《MRI基础知识详解》PPT课件.ppt

前言前言 n世界是物世界是物质的，物的，物质是由分子构成的，分子又由原是由分子构成的，分子又由原子构成。原子由原子核和核外子构成。原子由原子核和核外电子子组成，原子核由成，原子核由带正正电荷的荷的质子和不子和不带电荷的中子荷的中子组成。成。n核磁共振核磁共振这一物理一物理现象所要研究的象所要研究的对象就是原子核，象就是原子核，而且是具有磁性的原子核。而且是具有磁性的原子核。nMRIMRI是以核磁共振是以核磁共振这一物理一物理现象象为基基础的，之所以的，之所以省去省去“核核”字，是字，是为了突出了突出这一一检查技技术不存在不存在对人体有害的人体有害的电离离辐射的射的优点，使之区点，使之区别于要使用于要使用x x射射线的放射科的放射科检查以及要使用放射性核素的核医学以及要使用放射性核素的核医学检查。1前言前言n人人体体的的化化学学成成分分是是极极其其复复杂的的，包包括括蛋蛋白白质、脂脂肪肪、糖糖、水水及及钾、钠、钙、磷磷、铁、铜、硒硒等等微微量量元元素素。虽然然人人体体内内的的磁磁性性核核有有很很多多，但但最最适适合合于于磁磁共共振振成成像像的的是是氢原原子子核核（质子子），所所以以临床床磁磁共共振振成成像像的的对象象都集中于都集中于氢原子核（原子核（质子）子）。n磁磁共共振振成成像像的的目目的的是是要要获得得人人体体断断面面上上具具有有磁磁性性的的某某种种特特定定原原子子核核（如如氢原原子子核核）所所产生生的的磁磁共共振振信信号号强度度分分布布，而而MRMR信信号号强度度则是是由由磁磁性性核核的的密密度度、弛弛豫豫时间等特性参数决定的。等特性参数决定的。2前言前言n在在MRIMRI中中，人人体体被被置置入入磁磁体体后后，体体内内具具有有磁磁性性的的原原子子核核就就会会在在磁磁体体的的静静磁磁场作作用用下下显示示出出宏宏观磁磁性性来来，也也就就是是说人人体体被被磁磁化化了了。而而人人体体某某一一断断面面上上各各点点的的磁磁化化强度度也也就就对应了了相相应的的磁磁性性核核的的密密度度，因因此此只只要要测出出人人体体断断面面各各点点的的磁磁化化强度度，该断断面面的的磁磁性性核核密密度度像像也也就就得得到到了了。在在MRITMRIT），而而人人体体的的磁磁化化强度度又又很很微微弱弱，而而且且它它们又又是是在在同同一一方方向向，所所以以我我们就就无无法法测出出人人体体断断面面各各点点的的磁磁化化强度度。但但是是，如如果果我我们能能使使人人体体的的磁磁化化方方向向偏偏离离磁磁体体的的磁磁场方方向向，就就可可以以把把人人体体的的磁磁化化强度度测量出来，而量出来，而这正是核磁共振所要做的工作。正是核磁共振所要做的工作。3456MRIMRI的物理基础的物理基础n第一第一节原子核的磁性原子核的磁性n第二第二节静磁静磁场中的磁性核中的磁性核n第三第三节磁共振磁共振n第四第四节 驰豫豫n第五第五节 自由感自由感应衰减信号衰减信号n第六第六节 化学位移和磁共振化学位移和磁共振谱7第一第一节原子核的原子核的磁性磁性 在在MRIMRI中中，人人体体被被置置于于磁磁体体内内，而而人人体体内内的的原原子子核核要要参参与与核核磁磁共共振振，就就必必须具具有有一一定定的的磁磁性性。原原子子核核怎怎么么会会具具有有磁磁性性,是是不不是所有的原子核都具有磁性是所有的原子核都具有磁性?8第一第一节原子核的磁性原子核的磁性一、原子核的自旋一、原子核的自旋 n在微在微观世界中，世界中，电子、中子、子、中子、质子、原子核等子、原子核等微微观粒子除了具有一定的大小、粒子除了具有一定的大小、电荷、荷、质量等量等属性外，属性外，还有一种固有属性有一种固有属性_自旋（角自旋（角动量）量），微，微观粒子的自旋是由其自旋运粒子的自旋是由其自旋运动产生的，微生的，微观粒子的自旋运粒子的自旋运动可以可以简单地看成微地看成微观粒子的粒子的自自转，虽然然实际情况并非如此。情况并非如此。9第一第一节原子核的磁性原子核的磁性n原子核是由原子核是由质子和中子子和中子组成的。成的。质子和中子既子和中子既具有自旋角具有自旋角动量，也具有量，也具有轨道角道角动量。量。n原子核内原子核内质子和中子的自旋角子和中子的自旋角动量与量与轨道角道角动量之和就构成了原子核的量之和就构成了原子核的总角角动量，但量，但习惯上上把原子核的把原子核的总角角动量称量称为“原子核自旋原子核自旋（nuclear spinnuclear spin）”。