磁共振成像原理优秀课件_ppt.ppt
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1、磁共振成像磁共振成像Magnetic resonance imaging, MRI天狼磁共振成像磁共振成像Magnetic resonance imaging, MRI主要内容:1、核磁共振原理2、弛豫过程、特征量T1、T2的意义3、MRI空间位置编码4、磁共振信号5、脉冲序列6、图像的重建7、磁共振成像的质量控制GE 1.5T MRIGE 2.0T OPEN MRI磁共振成像磁共振成像Magnetic resonance imaging, MRI磁共振成像磁共振成像Magnetic resonance imaging, MRIT1 Weighted sliceT2 Weighted slic
2、e磁共振成像磁共振成像Magnetic resonance imaging, MRI原子核及其磁特性原子核及其磁特性1原子核的一般特性原子核的一般特性v同位素:质子数相同,中子数不同位素:质子数相同,中子数不 同的核构成的元素同的核构成的元素 H有三种同位素:有三种同位素:v 只有质子,没有中子只有质子,没有中子v临床临床MRI主要原子核主要原子核HHH312111,H11H1自旋(自旋(spin)MRI基础基础 自旋角动量自旋角动量 大小大小原子核、原子核、 质子、中子数质子、中子数 方向方向自旋轴自旋轴I自旋磁矩自旋磁矩 原子核自旋运动产生的微观磁场原子核自旋运动产生的微观磁场 磁旋比,磁
3、矩与角动量之比磁旋比,磁矩与角动量之比 约化普朗克常数约化普朗克常数 sJ 34100545726. 1I净自旋净自旋v 只有奇数质子或奇数中子数的原只有奇数质子或奇数中子数的原 子核产生的自旋磁矩子核产生的自旋磁矩v 泡利不相容原理:泡利不相容原理: 原子核内成对质子或中子的自旋原子核内成对质子或中子的自旋 相互抵消相互抵消第一节:磁共振现象第一节:磁共振现象一、旋进一、旋进 (precession):角动量受到一个与之垂直的力矩的作用,角动量矢量沿一圆周转动的现象。LT为进动角速度(反映旋转轴转动的快慢),T为力矩,L为角动量(反映旋转的快慢)。 自旋在磁场中的运动自旋在磁场中的运动1.进
4、动进动1、核的自旋磁矩、核的自旋磁矩磁场对磁体的作用磁矩可以理解为由于电荷转动形成的小磁体磁性的强弱,显然其与电荷转动的角动量有关,同时与电荷的大小有关。L2、自旋质子在磁场中的旋进、自旋质子在磁场中的旋进量子力学告诉我们,质子在磁场中形成定态时,有如图所示的两种状态。这两种状态的能量不同。这称为自旋核能级在外磁场中的劈裂。无外加磁场时自旋的运动v磁化:磁场中样体在外磁场作用下,在磁化:磁场中样体在外磁场作用下,在 磁场方向上产生磁性的过程。磁场方向上产生磁性的过程。 大小用磁化强度大小用磁化强度m表示表示v磁化率磁化率 :样体在磁场中被磁化产生磁:样体在磁场中被磁化产生磁 化的能力。(磁敏感
5、性)化的能力。(磁敏感性)v磁化强度来源:原子核自旋磁矩磁化强度来源:原子核自旋磁矩 核外电子分布核外电子分布*Bm /自旋核磁矩在外加磁场中能量自旋核的能级自旋核的能级量子化量子化v自旋系统在外磁场作用下趋于磁场自旋系统在外磁场作用下趋于磁场方向方向v 两种能态:两种能态: 上旋上旋平行于磁场方向的核磁矩平行于磁场方向的核磁矩 低能态低能态 E(+1/2) 下旋下旋反向磁场方向的核磁矩反向磁场方向的核磁矩 高能态高能态 E(-1/2)磁场对自旋的量子化作用The Effect of Irradiation to the Spin SystemLowerHigherSpin System Af
6、ter Irradiationv两种能态自旋粒子分布服从波尔兹曼分两种能态自旋粒子分布服从波尔兹曼分公式公式 H :下旋态下旋态,上旋态上旋态 k波尔兹曼常数,波尔兹曼常数,1.3810-23Jk-1 T绝对温度绝对温度 kTEeNN/)2/1(/ )2/1(0)2/1()2/1(BEEE两种能态自旋粒子分布两种能态自旋粒子分布两种能态自旋粒子分布两种能态自旋粒子分布两种能态自旋粒子分布两种能态自旋粒子分布两种能态自旋粒子分布两种能态自旋粒子分布两种能态自旋粒子分布两种能态自旋粒子分布两种能态自旋粒子分布两种能态自旋粒子分布两种能态自旋粒子分布两种能态自旋粒子分布原子核系的静磁学原子核系的静磁
