磁共振基本原理专业知识课件

Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。磁共振是研究具有磁共振是研究具有磁矩的原子核磁矩的原子核在在静磁场静磁场中与中与电磁辐射电磁辐射相互作用的一门学科。近代相互作用的一门学科。近代物理学是用量子力学原理对物质中微观粒物理学是用量子力学原理对物质中微观粒子的相互作用过程作正确阐述，但就物质子的相互作用过程作正确阐述，但就物质的宏观效应来说，利用经典力学和电磁学的宏观效应来说，利用经典力学和电磁学理论可以得到满意解答。理论可以得到满意解答。1Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。第一节第一节 原子核的自旋与磁矩原子核的自旋与磁矩 原原子子由由原原子子核核及及核核外外电电子子组组成成，电电子子以以特特定定轨轨迹迹围围绕绕原原子子核核旋旋转转，原原子子核核是是由由带带正正电电的的质质子子和和不不带带电电的的中中子子组组成成，核核中中的的质质子子数数又又称称为为该该元元素素的的原原子子序序数数，用用Z Z表表示示，中中子子数数用用N N表表示示，原原子子核核几几乎乎代代表表了了整整个个原原子子的的质质量量，把把中中子子数数与与质质子子数数之之和和Z+NZ+N称称核核的的质质量量数数，用用A A表表示示，一一般般用用符符号号表表示示某种元素。某种元素。2Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。原子核的自旋原子核的自旋原子核的质子数和中子数均为偶数，该原子核的自原子核的质子数和中子数均为偶数，该原子核的自旋量子数旋量子数I为零，则该核没有自旋。为零，则该核没有自旋。若质子数和中子数中有一个是奇数，另一个为偶数，若质子数和中子数中有一个是奇数，另一个为偶数，则这种核的自旋量子数则这种核的自旋量子数I为半整数，该原子核具有为半整数，该原子核具有自旋。自旋。质子数是奇数，中子数也是奇数的原子核，其自旋质子数是奇数，中子数也是奇数的原子核，其自旋量子数量子数I为正整数，这种核也具有自旋。为正整数，这种核也具有自旋。3Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。原子核的磁矩原子核的磁矩 电荷运动产生磁场，则具有自旋特性的原子核周电荷运动产生磁场，则具有自旋特性的原子核周围必然存在一个微观磁场，该磁场为一个磁偶极围必然存在一个微观磁场，该磁场为一个磁偶极子，即原子核的自旋磁矩（简称核磁矩）。子，即原子核的自旋磁矩（简称核磁矩）。原子核的自旋磁矩原子核的自旋磁矩 原子核种类原子核种类自旋量子数自旋量子数I磁矩磁矩(以以N为单位为单位)磁旋比磁旋比（103/GS）磁旋比磁旋比（MHz/T）2.7927026.753 42.5620.702166.72810.70430.403571.9343.0771/21.130510.84017.2483/22.21617.08111.2644Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。第二节第二节 原子核自旋磁矩在静磁场中进动原子核自旋磁矩在静磁场中进动 核核磁磁矩矩在在静静磁磁场场B0作作用用下下一一方方面面绕绕着着B0方方向向作作园园周周运运动动，另另一一方方面面绕绕自自身身轴轴转转动动，把把原原子子核核的的这这种种运运动动形形式式称称为为Larmor进进动动，其其进进动动频频率率称为称为Larmor频率频率。核磁矩在静磁场中的进动:Larmor频率为原子核的频率为原子核的 进动进动 频率，氢原子核在频率，氢原子核在1.0T磁场中的磁场中的Larmor频率是频率是 42.58MHz。5Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。核磁矩的能级跃迁核磁矩的能级跃迁E2E10WmI=+1/2mI=-1/2E2E1W0mI=+1/2mI=-1/2 6Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。