10第一第一节原子核的磁性原子核的磁性n原子核的自旋是个矢量，自旋的方向与原子核原子核的自旋是个矢量，自旋的方向与原子核旋旋转方向的平面垂直。方向的平面垂直。处于静磁于静磁场中的原子核，中的原子核，它的自旋在空它的自旋在空间所取的方向是离散的、不所取的方向是离散的、不连续的，具有空的，具有空间量子化的性量子化的性质。11第一第一节原子核的原子核的磁性磁性n通常以通常以 在静磁在静磁场方向（方向（z z方向）的最大分量方向）的最大分量或投影最大或投影最大值 I I 来代表来代表 的大小（以的大小（以 为单位），例如位），例如氢核的自旋核的自旋为1/21/2是指是指氢核的核自核的核自旋量子数，旋量子数，这种种说法本法本质上是用上是用I I 值来来间接表接表示原子核的自旋的大小示原子核的自旋的大小。n原子核的自旋在静磁原子核的自旋在静磁场中的取向中的取向为2 2I+1I+1种。种。12第一第一节原子核的磁原子核的磁性性二、原子核的磁矩二、原子核的磁矩n原原子子核核的的自自旋旋运运动会会产生生绕核核心心旋旋转的的环形形电流流，而而环形形电流流会会在在其其周周围空空间产生生磁磁场，所所以以自自旋旋不不为零零的的原原子子核核（简称称自自旋旋核核）就就会会具具有有一一定定的的磁磁性性，自自旋旋核核也也就就可可以以看看成成是是一个小磁体。一个小磁体。13第一第一节原子核的磁性原子核的磁性n为描描述述自自旋旋核核磁磁场的的大大小小和和方方向向，引引入入物物理理量量_磁磁矩矩 。自自旋旋核核的的磁磁矩矩和和自自旋旋都都是是由由原原子子核核的的自自旋旋运运动引引起起来来的的，它它们之之间存存在在着着一定的比例关系，即一定的比例关系，即 式中，式中，为比例系数，称比例系数，称为磁旋比。磁旋比。14第一第一节原子核的磁性原子核的磁性n原子核的磁性是非常微弱的，我原子核的磁性是非常微弱的，我们在日常生活在日常生活中感中感觉不到它的存在。大家所熟悉的物不到它的存在。大家所熟悉的物质的的铁磁性和磁性和顺磁性是由物磁性是由物质原子中不成原子中不成对电子子产生生的，与之相比，原子核的磁性在的，与之相比，原子核的磁性在强度上要弱好度上要弱好几个数量几个数量级，但原子核的磁性仍然可以用核磁，但原子核的磁性仍然可以用核磁共振来精确共振来精确测量。量。15第一第一节原子核的磁性原子核的磁性三、物三、物质的磁性的磁性1 1、原子的磁矩、原子的磁矩 原子的磁矩由核外原子的磁矩由核外电子的子的总磁矩（磁矩（轨道磁道磁矩和自旋磁矩）和原子核磁矩构成矩和自旋磁矩）和原子核磁矩构成 。16第一第一节原子核的磁性原子核的磁性 当当电子的子的总磁矩不磁矩不为零零时，原子的磁矩主，原子的磁矩主要来自要来自电子的子的总磁矩；磁矩；当当电子的子的总磁矩磁矩为零零时，核磁矩就构成了，核磁矩就构成了原子的固有磁矩。原子的固有磁矩。17第一第一节原子核的磁性原子核的磁性2 2、逆磁性物、逆磁性物质 一般的化合物，如果是具有一般的化合物，如果是具有电子子闭合壳合壳层结构的分子，构的分子，这些的些的电子子总磁矩就磁矩就为零，而在零，而在外磁外磁场的作用下，分子会感生的作用下，分子会感生电子子环流，由此流，由此产生的生的附加磁附加磁场方向与外磁方向与外磁场方向是相反方向是相反的，的，因此，在宏因此，在宏观上呈上呈现出逆磁性，出逆磁性，这类物物质称称为逆磁物逆磁物质。18第一第一节原子核的磁性原子核的磁性 假如逆磁物假如逆磁物质中含有磁矩不中含有磁矩不为零的原子核，零的原子核，那么，它大那么，它大约为顺磁物磁物质中中电子磁矩的千分之子磁矩的千分之一。核磁共振多以逆磁物一。核磁共振多以逆磁物质为样品，且多是品，且多是I I1/21/2的核。的核。19第一第一节原子核的磁性原子核的磁性3 3、顺磁物磁物质 电子子总磁矩不磁矩不为零的分子或原子构成的物零的分子或原子构成的物质，当它，当它处于外磁于外磁场时，各分子或原子的磁矩，各分子或原子的磁矩就会在外磁就会在外磁场的作用下的作用下转向外磁向外磁场方向，方向，结果果形成了一个形成了一个与外磁与外磁场方向相同的附加磁方向相同的附加磁场，因，因此，在宏此，在宏观上呈上呈现出出顺磁性，磁性，这类物物质称称为顺磁物磁物质。20第一第一节原子核的原子核的磁性磁性 另外另外还有一有一类物物质，如，如铁、钴、镍，它，它们在外磁在外磁场的作用下会的作用下会产生生方向与外磁方向与外磁场相同，相同，但但强度度远大于外磁大于外磁场的附加磁的附加磁场，这类物物质称称为铁磁性物磁性物质。