《MRI的物理基础》PPT课件.ppt

《《MRI的物理基础》PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《MRI的物理基础》PPT课件.ppt（87页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、前言前言 n世界是物质的，物质是由分子构成的，分子又由原世界是物质的，物质是由分子构成的，分子又由原子构成。原子由原子核和核外电子组成，原子核由子构成。原子由原子核和核外电子组成，原子核由带正电荷的质子和不带电荷的中子组成。带正电荷的质子和不带电荷的中子组成。n核磁共振这一物理现象所要研究的对象就是原子核，核磁共振这一物理现象所要研究的对象就是原子核，而且是具有磁性的原子核。而且是具有磁性的原子核。nMRIMRI是以核磁共振这一物理现象为基础的，之所以是以核磁共振这一物理现象为基础的，之所以省去省去“核核”字，是为了突出这一检查技术不存在对字，是为了突出这一检查技术不存在对人体有害的电离辐射的

2、优点，使之区别于要使用人体有害的电离辐射的优点，使之区别于要使用x x射线的放射科检查以及要使用放射性核素的核医学射线的放射科检查以及要使用放射性核素的核医学检查。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杂的的，包包括括蛋蛋白白质质、脂脂肪肪、糖糖、水水及及钾钾、钠钠、钙钙、磷磷、铁铁、铜铜、硒硒等等微微量量元元素素。虽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氢原原子子核核（质质子子），所所以以临临床床磁磁共共振振成成像像的的对对象象都集中于氢原子核（质子）都集中于氢原子核（质子）。n磁磁共共振振成成像像的的目目

3、的的是是要要获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（如如氢氢原原子子核核）所所产产生生的的磁磁共共振振信信号号强强度度分分布布，而而MRMR信信号号强强度度则则是是由由磁磁性性核核的的密密度度、弛弛豫豫时时间等特性参数决定的。间等特性参数决定的。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场作作用用下下显显示示出出宏宏观观磁磁性性来来，也也就就是是说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强度度也也就就对对应应了了相相

4、应应的的磁磁性性核核的的密密度度，因因此此只只要要测测出出人人体体断断面面各各点点的的磁磁化化强强度度，该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强度度又又很很微微弱弱，而而且且它它们们又又是是在在同同一一方方向向，所所以以我我们们就就无无法法测测出出人人体体断断面面各各点点的的磁磁化化强强度度。但但是是，如如果果我我们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场方方向向，就就可可以以把把人人体体的的磁磁化化强强度度测量出来，而这正是核磁共振所要做的工作。测量出来，而这正是核磁共振所要做的工作。3456

5、MRIMRI的物理基础的物理基础n第一节第一节原子核的磁性原子核的磁性n第二节第二节静磁场中的磁性核静磁场中的磁性核n第三节第三节磁共振磁共振n第四节第四节 驰豫驰豫n第五节第五节 自由感应衰减信号自由感应衰减信号n第六节第六节 化学位移和磁共振谱化学位移和磁共振谱7第一节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第一节第一节原子核的磁性原子核的

6、磁性一、原子核的自旋一、原子核的自旋 n在微观世界中，电子、中子、质子、原子核等在微观世界中，电子、中子、质子、原子核等微观粒子除了具有一定的大小、电荷、质量等微观粒子除了具有一定的大小、电荷、质量等属性外，还有一种固有属性属性外，还有一种固有属性_自旋（角动量）自旋（角动量），微观粒子的自旋是由其自旋运动产生的，微，微观粒子的自旋是由其自旋运动产生的，微观粒子的自旋运动可以简单地看成微观粒子的观粒子的自旋运动可以简单地看成微观粒子的自转，虽然实际情况并非如此。自转，虽然实际情况并非如此。9第一节第一节原子核的磁性原子核的磁性n原子核是由质子和中子组成的。质子和中子既原子核是由质子和中子组成的

7、。质子和中子既具有自旋角动量，也具有轨道角动量。具有自旋角动量，也具有轨道角动量。n原子核内质子和中子的自旋角动量与轨道角动原子核内质子和中子的自旋角动量与轨道角动量之和就构成了原子核的总角动量，但习惯上量之和就构成了原子核的总角动量，但习惯上把原子核的总角动量称为把原子核的总角动量称为“原子核自旋原子核自旋（nuclear spinnuclear spin）”。10第一节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转方向的平面垂直。处于静磁场中的原子核，旋转方向的平面垂直。处于静磁场中的原子核，它的自旋在空间所取的方向是离

