方式。大多数原子核也具有自旋的特性。


7. 7. 原子核的磁矩原子核的磁矩

原子核是带正电的粒子 ,其电荷均匀地分布在它的表面上。核的自旋运动使得核的周围出现磁场。

原子核的磁矩为

方向垂直于环形电流的方向。为核的磁旋比。（核的特征常数）

N N NP

N


8. 8. 自旋的空间量子化自旋的空间量子化

定向重排 P的量子化

2z

hP m m

( , 1, 2, )m I I I I

原子核的自旋角动量 P在 z轴上的投影 Pz只能取一些不连续的数值，共有（ 2I+1 ）个可能取值，对应于核自旋在空间的（ 2I+1 ）个可能取向。

原子核的自旋情况由核的自旋量子数 I 来表征。不同的核具有不同的 I值。 I只能取整数或半整数，即它只能取 0 ， 1/2 ， 1 ， 3/2 ，…等。


氢核（）是医用磁共振成像中使用的核种，它是 I=1/2 的自旋核，有 m=1/2 和 m=-1/2 两种空间取向。

11H


9. 9. 核磁矩的空间量子化核磁矩的空间量子化核磁矩在 z轴上的投影为 ( , 1, 2, )z Pz m m I I I I

m 有（ 2I+1 ）个取值。


10. 10. 核磁矩在磁场中的能量核磁矩在磁场中的能量

0 0.m zE B mB

0 0 0cos zE B B B

z 是量子化的，核磁矩在静磁场中的能量也是量子化的。

B0 与核磁矩之间的夹角为。

具有自旋磁矩的原子核置于静磁场 B0 中，核磁矩的能量 E


这些不连续的能量值称为原子核的能级。这些不连续的能量值称为原子核的能级。 m<0: Em<0: Emm 为正值，低态能；为正值，低态能； m>0: m>0: 高态能。高态能。


Creep before you waCreep before you walk. lk.

循序渐进循序渐进

第三节微观核磁共振第三节微观核磁共振

一、能级劈裂一、能级劈裂1. 1. 塞曼效应塞曼效应

2 1I

无外磁场时的一个能级（一种角动量对应一个能级），在外场作用下因产生了（）个附加能量而分裂为（）层能级。

物理学上把这种基态能级在外场中发生分裂的现象称为塞曼效应（ Zeeman effect ）。

经塞曼分裂而形成的能级就是塞曼能级或叫做磁能级。

2 1I

0B

第三节微观核磁共振

2. 2. 自旋核在静磁场中的进动自旋核在静磁场中的进动

自旋核有一定的自旋角动量和核磁矩。在静磁场作用下，核磁矩将如旋转陀螺在地球引力场中进动一样运动，称为自旋核的进动。

进动轨道

自旋


0 0B

0B拉莫尔频率：是核磁矩在静磁场中绕进动时的频率。

将核磁矩的上述进动称做拉莫尔进动（ Larmor precession ）

3. 3. 拉莫尔频率拉莫尔频率

表示磁旋比。


二、磁共振现象二、磁共振现象

自然界中共振现象是普遍存在的。共振又是有条件的，如频率条件和相位条件。

原子核的共振频率是由原子核的特性和磁场强度共同决定的。只有自旋核才能发生核磁共振。

核磁矩在外磁场作用下将产生能级分裂，形成塞曼能级，核磁共振实际上就是指一定条件下在塞曼能级之间进行的共振吸收跃迁现象。


三、三、 NMRNMR 的经典力学原理的经典力学原理

0B在静磁场的垂直平面内施加一个以角速度旋转的磁场，就可使所具有的能量发生变化。也就是说，要破坏其平衡，必须从外界向进动的核系统提供能量。

1B

1B

12 cos( )B t

为获得角速度为的磁场，可在轴方向加一个线偏振（极化）的交变磁场：

x


1.1.旋转坐标系旋转坐标系 x’y’z’x’y’z’