在在顺磁物磁物质中也同中也同样存在逆磁效存在逆磁效应，只是，只是逆磁效逆磁效应比比顺磁效磁效应小得多，所以主要表小得多，所以主要表现为顺磁效磁效应。21第一第一节原子核的磁性原子核的磁性 MRIMRI造影造影剂大多是大多是顺磁物磁物质或超或超顺磁物磁物质，主要是主要是钆、铁、锰的大分子有机化合物，的大分子有机化合物，这些些物物质本身不本身不产生信号，信号来自生信号，信号来自氢原子核。原子核。22第一第一节原子核的磁性原子核的磁性 4 4、用于磁共振成像的磁性核、用于磁共振成像的磁性核 在生物在生物组织中，存在很多的磁性核，如中，存在很多的磁性核，如1 1H H、1414N N、1313C C、1919F F、2323NaNa、3131P P、3939K K等，但目前能用等，但目前能用于于临床床MRIMRI的却只有的却只有氢核。核。MRI MRI中，磁性核在磁共振中所中，磁性核在磁共振中所产生的信号生的信号强度度对图像像质量及成像量及成像时间起着至关重要的作起着至关重要的作用。用。23第一第一节原子核的磁性原子核的磁性 一般来一般来说，磁性核，磁性核对磁共振信号磁共振信号强度的影响主要度的影响主要取决于两个因素，一是磁性核在取决于两个因素，一是磁性核在组织中的中的浓度；二是度；二是磁性核的相磁性核的相对灵敏度，即等量的不同磁性核所灵敏度，即等量的不同磁性核所产生的生的信号信号强度之比（与磁性核的磁化度之比（与磁性核的磁化强度有关）。度有关）。在上述两个因素中，在上述两个因素中，氢原子占到生物原子占到生物组织原子数原子数的的2/32/3，氢核的磁化核的磁化强度也是人体常度也是人体常见磁性核中最高的，磁性核中最高的，所以目前的所以目前的临床床MRIMRI就是核（就是核（质子）成像，而其它磁性子）成像，而其它磁性核的核的MRIMRI受多种条件的限制受多种条件的限制还无法用于无法用于临床。床。24第二第二节静磁静磁场中的磁中的磁性核性核一、取向和磁一、取向和磁势能能 在在人人体体进入入磁磁体体之之前前，磁磁性性核核的的磁磁矩矩处于于一一种种杂乱乱无无章章的的状状态，磁磁矩矩沿沿空空间各各方方向向呈呈一一种种等等几几率率分分布布。当当磁磁性性核核处于于静静磁磁场中中时，就就会会在在静静磁磁场的的作作用用下下，只只能能沿沿空空间2 2I+1I+1种种特特定定方方向向分分布布，而而取取向向不不同同的的磁磁性性核核所所具具有有的的能能量量状状态是是不不同同的的，例例如如氢核核I I=1/2,=1/2,它它在在磁磁场中中的的取取向向就就只只有有两两种种，一一是是顺着着磁磁场方方向向，能能量量状状态较低低；另另一一是是反反着着磁磁场方方向向，能能量量状状态较高高，它它们之之间的能量差的能量差为 =25第二第二节静磁静磁场中的磁中的磁性核性核二、旋二、旋进 在静磁在静磁场中，核磁矩是以旋中，核磁矩是以旋进（即（即进动）形）形式存在的。核磁矩的旋式存在的。核磁矩的旋进类似于我似于我们所熟知的陀所熟知的陀螺的运螺的运动，它以，它以夹角角 在以静磁在以静磁场为轴（z z方向）方向）的的圆锥面上以恒定的角速度面上以恒定的角速度0 0 旋旋进，旋，旋进的角的角速度速度0 0 为 0 02f2f0 0BB0 026第二第二节静磁静磁场中的磁性中的磁性核核 对于于氢核来核来说，2.67102.67108 8弧度弧度/秒秒特斯拉，因此在特斯拉，因此在B B0 0=1=1特斯拉（特斯拉（T T）时，0 0 2.67102.67108 8弧度弧度/秒，秒，f f0 00 0/2/242.58Mhz,42.58Mhz,这也就意味着一秒也就意味着一秒钟氢核的磁矩要核的磁矩要绕旋旋进42.581042.58106 6圈。圈。2728第二第二节静磁静磁场中的磁中的磁性核性核三、宏三、宏观描述描述 在人体在人体组织中，原子核不是中，原子核不是单独存在的，而是独存在的，而是处于大量原子核的群体中，而且于大量原子核的群体中，而且单个原子核的行个原子核的行为也是也是无法无法检测到的，我到的，我们所能所能检测到的是到的是样品中大量同种品中大量同种原子核的集体行原子核的集体行为，或者，或者说它它们所表所表现出来的宏出来的宏观特特性。性。为了描述原子核在磁了描述原子核在磁场中的运中的运动所表所表现出来的宏出来的宏观特性，我特性，我们引入磁化引入磁化强度矢量度矢量MM ，磁化磁化强度矢量度矢量M M 定定义为样品中品中单位体位体积核磁矩的矢量和，即核磁矩的矢量和，即 29第二第二节静磁静磁场中的磁中的磁性核性核 式式中中求求和和遍遍及及单位位体体积。