第十九章 核磁共振.ppt

　　核磁共振

　　第十九章

　　教学基本要求

　　掌握掌握核磁共振的基本概念。 理解核磁共振谱反映物质结构的原理。 理解磁共振成像临床诊断的物理学依据。 能够叙述磁共振成像过程。 了解磁共振技术在医学中的应用现状。

　　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) 1946~1972年

　　厄恩斯特诺贝尔化学奖 1991年

　　穆斯堡尔诺贝尔物理学奖 1961年

　　布洛赫 斯坦福大学

　　珀塞尔 哈佛大学

　　1952年诺贝尔物理学奖获得者

　　美国科学家保罗?劳特伯尔

　　英国科学家彼得?曼斯菲尔德

　　2003年诺贝尔医学或生理学奖获得者

　　第一节 核磁共振的基本概念

　　一、原子核的磁矩

　　1. 磁场中的磁矩

　　单位：J/T

　　磁矩在磁场中的势能

　　(Gp:) 式中 是 与 的夹角

　　当?=0时，E=??B0(最小)，稳定平衡

　　当?=?时，E=?B0(最大)，不稳定平衡

　　环形电流的磁矩

　　2. 原子核的磁矩

　　① 如果质子数和中子数都是偶数的原子核，自旋量子数为零，如12C、16O等;

　　② 质子数和中子数只有一个是奇数的原子核，I为半整数，如1H、19F、31P等;

　　I为核自旋量子数

　　③ 质子数和中子数都是奇数的原子核，I为除零以外的正整数，如6Li、14N等。

　　(Gp:) 为约化普朗克常量

　　(1)核自旋角动量

　　由量子力学知核自旋是量子化的，只能取一系列不连续值。

　　核自旋量子数的实验规律

　　(2)核自旋角动量的空间分量

　　核自旋角动量也具有空间量子化的性质，即PI 在外磁场(z方向 )的分量PIz也取不连续值。

　　mI为自旋磁量子数

　　mI= I，I?1， I ? 2，…，? I

　　mI 共有 2I+1个可能值，这使核自旋在外磁场中有 2I+1 个可能的取向。

　　(3)核磁矩与核自旋的关系

　　(Gp:) 为核磁子，核磁矩单位

　　gN 为朗德因子

　　(4)核磁矩的空间量子化

　　(Gp:) 为原子核的磁旋比

　　核磁矩描述自旋核在其周围空间所产生的磁场特性

　　(Gp:) 原子核的自旋和磁矩

　　(5)原子核在磁场中的取向与能级分裂

　　自旋量子数为I的原子核在磁场作用下，核能级可分裂为2I+1个 ，如I=3/2的核，在磁场中的自旋状态可以有4种取向，核能级分裂为4个。

　　B0=0

　　B0?0

　　(Gp:) B0?0

　　相邻两能级的能量差为

　　磁共振成像的氢核1H，自旋量子数I=1/2，在磁场中的自旋状态只有2种取向，核能级也只分裂为2个。

　　(6)宏观磁矩

　　在没有外磁场的情况下，氢核系统的?是杂乱无章分布的，每个磁矩的方向都是随意的，磁矩间的磁性相互抵消，对外不表现磁性。当氢核处于外磁场B0中，它在自身旋转的同时，又以B0为轴进动，方向平行或反平行于外磁场，从宏观上看，由于平行于B0的分量多于反平行于磁场的分量，使得氢核磁矩不能完全互相抵消，于是在外磁场方向便出现一个磁矩，这个磁矩叫做宏观磁化强度矢量简称为宏观磁矩，即