'z'x 'y

' ' 'x y z

0B

1B

轴与固定坐标系的轴以及相重合，其，轴围绕轴旋转，并取旋转角速度为。旋转磁场与轴相重合，有着相同的角频率。在系中就可认为是静止的。

xyz zz

'x1B


进动是指固定坐标系中绕轴的转动。

章动是指核磁矩在射频场作用下进行的缓慢进动。

特指满足共振条件时绕轴的转动。在

坐标系中观察到两种运动的合成。

z

'x xyz

2.章动


稳定状态：

核磁矩具有一定的能量。在静磁场中，它以定角作拉莫尔进动，其能量并没有发生变化。

1B

0

' ' 'x y z

1B

1 1B

不稳定状态：

如果旋转磁场的旋转频率正好等于核磁矩的进动频率，那么在系中观察，也将是静止的。

场一旦加入，立刻受到一个相当于静磁场的作用。 1B

又将围绕进动，其进动角频率为


3. 核磁共振条件

核磁共振的条件： 0 0B

1B的旋转频率

0 核磁矩的进动频率


0B

0 0m zE B mB

m 1

0E B

0B

1. 当原子核处于外磁场中时，它的能级将产生塞曼分裂。

2. 核磁矩在静磁场中的能量

3.根据量子力学的选择定则，只有磁量子数之差（）为时，相邻两能级间的跃迁才是允许的。

4. 两相邻能级的能量差为

5.在磁场中一个核要从低能态向高能态跃迁，就必须吸收的能量。

四、 NMR 的量子力学描述


式中的和分别为普朗克常数和约化的普朗克常数，二者的关系为。

h / 2h

在外磁场的垂直方向设置射频线圈。

当激励电磁波的电磁辐射的能量与两相邻能级之间的能量差相等时：原子核两个能级之间的跃迁就会发生。

hE 0h E B

即拉莫尔方程02B

0B 2. 共振条

件

1. 核磁共振现象


五、五、 NMRNMR 的经典力学与量子力学的综合描述的经典力学与量子力学的综合描述

自旋核的磁矩在外磁场中以的角频率围绕进动。

稳定条件下，即没有交变磁场时，与的夹角保持不变。

核磁矩在磁场中只能取某些固定的方向。

0B

0B

0B

1B

0 0B


当与同向时，核磁矩处于的低能级状态态；

当与反向时，相当于核磁矩处于的高能级状态。

0B 1/ 2m

1/ 2m0B

1/ 2I 对的核，核磁矩只能有两个方向。


例子：

lxB lB

核磁共振现象的产生：

施加交变电磁场，产生一个旋转磁场。

如满足拉莫尔方程，处在上进动圆锥上的原子核就会吸收交变磁场的能量而跃迁到下面的圆锥上了，即从低能级跃迁到高能级。

1/ 2I 对的核，核磁矩只能有两个方向。例子：

A man becomes learned bA man becomes learned by asking questions.y asking questions.多问则业精多问则业精

第四节宏观核磁共振第四节宏观核磁共振

一、核磁共振的宏观描述一、核磁共振的宏观描述

微观核磁共振：讨论孤立自旋核的磁学性质、它在均匀磁场中的运动规律以及核磁共振现象。

宏观核磁共振：讨论原子核群的集体行为表现。

第四节宏观核磁共振

11 、自旋核的能级分布——玻尔兹曼分布、自旋核的能级分布——玻尔兹曼分布

玻尔兹曼 :Boltzmann

设有 N 个相同的原子核放入静磁场（外磁场）中，则自旋核的能级分布受下述两种作用的支配。


一是在外磁场作用下，核的自旋能级分裂为层，同时，其核磁矩趋向于方向（即趋向于占据低能级）以使本身达到尽可能低能量的稳定状态；

二是受热运动的影响，各高、低能级上的核数目或核密度又有相同分布的趋势，最后达到动态平衡。

0B2 1I



自旋核群体的平衡状态服从玻尔兹曼分布，处在低能级上的自旋核要比高能级上的多些。



22 、静磁化强度矢量（描述核磁矩的宏观特、静磁化强度矢量（描述核磁矩的宏观特性）性）磁化强度矢量（ magnetization vector ）：

单位体积内所有核磁矩的矢量和。

用 M在磁场中的运动规律来表征核的集体行为。

这一分析思想构成了 NMR经典力学理论的核心。

1

N

ii

M


无外场情况下，自旋核系统中各原子核磁矩的方向是杂乱无章的。

i

1

0N

ii

M


22 、静磁化强度矢量（描述核磁矩的宏观特、静磁化强度矢量（描述核磁矩的宏观特性）性）


有外场情况下：各核产生自旋和进动，并进行能级分裂。

两能级上的核数服从玻尔兹曼分布；

位于低能级上的核数稍多于位于高能级上的核数，使得原子核磁矩不能完全抵消。系统被磁化。


静磁化强度矢量静磁化强度矢量 MM00 ：： 01

N

izi

M



33 、静磁化强度矢量的激发、静磁化强度矢量的激发

热平衡时，被磁化的核系统中所有和的总磁矩等同于一个与同向的静磁化强度矢量。又叫做热平衡磁化强度。当 x方向加入射频磁场时，核磁矩与之间的夹角就要变化，其宏观表现为 M偏离 z轴一定的角度。即与分离。