从从磁磁化化强度度矢矢量量的的定定义可可以以看看出出具具有有磁磁矩矩的的本本质，而而且且正正比比于于样品品中中单位位体体积内内自自旋旋核核的的数数目目或或含含量量，即即自自旋旋核核密密度。度。30第二第二节静磁静磁场中的磁性中的磁性核核 目前能用于目前能用于临床磁共振成像的自旋核只有床磁共振成像的自旋核只有氢核（核（质子），所以自旋核密度也即子），所以自旋核密度也即质子密度。子密度。人体内不同的人体内不同的组织所具有的所具有的质子密度是不同子密度是不同 的，的，脂肪脂肪组织、脑组织及含大量水分的囊腔器官的及含大量水分的囊腔器官的质子密度均子密度均较高；人体中的肌肉、肝高；人体中的肌肉、肝脏、脾、脾脏、肾脏等等实体体组织的的质子密度子密度为中等；而人体内的骨中等；而人体内的骨胳、硬胳、硬脑膜、膜、纤维组织、含气、含气组织（如肺、胃、（如肺、胃、肠等）等）质子密度子密度则较低。低。31第二第二节静磁静磁场中的磁中的磁性核性核 静磁静磁场=0=0时，原子核的，原子核的热运运动会使核磁会使核磁矩的空矩的空间取向取向处于于杂乱无章状乱无章状态，从，从统计角角度看，核磁矩在空度看，核磁矩在空间各方向上出各方向上出现的几率是的几率是均等的，所以各互相抵消，均等的，所以各互相抵消，对外不呈外不呈现宏宏观磁效磁效应，宏，宏观总磁矩磁矩M M 为零。零。32第二第二节静磁静磁场中的磁性中的磁性核核 静磁静磁场00时，各核的磁矩不，各核的磁矩不仅要要产生生绕z z 方向的旋方向的旋进，还会有会有2 2I+1I+1种空种空间取向。取向。对于核于核来来说，就会有两种不同的取向，一种是，就会有两种不同的取向，一种是顺着磁着磁场方向，另一种是反着磁方向，另一种是反着磁场方向，形成两个方向，形成两个圆锥，圆锥面上的矢面上的矢线代表核磁矩的取向。代表核磁矩的取向。33第二第二节静磁静磁场中的磁性中的磁性核核 对于做周期运于做周期运动的物体，可以用位置和速的物体，可以用位置和速度来表征其运度来表征其运动状状态，但用，但用相位（相位（phasephase）来来表征却更方便，因表征却更方便，因为做周期运做周期运动的物体在一个的物体在一个周期内的状周期内的状态没有一个是相同的，只要知道了没有一个是相同的，只要知道了物体的相位（物体的相位（0-20-2）就知道了其运）就知道了其运动状状态。34第二第二节静磁静磁场中的中的磁性核磁性核 不不论是是在在上上圆锥旋旋进的的核核磁磁矩矩，还是是在在下下圆锥旋旋进的的核核磁磁矩矩，它它们在在圆锥面面上上所所处的的位位置置都都是是随随机机的的或或说是是等等几几率率的的，也也就就是是说各各磁磁矩矩在在圆锥面面上上呈呈均均匀匀分分布布。平平面面内内旋旋转的的矢矢量量与与某某一一参参照照轴的的夹角角称称为相相位位，所所以以核核磁磁矩矩在在圆锥面面上上的的均均匀匀分分布布就就使使得得它它在在平平面面上上的的分分量量的的相相位位是是等等几几率率分分布布，这种种35第二第二节静磁静磁场中的磁中的磁性核性核 相相位位的的等等几几率率分分布布使使得得核核磁磁矩矩在在xyxy平平面面上上的的分分量量的矢量和的矢量和为零零 ，即，即 处于于静静磁磁场中中的的氢核核会会有有两两种种取取向向，取取向向不不同同，氢核核所所具具有有的的磁磁势能能不不同同 ，处于于低低能能状状态的的氢核核的的数数量量略略多多于于处于于高高能能状状态的的氢核核的的数数量量，于于是是核核磁磁矩矩在在z z轴上上的的分分量量的的矢矢量量和和就就不不为零零，即即 MMz z=M M+-MM-0 0 36第三第三节磁共磁共振振一、磁共振的基本原理一、磁共振的基本原理 n处于于静静磁磁场中中的的氢核核会会有有两两种种取取向向，取取向向不不同同，氢核核所所具具有有的的磁磁势能能也也就就不不同同，如如果果外外界界施施加加的的电磁磁波波的的能能量量（量量子子）正正好好等等于于不不同同取取向向的的氢核核之之间的的能能量量差差，则处于于低低能能态的的氢核核就就会会吸吸收收电磁磁波波能能量量跃迁迁到到高高能能态，这就就是是所所谓的的磁磁共共振振，即即处于于静静磁磁场中中的的磁磁性性核核受受电磁磁波波的的作用而作用而产生的不同能生的不同能级之之间的共振的共振跃迁迁现象。象。