磁共振成像PPT讲稿.ppt

磁共振成像第1页，共19页，编辑于2022年，星期日第1节一原子核的磁矩 原原子子中中，电电子子因因绕绕原原子子核核运运动动而而具具有有轨轨道道磁磁矩矩；电电子子还还因因自自旋旋具具有有自自旋旋磁磁矩矩；原原子子核核、质质子子、中中子子以以及及其其他他基基本本粒粒子子也也都都具具有有各各自自的的自自旋旋磁磁矩。原子核的自旋角动量矩。原子核的自旋角动量 式式中中，为为核核的的自自旋旋量量子子数数,可可取取零零、半半整整数数和整数；但时该核无自旋。和整数；但时该核无自旋。第2页，共19页，编辑于2022年，星期日第1节一原子核的磁矩磁矩 式中，式中，g为朗德因子，为朗德因子，是核磁矩单位，叫作核磁子。是核磁矩单位，叫作核磁子。第3页，共19页，编辑于2022年，星期日第1节一原子核的磁矩原原子子核核的的自自旋旋角角动动量量和和磁磁矩矩在在外外磁磁场场方方向向上上的的分量分别为分量分别为 式式中中，m为为磁磁量量子子数数，其其值值可可取取，共共2个个值值。表表示示核核的的自自旋旋角角动动量量和和磁磁矩矩在在外外磁磁场场中中有有2个个可可能的取向或沿磁场方向可以有能的取向或沿磁场方向可以有2种分量。种分量。第4页，共19页，编辑于2022年，星期日第1节一原子核的磁矩磁偶极子在外磁场中具有势能磁偶极子在外磁场中具有势能。为为磁磁矩矩在在磁磁场场方方向向上上的的分分量量，B是是外外磁磁场场的的磁磁感感应应强强度度。可可见见顺顺着着磁磁场场方方向向能能量量低低，逆逆着磁场方向能量高。着磁场方向能量高。第5页，共19页，编辑于2022年，星期日第1节一原子核的磁矩 由由于于m可可取取2种种值值，因因此此原原子子核核原原来来一一个个能能级级，在在外外磁磁场场中中将将分分裂裂成成2个个能能级级。如如质质子子，它它的的磁磁矩矩在在外外磁磁场场中中将将取取两两种种状状态态，磁磁矩矩平平行行于于磁磁场场的的为为低低能能级级，反反平平行行于于磁磁场场的的为高能级，能量差为高能级，能量差 第6页，共19页，编辑于2022年，星期日第1节一原子核的磁矩在均匀磁场中质子磁矩的取向和能级在均匀磁场中质子磁矩的取向和能级 第7页，共19页，编辑于2022年，星期日第1节一原子核的磁矩当当热热平平衡衡时时，处处于于低低能能级级的的质质子子数数稍稍多多于于高高能能级级的的质质子子数数，此此时时若若垂垂直直于于的的方方向向加加一一射射频频场，设其频率满足场，设其频率满足 则则发发生生两两能能级级之之间间的的共共振振跃跃迁迁。质质子子从从高高能能级级跃跃迁迁到到低低能能级级能能量量放放出出，反反过过来来要要吸吸收收能能量量。因因低低能能级级上上质质子子数数稍稍多多，则则由由低低能能级级跃跃迁迁到到高高能能级级的的质质子子数数也也稍稍多多，结结果果从从射射频频场场中中吸吸收收了了能量，这种能量被吸收的现象叫做核磁共振。能量，这种能量被吸收的现象叫做核磁共振。第8页，共19页，编辑于2022年，星期日第1节二磁矩在磁场中的运动 原原子子具具有有磁磁矩矩，按按照照经经典典物物理理学学它它在在外外磁磁场场中中受受到到磁磁力力矩矩的的作作用用，所所以以核核在在自自旋旋的的同同时时还还以以外磁场方向为轴线作旋进。其旋进角速度为外磁场方向为轴线作旋进。其旋进角速度为由上式可得拉莫频率（旋进频率）由上式可得拉莫频率（旋进频率）由由上上式式可可知知，当当磁磁场场为为定定值值时时，各各种种磁磁核核由由于于磁旋比的差异而以不同的频率旋进。磁旋比的差异而以不同的频率旋进。第9页，共19页，编辑于2022年，星期日第1节三磁共振现象 核核磁磁共共振振（Nuclear Magnetic Resonance简简称称NMR）是是磁磁矩矩不不为为零零的的原原子子核核，在在外外磁磁场场作作用用下下自自旋旋能能级级发发生生塞塞曼曼分分裂裂，共共振振吸吸收收某某一一定定频频率率的的射射频频辐辐射射的的物物理理过过程程。核核磁磁共共振振波波谱谱学学是是光光谱谱学学的的一一个个分分支支，其其共共振振频频率率在在射射频频波波段段，相相应应的的跃跃迁迁是是核核自自旋旋在在核核塞塞曼曼能级上的跃迁。能级上的跃迁。第10页，共19页，编辑于2022年，星期日第2节磁共振成像原理 一磁共振成像的基本方法一磁共振成像的基本方法 二人体的磁共振成像二人体的磁共振成像 第11页，共19页，编辑于2022年，星期日第2节一磁共振成像的基本方法 磁磁共共振振成成像像（Nuclear Magnetic Resonance Imaging，简简 称称 NMRI），又又 称称 自自 旋旋 成成 像像（spin imaging），也也 称称 磁磁 共共 振振 成成 像像（Magnetic Resonance Imaging，简简 称称MRI），是是利利用用核核磁磁共共振振（NMR）原原理理，依依据据所所释释放放的的能能量量在在物物质质内内部部不不同同结结构构环环境境中中不不同同的的衰衰减减，通通过过外外加加梯梯度度磁磁场场检检测测所所发发射射出出的的电电磁磁波波，即即可可得得知知构构成成这这一一物物体体原原子子核核的的位位置置和和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像。