原子核系产生磁共振的条件原子核系产生磁共振的条件u自旋核磁距在静磁场中受到特定射频脉自旋核磁距在静磁场中受到特定射频脉冲激励冲激励;u该射频脉冲频率与原子核进动频率相同该射频脉冲频率与原子核进动频率相同且其方向与静磁场方向垂直。且其方向与静磁场方向垂直。7Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。第四节第四节 核磁共振的宏观描述核磁共振的宏观描述 8Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。在在外外加加静静磁磁场场B B0 0中中原原子子核核系系的的磁磁化化强强度度称称为为静静磁磁化化强强度度，通通常常用用M M0 0表表示示。静静磁磁化化强强度度M M0 0与与B B0 0成正比，其比值用成正比，其比值用X X0 0表示，表示，X X0 0称称为为静静磁磁化化率率（CurieCurie磁磁化化率率），它它表表明明了了原原子核在外磁场中的磁化效果。子核在外磁场中的磁化效果。原子核系的静磁化率原子核系的静磁化率9Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。磁磁 化化 率率 物质的磁化强度除来源于原子核自旋磁矩外，物质的磁化强度除来源于原子核自旋磁矩外，更主要来源于原子核外层电子的分布，由于电子的更主要来源于原子核外层电子的分布，由于电子的角动量远大于原子核，原子核外层未成对电子越多，角动量远大于原子核，原子核外层未成对电子越多，则其自旋角动量越大，产生的磁化强度越大，因此则其自旋角动量越大，产生的磁化强度越大，因此磁化率越大，反之亦然。若原子核外层无未成对电磁化率越大，反之亦然。若原子核外层无未成对电子，则磁化率为负值，物质为抗磁性，大多数有机子，则磁化率为负值，物质为抗磁性，大多数有机物都属抗磁性物质。物都属抗磁性物质。10Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。能量吸收能量吸收BM0=xM0=y“RF 脉冲0磁共振吸收的宏观描述磁共振吸收的宏观描述11Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。射射频频脉脉冲冲的的持持续续时时间间和和强强度度使使M M转转动动的的角角度度为为，称称该该脉脉冲冲为为角角射射频频脉脉冲冲，如如果果M M正正好好转转到到XYXY平平面面上上，则则称称该该脉脉冲冲为为9090脉脉冲冲，如如果果=180=180，则称为则称为180180脉冲。脉冲。射频脉冲角度射频脉冲角度12Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。第五节第五节 弛豫过程及弛豫时间弛豫过程及弛豫时间 把原子核系的磁化强度把原子核系的磁化强度M M从射频脉冲停止从射频脉冲停止的非平衡状态恢复到平衡状态的过程称为的非平衡状态恢复到平衡状态的过程称为弛豫过程弛豫过程，这是一个释放能量的过程。，这是一个释放能量的过程。弛豫时弛豫时M Mz z、M Mxyxy变化是同时进行的两个过程，分别变化是同时进行的两个过程，分别称为纵向弛豫和横向弛豫。称为纵向弛豫和横向弛豫。纵向弛豫纵向弛豫是是M Mz z从射频从射频脉冲停止后的最小值恢复到平衡状态脉冲停止后的最小值恢复到平衡状态M M0 0的过程，的过程，横向弛豫横向弛豫是是M Mxyxy从射频脉冲停止后的初始值降到零从射频脉冲停止后的初始值降到零的过程。的过程。13Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。弛豫过程弛豫过程横向弛豫纵向弛豫纵向弛豫37%63%T2T1M0M0MZMXYtt14Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。弛豫时间弛豫时间u原子核系统的弛豫过程是一个释放能量的过程，原子核系统的弛豫过程是一个释放能量的过程，必然伴随着能量交换。受激自旋核与周围物质交必然伴随着能量交换。