37第三第三节磁磁共振共振n假假定定外外界界施施加加的的电磁磁波波的的频率率为 ，则不不同同取取向向的的氢核核间的能的能级差差 可表示成可表示成 =式式中中，所所以以外外界界施施加加的的电磁磁波波的的频率率正好和正好和氢核的旋核的旋进频率率f f相同。相同。38第三第三节磁磁共振共振 要要产生生磁磁共共振振，除除了了电磁磁波波的的频率率必必须和和磁磁性性核核的的旋旋进频率率相相同同外外，对电磁磁波波的的方方向向也也还有有要要求求。电磁磁波波既既有有磁磁矢矢量量又又有有电矢矢量量，磁磁共共振振中中起起作作用用的的只只有有磁磁矢矢量量B B1 1，而而且且必必须垂垂直直于于B B0 0，这就是就是对电磁波方向的要求。磁波方向的要求。39第三第三节磁共振磁共振 磁磁共共振振中中所所施施加加的的电磁磁波波又又叫叫射射频波波（Radio Radio Frequence Frequence WaveWave,RFRF波波)，其其含含义是是指指该电磁磁波波的的频率率处于于RadioRadio频率率范范围内内，而而无无线电波波是是可可以以发射射出出去去再再向向各各个个方方向向传播播开开来来的的,故故称称射射频.x x射射线和和射射线这一一类波波长很很短的短的电磁波就无法在广磁波就无法在广阔的空的空间范范围传播。播。RFRF波波又又称称之之为射射频脉脉冲冲，因因为在在磁磁共共振振中中，所所施施加加的的RFRF波波只只持持续很很短短的的一一段段时间（以以msms计）。40第三第三节磁共振磁共振n发生核磁共振生核磁共振时，处于低能于低能态的的氢核会吸收核会吸收电磁波能量磁波能量跃迁到高能迁到高能态的情况（的情况（受激吸收受激吸收），），同同时处于高能于高能态的的氢核也会核也会释放能量回到低能放能量回到低能态的情况（的情况（受激受激辐射射）。）。n受激吸收和受激受激吸收和受激辐射射统称称为受激受激跃迁迁，它，它们发生的几率是相等的，但在生的几率是相等的，但在热平衡状平衡状态时，处于于低能低能态的的氢核数量（核数量（N1N1）多于）多于处于高能于高能态的的氢核数量（核数量（N2N2），因此），因此样品品总的吸收大于的吸收大于总的的辐射。射。41第三第三节磁共振磁共振n受激受激跃迁使得迁使得样品原有的品原有的热平衡状平衡状态被打破，被打破，样品因吸收了能量而品因吸收了能量而处于激于激发态，所以，所以，样品品还会会进行行热弛豫弛豫跃迁迁，即，即处于高、低能于高、低能态上的上的氢核会核会与周与周围环境（晶格）作用境（晶格）作用分分别跃迁到低、迁到低、高能高能态上。上。对于于热弛豫弛豫跃迁，由高能迁，由高能态跃迁到迁到低能低能态的几率，大于由低能的几率，大于由低能态跃迁到高能迁到高能态的的几率。几率。42第三第三节磁共振磁共振n一般，一般，观察核磁共振信号是察核磁共振信号是测量量样品受激品受激跃迁迁时所吸收的外加交所吸收的外加交变磁磁场的能量，从每秒受激的能量，从每秒受激跃迁造成的由低能迁造成的由低能级跃迁到高能迁到高能级的的净粒子数粒子数可求出可求出样品每秒吸收的能量品每秒吸收的能量dE/dtdE/dt，共振吸收，共振吸收信号的信号的强度就正比于度就正比于dE/dtdE/dt 。43第三第三节磁共振磁共振n受激受激跃迁使得高、低能迁使得高、低能态上的上的氢核数之差核数之差趋向于零向于零,而而热弛豫弛豫跃迁迁则会使得高、低能会使得高、低能态上的上的氢核数之差核数之差趋向向于玻于玻尔兹曼曼热平衡分布。平衡分布。n当高、低能当高、低能态上的上的氢核数之差随核数之差随时间的的变化率化率为零零时（dn/dt=0dn/dt=0，n=N1-N2n=N1-N2），系），系统达到达到动态平衡平衡，可以持，可以持续观察察稳定的核磁共振吸收定的核磁共振吸收现象；如果高、低能象；如果高、低能态上上粒子数相等，即粒子数相等，即N1=N2N1=N2时，样品既不吸收能量也不品既不吸收能量也不辐射射出能量，此出能量，此时观察不到察不到连续核磁共振核磁共振现象，因此象，因此N1=N2N1=N2时的状的状态称称为饱和和态。44第三第三节磁磁共振共振二、磁共振的宏二、磁共振的宏观表表现 处于于静静磁磁场中中的的样品品，其其磁磁化化强度度矢矢量量和和静静磁磁场是是在在同同一一方方向向的的，由由于于静静磁磁场强度度很很大大，而而样品品的的磁磁化化强度度矢矢量量又又很很微微弱弱，这就就使使得得磁磁化化强度度矢矢量量M M 的的检测成成为不不可可能能。