7、学原子核系的静磁学原子核系的静磁学原子核系的静磁学原子核系的静磁学剩余自旋与净磁化剩余自旋与净磁化v剩余自旋:平衡磁场中上旋态核磁剩余自旋:平衡磁场中上旋态核磁 矩与下旋态核磁矩之差矩与下旋态核磁矩之差v净磁化:平行于磁场方向由剩余自净磁化:平行于磁场方向由剩余自 旋产生的磁化矢量(宏观旋产生的磁化矢量(宏观 磁化矢量)磁化矢量)净磁化的产生净磁化的产生影响净磁化矢量的因素影响净磁化矢量的因素 净磁化矢量净磁化矢量M:由于自旋的量子化分布,平:由于自旋的量子化分布,平 衡态样体在磁力线方向上形衡态样体在磁力线方向上形 成的稳定磁化矢量。成的稳定磁化矢量。 M= B0N/T 常数常数 B0磁场强
8、度磁场强度 N单位体积样体质子数(组织质子密度)单位体积样体质子数(组织质子密度) T绝对温度绝对温度核磁矩核磁矩 在净磁场在净磁场 0作用下作用下 产生力矩产生力矩 = 0核磁矩对时间的变化率核磁矩对时间的变化率 Bdtdv核磁矩核磁矩 在净磁场在净磁场 0中的运动中的运动v磁矩分解为磁矩分解为Z轴、轴、X-Y平面矢量平面矢量v旋进过程中旋进过程中Z轴矢量方向不变轴矢量方向不变vX-Y平面矢量绕平面矢量绕Z轴方向不断变化轴方向不断变化vX-Y平面矢量相位随机平面矢量相位随机v不形成宏观磁化矢量不形成宏观磁化矢量 进动时核磁矩各分量的运动进动时核磁矩各分量的运动 在在静磁场中,核磁矩围绕静磁场
9、中,核磁矩围绕 0进动,进动,运动轨迹为圆锥运动轨迹为圆锥进动的特征频率进动的特征频率拉莫频率拉莫频率 0 (Larmor frequency) 0=0v拉莫进动拉莫进动核磁矩的进动核磁矩的进动v 0取决于:原子核种类取决于:原子核种类 外加磁场强度外加磁场强度二、磁共振现象二、磁共振现象 分子、原子或原子核能级在外磁场中劈裂后,当外界电磁场(电磁波)的频率适当(光子能量适当)时,处于低能态的分子、原子或原子核等吸收电磁波的能量跃迁至高能态,这种现象称为磁共振现象。NRFgBBh核磁共振NMR的条件 原子核在进动中吸收外界能量产生能原子核在进动中吸收外界能量产生能级跃迁现象级跃迁现象 外界能量
10、外界能量 短射频脉冲激发源短射频脉冲激发源 射频磁场射频磁场RF 自旋磁矩在主磁场中进动自旋磁矩在主磁场中进动.核磁共振NMR的条件v射频脉冲频率必须与磁场中自旋磁矩的旋进频率相同,与宏观磁化M的固有频率相同,与质子的拉莫频率相同。v射频对自旋系统做功,系统内能增加,在RF激发下,宏观磁化矢量产生共振NMR。三、磁共振的宏观描述三、磁共振的宏观描述1、磁化现象、磁化现象:作为宏观物体,包含大量的自旋磁矩,即大量的微小磁体,但是,一般物体并不对外显磁性,是由于这些小磁体杂乱无章的排列,磁性相互抵消,对外不显磁性。在外磁场的作用下,这些磁矩有沿外磁场排列的趋势,从而对外显磁性,这就是我们熟知的磁化
11、现象。Bv激发激发射频磁场对自旋系统的作用射频磁场对自旋系统的作用 过程过程v核磁共振核磁共振原子核自旋系统吸收原子核自旋系统吸收相同频率的射频磁场能量而从平衡相同频率的射频磁场能量而从平衡态变为激发态的过程态变为激发态的过程v系统激发后特征:系统激发后特征: MZ v2进动频率进动频率 v1进动频率进动频率相位编码数学原理相位编码数学原理3、进动频率不同导致进动相位不同进动频率不同导致进动相位不同 相位编码梯度持续时间相位编码梯度持续时间ty ty时间后各体素的进动相位时间后各体素的进动相位 y y= ytv= (B0+yGy) tv 相位差相位差 y= yGytv= y y tv Gy 对