8、散的、不连续它的自旋在空间所取的方向是离散的、不连续的，具有空间量子化的性质。的，具有空间量子化的性质。11第一节第一节原子核的原子核的磁性磁性n通常以通常以 在静磁场方向（在静磁场方向（z z方向）的最大分量方向）的最大分量或投影最大值或投影最大值 I I 来代表来代表 的大小（以的大小（以 为单为单位），例如氢核的自旋为位），例如氢核的自旋为1/21/2是指氢核的核自是指氢核的核自旋量子数，这种说法本质上是用旋量子数，这种说法本质上是用I I 值来间接表值来间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场中的取向为原子核的自旋在静磁场中的取向为2 2I+1I+1种。种

9、。12第一节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动会会产产生生绕绕核核心心旋旋转转的的环环形形电电流流，而而环环形形电电流流会会在在其其周周围围空空间间产产生生磁磁场场，所所以以自自旋旋不不为为零零的的原原子子核核（简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第一节第一节原子核的磁性原子核的磁性n为为描描述述自自旋旋核核磁磁场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

10、旋旋运运动动引引起起来来的的，它它们们之之间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，称为磁旋比。为比例系数，称为磁旋比。14第一节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，我们在日常生活原子核的磁性是非常微弱的，我们在日常生活中感觉不到它的存在。大家所熟悉的物质的铁中感觉不到它的存在。大家所熟悉的物质的铁磁性和顺磁性是由物质原子中不成对电子产生磁性和顺磁性是由物质原子中不成对电子产生的，与之相比，原子核的磁性在强度上要弱好的，与之相比，原子核的磁性在强度上要弱好几个数量级，但原子核的磁性仍然可以用核磁几个数量级，但原子核的磁性仍然可以用核磁共

11、振来精确测量。共振来精确测量。15第一节第一节原子核的磁性原子核的磁性三、物质的磁性三、物质的磁性1 1、原子的磁矩、原子的磁矩 原子的磁矩由核外电子的总磁矩（轨道磁原子的磁矩由核外电子的总磁矩（轨道磁矩和自旋磁矩）和原子核磁矩构成矩和自旋磁矩）和原子核磁矩构成 。16第一节第一节原子核的磁性原子核的磁性 当电子的总磁矩不为零时，原子的磁矩主当电子的总磁矩不为零时，原子的磁矩主要来自电子的总磁矩；要来自电子的总磁矩；当电子的总磁矩为零时，核磁矩就构成了当电子的总磁矩为零时，核磁矩就构成了原子的固有磁矩。原子的固有磁矩。17第一节第一节原子核的磁性原子核的磁性2 2、逆磁性物质、逆磁性物质 一般

12、的化合物，如果是具有电子闭合壳层一般的化合物，如果是具有电子闭合壳层结构的分子，这些的电子总磁矩就为零，而在结构的分子，这些的电子总磁矩就为零，而在外磁场的作用下，分子会感生电子环流，由此外磁场的作用下，分子会感生电子环流，由此产生的产生的附加磁场方向与外磁场方向是相反附加磁场方向与外磁场方向是相反的，的，因此，在宏观上呈现出逆磁性，这类物质称为因此，在宏观上呈现出逆磁性，这类物质称为逆磁物质。逆磁物质。18第一节第一节原子核的磁性原子核的磁性 假如逆磁物质中含有磁矩不为零的原子核，假如逆磁物质中含有磁矩不为零的原子核，那么，它大约为顺磁物质中电子磁矩的千分之那么，它大约为顺磁物质中电子磁矩的

13、千分之一。核磁共振多以逆磁物质为样品，且多是一。核磁共振多以逆磁物质为样品，且多是I I1/21/2的核。的核。19第一节第一节原子核的磁性原子核的磁性3 3、顺磁物质、顺磁物质 电子总磁矩不为零的分子或原子构成的物电子总磁矩不为零的分子或原子构成的物质，当它处于外磁场时，各分子或原子的磁矩质，当它处于外磁场时，各分子或原子的磁矩就会在外磁场的作用下转向外磁场方向，结果就会在外磁场的作用下转向外磁场方向，结果形成了一个形成了一个与外磁场方向相同的附加磁场与外磁场方向相同的附加磁场，因，因此，在宏观上呈现出顺磁性，这类物质称为顺此，在宏观上呈现出顺磁性，这类物质称为顺磁物质。磁物质。20第一节第

