磁共振成像的基本原理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,磁共振成像基本原理,Fundamental Principal of MRI,原子核在磁场中运动像“陀螺”，除了自身的旋转外，还绕外磁场作旋转“进动”。,原子核在外磁场中的运动,具有磁性的原子核，必须满足以下的条件：,而无磁性核如：,核的质子数或中子数为奇数，如：,原子核的磁性,磁矩就是指磁性，用,表示,。并非所有的核都具有磁性。,=h/2,为旋磁比，,1,H,的 ,=42.58 MHz/T,原子核的磁矩,B=0 B,0,无外磁场时，原子核排列是无序的，总体并不显示磁性。若存在外磁场时，原子核,(H),只能按两个方向进行定向排列，总体体现磁性。,原子核在外磁场中磁化,沿着磁场方向排列的原子核称：平行状态原子核,逆着磁场方向排列的原子核称：反平行状态原子核,顺磁场排列原子的能量比逆磁场排列原子能量小。,B=0 B,0,质子处于主磁场,B,0,中，氢核的磁矩就与主磁场发生相互作用，而处一个稳定的状态，氢核不能随意取向，它的能量是量化的：,平行状态原子核：,平行状态原子核：,能量差为：,所以,B,0,越大，质子之间能量差也越大，,MRI,图像信噪比也就越好。,原子核在外磁场中量化,其中,k,玻尔兹曼常数，,T,为绝对温度。,在常温稳定情况下，处于低能量的粒子数多于处于高能量的粒子数。,当场强为,1.5T,时，低能级的数目只比高能级多,8/2,000,000,个，两个方向的净自旋产生的磁场称为净磁化，或磁化矢量，所以磁化矢量是十分微弱。,Boltzmann,能量分布原理,在主磁场作用的基础上，在,XOY,平面内的,OX,轴射出一个射频场,B,1,，为了使核系统能吸收射频场发出的能量，射频场的能量,E,必须与质子系统的能级差,E,完全相等，,E=E,射频脉冲激励,是磁共振基本公式，称拉莫,(Lamor),公式，要求系统达到共振时，激励射频场的频率,r,必须与质子系统的共振频率,0,相同,(,0,与共振核和磁场强度有关,),。,B,0,为主磁场强度，单位,Telsa,1 Telsa=10,000 Gauss,约为地球磁场,20,000,倍,拉莫,(Lamor),公式,M,称为磁化矢量强度。,M,0,称为稳定状态时的磁化矢量强度。,M,0,与,B,0,方向一致。,M,与组织质子密度、,B,0,和绝对温度有关。,由于检测的是一定体积范围内所有质子在磁场中的表现，所以测量总的磁矩：,磁化矢量强度,M,静止与旋转坐标系,90,脉冲作用于,M,180,脉冲作用于,M,任意脉冲作用于,M,磁共振形成过程,质子系统在静磁场中逐渐被磁化，并在外加磁场方向上形成磁化矢量,M,0,，,M,0,在射频脉冲激发下产生磁共振现象，平衡状态被破坏，产生横向磁化,Mxy,，系统平衡被破坏，系统处于激发态。,纵向磁化矢量,Mz,变小,;,横向磁化矢量,Mxy,增大,。,当射频脉冲关闭后，系统从激发态返回平衡态，这过程就是弛豫。,纵向磁化矢量,Mz,恢复,;,横向磁化矢量,Mxy,衰减。,自旋弛豫,(Relaxation),纵向磁化弛豫 横向磁化弛豫,纵向弛豫过程,纵向弛豫过程,又称：自旋,-,晶格弛豫。指,90,脉冲终止后，纵向磁化矢量,Mz,逐渐恢复至平衡态,M,0,的过程。,T,1,纵向弛豫时间,：为纵向弛豫时间常数。在数值上等于纵向磁化矢量从最小值恢复至平衡态的,63%,所需要的时间，是纵向磁化矢量恢复快慢的一个指标。,纵向弛豫的机理,处于激发态的自旋核将能量释放至周围环境,(,晶格，其它种类原子核,),，恢复其平衡态的过程。,共振核周围有许多与之相似的磁矩，这些磁矩都具有局部磁场，对质子产生影响。晶格磁场是由一个无数频率组成的随机波动磁场。当晶格磁场为拉莫频率时，共振核将能量释放至晶格，并从高能态跃迁至低能态。,T,1,对比,T,1,是一个具有组织特异性的时间常数，即不同组织释放所吸收的射频能量的速度各不相同。成像中由于不同组织的,T,1,不同而形成的磁化不同，称为“纵向磁化对比”。,T,1,加权图像就是利用组织纵向弛豫时间的不同来进行成像。,单位：,ms,常见组织纵向弛豫时间,影响,T,1,的因素,组织分子大小,(,中等分子运动频率与共振频率相近，可产生有效的能量转移，,T,1,小；大分子和小分子运动频率与共振频率相差甚远，,T,1,大,),影响,T,1,的因素,影响,T,1,的因素,组织特异性的时间常数；与组织生理状态有关,晶格状态,(,固体、液体,),，固体,T,1,长,(,晶格振动频率高,10,12,10,13,Hz),大分子的存在,(,亲水基因与自由水结合形成水化层，降低水分子运动速率，,T,1,下降,),主磁场强度,(B,0,越大，,T,1,越大,),温度：温度上升，热运动加快有效弛豫频带分子数减小，,T,1,下降,横向弛豫过程,又称：自旋,-,自旋弛豫。指,90,脉冲终止后，,Mxy,由于磁相互作用，导致逐渐衰减过程。,T,2,纵向弛豫时间,：,等于,Mz,衰减过程中，衰减至最大值的,37%,所需要的时间。,是横向磁化矢量恢复快慢的一个指标。,横向弛豫机理,各自旋核的磁场相互作用，使彼此间的进动频率变化，导致自旋间的相位相干逐渐消失。使,Mxy,逐渐衰减过程,.,T,2,对比,T,2,是一个组织特异性的时间常数，不同组织释放所吸收的射频能量的速度各不相同，所以,T,2,也不同，从而形成的组织的磁化也不同，称为“横向磁化对比”。,单位：,ms,常见组织横向弛豫时间,影响,T,2,的因素,组织特异性；,与组织生理状态有关；,与主磁场强度无关，但与主磁场均匀度有关；,组织分子大小及物理状态：大分子及固体有固定的分子晶格，分子间的自旋,-,自旋作用持久，,T,2,短。小分子及液体分子由于快速平动而趋向于磁场不均匀性平均化，从而降低,T,2,弛豫效应。,T,2,变长。,T,2,*,弛豫,(,表观或有效,T,2,),由于主磁场的不均匀性，引起质子自旋频率就不同，因而加速了横向弛豫的过程导致横向磁化弛豫的加快，,T,2,的下降。,T,2,*,加权像称磁敏感对比。,磁共振信号接收,接收线圈位于,XOY,平面内，随着,M,的旋转，,Mxy,每旋转一次，就会在线圈内形成一个感应电流，感应电流的大小随时间逐渐减小，形成自由衰减信号,FID,。,磁共振信号处理,信号接收后，就可以进行傅里叶分析,FFT,。,MR,成像的高敏感性是基于健康组织与病理组织弛豫时间常数,T,l,及,T,2,的不同，并受质子密度、脉冲序列参数,(TR,、,TE),的影响。,通过调节,TR,和,TE,可以得到不同加权的图像，也可以通过外界因素,(,造影剂,),来改变组织的,T,l,及,T,2,，以增强图像对比度。,MRI,图像对比,