在在射射频电磁磁波波的的作作用用下下，样品品产生生磁磁共共振振，样品品的的磁磁化化强度度矢矢量量M M 也也会会偏偏离离B B0 0方方向向（z z方方向向），这也也就就使使M M 的的检测成成为可可能能。磁磁共共振振的的宏宏观表表现所要所要讨论的也就是的也就是样品品M M 的的变化化规律。律。45第三第三节磁磁共振共振n RF RF波的磁矢量波的磁矢量_旋旋转磁磁场B B1 1 假假定定RFRF波波的的磁磁矢矢量量B B1 1施施加加在在x x轴，其其强度度的的变化化规律律为 t t 由由图可可以以看看出出，交交变磁磁场 可可由由两两个个以以角角速速度度 向向相相反反方向旋方向旋转的磁的磁场 叠加而成。叠加而成。46第三第三节磁磁共振共振 47第三第三节磁磁共振共振n射射频电磁波磁波对样品的激励品的激励 当当RFRF波施加波施加时，其磁矢量，其磁矢量B B1 1与与MM0 0相互垂直，于是相互垂直，于是B B1 1与与MM0 0相互作用相互作用产生一力矩，此力矩会使得生一力矩，此力矩会使得MM0 0以角速度以角速度 绕B B1 1旋旋进，旋，旋进的的结果使果使MM0 0偏离了偏离了B B0 0方向。方向。当当MM0 0偏离偏离B B0 0方向方向时，MM0 0又要在又要在B B0 0的作用下以角速度的作用下以角速度 绕B B0 0旋旋进。由于。由于 是旋是旋转磁磁场，它以角速度，它以角速度绕B B0 0旋旋转，因此在，因此在MM0 0看来看来 也相当于一个静磁也相当于一个静磁场，这样就能就能够使使MM0 0在在绕B B0 0旋旋进的同的同时又能又能稳定地定地绕B B1 1旋旋进，两，两个个稳定的旋定的旋进同同时进行。行。48第三第三节磁共振磁共振n 由由于于MM0 0偏偏离离了了B B0 0方方向向，样品品就就出出现了了横横向向磁磁化化矢矢量量，横横向向磁磁化化矢矢量量的的形形成成可可看看作作是是核核磁磁矩矩的的相相位位出出现不不均均匀匀分分布布，使使得得核核磁磁矩矩在在xyxy平平面面上上投投影影的的矢矢量量和和无无法法相相互互抵抵消而致。消而致。n在在RFRF脉脉冲冲的的作作用用下下，样品品产生生了了磁磁共共振振，其其宏宏观表表现就就是是样品品的的磁磁化化强度度矢矢量量偏偏离离静静磁磁场方方向向 角角度度，角角的的大小取决于大小取决于RFRF脉冲的脉冲的强度及作用度及作用时间。n在在磁磁共共振振成成像像中中有有两两个个基基本本的的RFRF脉脉冲冲，即即9090RFRF脉脉冲冲和和 180180RFRF脉冲。脉冲。49第三第三节磁共振磁共振三、三、稳态磁共振磁共振 发生磁共振生磁共振时，样品的磁化品的磁化强度矢量不度矢量不仅会受到静磁会受到静磁场、射、射频场的作用，磁化的作用，磁化强度矢量度矢量还处于弛豫于弛豫过程当中，布洛赫方程（程当中，布洛赫方程（Bloch Bloch equationequation）描述了）描述了这种状种状态下磁化下磁化强度矢量的度矢量的运运动规律。律。Bloch Bloch方程涉及复方程涉及复杂的矢量关系，而且，一的矢量关系，而且，一般情况下，求解般情况下，求解BlochBloch方程是很繁方程是很繁琐的。的。50第三第三节磁共振磁共振 在在特特定定的的条条件件下下（1 1T T1 1T T2 21 1），磁磁化化强度度矢矢量量M M在在静静磁磁场B B0 0、射射频场B B1 1和和弛弛豫豫的的作作用用下下会达到平衡，即会达到平衡，即 51第三第三节磁共振磁共振 这时的核磁共振被称的核磁共振被称为稳态核磁共振，利用核磁共振，利用BlochBloch方程，可以方程，可以较容易求出容易求出样品的磁化品的磁化强度矢量度矢量在旋在旋转坐坐标系（系（）为一常矢量，所以也称一常矢量，所以也称之之为稳态解。解。52第三第三节磁共振磁共振样品的磁化强度矢量在旋转坐标系中的稳态解 53第三第三节磁共振磁共振 式中式中,，磁化，磁化强度矢量度矢量纵向向分量的分量的变化量化量 为=54第四第四节 驰豫豫一、弛豫及其一、弛豫及其规律律n弛弛豫豫（ralaxtionralaxtion）实际上上就就是是“松松弛弛”、“放放松松”之之意意，如如被被拉拉紧的的弹簧簧在在外外力力撤撤除除后后会会逐逐渐恢恢复复到到原原来来的的平平衡衡状状态，这样一一种种向向原原有有平平衡衡状状态恢复的恢复的过程就是弛豫。程就是弛豫。n处于于静静磁磁场中中的的样品品在在RFRF脉脉冲冲的的作作用用下下会会产生生磁磁共共振振，导致致MM0 0偏偏离离z z方方向向，出出现横横向向磁磁化化MMxyxy，原原有有的的平平衡衡状状态被被打打破破，样品品因因吸吸收收了了能能量量而而处于于激激发态。