14、一节原子核的原子核的磁性磁性 另外还有一类物质，如铁、钴、镍，它们另外还有一类物质，如铁、钴、镍，它们在外磁场的作用下会产生在外磁场的作用下会产生方向与外磁场相同，方向与外磁场相同，但强度远大于外磁场的附加磁场但强度远大于外磁场的附加磁场，这类物质称，这类物质称为为铁磁性物质铁磁性物质。在顺磁物质中也同样存在逆磁效应，只是在顺磁物质中也同样存在逆磁效应，只是逆磁效应比顺磁效应小得多，所以主要表现为逆磁效应比顺磁效应小得多，所以主要表现为顺磁效应。顺磁效应。21第一节第一节原子核的磁性原子核的磁性 MRIMRI造影剂造影剂大多是顺磁物质或超顺磁物质，大多是顺磁物质或超顺磁物质，主要是钆、铁、锰的

15、大分子有机化合物，这些主要是钆、铁、锰的大分子有机化合物，这些物质本身不产生信号，信号来自氢原子核。物质本身不产生信号，信号来自氢原子核。22第一节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 在生物组织中，存在很多的磁性核，如在生物组织中，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，但目前能用于临床于临床MRIMRI的却只有氢核。的却只有氢核。MRI MRI中，磁性核在磁共振中所产生的信号中，磁性核在磁共振中所产生的信号强度对图像质量及成像时间起着

16、至关重要的作强度对图像质量及成像时间起着至关重要的作用。用。23第一节第一节原子核的磁性原子核的磁性 一般来说，磁性核对磁共振信号强度的影响主要一般来说，磁性核对磁共振信号强度的影响主要取决于两个因素，一是磁性核在组织中的浓度；二是取决于两个因素，一是磁性核在组织中的浓度；二是磁性核的相对灵敏度，即等量的不同磁性核所产生的磁性核的相对灵敏度，即等量的不同磁性核所产生的信号强度之比（与磁性核的磁化强度有关）。信号强度之比（与磁性核的磁化强度有关）。在上述两个因素中，氢原子占到生物组织原子数在上述两个因素中，氢原子占到生物组织原子数的的2/32/3，氢核的磁化强度也是人体常见磁性核中最高的，氢核的

17、磁化强度也是人体常见磁性核中最高的，所以目前的临床所以目前的临床MRIMRI就是核（质子）成像，而其它磁性就是核（质子）成像，而其它磁性核的核的MRIMRI受多种条件的限制还无法用于临床。受多种条件的限制还无法用于临床。24第二节第二节静磁场中的磁静磁场中的磁性核性核一、取向和磁势能一、取向和磁势能 在在人人体体进进入入磁磁体体之之前前，磁磁性性核核的的磁磁矩矩处处于于一一种种杂杂乱乱无无章章的的状状态态，磁磁矩矩沿沿空空间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处于于静静磁磁场场中中时时，就就会会在在静静磁磁场场的的作作用用下下，只只能能沿沿空空间间2 2I+1I+

18、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态是是不不同同的的，例例如如氢氢核核I I=1/2,=1/2,它它在在磁磁场场中中的的取取向向就就只只有有两两种种，一一是是顺顺着着磁磁场场方方向向，能能量量状状态态较较低低；另另一一是是反反着着磁磁场场方方向向，能能量量状状态态较较高高，它它们之间的能量差为们之间的能量差为 =25第二节第二节静磁场中的磁静磁场中的磁性核性核二、旋进二、旋进 在静磁场中，核磁矩是以旋进（即进动）形在静磁场中，核磁矩是以旋进（即进动）形式存在的。核磁矩的旋进类似于我们所熟知的陀式存在的。核磁矩的旋进类似于我们所熟知

19、的陀螺的运动，它以夹角螺的运动，它以夹角 在以静磁场为轴（在以静磁场为轴（z z方向）方向）的圆锥面上以恒定的角速度的圆锥面上以恒定的角速度0 0 旋进，旋进的角旋进，旋进的角速度速度0 0 为为 0 02f2f0 0BB0 026第二节第二节静磁场中的磁性静磁场中的磁性核核 对于氢核来说，对于氢核来说，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，）时，0 0 2.67102.67108 8弧度弧度/秒，秒，f f0 00 0/2/242.58Mhz,42.58Mhz,这也就意味着一秒钟氢核的磁矩要绕旋进这也就意味着一

20、秒钟氢核的磁矩要绕旋进42.581042.58106 6圈。圈。2728第二节第二节静磁场中的磁静磁场中的磁性核性核三、宏观描述三、宏观描述 在人体组织中，原子核不是单独存在的，而是处在人体组织中，原子核不是单独存在的，而是处于大量原子核的群体中，而且单个原子核的行为也是于大量原子核的群体中，而且单个原子核的行为也是无法检测到的，我们所能检测到的是样品中大量同种无法检测到的，我们所能检测到的是样品中大量同种原子核的集体行为，或者说它们所表现出来的宏观特原子核的集体行为，或者说它们所表现出来的宏观特性。为了描述原子核在磁场中的运动所表现出来的宏性。为了描述原子核在磁场中的运动所表现出来的宏观特性