0M0B

0B

1B

0M

0B

磁化强度矢量的激发：将与分离开。

0M0B


0zM M

0xyM

射频场作用后，将偏离方向。此时，将包含垂直分量和水平分量。

系统激发后的特征为

1xB 0M

xyMzMM

0B



产生的磁力矩将使绕进动。进动角频率为。

同时由于偏离方向，又立即受到的磁力矩作用，使它同时绕进动。进动角频率为。

1B

M M

xyM

1 1B M

0B0B 0B

0 0B



当在坐标系中以角速度旋转时，若满足的条件，激发后的相当于处在两个静磁场中，因而两种进动会同时进行。

把满足共振条件是中绕（轴）的转动叫做章动。

1B xyz 0 0B

' ' 'x y z 'x

M

1BM



M 的章动使其偏离的角度不断增大。偏离的角度取决于场的强度与持续时间：

0B

1B

1B

0B

若射频场使 M偏离成角，则称这一脉冲为角脉冲。

1B



不同之处：

前者是对磁系统宏观磁效应的力学描述，而后者反映的是单一微观粒子的磁效应。

相同之处：

它们所反映的运动形式是相同的。无数个不可测的核磁矩的进动和章动在宏观上表现为可测的M 的进动和章动。

它们都不可能无休止地震荡下去，而是发生衰减，必然伴随弛豫。

关于 M 和核磁矩的进动和章动的区别与联系：


质子在外磁场中的情况

1. 正常情况下，质子处于杂乱无章的排列状态。

2. 当把它们放入强外磁场中，就会发生改变。它们仅在平行或反平行于外磁场两个方向上排列。

107+7 : 107

平行反平行

4.4.质子在静磁场中的宏观磁化质子在静磁场中的宏观磁化


由于平行于静磁场方向的质子多于反平行于静磁场方向的质子，所以产生沿 Z 轴正方向的磁化 B ，叫做纵向磁化。

假设静磁场 B0 的方向为 Z 方向

Y

磁化过程




不管是平行于或反平行于静磁场方向的质子都会在 XY平面上产生投影向量值，叫做横向磁化。但是，由于质子进动时的初始相位不同，表现得杂乱无章，所以此时质子的横向磁化值等于 0 。