当当RFRF脉脉冲冲停停止止作作用用后后，样品品就就会会由由激激发态通通过弛豫逐弛豫逐渐恢复到平衡恢复到平衡态。55第四第四节 驰豫豫n在在样品的弛豫品的弛豫过程中会出程中会出现完全独立的两种弛豫，一是完全独立的两种弛豫，一是纵向弛豫，是指向弛豫，是指纵向磁化向磁化MMz z逐逐渐恢复恢复为MM0 0的的过程；另程；另一是横向弛豫，是指横向磁化一是横向弛豫，是指横向磁化MMxyxy，逐逐渐衰减恢复衰减恢复为零零的的过程。程。n弛豫的弛豫的规律律 静磁静磁场中的中的样品品处于于热平衡状平衡状态时,MMz z=MM0 0 ，MMxyxy=0 =0，实验发现，弛豫，弛豫过程中磁化程中磁化强度度MM偏离平衡状偏离平衡状态的程度越大，的程度越大，则其恢复的速度就越快。依据其恢复的速度就越快。依据这一一实验规律，可以得出弛豫律，可以得出弛豫过程中旋程中旋转坐坐标系（系（）中的）中的 和和 随随时间的的变化化规律。律。56第四第四节 驰豫豫 考考虑样品受到的是品受到的是9090RFRF脉冲的作用，脉冲的作用，则在弛豫在弛豫过程程开始开始时(t t=0)=0)，=0,=0,=MM0 0 ，推出推出 和和 随随时间的的变化化规律律为：式中，式中，T1T1、T2T2为引入的两个系数，分引入的两个系数，分别表示表示纵向弛向弛豫豫时间和横向弛豫和横向弛豫时间。57第四第四节 驰豫豫二、弛豫的机制二、弛豫的机制 纵向弛豫和横向弛豫是两个完全独立的向弛豫和横向弛豫是两个完全独立的过程，它程，它们产生的机制是不同的。一般同一生的机制是不同的。一般同一组织T1T1的的远比比T2T2长，也，也就是就是说横向磁化在横向磁化在RFRF脉冲停止后很快完成弛豫而衰减脉冲停止后很快完成弛豫而衰减为零，但零，但纵向磁化的恢复却需要向磁化的恢复却需要较长时间才能完成。才能完成。n 纵向弛豫向弛豫 纵向弛豫又称自旋向弛豫又称自旋_晶格弛豫，所晶格弛豫，所谓晶格一般指自旋晶格一般指自旋核以外的部分，即周核以外的部分，即周围物物质，所以，所以纵向弛豫是自旋核与向弛豫是自旋核与周周围物物质相互作用交相互作用交换能量的能量的过程。程。58第四第四节 驰豫豫 在在纵向弛豫向弛豫过程中，自旋核把能量交程中，自旋核把能量交给周周围的晶格，的晶格，转变为晶格的晶格的热运运动，同，同时自旋核就从高能自旋核就从高能态跃迁到低迁到低能能态，使，使处于高能于高能态的核的数量减少，低能的核的数量减少，低能态的核的数的核的数量增多，直到符合玻量增多，直到符合玻尔兹曼分布，恢复到曼分布，恢复到热平衡状平衡状态为止。在止。在纵向弛豫向弛豫过程中，磁化程中，磁化强度矢量度矢量M M 的的纵向分量向分量MzMz不断增加，最后达到平衡不断增加，最后达到平衡时的数的数值M0M0 。人体内游离水分子具有人体内游离水分子具有较长的的T1T1值（1500-1500-30003000msms），），如如脑脊液水脊液水肿区、囊性病区、囊性病变、坏死、坏死组织及及肿瘤等，而人体内脂肪瘤等，而人体内脂肪组织的的T1T1值则较短（几百短（几百msms）。）。59第四第四节 驰豫豫n 横向弛豫横向弛豫 横向弛豫又称自旋横向弛豫又称自旋_ _自旋弛豫，是自旋核之自旋弛豫，是自旋核之间的相互的相互作用作用产生的。在弛豫开始生的。在弛豫开始时，一般，一般 ，这是因是因为核磁矩在核磁矩在圆锥面上的不均匀分布所致，面上的不均匀分布所致，这种核磁矩种核磁矩的不均匀分布是的不均匀分布是RFRF脉冲作用的脉冲作用的结果。果。RFRF脉冲脉冲结束后，束后，核磁矩核磁矩绕B B0 0旋旋进，但各核磁矩所具有的磁，但各核磁矩所具有的磁场会相互影会相互影响，响，这就是使得各自旋核所受的磁就是使得各自旋核所受的磁场作用各异作用各异,其旋其旋进角速度也就各不相同，原来在旋角速度也就各不相同，原来在旋进的的圆锥面上分布不面上分布不均匀的自旋核就会逐均匀的自旋核就会逐渐散开，最散开，最终在旋在旋进圆锥形成均形成均匀分布，于是匀分布，于是MMxyxy也就也就趋于零，达到平衡状于零，达到平衡状态。60第四第四节 驰豫豫 自旋核的旋自旋核的旋进除了会受到彼此之除了会受到彼此之间的磁的磁场影响外，影响外，静磁静磁场的不均匀性及周的不均匀性及周围其它原子所具有的局部磁其它原子所具有的局部磁场也也会影响自旋核的旋会影响自旋核的旋进，使核磁矩在，使核磁矩在圆锥面上散开的速度面上散开的速度加快，也即衰减加快，相加快，也即衰减加快，相应的横向弛豫的横向弛豫时间常数表示常数表示为 ，显然然 。