21、，我们引入磁化强度矢量观特性，我们引入磁化强度矢量MM ，磁化强度矢量磁化强度矢量M M 定义为样品中单位体积核磁矩的矢量和，即定义为样品中单位体积核磁矩的矢量和，即 29第二节第二节静磁场中的磁静磁场中的磁性核性核 式式中中求求和和遍遍及及单单位位体体积积。从从磁磁化化强强度度矢矢量量的的定定义义可可以以看看出出具具有有磁磁矩矩的的本本质质，而而且且正正比比于于样样品品中中单单位位体体积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第二节第二节静磁场中的磁性静磁场中的磁性核核 目前能用于临床磁共振成像的自旋核只有目前能用于临床磁共振成像的自旋核只有氢核（质子），

22、所以自旋核密度也即质子密度。氢核（质子），所以自旋核密度也即质子密度。人体内不同的组织所具有的质子密度是不同人体内不同的组织所具有的质子密度是不同 的，的，脂肪组织、脑组织及含大量水分的囊腔器官的质脂肪组织、脑组织及含大量水分的囊腔器官的质子密度均较高；人体中的肌肉、肝脏、脾脏、肾子密度均较高；人体中的肌肉、肝脏、脾脏、肾脏等实体组织的质子密度为中等；而人体内的骨脏等实体组织的质子密度为中等；而人体内的骨胳、硬脑膜、纤维组织、含气组织（如肺、胃、胳、硬脑膜、纤维组织、含气组织（如肺、胃、肠等）质子密度则较低。肠等）质子密度则较低。31第二节第二节静磁场中的磁静磁场中的磁性核性核 静磁场静磁场=

23、0=0时，原子核的热运动会使核磁时，原子核的热运动会使核磁矩的空间取向处于杂乱无章状态，从统计角矩的空间取向处于杂乱无章状态，从统计角度看，核磁矩在空间各方向上出现的几率是度看，核磁矩在空间各方向上出现的几率是均等的，所以各互相抵消，对外不呈现宏观均等的，所以各互相抵消，对外不呈现宏观磁效应，宏观总磁矩磁效应，宏观总磁矩M M 为零。为零。32第二节第二节静磁场中的磁性静磁场中的磁性核核 静磁场静磁场00时，各核的磁矩不仅要产生绕时，各核的磁矩不仅要产生绕z z 方向的旋进，还会有方向的旋进，还会有2 2I+1I+1种空间取向。对于核种空间取向。对于核来说，就会有两种不同的取向，一种是顺着磁来

24、说，就会有两种不同的取向，一种是顺着磁场方向，另一种是反着磁场方向，形成两个圆场方向，另一种是反着磁场方向，形成两个圆锥，圆锥面上的矢线代表核磁矩的取向。锥，圆锥面上的矢线代表核磁矩的取向。33第二节第二节静磁场中的磁性静磁场中的磁性核核 对于做周期运动的物体，可以用位置和速对于做周期运动的物体，可以用位置和速度来表征其运动状态，但用度来表征其运动状态，但用相位（相位（phasephase）来来表征却更方便，因为做周期运动的物体在一个表征却更方便，因为做周期运动的物体在一个周期内的状态没有一个是相同的，只要知道了周期内的状态没有一个是相同的，只要知道了物体的相位（物体的相位（0-20-2）就知

25、道了其运动状态。）就知道了其运动状态。34第二节第二节静磁场中的静磁场中的磁性核磁性核 不不论论是是在在上上圆圆锥锥旋旋进进的的核核磁磁矩矩，还还是是在在下下圆圆锥锥旋旋进进的的核核磁磁矩矩，它它们们在在圆圆锥锥面面上上所所处处的的位位置置都都是是随随机机的的或或说说是是等等几几率率的的，也也就就是是说说各各磁磁矩矩在在圆圆锥锥面面上上呈呈均均匀匀分分布布。平平面面内内旋旋转转的的矢矢量量与与某某一一参参照照轴轴的的夹夹角角称称为为相相位位，所所以以核核磁磁矩矩在在圆圆锥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，这种这种35

26、第二节第二节静磁场中的磁静磁场中的磁性核性核 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为零的矢量和为零 ，即，即 处处于于静静磁磁场场中中的的氢氢核核会会有有两两种种取取向向，取取向向不不同同，氢氢核核所所具具有有的的磁磁势势能能不不同同 ，处处于于低低能能状状态态的的氢氢核核的的数数量量略略多多于于处处于于高高能能状状态态的的氢氢核核的的数数量量，于于是是核核磁磁矩矩在在z z轴轴上上的的分分量量的的矢矢量量和和就就不不为为零零，即即 MMz z=M M+-MM-0 0 36第三节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