受激自旋核与周围物质交换能量主要有两种形式：换能量主要有两种形式：核自旋与周围物质进行热交换，最后达到平衡，核自旋与周围物质进行热交换，最后达到平衡，这个过程叫做这个过程叫做自旋自旋晶格弛豫过程晶格弛豫过程；同类自旋核之间能量的交换，称做同类自旋核之间能量的交换，称做自旋自旋自旋弛自旋弛豫过程豫过程。15Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。纵向弛豫时间纵向弛豫时间自旋自旋晶格弛豫时间晶格弛豫时间T1纵向弛豫过程是由于原子核系与其周围的环境（晶格）纵向弛豫过程是由于原子核系与其周围的环境（晶格）相互作用交换能量所致，把相互作用交换能量所致，把T T1 1或纵向弛豫时间称为或纵向弛豫时间称为自自旋旋晶格弛豫时间晶格弛豫时间，它是表征纵向磁化向量恢复到，它是表征纵向磁化向量恢复到平衡状态快慢的特征量，通常平衡状态快慢的特征量，通常T T1 1值定义为纵向磁化向值定义为纵向磁化向量由零增长到其最大值量由零增长到其最大值63%63%所需的时间。所需的时间。大部分生物组织的大部分生物组织的T T1 1值在值在20020030003000msms范围内波动。范围内波动。16Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。纵向弛豫时间纵向弛豫时间影响纵向弛豫的主要因素有影响纵向弛豫的主要因素有：1.1.偶极偶极偶极弛豫偶极弛豫T1DD;T1DD;2.2.顺磁性物质的作用因素顺磁性物质的作用因素T1e;T1e;3.3.电四极矩核的弛豫作用电四极矩核的弛豫作用T1Q;T1Q;4.4.各向异性基因的弛豫作用各向异性基因的弛豫作用T1CSAT1CSA等等 ;5.5.温度温度;6.6.磁场强度。磁场强度。17Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。横向弛豫时间横向弛豫时间自旋自旋自旋弛豫时间自旋弛豫时间T2同类核具有相同的能级，在核系统中有两个处于高同类核具有相同的能级，在核系统中有两个处于高低能级的核自旋，高能级的核跃迁至低能级而放出低能级的核自旋，高能级的核跃迁至低能级而放出一份能量，处于低能级的核吸收这份能量而跃迁至一份能量，处于低能级的核吸收这份能量而跃迁至高能级，这样两个核自旋发生了能量交换，就整个高能级，这样两个核自旋发生了能量交换，就整个核系统来说，总的能量并没有变化，由于这个过程核系统来说，总的能量并没有变化，由于这个过程是核自旋相互作用引起的，所以叫是核自旋相互作用引起的，所以叫自旋自旋自旋弛豫自旋弛豫过程。过程。18Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。这个过程是由横向磁化向量这个过程是由横向磁化向量MxyMxy的恢复来表示，叫的恢复来表示，叫做横向弛豫过程，相应的时间做横向弛豫过程，相应的时间T2T2或横向弛豫时间称或横向弛豫时间称为为自旋自旋自旋弛豫时间自旋弛豫时间。通常通常T2T2定义为横向磁化向量由最大值衰减到定义为横向磁化向量由最大值衰减到37%37%或或横向磁化向量的实值损失横向磁化向量的实值损失63%63%时所需时间。时所需时间。大多数生物组织的大多数生物组织的T2T2值在值在5050200200msms之间，比之间，比T1T1值值短得多。短得多。横向弛豫时间横向弛豫时间19Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。纵向弛豫率与横向弛豫率纵向弛豫率与横向弛豫率把把1/1/T T1 1和和1/1/T T2 2分别称为纵向（或分别称为纵向（或T T1 1）弛豫率弛豫率R R1 1及横向（及横向（T T2 2）弛豫率弛豫率R R2 2，用于表示弛豫过用于表示弛豫过程的快慢。程的快慢。20Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。液体与固体的弛豫液体与固体的弛豫 固体固体:固体中的晶格非常稳定，自旋核与其周围晶格之固体中的晶格非常稳定，自旋核与其周围晶格之间的能量交换进行的十分缓慢，因此其间的能量交换进行的十分缓慢，因此其T1时间时间比较长比较长。