磁化过程


对放入静磁场的质子施加一射频脉冲将会出现什么现象呢？



如果施加与进动频率相等的射频频率，则质子会吸收射频脉冲的能量。

质子向高能跃迁，使纵向磁化变小；质子进动初始相角同步，产生横向磁化。


射频脉冲作用质子磁矩后的进动路径及到达的位置



二、饱和现象二、饱和现象

11 、概念、概念

饱和现象：

a.在射频场的作用下低能态的核吸收射频场的能量后将从低能态向高能态跃迁而产生信号。

b.若高能态上的核不及时回到低能态，低能态上的核数将随之减少，使两能级上核的数目趋于相等。

c. 自旋核系统对射频能量的吸收就要减少或者完全不能吸收，导致核磁共振信号减小或消失。


22 、电磁辐射与物质的相互作用、电磁辐射与物质的相互作用电磁辐射与物质的相互作用可分为感应吸收、感应辐射和自发辐射三种。

感应吸收：处于低能态上的核在外界电磁场的作用下，吸收一个电磁波的能量后跃迁到高能态上，使外加电磁场能量相应减弱。

感应辐射：处于高能态上的核在外界电磁场的作用下，从跃迁到低能态上，并把多余的能量以电磁波形式放出，使外加电磁场的强度增加。

自发辐射：高能态上的核自发跃迁到低能态上，并将多余能量以电磁波的形式向外辐射。

1E

2E12h

2E

21h

2E 1E

2E 1E


电磁辐射与物质相互作用的三种类型


饱和后两能级上的核处于动态平衡之中，核磁共振信号几乎消失。

对于原子核而言，感应吸收的几率与感应辐射的几率是相等的。而在核磁共振这样低的工作频率下，自发辐射几乎难以发生。

t 时刻两能级间的核数之差： 20

ptN N e 0N 是热平衡状态下两能级间的核数之差。

P是跃迁几率。


提示：

在 NMR 检测过程中，要尽量避免出现饱和现象，以获得所需的共振信号。

但是，在MRI系统中，饱和技术却被广泛用来抑制各种无关信号，如建立饱和带来抑制有些器官的运动伪影等。


提示：

小结小结

从微观量子力学来考虑，当外加交变场的频率与能级的能量差相匹配时，就称为共振；

从宏观经典力学来说，当外加交变场的频率与磁化强度矢量的进动频率相匹配时，就是共振。


三、弛豫三、弛豫

自旋体系可以与周围环境相互作用。在低能态上的核跃迁到高能态的同时，高能态的核向周围环境转移能量，及时地回复到低能态，核体系仍然保持低能态核数目比高能态微弱过剩的热平衡状态，维持玻尔兹曼分布，从而保证了共振吸收的继续进行。

这种不经过辐射而回到低能态的过程叫弛豫（ relaxation ）。

1 、概念


2 、弛豫的分类

自旋-晶格弛豫 (纵向弛豫)

(spin-lattice relaxation)

自旋-自旋弛豫 (横向弛豫)

(spin-spin relaxation)


晶格是泛指包含有自旋核的整个自旋分子体系，也可以说它是构成质子和原子的外在环境。

液体晶格本身也在运动，液体中组成晶格的原子和分子主要有旋转、振动和平移三种热运动方式。由此而产生瞬息万变的、具有各种频率的交变磁场。

如果其中之一的频率与某一自旋核的进动频率相同，处于高能态上的核就有可能把能量转移给这个交变磁场，即传递到晶格中去，自身则弛豫到低能态。

这种保持玻尔兹曼过剩的机理叫自旋 -晶格弛豫。

自旋自旋 --晶格弛豫晶格弛豫 ((纵向弛豫纵向弛豫 ))


自旋自旋 --自旋弛豫自旋弛豫 ((横向弛豫横向弛豫 ))

设核系统中有两个分别位于高低能级上的自旋核。

当高能态的核与低能态的核相互接近时，如果它们的进动频率相同，高能态的核将能量传递给低能态的核，使后者跃向高能态，而本身则跃向低能态。

该过程是由自旋核相互作用引起的，所以称为自旋 -自旋弛豫。


横向驰豫——相位发散的过程横向驰豫——相位发散的过程 (1)(1)



横向驰豫——相位发散的过程横向驰豫——相位发散的过程 (2)(2)

横向驰豫过程中，各种取向的核总数（统计意义上）横向驰豫过程中，各种取向的核总数（统计意义上）没有发生变化。只是一个没有发生变化。只是一个相位发散相位发散的过程。的过程。

相位发散相位发散——在理想的均匀磁场中，所有被激发的核——在理想的均匀磁场中，所有被激发的核都具有相同的进动频率。（激发瞬间）整齐地震荡某都具有相同的进动频率。（激发瞬间）整齐地震荡某一频率上的质子群的进动频率（在自旋—自旋耦合的一频率上的质子群的进动频率（在自旋—自旋耦合的作用下）发生变化，导致作用下）发生变化，导致频散频散，失去同步，进而产生，失去同步，进而产生相散相散。。

局部磁场的非均匀性局部磁场的非均匀性（如（如 HH2200形成的偶极子场）会形成的偶极子场）会改变质子的进动频率，进而加速相散，加快横向驰豫。改变质子的进动频率，进而加速相散，加快横向驰豫。