27、理 n处处于于静静磁磁场场中中的的氢氢核核会会有有两两种种取取向向，取取向向不不同同，氢氢核核所所具具有有的的磁磁势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氢核核之之间间的的能能量量差差，则则处处于于低低能能态态的的氢氢核核就就会会吸吸收收电电磁磁波波能能量量跃跃迁迁到到高高能能态态，这这就就是是所所谓谓的的磁磁共共振振，即即处处于于静静磁磁场场中中的的磁磁性性核核受受电电磁磁波波的的作用而产生的不同能级之间的共振跃迁现象。作用而产生的不同能级之间的共振跃迁现象。37第三节第三节磁磁共振共振n假假定定外外界界

28、施施加加的的电电磁磁波波的的频频率率为为 ，则则不不同同取取向向的氢核间的能级差的氢核间的能级差 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电磁磁波波的的频频率率正好和氢核的旋进频率正好和氢核的旋进频率f f相同。相同。38第三节第三节磁磁共振共振 要要产产生生磁磁共共振振，除除了了电电磁磁波波的的频频率率必必须须和和磁磁性性核核的的旋旋进进频频率率相相同同外外，对对电电磁磁波波的的方方向向也也还还有有要要求求。电电磁磁波波既既有有磁磁矢矢量量又又有有电电矢矢量量，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，而而且且必必须须垂垂直直于于B B0 0，这就

29、是对电磁波方向的要求。这就是对电磁波方向的要求。39第三节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电磁磁波波又又叫叫射射频频波波（Radio Radio Frequence Frequence WaveWave,RFRF波波)，其其含含义义是是指指该该电电磁磁波波的的频频率率处处于于RadioRadio频频率率范范围围内内，而而无无线线电电波波是是可可以以发发射射出出去去再再向向各各个个方方向向传传播播开开来来的的,故故称称射射频频.x x射射线线和和射射线线这这一一类类波波长长很很短的电磁波就无法在广阔的空间范围传播。短的电磁波就无法在广阔的空间范围传播。RFRF波波又又称称之

30、之为为射射频频脉脉冲冲，因因为为在在磁磁共共振振中中，所所施施加加的的RFRF波波只只持持续续很很短短的的一一段段时时间间（以以msms计计）。40第三节第三节磁共振磁共振n发生核磁共振时，处于低能态的氢核会吸收电发生核磁共振时，处于低能态的氢核会吸收电磁波能量跃迁到高能态的情况（磁波能量跃迁到高能态的情况（受激吸收受激吸收），），同时处于高能态的氢核也会释放能量回到低能同时处于高能态的氢核也会释放能量回到低能态的情况（态的情况（受激辐射受激辐射）。）。n受激吸收和受激辐射统称为受激吸收和受激辐射统称为受激跃迁受激跃迁，它们发，它们发生的几率是相等的，但在热平衡状态时，处于生的几率是相等的，但

31、在热平衡状态时，处于低能态的氢核数量（低能态的氢核数量（N1N1）多于处于高能态的氢）多于处于高能态的氢核数量（核数量（N2N2），因此样品总的吸收大于总的辐），因此样品总的吸收大于总的辐射。射。41第三节第三节磁共振磁共振n受激跃迁使得样品原有的热平衡状态被打破，受激跃迁使得样品原有的热平衡状态被打破，样品因吸收了能量而处于激发态，所以，样品样品因吸收了能量而处于激发态，所以，样品还会进行还会进行热弛豫跃迁热弛豫跃迁，即处于高、低能态上的，即处于高、低能态上的氢核会氢核会与周围环境（晶格）作用与周围环境（晶格）作用分别跃迁到低、分别跃迁到低、高能态上。对于热弛豫跃迁，由高能态跃迁到高能态上。

32、对于热弛豫跃迁，由高能态跃迁到低能态的几率，大于由低能态跃迁到高能态的低能态的几率，大于由低能态跃迁到高能态的几率。几率。42第三节第三节磁共振磁共振n一般，观察核磁共振信号是测量样品受激跃迁一般，观察核磁共振信号是测量样品受激跃迁时所吸收的外加交变磁场的能量，从每秒受激时所吸收的外加交变磁场的能量，从每秒受激跃迁造成的由低能级跃迁到高能级的跃迁造成的由低能级跃迁到高能级的净粒子数净粒子数可求出样品每秒吸收的能量可求出样品每秒吸收的能量dE/dtdE/dt，共振吸收，共振吸收信号的强度就正比于信号的强度就正比于dE/dtdE/dt 。43第三节第三节磁共振磁共振n受激跃迁使得高、低能态上的氢核

