磁共振的原理与结构讲稿.ppt
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1、关于磁共振的原理与结构第一页,讲稿共七十三页哦一、磁共振成像一、磁共振成像磁共振成像:磁共振成像:Magnetic Resonance ImagingMagnetic Resonance Imaging,MRIMRI是利用人体内原子核在磁场内与外加射频是利用人体内原子核在磁场内与外加射频磁场发生共振而产生影像的一种成像技术磁场发生共振而产生影像的一种成像技术,它既它既能显示形态学结构,又能显示原子核水平上的能显示形态学结构,又能显示原子核水平上的生化信息及某些器官的功能状况,更有无辐射生化信息及某些器官的功能状况,更有无辐射的优点,其发展潜力巨大。的优点,其发展潜力巨大。第二页,讲稿共七十三页
2、哦二、二、MRIMRI基本原理基本原理MRIMRI影像形成的基本原理影像形成的基本原理第三页,讲稿共七十三页哦(一一)、原子核的自旋特性、原子核的自旋特性 含单数质子的原子核,例如人体内广泛存在含单数质子的原子核,例如人体内广泛存在的氢原子核,其质子有自旋运动,带正电,产生的氢原子核,其质子有自旋运动,带正电,产生磁矩,有如一个小磁体。磁矩,有如一个小磁体。第四页,讲稿共七十三页哦(一一)原子核的自旋特性原子核的自旋特性 在有自旋特性的原子核周围存在的这个微在有自旋特性的原子核周围存在的这个微观磁场是磁偶极子,就是所谓的原子核的观磁场是磁偶极子,就是所谓的原子核的自自旋磁矩旋磁矩。在没有外加磁
3、场时,各个质子由于热运动在没有外加磁场时,各个质子由于热运动而处于杂乱无章的任意排列状态,磁矩方向而处于杂乱无章的任意排列状态,磁矩方向各不相同,相互抵消,所以在宏观上不显磁各不相同,相互抵消,所以在宏观上不显磁性。性。第五页,讲稿共七十三页哦(二二)外磁场对原子核自旋的影响外磁场对原子核自旋的影响 当外部施加一个恒定磁场后,则质子沿当外部施加一个恒定磁场后,则质子沿外加磁场方向排列,产生外加磁场方向排列,产生净磁化净磁化。1.1.低能级低能级-自旋方向与自旋方向与磁场方向一致磁场方向一致2.2.高能级高能级-自旋方向与自旋方向与磁场方向相反磁场方向相反第六页,讲稿共七十三页哦(二二)外磁场对
4、原子核自旋的影响外磁场对原子核自旋的影响 在外磁场作用下,低能级的质子数目要在外磁场作用下,低能级的质子数目要多于高能级的质子,在大量原子分布的情多于高能级的质子,在大量原子分布的情况下,原子在不同能级上分布的数目与温况下,原子在不同能级上分布的数目与温度与外磁场强度有关。度与外磁场强度有关。第七页,讲稿共七十三页哦(二二)外磁场对原子核自旋的影响外磁场对原子核自旋的影响 在一定温度和磁场条件下,自旋质子就在一定温度和磁场条件下,自旋质子就产生了一个沿外磁场方向的产生了一个沿外磁场方向的宏观磁矩宏观磁矩,这,这样当原子核围绕自己的轴作自旋运动时,样当原子核围绕自己的轴作自旋运动时,外加磁场又会
5、产生一个旋力臂作用于自旋外加磁场又会产生一个旋力臂作用于自旋质子的磁矩上,使得质子旋进于一个锥形质子的磁矩上,使得质子旋进于一个锥形的磁矩轴上,称为的磁矩轴上,称为拉莫进动拉莫进动。第八页,讲稿共七十三页哦(二二)外磁场对原子核自旋的影响外磁场对原子核自旋的影响 质子进动的速度用质子进动的速度用进进动频率动频率来衡量,也就是来衡量,也就是质子每秒进动的次数,质子每秒进动的次数,进动频率与外加磁场的进动频率与外加磁场的强度成正比,场强越高,强度成正比,场强越高,进动频率越高。进动频率越高。第九页,讲稿共七十三页哦(二二)外磁场对原子核自旋的影响外磁场对原子核自旋的影响 0 00 0:磁旋比常数:
6、磁旋比常数 0 0:外加磁场强度:外加磁场强度 0 0:质子进动频率质子进动频率拉莫(拉莫(Larmor)Larmor)频率频率原子核的共振频率原子核的共振频率第十页,讲稿共七十三页哦(二二)外磁场对原子核自旋的影响外磁场对原子核自旋的影响 由于有无数个质子在由于有无数个质子在进动,其磁矩在进动,其磁矩在X X和和Y Y轴轴方向上的分量将相互抵方向上的分量将相互抵消,只有沿消,只有沿Z Z轴方向的分轴方向的分量叠加起来形成了量叠加起来形成了纵向纵向磁化矢量磁化矢量,它不能被直接,它不能被直接测量。测量。第十一页,讲稿共七十三页哦(三(三电磁感应现象电磁感应现象电流通过金属导线可以产生磁场电流通