　　(6)宏观磁矩

　　宏观磁矩本质是氢核磁矩从无序排列变成有序排列的结果，磁场愈强、氢核磁矩取向一致的倾向愈强烈，宏观磁矩愈大。

　　(Gp:) x

　　(Gp:) y

　　(Gp:) z

　　二、核磁共振条件和拉莫尔方程

　　1. 磁矩在磁场中的运动

　　在外磁场中氢核磁矩受到外磁场的作用，当其转轴偏离竖直方向( 即外磁场B0的方向)时，就会一边自旋，一边又绕竖直方向进动，经过推证其进动角频率为

　　(1)原子核在磁场中进动的频率

　　当氢核处在外磁场，同时又在频率为?的RF作用下，若RF能量h?等于原子核分裂的能级差?E时，处于低能级的原子核就有可能吸收RF能量跃迁到高能级。即

　　(2)拉莫尔方程

　　(Gp:) 或

　　拉莫尔方程

　　2. 核磁共振

　　处于磁场中的氢核磁矩，若同时在垂直于B0方向上施加一个射频脉冲RF，当RF的频率满足拉莫尔公式时，氢核磁矩就有可能吸收RF的能量，使部分氢核被激发，这种现象称为共振吸收。停止RF照射，处于激发态的氢核磁矩将会回到低能态，同时发射RF，整个吸收和发射的过程称为核磁共振。

　　(1)核磁共振现象

　　主要方法

　　扫频法：固定外磁场，连续改变RF的频率

　　扫场法：保持RF的频率，连续改变外磁场

　　发生核磁共振条件

　　例19-1 试计算1H和31P在0.5 T及1.0 T的磁场中发生核磁共振的频率?已知1H和31P的磁旋比分别为42.58MHz/T和17.24MHz/T

　　解：(1)根据拉莫尔方程，当B=0.5 T时，1H和31P发生核磁共振的频率分别为：

　　(2)根据拉莫尔方程，当B=1.0 T时，1H和31P发生核磁共振的频率分别为：

　　(2)90o和180o的射频脉冲

　　宏观磁矩M与RF之间发生共振吸收， M与B0方向的夹角将发生变化，如果使M与B0方向的夹角变化?角，就是一个?角的RF脉冲，两种基本脉冲：90?RF脉冲和180?RF脉冲。

　　(3)检测MR信号

　　大量氢核磁矩吸收和发射能量，都会在环绕氢核系统的接收线圈上产生感生电动势，这就是磁共振信号，其强度与参与共振的氢核数目和射频脉冲过后提取信号的时刻有关。

　　N

　　S

　　射频 RF

　　放大电路

　　FID f(t)

　　FT

　　f(?)

　　样品

　　(4)两种MR信号

　　观察MR信号有两种方法，一种是MR信号强度随时间的变化，叫做自由感应衰减信号(FID)，另一种是由FID信号经傅里叶变换(FT)后得到的MR信号随频率变化的波形。

　　M R 信 号

　　t(s)

　　FID信号

　　M R 信 号

　　f(Hz)

　　FT

　　三、弛豫过程和弛豫时间

　　1. 弛豫过程

　　大量氢核磁矩顺着磁场方向排列的状态，并不随时间变化，称为稳定平衡状态。若受到RF的激发，宏观磁矩的方向就要偏离平衡状态，这时氢核磁矩就不能长久保持这种状态，而是要逐渐恢复到平衡状态。这个恢复过程称为弛豫过程，它反映了不同氢核之间以及氢核与周围环境之间相互作用的过程。

　　弛豫过程

　　纵向(顺磁场方向)过程

　　横向(垂直于磁场方向)过程

　　(Gp:) x

　　(Gp:) y

　　(Gp:) z

　　(Gp:) x

　　(Gp:) y

　　(Gp:) z

　　90?RF 脉冲作用

　　(Gp:) 弛豫过程

　　(Gp:) y

　　(Gp:) z

　　(Gp:) y

　　(Gp:) z

　　(Gp:) x

　　(Gp:) x

　　(Gp:) 纵向弛豫

　　(Gp:) 横向弛豫

　　90?脉冲激励后的弛豫过程

　　(1)横向过程

　　氢核磁矩在水平方向(横向)趋于平衡状态，各磁矩旋进的相位完全错乱。氢核磁矩从不平衡状态到平衡的变化过程中，也要经历这种分散的过程，完全分散时各磁矩在水平方向的磁性将互相抵消，从宏观上看磁矩水平分量Mxy趋于零，这个过程称为横向弛豫。是同种核相互交换能量的过程，故又叫做自旋-自旋弛豫过程。