33、数之差趋向于零受激跃迁使得高、低能态上的氢核数之差趋向于零,而而热弛豫跃迁则会使得高、低能态上的氢核数之差趋向热弛豫跃迁则会使得高、低能态上的氢核数之差趋向于玻尔兹曼热平衡分布。于玻尔兹曼热平衡分布。n当高、低能态上的氢核数之差随时间的变化率为零时当高、低能态上的氢核数之差随时间的变化率为零时（dn/dt=0dn/dt=0，n=N1-N2n=N1-N2），系统达到），系统达到动态平衡动态平衡，可以持，可以持续观察稳定的核磁共振吸收现象；如果高、低能态上续观察稳定的核磁共振吸收现象；如果高、低能态上粒子数相等，即粒子数相等，即N1=N2N1=N2时，样品既不吸收能量也不辐射时，样品既不吸收能量也

34、不辐射出能量，此时观察不到连续核磁共振现象，因此出能量，此时观察不到连续核磁共振现象，因此N1=N2N1=N2时的状态称为时的状态称为饱和态饱和态。44第三节第三节磁磁共振共振二、磁共振的宏观表现二、磁共振的宏观表现 处处于于静静磁磁场场中中的的样样品品，其其磁磁化化强强度度矢矢量量和和静静磁磁场场是是在在同同一一方方向向的的，由由于于静静磁磁场场强强度度很很大大，而而样样品品的的磁磁化化强强度度矢矢量量又又很很微微弱弱，这这就就使使得得磁磁化化强强度度矢矢量量M M 的的检检测测成成为为不不可可能能。在在射射频频电电磁磁波波的的作作用用下下，样样品品产产生生磁磁共共振振，样样品品的的磁磁化化

35、强强度度矢矢量量M M 也也会会偏偏离离B B0 0方方向向（z z方方向向），这这也也就就使使M M 的的检检测测成成为为可可能能。磁磁共共振振的的宏宏观观表表现所要讨论的也就是样品现所要讨论的也就是样品M M 的变化规律。的变化规律。45第三节第三节磁磁共振共振n RF RF波的磁矢量波的磁矢量_旋转磁场旋转磁场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轴轴，其其强强度度的的变变化化规规律为律为 t t 由由图图可可以以看看出出，交交变变磁磁场场 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转的磁场方向旋转的磁场 叠加而成。叠加而成。46第三节

36、第三节磁磁共振共振 47第三节第三节磁磁共振共振n射频电磁波对样品的激励射频电磁波对样品的激励 当当RFRF波施加时，其磁矢量波施加时，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相互作用产生一力矩，此力矩会使得相互作用产生一力矩，此力矩会使得MM0 0以角速度以角速度 绕绕B B1 1旋进，旋进的结果使旋进，旋进的结果使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方向时，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 绕绕B B0 0旋进。由于旋进。由于 是旋转磁场，它以角速度是旋转磁

37、场，它以角速度绕绕B B0 0旋转，因此在旋转，因此在MM0 0看来看来 也相当于一个静磁场，这样也相当于一个静磁场，这样就能够使就能够使MM0 0在绕在绕B B0 0旋进的同时又能稳定地绕旋进的同时又能稳定地绕B B1 1旋进，两旋进，两个稳定的旋进同时进行。个稳定的旋进同时进行。48第三节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，样样品品就就出出现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

38、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，样样品品产产生生了了磁磁共共振振，其其宏宏观观表表现现就就是是样样品品的的磁磁化化强强度度矢矢量量偏偏离离静静磁磁场场方方向向 角角度度，角角的的大小取决于大小取决于RFRF脉冲的强度及作用时间。脉冲的强度及作用时间。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第三节第三节磁共振磁共振三、稳态磁共振三、稳态磁共振 发生磁共振时，样品的磁化强度矢量不仅发生磁共振时，样品的磁化强度矢量不仅会受到静磁场、射频场的作用，磁化强度矢量会受到

39、静磁场、射频场的作用，磁化强度矢量还处于弛豫过程当中，布洛赫方程（还处于弛豫过程当中，布洛赫方程（Bloch Bloch equationequation）描述了这种状态下磁化强度矢量的）描述了这种状态下磁化强度矢量的运动规律。运动规律。Bloch Bloch方程涉及复杂的矢量关系，而且，一方程涉及复杂的矢量关系，而且，一般情况下，求解般情况下，求解BlochBloch方程是很繁琐的。方程是很繁琐的。50第三节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），磁磁化化强强度度矢矢量量M M在在静静磁磁场场B B0 0、射射频频场场B B1 1和和弛弛豫豫