7、过金属导线可以产生磁场金属导线切割磁力线产生电流金属导线切割磁力线产生电流变化磁场强度在金属导线(线圈内可变化磁场强度在金属导线(线圈内可以产生感应电压和感应电流以产生感应电压和感应电流第十二页,讲稿共七十三页哦(四(四射频脉冲射频脉冲电场和磁场随时间而变化称为电场和磁场随时间而变化称为电磁辐射。电磁辐射。射频(射频(RFRF脉冲脉冲是一种无线电波,也是电是一种无线电波,也是电磁波的一种,它的主要作用是扰乱沿外加磁波的一种,它的主要作用是扰乱沿外加磁场方向宁静进动的质子的进动。只有磁场方向宁静进动的质子的进动。只有RFRF脉冲与自旋质子的进动频率相同时,才能脉冲与自旋质子的进动频率相同时,才能
8、向质子传递能量。向质子传递能量。第十三页,讲稿共七十三页哦(五(五核磁共振现象核磁共振现象当当RFRF脉冲频率与质子进动频率相同时,质子就脉冲频率与质子进动频率相同时,质子就从中吸收能量,这称为从中吸收能量,这称为核磁共振现象核磁共振现象。此时此时RFRF脉冲频率脉冲频率 0 00 0第十四页,讲稿共七十三页哦(五(五核磁共振现象核磁共振现象施加施加RFRF脉冲后,质子吸收了能量,能级脉冲后,质子吸收了能量,能级就会提高,这会产生两方面的效应:就会提高,这会产生两方面的效应:1 1、质子能级提高,使得纵向磁化矢量减小,、质子能级提高,使得纵向磁化矢量减小,最终为零,称为饱和状态。最终为零,称为
9、饱和状态。第十五页,讲稿共七十三页哦(五(五核磁共振现象核磁共振现象2 2、进进动动的的质质子子相相位位一一致致,做做同同步步同同速速运运动动,使使得得在在横横轴轴方方向向上上的的磁磁化化矢矢量量得得以以叠叠加加,并并产产生生一一个个新新的的横横向向磁磁化化矢矢量量,RFRF脉脉冲冲的的强强度度越越大大,持持续续时时间间越越长长,横横向向进进动偏转的角度就越大。动偏转的角度就越大。第十六页,讲稿共七十三页哦(六(六核磁共振弛豫核磁共振弛豫 当质子系统达到饱和状态后,停止当质子系统达到饱和状态后,停止RFRF磁场后,激励过程结束。随后,吸收能磁场后,激励过程结束。随后,吸收能量跃迁到高能级的质子
10、将释放吸收的能量跃迁到高能级的质子将释放吸收的能量,很快回到外加磁场原先排列的平衡量,很快回到外加磁场原先排列的平衡位置,这一过程称为位置,这一过程称为核磁弛豫核磁弛豫。横向磁化矢量逐渐消失,称为横向磁化矢量逐渐消失,称为横向弛豫横向弛豫纵向磁化矢量恢复原状,称为纵向磁化矢量恢复原状,称为纵向弛豫纵向弛豫第十七页,讲稿共七十三页哦(六(六核磁共振弛豫核磁共振弛豫 在在磁磁共共振振领领域域中中,将将质质子子周周围围的的原原子子统统称称为为晶晶格格。纵纵向向弛弛豫豫就就是是质质子子自自旋旋磁磁矩矩将将能能量量释释放放传传递递给晶格原子的过程,所以也叫给晶格原子的过程,所以也叫自旋自旋-晶格弛豫晶格
11、弛豫。RFRF脉脉冲冲停停止止后后,纵纵向向磁磁化化矢矢量量恢恢复复到到原原来来的的数数值值所所需需要要的的时时间间称称为为纵纵向向弛弛豫豫时时间间,简简称称T T1 1,实实际际中中将将纵纵向向磁磁化化矢矢量量从从0 0恢恢复复到到最最大大值值的的63%63%所所需需的的时时间间定定义义为为T T1 1 时间。时间。T T1 1是是一一个个时时间间常常数数,描描述述组组织织的的纵纵向向磁磁化化矢矢量量恢恢复复的的快快慢慢程程度度。其其长长短短依依赖赖于于组组织织成成分分、结结构构和环境,如水为长和环境,如水为长T T1 1,脂肪为短,脂肪为短T T1 1 。第十八页,讲稿共七十三页哦(六(六