　　(2)纵向过程

　　整个氢核磁矩系统与周围环境之间恢复到平衡状态，这个过程是氢核系统吸收能量，偏离磁场方向，其宏观磁矩在纵向的分量Mz由小到大，最后达到未偏离磁场方向以前宏观磁矩的大小，所以这个过程叫做纵向弛豫。该过程是氢核与周围物质进行热交换，最后达到热平衡，故又叫做自旋-晶格弛豫过程。

　　(1)纵向弛豫时间

　　M0是90?RF脉冲作用前氢核系统的宏观磁矩，T1习惯上用Mz达到最大值M0的63%时所需的时间来确定其大小。

　　2. 弛豫时间

　　(Gp:) t(ms)

　　(Gp:) 63%

　　(Gp:) T1

　　(Gp:) Mz

　　(Gp:) 100%

　　(Gp:) 0

　　(Gp:) 1000

　　(Gp:) 2000

　　(Gp:) 3000

　　(2)纵向弛豫时间

　　Mxymax是90?脉冲过后宏观磁矩在水平方向的最大值，T2是Mxy损失63%时所需的时间，所以经过一个T2时间，Mxy还剩余为Mxymax的37%。

　　(Gp:) 400

　　(Gp:) 200

　　(Gp:) 600

　　(Gp:) t(ms)

　　(Gp:) T2

　　(Gp:) Mxy

　　(Gp:) 0

　　(Gp:) 100%

　　(Gp:) 37%

　　第二节 核磁共振谱

　　一、谱线宽度

　　1. 自然宽度

　　根据量测不准关系，粒子处在某个能级的寿命?t是一个有限的，?E就有一定的宽度，能级之间跃迁的频率就不是一个单一的值，而是一个以?0为中心的频带。

　　2. 偶级加宽

　　由于核与核之间产生相互感应将引起能量的传递，从而缩短了核在该能级的平均寿命，使谱线加宽。

　　3. 非均匀性加宽

　　由于外加磁场不均匀，使共振核的进动频率不完全一致，谱线将会明显加宽，这种由于外加磁场不均匀性造成的谱线加宽。

　　4. 形状和面积

　　(Gp:) ?

　　(Gp:) f(?)

　　(Gp:)

　　(Gp:) ?h

　　(Gp:) 液体样品-Lorebtz线型

　　(Gp:) ?

　　(Gp:) f(?)

　　(Gp:)

　　(Gp:) ?h

　　(Gp:) 固体样品-Gauss线型

　　两种谱线宽度的表示式都与T2有关，这是在假定外磁场是均匀的，仅仅由于自旋-自旋相互作用的结果，若考虑到外磁场的不均匀性对线型的影响，则引用一个等效的横向弛豫时间T2?来描述这一作用过程，并用表示T2*它们的综合效应，即

　　磁共振谱线所包围的面积与参与共振的核数目成正比，通过积分求出不同谱线包围面积之比，可得知参与共振的不同原子核的数目之比，这将为物质结构分析提供了重要依据。

　　二、化学位移

　　1. 固定磁场采用扫频法的化学位移

　　?S、?x分别表示参考物质和测试样品发生共振时的频率

　　2. 固定频率采用扫场法的化学位移

　　BS、Bx分别表示参考物质和测试样品发生共振时的外加磁场的磁感应强度

　　常用选用四甲基硅(TMS)作为参考物质

　　乙基苯的1H核磁共振谱

　　三、自旋-自旋劈裂

　　由于基团间核自旋磁矩的相互作用引起吸收峰分裂为多重线的现象称为自旋-自旋劈裂。

　　氢核谱线规律：某原子核集团的谱线条数受到周围原子核集团同种核的个数n，其谱线分裂为n+1条谱线，下图是硝基丙烷的磁共振谱。

　　四、磁共振波谱仪简介

　　1. 磁共振波谱仪组成部分

　　2. 仪器的主要性能指标

　　(1)射频频率：频率高，化学位移宽，分辨率高。

　　(2)稳定度：指工作条件不变时，仪器连续画谱，谱线漂移的情况。

　　(3)分辨率：指共振吸收线中裂分情况，线越细，裂分越好，分辨率越高。

　　(4)灵敏度：是指仪器检出弱信号的能力，是磁共振谱仪重要性能指标之一。

　　第三节 磁共振成像原理

　　一、磁共振成像的基本方法

　　根据拉莫尔公式，沿梯度场方向的位置不同，共振频率不同，于是可以通过梯度场来建立起共振信号与空间位置之间的对应关系，为了重建一幅层面图像，即要建立起不同点的共振信号与位置坐标一一对应关系，首先就要对观测的对象进行空间编码，把研究对象简化为由若干个称为体素的小体积所组成，然后依次测量每个体素，再根据各体素的编码与空间位置一一对应关系实现图像的重建。