40、的的作作用用下下会达到平衡，即会达到平衡，即 51第三节第三节磁共振磁共振 这时的核磁共振被称为稳态核磁共振，利用这时的核磁共振被称为稳态核磁共振，利用BlochBloch方程，可以较容易求出样品的磁化强度矢量方程，可以较容易求出样品的磁化强度矢量在旋转坐标系（在旋转坐标系（）为一常矢量，所以也称）为一常矢量，所以也称之为稳态解。之为稳态解。52第三节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第三节第三节磁共振磁共振 式中式中,，磁化强度矢量纵向，磁化强度矢量纵向分量的变化量分量的变化量 为为=54第四节第四节 驰豫驰豫一、弛豫及其规律一、弛豫及其规律n弛弛豫豫（rala

41、xtionralaxtion）实实际际上上就就是是“松松弛弛”、“放放松松”之之意意，如如被被拉拉紧紧的的弹弹簧簧在在外外力力撤撤除除后后会会逐逐渐渐恢恢复复到到原原来来的的平平衡衡状状态态，这这样样一一种种向向原原有有平平衡衡状状态态恢复的过程就是弛豫。恢复的过程就是弛豫。n处处于于静静磁磁场场中中的的样样品品在在RFRF脉脉冲冲的的作作用用下下会会产产生生磁磁共共振振，导导致致MM0 0偏偏离离z z方方向向，出出现现横横向向磁磁化化MMxyxy，原原有有的的平平衡衡状状态态被被打打破破，样样品品因因吸吸收收了了能能量量而而处处于于激激发发态态。当当RFRF脉脉冲冲停停止止作作用用后后，样

42、样品品就就会会由由激激发发态通过弛豫逐渐恢复到平衡态。态通过弛豫逐渐恢复到平衡态。55第四节第四节 驰豫驰豫n在样品的弛豫过程中会出现完全独立的两种弛豫，一是在样品的弛豫过程中会出现完全独立的两种弛豫，一是纵向弛豫，是指纵向磁化纵向弛豫，是指纵向磁化MMz z逐渐恢复为逐渐恢复为MM0 0的过程；另的过程；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，逐渐衰减恢复为零逐渐衰减恢复为零的过程。的过程。n弛豫的规律弛豫的规律 静磁场中的样品处于热平衡状态时静磁场中的样品处于热平衡状态时,MMz z=MM0 0 ，MMxyxy=0 =0，实验发现，弛豫过程中磁化强度，实验发现，

43、弛豫过程中磁化强度MM偏离平衡状偏离平衡状态的程度越大，则其恢复的速度就越快。依据这一实验态的程度越大，则其恢复的速度就越快。依据这一实验规律，可以得出弛豫过程中旋转坐标系（规律，可以得出弛豫过程中旋转坐标系（）中的）中的 和和 随时间的变化规律。随时间的变化规律。56第四节第四节 驰豫驰豫 考虑样品受到的是考虑样品受到的是9090RFRF脉冲的作用，则在弛豫过程脉冲的作用，则在弛豫过程开始时开始时(t t=0)=0)，=0,=0,=MM0 0 ，推出推出 和和 随随时间的变化规律为时间的变化规律为：式中，式中，T1T1、T2T2为引入的两个系数，分别表示纵向弛为引入的两个系数，分别表示纵向弛

44、豫时间和横向弛豫时间。豫时间和横向弛豫时间。57第四节第四节 驰豫驰豫二、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过程，它们纵向弛豫和横向弛豫是两个完全独立的过程，它们产生的机制是不同的。一般同一组织产生的机制是不同的。一般同一组织T1T1的远比的远比T2T2长，也长，也就是说横向磁化在就是说横向磁化在RFRF脉冲停止后很快完成弛豫而衰减为脉冲停止后很快完成弛豫而衰减为零，但纵向磁化的恢复却需要较长时间才能完成。零，但纵向磁化的恢复却需要较长时间才能完成。n 纵向弛豫纵向弛豫 纵向弛豫又称自旋纵向弛豫又称自旋_晶格弛豫，所谓晶格一般指自旋晶格弛豫，所谓晶格一般指自旋核以外的