自旋 -晶格弛豫是一个自旋核与环境交换能量的过程。磁性核的能量随之下降。

自旋 -自旋弛豫是一个自旋核与另一个自旋核交换能量的过程。核体系的总能量不变。


3 、弛豫时间

自旋-晶格弛豫时间（T1）

自旋-自旋弛豫时间（T2）


自旋自旋 --晶格弛豫时间（晶格弛豫时间（ TT11 ））核磁共振中，自旋体系因受到射频波的激励而失去平衡。

射频场关断后它又借自旋 -晶格弛豫而恢复玻尔兹曼平衡。核系统这种从共振激发到恢复平衡所需要的时间称为自旋 -晶格弛豫时间。

在生物组织中，的值在几百毫秒到数秒之间。

1T


纵向恢复时间纵向恢复时间 TT11是由于被激发的反平行于静磁场是由于被激发的反平行于静磁场

的质子恢复到平行状态，所以纵向磁化增大。弛的质子恢复到平行状态，所以纵向磁化增大。弛豫快慢遵循指数递增规律，把从豫快慢遵循指数递增规律，把从 00增大到最大值增大到最大值的的 63%63%的所需时间称定义为的所需时间称定义为纵向驰豫时间纵向驰豫时间 (T(T11))。。


TT11 与静磁场的强度大小有关，一般静磁场强度与静磁场的强度大小有关，一般静磁场强度越大，越大， TT11就大就大

TT11 长短取决于组织进行能量传递的有效性。长短取决于组织进行能量传递的有效性。一般大分子（如生物蛋白）和小分子（如水）一般大分子（如生物蛋白）和小分子（如水）由于共振频率与拉莫尔频率差别较大，对能量由于共振频率与拉莫尔频率差别较大，对能量传递有效性差，因此传递有效性差，因此 TT11较长。较长。

中等分子（如脂肪）的共振频率接近于拉莫尔中等分子（如脂肪）的共振频率接近于拉莫尔频率，能量传递越有效，因此频率，能量传递越有效，因此 TT11较短较短。。

影响 T1 的因素


自旋自旋 --自旋弛豫时间（自旋弛豫时间（ TT22 ））

自旋 - 自旋弛豫的特点是能量交换在相同的自旋核之间进行，因而弛豫的效率非常高。

生物组织的 T2值在 30~150ms之间。

可见一般情况下 T1>T2 （ T1 约为 T2 的 4~10 倍）。

横向恢复时间 T2是由于相位同步质子的又开始变得不同步 ,所以横向磁化减小。弛豫快慢遵循指数递减规律，把从最大下降到最大值的 37% 的时间定义为横向驰豫时间 (T2) 。第四节宏观核磁共振

a 、射频结束瞬间，横向磁化达到最大 , 进动相位一致

b 、 c 、内部小磁场的不均匀性使得进动相位分散，横向磁化矢量逐渐减小

d 、最终相位完全分散，横向磁化矢量为零

a b c d


不同成分和结构的组织不同成分和结构的组织 TT22不同，例如水的不同，例如水的 TT22

值要比固体的值要比固体的 TT22值长。值长。 TT22 与磁场强度无关。与磁场强度无关。 TT22 的长短取决于组织内部的局部小磁场的均匀的长短取决于组织内部的局部小磁场的均匀

性对小磁化散相的有效性。性对小磁化散相的有效性。一般组织分子的大小均匀性越好（如水），散一般组织分子的大小均匀性越好（如水），散

相效果越差，相效果越差， TT22越长越长组织分子的大小越不均匀（如肌肉），散相越组织分子的大小越不均匀（如肌肉），散相越快，快， TT22越短越短

影响 T2 的因素


几种常见组织在不同场强下的几种常见组织在不同场强下的 TT11 ，， TT22 及质子密度值及质子密度值

组织组织TT11

TT22质子密度质子密度

(%)(%)0.2T0.2T 1.0T1.0T 1.5T1.5T

脂肪脂肪 240240 ------ ------ 6060 9.69.6

白质白质 390390 620620 718718 7676 10.610.6

灰质灰质 490490 810810 998998 9191 10.610.6

脑脊液脑脊液 14001400 25002500 30003000 140140 10.810.8

肌肉肌肉 370370 730730 860860 5050 9.39.3

弛豫时间弛豫时间 TT11 和和 TT22 的长短反映了自旋核周围的环境的长短反映了自旋核周围的环境情况。情况。


（（ 11 ）场强依赖性（没有理想的均匀）场强依赖性（没有理想的均匀 BB00 ）） ;;（（ 22 ）与晶格的分子大小、物理状态等有关；）与晶格的分子大小、物理状态等有关；（（ 33 ）温度依赖性。）温度依赖性。