　　1. 层面的选择

　　置成像物体于z轴方向的均匀主磁场B0中，在均匀磁场上，叠加一个同方向的线性梯度场Gz，磁感应强度沿z轴方向由小到大均匀改变。

　　垂直于z轴方向同一层面上的磁场强度相同，不同层面上的磁场强度不同，用不同频率的射频脉冲RF照射不同层面，会得到不同的共振频率 ，不同的共振频率表示自旋核所在的层面位置，Gz称为选片梯度场。

　　2. 编码

　　沿x轴施加一个梯度很小的线性梯度场Gx，磁场沿x轴由小逐渐增大，显然层面中垂直于x轴方向的同一条直线的磁场均相同，而不同直线磁场略有差异，磁矩旋进的速度也不一样，这就使各体素中磁矩旋进的相位发生变化，用这种相位差作为一种标记，可识别沿x轴方向的每一条直线各体素的MR信号，这一过程称为相位编码。

　　(1)相位编码

　　2. 编码

　　若在接收信号时，再沿y轴方向施加一个梯度较大的线性梯度场。这时，层面上垂直于y轴方向的同一条直线的磁感应强度相同，而不同直线上的磁场则不同，磁矩旋进也有差异，把磁矩旋进频率的差异作为一种标记，以识别垂直于y轴的各条直线上各体素的MR信号，这一过程称为频率编码。

　　(2)频率编码

　　9像素图像相位编码与频率编码

　　3. 图像重建

　　经过选片、相位编码和频率编码，把整个层面的体素一一进行标定。用RF脉冲对体素进行激励，停止RF脉冲照射，测量感应信号采集数据信息，这个信号是各体素带有相位和频率特征的MR信号的总和。通过解码对探测到的FID信号进行二维傅里叶变换处理，得到具有相位和频率特征的MR信号的大小，最后根据与层面各体素编码的对应关系，把体素的信号大小与对应的像素依次显示在荧光屏上，信号大小用灰度等级表示。

　　核磁共振成像过程框图

　　处 于 B0 中 的 成 像 体

　　用 Gz 选 片

　　用 Gx 相 位 编 码

　　用 Gy 频 率 编 码

　　信 号 采 集

　　二 维 FT 处 理

　　层 面 图 像 显 示

　　二、人体的磁共振成像

　　1. 氢核是人体成像的首选核种

　　人体组织中氢核与其它元素的MR信号相对灵敏度(规定氢的相对值为1)

　　2. 人体各种组织含水比例不同

　　几种人体组织、脏器含水比例

　　3. 人体不同组织的T1、T2值

　　几种正常组织在0.5 T情况下的T1、T2值范围

　　3. 人体不同组织的T1、T2值

　　几种病变组织在0.5 T情况下的T1、T2值范围

　　临床意义

　　(1)人体各种组织的T1、T2 值是不相同的，这就提供了用T1、T2值来建立人体组织的分布图像的可能性。可以形成T1、T2加权图像，人体正常组织与病变组织的含水量和T1、T2值均有所不同，所以可从图像中把病变组织识别出来，从中还可以判断病变的不同发展阶段，为临床诊断提供依据。

　　(2)人体组织的MR信号强度决定于这些组织中氢核密度和氢核周围的环境，即人体组织结构和生化病理状态，磁共振原理告诉我们，T1、T2反映了氢核周围环境的信息，因此人体不同组织之间、正常组织与该组织中的病变组织之间氢核密度?和T1、T2三个参数的差异，是MRI用于临床诊断最主要的物理学基础。