45、部分，即周围物质，所以纵向弛豫是自旋核与核以外的部分，即周围物质，所以纵向弛豫是自旋核与周围物质相互作用交换能量的过程。周围物质相互作用交换能量的过程。58第四节第四节 驰豫驰豫 在纵向弛豫过程中，自旋核把能量交给周围的晶格，在纵向弛豫过程中，自旋核把能量交给周围的晶格，转变为晶格的热运动，同时自旋核就从高能态跃迁到低转变为晶格的热运动，同时自旋核就从高能态跃迁到低能态，使处于高能态的核的数量减少，低能态的核的数能态，使处于高能态的核的数量减少，低能态的核的数量增多，直到符合玻尔兹曼分布，恢复到热平衡状态为量增多，直到符合玻尔兹曼分布，恢复到热平衡状态为止。在纵向弛豫过程中，磁化强度矢量止。在

46、纵向弛豫过程中，磁化强度矢量M M 的纵向分量的纵向分量MzMz不断增加，最后达到平衡时的数值不断增加，最后达到平衡时的数值M0M0 。人体内游离水分子具有较长的人体内游离水分子具有较长的T1T1值（值（1500-1500-30003000msms），），如脑脊液水肿区、囊性病变、坏死组织及肿如脑脊液水肿区、囊性病变、坏死组织及肿瘤等，而人体内脂肪组织的瘤等，而人体内脂肪组织的T1T1值则较短（几百值则较短（几百msms）。）。59第四节第四节 驰豫驰豫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，是自旋核之间的相互自旋弛豫，是自旋核之间的相互作用产生的。在弛豫开始时，

47、一般作用产生的。在弛豫开始时，一般 ，这是因，这是因为核磁矩在圆锥面上的不均匀分布所致，这种核磁矩为核磁矩在圆锥面上的不均匀分布所致，这种核磁矩的不均匀分布是的不均匀分布是RFRF脉冲作用的结果。脉冲作用的结果。RFRF脉冲结束后，脉冲结束后，核磁矩绕核磁矩绕B B0 0旋进，但各核磁矩所具有的磁场会相互影旋进，但各核磁矩所具有的磁场会相互影响，这就是使得各自旋核所受的磁场作用各异响，这就是使得各自旋核所受的磁场作用各异,其旋进其旋进角速度也就各不相同，原来在旋进的圆锥面上分布不角速度也就各不相同，原来在旋进的圆锥面上分布不均匀的自旋核就会逐渐散开，最终在旋进圆锥形成均均匀的自旋核就会逐渐散开

48、，最终在旋进圆锥形成均匀分布，于是匀分布，于是MMxyxy也就趋于零，达到平衡状态。也就趋于零，达到平衡状态。60第四节第四节 驰豫驰豫 自旋核的旋进除了会受到彼此之间的磁场影响外，自旋核的旋进除了会受到彼此之间的磁场影响外，静磁场的不均匀性及周围其它原子所具有的局部磁场也静磁场的不均匀性及周围其它原子所具有的局部磁场也会影响自旋核的旋进，使核磁矩在圆锥面上散开的速度会影响自旋核的旋进，使核磁矩在圆锥面上散开的速度加快，也即衰减加快，相应的横向弛豫时间常数表示为加快，也即衰减加快，相应的横向弛豫时间常数表示为 ，显然，显然 。由于。由于 存在着与组织特性无关的磁存在着与组织特性无关的磁场不均匀

49、性的影响，所以在实际测量中应考虑去除磁场场不均匀性的影响，所以在实际测量中应考虑去除磁场不均匀性影响。不均匀性影响。61第四节第四节 驰豫驰豫 人体内含游离水分子较多的组织人体内含游离水分子较多的组织T2T2值较长，如脑脊值较长，如脑脊液、肾组织、囊腔、脓肿、炎症组织、肿瘤等；人体内液、肾组织、囊腔、脓肿、炎症组织、肿瘤等；人体内脂肪组织的脂肪组织的T2T2值中等；而人体的脾脏、肝脏、肌肉、含值中等；而人体的脾脏、肝脏、肌肉、含水较少或纤维化明显的肿瘤（如肺癌、成骨性肿瘤、胰水较少或纤维化明显的肿瘤（如肺癌、成骨性肿瘤、胰腺癌）等组织的腺癌）等组织的T2T2值较短值较短。62第五节第五节 自由

50、感应衰减信号自由感应衰减信号 磁性核产生磁共振后就会出现横向磁化，横向磁磁性核产生磁共振后就会出现横向磁化，横向磁化在平面的旋进和弛豫就会使放置在平面上接收线圈化在平面的旋进和弛豫就会使放置在平面上接收线圈产生感生电压，这一感生电压就是产生感生电压，这一感生电压就是MRMR信号，信号，MRIMRI的目的的目的就是要获得人体断面上氢核所产生的就是要获得人体断面上氢核所产生的MRMR信号的强度分信号的强度分布。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类，如自由感应衰减信号、自旋回波信号、反转恢种类，如自由感应衰减信号、自旋回波信号、反转恢复信号