由于。由于 存在着与存在着与组织特性无关的磁特性无关的磁场不均匀性的影响，所以在不均匀性的影响，所以在实际测量中量中应考考虑去除磁去除磁场不均匀性影响。不均匀性影响。61第四第四节 驰豫豫 人体内含游离水分子人体内含游离水分子较多的多的组织T2T2值较长，如，如脑脊脊液、液、肾组织、囊腔、囊腔、脓肿、炎症、炎症组织、肿瘤等；人体内瘤等；人体内脂肪脂肪组织的的T2T2值中等；而人体的脾中等；而人体的脾脏、肝、肝脏、肌肉、含、肌肉、含水水较少或少或纤维化明化明显的的肿瘤（如肺癌、成骨性瘤（如肺癌、成骨性肿瘤、胰瘤、胰腺癌）等腺癌）等组织的的T2T2值较短短。62第五第五节 自由感自由感应衰减信号衰减信号 磁性核磁性核产生磁共振后就会出生磁共振后就会出现横向磁化，横向磁横向磁化，横向磁化在平面的旋化在平面的旋进和弛豫就会使放置在平面上接收和弛豫就会使放置在平面上接收线圈圈产生感生生感生电压，这一感生一感生电压就是就是MRMR信号，信号，MRIMRI的目的的目的就是要就是要获得人体断面上得人体断面上氢核所核所产生的生的MRMR信号的信号的强度分度分布。依据横向磁化形成方式的不同，布。依据横向磁化形成方式的不同，MRMR信号可有很多信号可有很多种种类，如自由感，如自由感应衰减信号、自旋回波信号、反衰减信号、自旋回波信号、反转恢恢复信号及梯度回波信号等，在复信号及梯度回波信号等，在这里先里先讲自由感自由感应衰减衰减信号，其它种信号，其它种类的的MRMR信号将在后信号将在后续章章节中中讲述述。63第五第五节 自由感自由感应衰减信号衰减信号nFIDFID信号的信号的产生生 在在9090RFRF脉冲的作用下，脉冲的作用下，Mz=0 Mz=0，Mxy=M0 Mxy=M0，Mxy Mxy开开始在始在xyxy平面上一平面上一边以角速度以角速度 绕z z 轴旋旋进，一，一边以以时间常数常数T2T2作指数衰减。由于磁化作指数衰减。由于磁化强度度MxyMxy本身就是本身就是一个磁一个磁场，它在，它在xyxy平面的旋平面的旋进和衰减就会使得穿和衰减就会使得穿过接接收收线圈（放置在圈（放置在xyxy平面上）的磁通量不断平面上）的磁通量不断变化。于是化。于是接收接收线圈两端就感圈两端就感应出一个交出一个交变电信号信号S S(t)(t)，该信号信号的角速度的角速度为 ，振幅跟随，振幅跟随MxyMxy以以时间常数作指数衰减。常数作指数衰减。由于交由于交变的的电信号信号S S(t)(t)是在自由旋是在自由旋进过程中感生的，程中感生的，故被称故被称为自由感自由感应衰减信号。衰减信号。64656667第五第五节 自由感自由感应衰减信号衰减信号 在静磁在静磁场是均匀的情况下，是均匀的情况下，FIDFID信号的衰减速度反信号的衰减速度反应了了样品自旋品自旋-自旋相互作用的自旋相互作用的时间常数常数T2 T2；而在静磁而在静磁场不均匀的情况下，不均匀的情况下，FIDFID信号的衰减信号的衰减还要受到磁要受到磁场非均匀性非均匀性的作用，因此衰减的更快，用的作用，因此衰减的更快，用时间常数常数 来描述。来描述。由由FIDFID信号的信号的产生可以看出生可以看出,一是只有横向磁化才能一是只有横向磁化才能产生生MRMR信号信号,如果要如果要测量量纵向磁化向磁化,则必必须将其翻将其翻转到平到平面上来；二是脉冲作用下面上来；二是脉冲作用下FIDFID信号的初始幅度正比于信号的初始幅度正比于M M0 0,也即也即质子密度；三是子密度；三是质子密度相同子密度相同T2T2时间不同的不同的组织，68第五第五节 自由感自由感应衰减信号衰减信号 T2T2时间较长的的组织横横向向磁磁化化衰衰减减的的较慢慢，所所以以在在RFRF激激发后后以以相相同同的的时间测量量横横向向磁磁化化，T2T2时间较长的的组织FIDFID信信号号较高高，反反之之则较低低；四四是是质子子密密度度相相同同T1T1时间不不同同的的组织，在在纵向向磁磁化化的的恢恢复复过程程中中，T1T1时间较短短的的组织恢恢复复的的快快，所所以以在在RFRF激激发后后以以相相同同的的时间测量量纵向向磁磁化化（通通过施施加加RFRF脉脉冲冲使使其其翻翻转到到平平面面），T1T1时间较短短的的组织，FIDFID信信号号较高高，反反之之则较低低；五五是