　　临床意义

　　三、如何产生氢核密度?和T1、T2加权像

　　1.自旋–回波序列

　　自旋-回波序列由90?和180?RF脉冲组成。

　　(Gp:) 、

　　TE–回波时间 TR-脉冲重复时间

　　1.自旋–回波序列

　　磁共振的原理证明，在自旋-回波脉冲序列作用下，MR信号的幅度满足

　　(1)氢核密度图像

　　当TR>>T1、TE<

　　(2)T1加权图像

　　当TR≤T1、TE<

　　信号幅度由氢核密度和T1决定，用这种信号重建图像称为T1加权图像(T1WI)，当TR取得愈短，A受T1的影响愈大，T1加权愈重，在实际操作中，获得T1加权图像的典型数据是TR≤300 ms，TE≤30 ms，在T1WI中，若氢核密度差别不大，不予考虑时，T1大的地方A值较小，即图像呈现弱信号;反之，T1小的地方A值较大，即图像呈现强信号。

　　(3)T2加权图像

　　当TR>>T1、TE≥ T2时，上式可简化为

　　信号幅度由氢核密度?和T2决定，用这种信号重建图像，称为T2加权图像(T2WI)，TE取得愈长，幅度受T2的影响愈大，则称T2加权愈重，在实际操作中获得T2加权图像的典型数据是TE≥60 ms，TR≥1500 ms。在T2WI中，若氢核密度差别不大，不予考虑时，T2大的地方A值较大，即图像呈现强信号;反之，T2小的地方A值较小，即图像呈现弱信号。

　　(Gp:) T1WI

　　(Gp:) T2WI

　　(Gp:) ?WI

　　三种加权图像

　　2. 反转恢复序列

　　IR是用来产生T1加权的磁共振图像，图中180°脉冲是使系统的M0从z倒向?z方向，然后在纵向宏观磁矩由?M0向+M0 恢复过程中施加一个90°脉冲，目的是将这个时刻的纵向宏观磁矩变为横向宏观磁矩，以便使这个横向分量在吸收线圈中产生FID信号。在TI时间内不同T1的组织其-M0的恢复程度不同，T1短的组织恢复快，FID信号强;T1长的组织恢复慢，FID信号弱，因此不同组织其在图像中的对比度有明显差别。

　　反转恢复序列

　　TI-反转复恢时间 TR-脉冲重复时间

　　四、 磁共振成像临床诊断的物理学依据

　　1. 氢核密度?、T1和T2的对比度

　　由于氢核密度不同的两种不同组织，除了开始时外，在其它任一时刻去采集信号，由于氢核密度不同，造成宏观磁矩大小的差别，这是产生氢核密度对比度的信号源。

　　(1)氢核密度不同形成的对比度

　　左图表明脂肪的T1最短，信号最强，脊髓的T1长，信号最弱。因此，某一时刻获取图像中像素的灰度等级，脂肪最亮、脊髓最暗，白质和灰质介于两者之间。

　　(2)T1、T2不同的组织形成的对比度

　　右图表明t1时刻大脑的信号比脊髓强，而t3时刻脊髓的信号反而比大脑强，因此在同一层面的MR图像，相同部位的组织，在不同时刻采 集信号组建的图像，其相对亮度可以截然不同。

　　2. 氢核密度?、T1、T2三种图像进行诊断的物理学依据

　　由于人体组织含水比例差别有的很小，所以图像反差不大，而氢核周围的生化、病理信息在图像中反映甚少，其功能与X-CT图像相近，未能突出MRI的特点，但人体不同组织的T1、T2值差别远大于含水比例的差别，因此T1、T2加权图像的反差比密度图像好，还能反映氢核周围分子结构、生化特征的信息。

　　例如在SE序列得到的三种图像中，脂肪的氢核密度较高，在密度图像中比较明亮;脂肪的T1值比其它组织短，所以在T1加权图像中非常明亮;脂肪的T2值与其它组织相差不大，所以在T2图像中相对变暗。