由于固体自旋核之间的位置相对固定，。由于固体自旋核之间的位置相对固定，能量交换的频率非常高，核自旋产生的小磁场不能量交换的频率非常高，核自旋产生的小磁场不能很快相互抵消，引起磁场的非均匀性加快能很快相互抵消，引起磁场的非均匀性加快T2弛豫，因此固体的弛豫，因此固体的T2很短很短。21Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。液体液体液体液体T T1 1时间与分子重新定向平均速度及分子大小有关。时间与分子重新定向平均速度及分子大小有关。1.1.水分子水分子（如水）比大分子（如脂类）重新定向要快得多，（如水）比大分子（如脂类）重新定向要快得多，其运动频率比其运动频率比LarmorLarmor频率高得多，使质子与周围晶格之间的频率高得多，使质子与周围晶格之间的能量交换减慢，能量交换减慢，T T1 1时间很长时间很长，纯水的，纯水的T T1 1为为2 23 3秒；秒；2.2.巨大分子巨大分子（如蛋白质或（如蛋白质或DNADNA）重新定向十分缓慢，其进动频重新定向十分缓慢，其进动频率远远低于率远远低于LarmorLarmor频率，表现为频率，表现为T T1 1时间较长时间较长；3.3.中等大小的分子中等大小的分子如脂肪、胆固醇等，其进动频率最接近于如脂肪、胆固醇等，其进动频率最接近于LarmorLarmor频率，因此，弛豫比水分子及巨大分子都快，频率，因此，弛豫比水分子及巨大分子都快，T T1 1较短较短（一般几百毫秒）。（一般几百毫秒）。液体与固体的弛豫液体与固体的弛豫22Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。液体与固体的弛豫液体与固体的弛豫液体液体液体中分子的布朗运动速度快，使它与固体表现出液体中分子的布朗运动速度快，使它与固体表现出不同的磁性。不同的磁性。1.1.水分子的快速运动使自旋核产生磁场能够相互抵水分子的快速运动使自旋核产生磁场能够相互抵消，保持了外磁场的均匀性，消，保持了外磁场的均匀性，T T2 2时间变长，时间变长，2.2.而巨大分子（粘液）而巨大分子（粘液）T T2 2时间介于固体与液体之间，时间介于固体与液体之间，其其T T1 1及及T T2 2值都有频率依赖性。值都有频率依赖性。23Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。生物组织生物组织T1、T2决定因素决定因素在分子水平上在分子水平上MRIMRI对比度的基本参数如下对比度的基本参数如下1 1含含水水量量，弛弛豫豫率率通通常常为为浓浓度度Ms/MwMs/Mw的的线线性性函函数数，含含水水量量减减少少则则弛弛豫豫率率增增加加，含含水水量量增增加加则则弛弛豫豫率率减减少少（呈呈长长T T1 1长长T T2 2）。）。2 2水水分分子子杂杂乱乱运运动动，不不同同组组织织的的大大分分子子对对附附近近结结合合水水与与结结构水具有不同的作用。构水具有不同的作用。3 3大大分分子子运运动动，它它受受PHPH值值、电电解解质质浓浓度度，其其他他溶溶质质浓浓度度、大分子流体动力学及聚合状态的影响。大分子流体动力学及聚合状态的影响。4 4脂脂质质含含量量，非非极极性性脂脂质质无无交交换换性性，极极性性（膜膜）脂脂受受限限的的自自由由运运动动功功能能将将其其与与大大多多数数组组织织的的水水蛋蛋白白混混合合物物的的弛弛豫特征分辨开来。豫特征分辨开来。5 5顺磁性离子在血红蛋白的氧化中具有重要作用。顺磁性离子在血红蛋白的氧化中具有重要作用。24Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。磁化强度的运动方程磁化强度的运动方程磁化强度的运动方程Bloch 方程25Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。