12、核磁共振弛豫核磁共振弛豫第十九页,讲稿共七十三页哦(六(六核磁共振弛豫核磁共振弛豫 RFRF脉脉冲冲停停止止后后,质质子子很很快快失失去去相相位位一一致致性性,这这是是由由于于原原子子核核之之间间的的相相互互作作用用,而而没没有有能能量量从从原原子子核核向向周周围围晶晶格格中中的的转转移移,所所以以也也成成为为自自旋旋-自旋弛豫。自旋弛豫。此此过过程程中中,横横向向磁磁化化矢矢量量逐逐步步抵抵消消而而变变小小直直至至为为零零。实实际际中中把把横横向向磁磁化化矢矢量量衰衰减减至至其其最最大大值值的的37%37%的时间定义为横向弛豫时间,简称的时间定义为横向弛豫时间,简称T T2 2 。T T2
13、2与与人人体体组组织织的的固固有有小小磁磁场场有有关关,如如大大分分子子比比小分子快小分子快,结合水比游离水快。结合水比游离水快。第二十页,讲稿共七十三页哦(六(六核磁共振弛豫核磁共振弛豫第二十一页,讲稿共七十三页哦(六(六核磁共振弛豫核磁共振弛豫第二十二页,讲稿共七十三页哦(六(六核磁共振弛豫核磁共振弛豫小结:小结:这这种种组组织织间间弛弛豫豫时时间间上上的的差差别别,是是MRIMRI的的成成像像基基础础。有有如如CTCT时时,组组织织间间吸吸收收系系数数(CTCT值值)差差别别是是CTCT成成像像基基础础的的道道理理。但但MRIMRI不不像像CTCT只只有有一一个个参参数数,即即吸吸收收系
14、系数数,而而是是有有T T1 1、T T2 2等等几几个个参参数数。因因此此,获获得得选选定定层层面面中中各各种种组组织织的的T1T1(或或T2T2)值值,就就可可获得该层面中包括各种组织影像的图像。获得该层面中包括各种组织影像的图像。第二十三页,讲稿共七十三页哦(七(七自由感应衰减自由感应衰减 磁磁共共振振设设备备中中,接接收收信信号号用用的的线线圈圈平平面面与与主主磁磁场平行,工作频率接近拉莫频率。场平行,工作频率接近拉莫频率。当当质质子子磁磁化化矢矢量量只只受受主主磁磁场场作作用用时时,由由于于自自由由进进动动与与主主磁磁场场方方向向一一致致,所所以以无无法法测测量量。而而当当RFRF脉
15、脉冲冲对对组组织织激激励励又又停停止止后后,组组织织出出现现了了弛弛豫豫过过程程,横横向向磁磁化化矢矢量量的的变变化化能能使使位位于于被被检检体体周周围围的的接接收收线线圈圈产产生生随随时时间间变变化化的的感感应应电电流流,其其大大小小与与横横向向磁磁化化矢矢量量成成正正比比,将将这这个个电电流流信信号号放放大大后后即即为为MRMR信信号号,它它是是一一个个随随时时间间周周期期性性不不断断衰衰减减的的电电流流,又又因因为为它它是是由由自自由由进进动动感感应应产产生生的的,所所以以叫叫自自由由感感应衰减。应衰减。第二十四页,讲稿共七十三页哦(七(七自由感应衰减自由感应衰减第二十五页,讲稿共七十三
16、页哦(八(八MRMR信号的空间编码信号的空间编码 一一幅幅MRMR影影像像由由垂垂直直方方向向的的象象素素行行和和水水平平方方向向的的象象素素列列共共同同组组成成,同同时时又又对对应应着着一一定定层层厚厚的的体素组成的一个层面,称为体素组成的一个层面,称为MRMR信号的信号的空间位置空间位置。采采集集MRMR信信号号空空间间位位置置信信息息的的方方法法称称为为空空间间编编码码,拉拉莫莫方方程程,0 00 0是空间编码技术的基础。是空间编码技术的基础。第二十六页,讲稿共七十三页哦(九(九原理总结原理总结 综综上上所所述述,磁磁共共振振成成像像主主要要包包括括三三方面的内容:方面的内容:1 1、激
17、激发发产产生生磁磁共共振振现现象象并并测测量量磁磁共共振振信信号的号的RFRF脉冲序列;脉冲序列;2 2、确定信号位置的空间编码;、确定信号位置的空间编码;3 3、将将所所测测量量的的磁磁共共振振信信号号及及其其位位置置信信息息重建成磁共振影像。重建成磁共振影像。第二十七页,讲稿共七十三页哦三、三、MRIMRI系统的组成与功能系统的组成与功能MRIMRI系统主要由以下五部分构成:系统主要由以下五部分构成:1 1、主磁体系统、主磁体系统2 2、梯度磁场系统、梯度磁场系统3 3、射频(、射频(RFRF)系统系统4 4、计算机处理系统、计算机处理系统5 5、辅助设备、辅助设备第二十八页,讲稿共七十三
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