12、相位的作用对相位的作用4、 t=ty时刻,相位编码梯度关断时刻,相位编码梯度关断 各体素再次置于相同的外磁场:各体素再次置于相同的外磁场:v进动频率恢复进动频率恢复Gy作用前数值作用前数值vGy诱发的进动相位差保留诱发的进动相位差保留相位记忆相位记忆相位编码数学原理相位编码数学原理3、频率编码:、频率编码:在相位编码结速后,沿X轴方向加一梯度磁场GX,从而使不同X坐标的自旋磁矩的进动频率不一样,进而依据这种进动频率的差异来确定X坐标。称为频率编码。通过空间编码以后,不同体素发射的MR信号频率、相位、相位变化率不同,依据这些信息和信号强度可正确地重建图像。沿沿x轴方向施加轴方向施加x梯度梯度Gx
13、;与;与y轴平行的各轴平行的各列体素的进动频率列体素的进动频率 x为为 x= (B0+xGx)v x是是x的函数,不同的的函数,不同的x决定了不同的进决定了不同的进动频率动频率v所接受的信号中已包含有体素的空间位所接受的信号中已包含有体素的空间位置信息置信息频率编码数学原理频率编码数学原理频率编码数学原理频率编码数学原理v频率编码梯度一般只在频率编码梯度一般只在NMR信号出现时信号出现时施加,所以又被称为读出梯度或测量梯施加,所以又被称为读出梯度或测量梯度。度。v每个测量周期的频率编码脉冲均相同。每个测量周期的频率编码脉冲均相同。频率编码基本特征频率编码基本特征频率编码信号特征频率编码信号特征
14、频率编码信号特征频率编码信号特征三、磁共振成像系统、磁共振成像系统1、磁场系统:(1)静磁场:是核心部键,要求磁场强度大,1T,且要求均匀度高,常用超导电磁体产生,维护费用高。也是磁共振系统的关键部键。(2)梯度磁场(3个):是空间编码磁场,比静磁场小得多,约百分之一。2、射频率系统:由射频发生器,射频接收器,控制系统组成。3、图像重建系统:核心是计算机处理系统。处于静磁场的成像物体用Z轴方向的梯度磁场选择层面用X轴方向的梯度磁场频率编码用Y轴方向的梯度磁场相位编码信号采集信号处理,得到数字图像层面图像显示磁共振成像过程框图磁共振成像过程框图磁共振成像过程磁共振成像过程1、梯度周期与成像时序、
15、梯度周期与成像时序1、t=0时刻时刻Gz开启;同时产生开启;同时产生90射频脉冲射频脉冲 激励限制在激励限制在Gz所决定的特定平面内;所决定的特定平面内; 受激层面宏观磁化矢量受激层面宏观磁化矢量M倒向倒向xoy面面2、t=t1时刻时刻Gz关断;相位编码梯度关断;相位编码梯度Gy加入加入 t1t2 Gz持续时间;持续时间; 相位编码梯度脉宽相位编码梯度脉宽 ty=t2-t1 FID信号出现,但暂不检测信号出现,但暂不检测 ty称为预备期称为预备期3、t=t2时刻,时刻,Gy关断,关断,Gz再一次开启再一次开启 限制限制180重聚焦脉冲仅作用于既定重聚焦脉冲仅作用于既定层面层面4、t=t3 时刻
16、,频率编码梯度时刻,频率编码梯度Gx出现出现 t3t5 Gx持续时间;持续时间; 采样从回波信号的峰值开始采样从回波信号的峰值开始 检测期检测期 Gx的脉宽的脉宽tx=t5- t35、t5t6延迟时间延迟时间 等待宏观磁化矢量等待宏观磁化矢量Mz恢复至其稳态恢复至其稳态值值M0; 为下一次扫描做准备为下一次扫描做准备 t0t6重复时间重复时间TR,反映每个扫,反映每个扫 描周期的长短描周期的长短 t0t4回波时间回波时间TE 2、 MRI图像重建过程图像重建过程 2、 MRI图像重建过程图像重建过程 2、 MRI图像重建过程图像重建过程Gradient Magnetic FieldGradie
17、nt coils generate spatially varying magnetic field so that spins at different location precess at frequencies unique to their location, allowing us to reconstruct 2D or 3D images.X gradient Y gradient Z gradientxyzxzzxyyA Simple Example of Spatial Encodingw/o encodingw/ encodingConstantMagnetic Fiel
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