自由感应衰减信号自由感应衰减信号 测量线圈中所得的感应电动势测量线圈中所得的感应电动势为：为：当接收线圈的品质因数为当接收线圈的品质因数为Q Q时，所得时，所得FIDFID为：为：26Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。测量测量MRMR信号信号自旋质子发出的自旋质子发出的RFRF信号信号接收线圈yzFID信号MXYtMx27Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。化化学学位位移移：把把在在不不同同化化学学环环境境中中的的相相同同原原子子核核在在外外磁磁场场作作用用下下表表现现出出磁磁共共振振频频率率偏偏移移的的现现象象称称为为化化学学位位移移（Chemical Chemical ShiftShift）。化化学学位移表示为：位移表示为：相对化学位移可表示为：相对化学位移可表示为：第七节第七节 化学位移化学位移28Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。影响屏蔽常数的因素主要有以下影响屏蔽常数的因素主要有以下三个方面三个方面：1.1.d d表示核外电子引起的抗磁屏蔽，它与被测原子核所表示核外电子引起的抗磁屏蔽，它与被测原子核所在原子中的电子密度成正比；在原子中的电子密度成正比；2.2.p p表示核外电子引起的顺磁性屏蔽；表示核外电子引起的顺磁性屏蔽；3.3.N N是指其它原子的电子对被测核的远程屏蔽作用。是指其它原子的电子对被测核的远程屏蔽作用。化学位移化学位移29Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。化学位移测量化学位移测量 相对化学位移可表示：相对化学位移可表示：式式中中1 1及及2 2分分别别为为同同一一种种原原子子核核在在两两种种不不同同环环境境中中的的共共振振频频率率，单单位位为为HzHz，为为二二者者之之差差，1 1、2 2分分别别为为同同一一种种原原子子核核在在两两种种不不同同环环境境中中的的屏屏蔽蔽常常数数，由由此此可可见见化化学学位位移移与与静静磁磁场场强强度度B B0 0成成正正比比，B B0 0越越强强，化化学学位位移移越越大大。为为了了便便于于比比较较不不同同磁磁共共振振设设备备测测得得的的化化学学位位移移，通通常常把把化化学学位位移移表表示示成成不不依依赖赖于于磁磁场场或或频频率率的的相相对对形形式式，即：即：30Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。化学位移化学位移 在生物体波谱分析中，用在生物体波谱分析中，用内部参考物内部参考物（包含于组（包含于组织内部）和织内部）和外部参考物外部参考物（在采样组织之外，两种（在采样组织之外，两种参考物分别称为内标及外标的参考标准）。选择参考物分别称为内标及外标的参考标准）。选择内标内标必须使其共振频率独立于局部化学和物理环必须使其共振频率独立于局部化学和物理环境的变化（即对所处环境的境的变化（即对所处环境的PHPH值、金属离子及温值、金属离子及温度变化不敏感），且在组织中的含量相当，能够度变化不敏感），且在组织中的含量相当，能够很容易测得。如在很容易测得。如在3131P P的波谱分析中，以磷酸基酸的波谱分析中，以磷酸基酸（PCrPCr）为参考物，而在为参考物，而在1 1H H波谱分析中以水中波谱分析中以水中1 1H H质质子做为参考物。子做为参考物。31Company LogoCompany Logo文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。化学位移化学位移 外部参考物外部参考物主要用于研究组织的切除部分主要用于研究组织的切除部分或提取物（多用于离体），其主要标准是或提取物（多用于离体），其主要标准是其共振频率与感兴趣波谱频率有一定差距其共振频率与感兴趣波谱频率有一定差距且可给出相应的信号，在且可给出相应的信号，在3131P MRSP MRS中用甲基中用甲基二磷酸做外标，在二磷酸做外标，在1 1H MRSH MRS中通常用四甲基硅中通常用四甲基硅烷（烷（CHCH3 3）4 4SiSi，简称简称TMSTMS做做外标外标。32