种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像。第12页，共19页，编辑于2022年，星期日第2节一磁共振成像的基本方法核磁共振成像是随着计算机技术、电子电路技术、超导体技核磁共振成像是随着计算机技术、电子电路技术、超导体技术的发展而迅速发展起来的一种生物磁学核自旋成像技术。术的发展而迅速发展起来的一种生物磁学核自旋成像技术。它是利用磁场与射频脉冲使人体组织内进动的氢核（即它是利用磁场与射频脉冲使人体组织内进动的氢核（即H+）发生章动产生射频信号，经计算机处理而成像的。发生章动产生射频信号，经计算机处理而成像的。原子核原子核在进动中，吸收与原子核进动频率相同的射频脉冲，即外加交变在进动中，吸收与原子核进动频率相同的射频脉冲，即外加交变磁场的频率等于拉莫频率，原子核就发生共振吸收，去掉射频脉磁场的频率等于拉莫频率，原子核就发生共振吸收，去掉射频脉冲之后，原子核磁矩又把所吸收的能量中的一部分以电磁波的形冲之后，原子核磁矩又把所吸收的能量中的一部分以电磁波的形式发射出来，称为共振发射。共振吸收和共振发射的过程叫做式发射出来，称为共振发射。共振吸收和共振发射的过程叫做“核磁共振核磁共振”。第13页，共19页，编辑于2022年，星期日第2节二人体的磁共振成像 核磁共振成像的核磁共振成像的“核核”指的是氢原子核，指的是氢原子核，因为人体的约因为人体的约70%是由水组成的，是由水组成的，MRI即即依赖水中氢原子。当把物体放置在磁场中，依赖水中氢原子。当把物体放置在磁场中，用适当的电磁波照射它，使之共振，然后用适当的电磁波照射它，使之共振，然后分析它释放的电磁波，就可以得知构成这分析它释放的电磁波，就可以得知构成这一物体的原子核的位置和种类，据此可以一物体的原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的精确立体图像。绘制成物体内部的精确立体图像。通过一通过一个磁共振成像扫描人类大脑获得的一个连续个磁共振成像扫描人类大脑获得的一个连续切片的动画，由头顶开始，一直到基部。切片的动画，由头顶开始，一直到基部。第14页，共19页，编辑于2022年，星期日第2节二人体的磁共振成像当施加一射频脉冲信号时，氢核能态发生变化，当施加一射频脉冲信号时，氢核能态发生变化，射频过后，氢核返回初始能态，共振产生的电射频过后，氢核返回初始能态，共振产生的电磁波便发射出来。磁波便发射出来。原子核振动的微小差别可以原子核振动的微小差别可以被精确地检测到，经过进一步的计算机处理，被精确地检测到，经过进一步的计算机处理，即可能获得反应组织化学结构组成的三维图像，即可能获得反应组织化学结构组成的三维图像，从中我们可以获得包括组织中水分差异以及水从中我们可以获得包括组织中水分差异以及水分子运动的信息。这样，病理变化就能被记录分子运动的信息。这样，病理变化就能被记录下来。下来。第15页，共19页，编辑于2022年，星期日第3节磁共振成像系统 一磁场系统一磁场系统 二射频系统二射频系统 三计算机图像重建系统三计算机图像重建系统 第16页，共19页，编辑于2022年，星期日第3节一磁场系统 静静磁磁场场：又又称称主主磁磁场场。当当前前临临床床所所用用超超导导磁磁铁铁，磁磁场场强强度度有有0.5到到4.0T(特特斯斯拉拉)，常常见见的的为为1.5T和和3.0T；另另有有匀匀磁磁线线圈圈协协助助达达到到磁磁场场的的高高均均匀匀度。度。梯梯度度场场：用用来来产产生生并并控控制制磁磁场场中中的的梯梯度度，以以实实现现NMR信信号号的的空空间间编编码码。这这个个系系统统有有三三组组线线圈圈，产产生生x、y、z三三个个方方向向的的梯梯度度场场，线线圈圈组组的的磁磁场叠加起来，可得到任意方向的梯度场。场叠加起来，可得到任意方向的梯度场。第17页，共19页，编辑于2022年，星期日第3节二射频系统 射射频频（RF）发发生生器器：产产生生短短而而强强的的射射频频场场，以以脉脉冲冲方方式式加加到到样样品品上上，使使样样品品中中的的氢氢核核产产生生NMR现象。现象。射频（射频（RF）接收器：接收）接收器：接收NMR信号，放大后信号，放大后进入图像处理系统。进入图像处理系统。第18页，共19页，编辑于2022年，星期日第3节三计算机图像重建系统 由射频接收器送来的信号经由射频接收器送来的信号经A/D转换器，转换器，把模拟信号转换成数学信号，根据与观察把模拟信号转换成数学信号，根据与观察层面各体素的对应关系，经计算机处理，层面各体素的对应关系，经计算机处理，得出层面图像数据，再经得出层面图像数据，再经D/A转换器，加转换器，加到图像显示器上，按到图像显示器上，按NMR的大小，用不同的大小，用不同的灰度等级显示出欲观察层面的图像。的灰度等级显示出欲观察层面的图像。第19页，共19页，编辑于2022年，星期日