影响弛豫时间的总因素

在MRI 中 T1 和 T2 时间的测定，其意义远不如 X 射线 CT扫描中 CT值测定的意义大（ T1和 T2仅可作为鉴别诊断的参考值）。


宏观弛豫通常是指磁化强度矢量M 的弛豫过程（ relaxation process ）。

它是医学磁共振成像中所说的弛豫，是上述两种弛豫的宏观反应。

M 弛豫的时间常数 T1 和 T2就是上面所说的 T1

和 T2 。

44 、宏观弛豫、宏观弛豫


定义

处于热平衡的核系统，受外界作用，磁化强度矢量M会偏离平衡位置一个角度。外场停止后，受激核系统从受激的不平衡态向平衡态恢复的过程称为弛豫过程。M 的弛豫过程就是核系统的弛豫过程。


磁化强度矢量的弛豫过程

磁化强度矢量M 的弛豫应该包括两个方面：

一、 Mz ，即纵向分量的恢复。称为纵向弛豫（ T1 ）。

二、 Mxy ，即横向分量的消失。称为横向弛豫（ T2 ）。

90°激励脉冲作用后宏观磁化矢量M 的弛豫示意图。


磁化强度矢量的弛豫过程


a 、射频结束瞬间，纵向磁化为零，横向磁化最大b 、反平行质子释放能量跃迁回平衡态，纵向磁化逐渐增大c 、最后回归原始状态，纵向磁化恢复到最大

弛豫过程图示


弛豫的开始时间

弛豫和激励不是两个分开的过程。只要 B1 场一开启， M偏离 B0 ，弛豫过程就已开始。由于射频激发脉冲的宽度一般要比质子的 T1 和T2 弛豫时间短得多，射频场作用期间的弛豫就允许忽略不计。


弛豫过程的综合表示（章动）

纵向磁化的逐渐增大过程

纵向磁化的逐渐减小过程

磁化矢量的进动

三种运动的综合过程


55、弛豫的生物学意、弛豫的生物学意义义

人体水分约占体重的 70%左右。因此，人体MRI属于液体成像的范畴。

人体的不同组织器官以及正常与异常组织间氢质子的弛豫特性有很大的不同，这就形成了氢质子 MRI 成像的物理学基础。

如：软组织中水多 NMR 信号强

骨中水少 NMR 信号弱大脑灰质：氢大多存在于水中。大脑白质：氢大多存在于脂肪中。


组织弛豫的决定因素

①① 组织含水量组织含水量

组织含水量是决定组织间弛豫率差异的主要因素。含水量下降则弛豫加快，反之弛豫变慢。

任何使组织水量变化的化学物理环境均可导致组织弛豫的变化。人体组织含水量发生变化的原因有水肿。糖尿病性脱水和运动消耗性脱水等。


②② 水的杂乱运动水的杂乱运动

不同的大分子可对其表面上水分子的运动产生不同程度的扰乱，使附件水的运动状态发生变化，这是造成 T1 ， T2差异的另一个重要原因。



③③ 脂肪的含量脂肪的含量

脂肪具有疏水性，这使其中的氢质子得以与水中的氢质子分开。当脂肪与肌肉和肝脏等组织或器官一起分布时，仍能表现出很好的弛豫特性来。

这就是MRI具有极高软组织对比度的组织学基础。



④④ 顺磁性粒子的作用顺磁性粒子的作用

顺磁粒子对核磁共振的弛豫有很大影响。如果在样品中掺入少量顺磁粒子，由于其总

磁矩不为零（约为核磁矩的 103倍），它所产生的局部场要比自旋核的强得多。如此强的局部场会使自旋核的弛豫加快。



谢谢观看谢谢观看

0

2 2

BN N EN

kT kT

核的总数为 N ，热平衡时两能级上的核数差为，则有N

0E B 原子核两能级之间的能量差很小，两能级上核数的差值也就很小。

高低能级自旋核数差

随着的增大，高低能级间的能量差变大，两能级间的核数差也相应变大。

核数差别变大，意味着 NMR 的灵敏度提高。

0B

我们所观察到的 NMR 信号是由核数的这一微小差值所形成的。

0

2 2

BN N EN

kT kT

高低能级自旋核数差

第五章 核磁共振成像（一）

Documents

第五章核磁共振成像（一）