　　正常肝组织、肝癌与肝脓肿的三种图像比较

　　(Gp:) 名称

　　(Gp:) ? 大小

　　(Gp:) 图像明暗

　　(Gp:) T1 长短

　　(Gp:) 图像明暗

　　(Gp:) T2 长短

　　(Gp:) 图像明暗

　　(Gp:) 正常肝

　　(Gp:) 短

　　(Gp:) 亮

　　(Gp:) 肝癌

　　(Gp:) 次之

　　(Gp:) 次之

　　(Gp:) 肝脓肿

　　(Gp:) 长

　　(Gp:) 暗

　　(Gp:) 长

　　(Gp:) 亮

　　(Gp:) 相 差 无 几

　　(Gp:) 无 明 显 差 别

　　(Gp:) 相 近

　　(Gp:) 差 别 很 小

　　3. MRI造影剂

　　MRI中使用含有顺磁性物质，如Gd-DTPA可以改变组织内部氢核系统的弛豫时间，从而提高和周围组织成像的对比度，它可使T2大大减小，在T2加权图像中含有顺磁性物质的部分与其他部位的反差便大大增强，有效改变病变部位组织的特征参数，明显提高MR图像的分辨力。

　　4. 磁共振血流成像

　　MRA利用流动血液MR信号与周围静态组织MR信号的差异来建立图像对比度。

　　两类方法：

　　时间飞越法(TOF)

　　相位对比法(PC)

　　正常颅内MRA图像

　　腹部MRA图像

　　5. 磁共振功能成像

　　两类方法：

　　弥散成像

　　灌注成像

　　弥散加权成像梗塞灶呈高信号

　　弥散系数像梗塞灶呈低信号

　　灌注成像

　　五、磁共振成像系统简介

　　1. 磁场系统

　　(1)主磁场

　　(2)梯度磁场

　　常导电磁体

　　永磁体

　　超导磁体

　　用来产生并控制磁场中的梯度，以实现磁共振信号的空间编码，这个系统有三组线圈，产生x、y、z三个方向的梯度场，线圈组的磁场叠加起来，可以形成任意方向的线性梯度场。

　　2. 射频系统

　　(1)射频发生器

　　(2)射频接收器

　　射频振荡器

　　发射门

　　脉冲功率放大器

　　当射频发生器发射的射频满足磁共振条件时，射频场与成像物体中的氢核磁矩发生相互作用，进行能量交换，使宏观磁矩M偏离平衡态。射频脉冲过后，M将回到其平衡位置，在接收线圈中感应出MR信号，这个信号很弱，经放大后进入图像重建系统。

　　脉冲程序器

　　2. 图像重建系统

　　由射频接收器送来的信号经A/D转换器，把模拟信号转变为数字信号，便于贮存和用计算机进行累加运算，经过累加的MR信号，在目前的MRI中都采用傅里叶变换或快速傅里叶变换，得到具有相位和频率特征的MR信号大小，然后根据与观测层面体素的对应关系，经计算机运算和处理，得到层面像素数据，再经过D/A转换，加到图像显示器，按信号的大小用不同的灰度等级显示出欲观测的层面图像。

　　第四节 磁共振技术在医学中应用

　　一、分子水平

　　用磁共振波谱技术研究生物分子，在生物分子结构、构象、探讨构象与功能的关系方面，可以取得其它技术很难得到的信息。

　　二、细胞水平

　　用磁共振波谱技术可在保持细胞完整的条件下，观察细胞器中如Na+、K+、Ca2+等无机离子的浓度和水分、磷、钠的数量;准确监测象Na+、K+、Li+、H+等的跨膜传输过程，动态地测定细胞中ATP、ADP、PCr等能量代谢水平的变化。

　　三、组织水平

　　组织水平的研究，已从离体发展到在体的研究。其主要手段是采用空间定域磁共振谱(SLS)技术，空间定域的基本方法有：表面线圈法、梯度静磁场法、二维傅里叶空间相位和幅度编码方法，所以人们把这三种方法结合起来使用，推出一些使用性更强的SLS新方法，如空间定域多脉冲方法、隔层层扫表面线圈方法等。

　　四、细胞水平

　　整体水平的研究主要是指MRI技术，它的突出优势是能提供和X-CT相媲美的解剖学图像，同时还能提供与生化、病理有关的信息。