北师大fMRI【第二章—1】

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 磁共振成像原理,2,1 MRI,信号产生的基本原理,一、基本概念,二、磁共振信号产生,一、基本概念,原子结构,电子：负电荷,中子：无电荷,质子：正电荷,原子核的自旋（,spin,）,核磁就是原子核自旋产生的磁场,磁距,（,Moment,）,角动量,（,Angular Momentum,）,磁旋比,（,Gyromagnetic,ratio,）,无外加磁场时，质子群中各个质子以任意方向自旋，单位体积内其宏观磁距,=0,。,原子核的能态：,每个原子核具有特定的能级，能级的状态数与自旋量子数,S,的特性有关。,能态数,=2S+1,原子核的三个特征：,质子数、核质量、自旋量子数,人体中一些原子核的特性,原子核,自旋量子数,S,磁旋比,(,MHz/T,),含量,1,H,1/2,42.6,0.63,19,F,1/2,40.0,23,Na,3/2,11.3,0.00041,13,C,1/2,10.7,0.0094,17,O,5/2,5.8,0.26,31,P,1/2,17.25,0.0024,氢原子的能态数,=2S+1=2,何种原子核用于人体的,MR,成像？,用于人体,MRI,的为,1H,（,氢质子），原因有：,1,、,1,H,的质子数为奇数；,2,、,1,H,占人体原子的绝大多数,水和脂肪,。,通常所指的,MRI,为氢质子的,MR,图像,通常情况下，尽管每个质子自旋均产生一个小的磁场，但呈随机无序排列，磁化矢量相互抵消，人体并不表现出宏观磁化矢量。,Study Questions:,1.What is spin of nucleus?,2. What is the Magnetic Moment? What is the Angular Momentum?,3.,gyromagnetic,ratio? Why is it important for MRI?,静,磁场中的自旋,进入主磁场后人体被磁化了，不同的组织由于氢质子含量的不同，磁化程度也不同。,能态,处于高能状态太费劲，并非人人都能做到,处于低能状态的略多一点,高能态,低能态,B,o,进入磁场质子分布在高和低能量水平,处于低能态的原子核数目略多于高能态的原子核数目。这两种能态的原子核会互相跳来跳去，当样品的温度恒定时，它们跳来跳去的数目相等，即两种能态的原子核数目差是恒定的，这种状态称为热平衡状态。,低能态与高能态的原子核数目之间的相对差与主磁场强度有关。,尽管两者之间的相对差很小，但由于人体中,H,原子核的数目非常巨大，所以绝对差也是很巨大的。如，,1,立方厘米水在,1T,的场强中两者的绝对差达到,:,10,23,X 6 X 10,-6,= 6 X 10,17,个，即,60,亿亿个。,进动,(precession),例子：,陀螺,根据陀螺原理,-,具有自旋的物体受到某个方向的作用力后，此物体将沿着垂直于作用力和自旋轴所形成平面的方向运动，可以知道原子核自旋在外磁场中将绕主磁场方向作进动。,进动的频率明显低于质子的自旋频率，但比后者更为重要。,进动是核磁（小磁场）与主磁场相互作用的结果,进动频率（,Lamor,Frequency,）,Lamor,方程：,0,= B,0,或,f,0,= B,0,/2,0,、,f,0,-,进动角频率、频率,B,0,-,磁场强度,-,磁旋比,3T,场强中的氢原子核的,进动频率,为（,Lamor,频率,）：,42.6 X 3 =127.8 MHz,不同的场强、不同的原子核决定了不同的进动频率。,这也是MRI能进行多核种成像的基础,。,纵向磁化（,Longitudinal magnetization,）,与横向磁化（,Transverse magnetization,）,在外加磁场中质子排列方向平行于主磁场,B,o,，,同向为低能位 ；反向为高能位；,处于低能状态的质子略多于处于高能状态的质子，因而产生纵向宏观磁化矢量,两者之间的差产生纵向磁化。,尽管每个质子的进动产生了纵向和横向磁化矢量，但由于相位不同，因而只有宏观,纵向磁化矢量,产生，并无宏观,横向磁化矢量,产生。,Study Questions,1. What is net magnetization? What is precession?,2. What is the difference between longitudinal magnetization and transverse magnetization?,射频（,RF-radio frequency,）,MRI,射频脉冲：,0,= B,0,波段名称,波段,（波长范围）,频段,（频率范围）,频段名称,超长波,100 km 10 km,3 kHz 30 kHz,甚,低频,VLF,长波,10 km 1 km,30 kHz 300 kHz,低频,LF,中波,1000 m 200 m,0.3 MHz 1.5MHz,中频,MF,短波,200 m 10 m,1.5MHz 30MHz,高频,HF,米波,10 m 1 m,30MHz 300MHz,甚高频,VHF,分米波,100 cm 10 cm,0.3GHz 3GHz,特高频,UHF,厘米波,10 cm 1 cm,3GHZ 30GHz,超高频,SHF,毫米波,10 mm 1 mm,30GHz 300GHz,极高频,EHF,亚毫米波,1 mm 0.1 mm,300GHz3000GHz,超级高频,激发,(Excitation),共振：射频频率,=,进动频率,共振：能量从一个震动着的物体传递到另一个物体，而后者以前者相同的频率震动。,共振,低能氢质子可以通过外来的射频获得能量，产生共振，进入高能状态。,磁共振现象,是靠射频线圈发射,无线电波（射频脉冲）,激发人体内的氢质子来引发的，这种射频脉冲的频率必须与氢质子进动频率相同，低能的质子获能进入高能状态,微观效应,射频的强度与持续时间,射频脉冲激发后的效应,是使宏观磁化矢量发生偏转,射频脉冲的,强度,和,持续时间,决定,射频脉冲激发后的效应,低能量,中等能量,(90,脉冲,),高能量,(180,脉冲,),宏观效应,通过外来射频给低能的氢质子能量，氢质子获得能量进入高能状态，即,核磁共振,。射频取消，氢质子回到低能状态。,驰豫现象与驰豫时间 （,Relaxation,）,射频脉冲停止后，在主磁场的作用下，横向宏观磁化矢量逐渐缩小到零，纵向宏观磁化矢量从零逐渐回到平衡状态，这个过程称为,核磁弛豫,。,核磁弛豫又可分解为两个部分：,横向弛豫,:,横向磁化矢量减少,直至到,0,状态,的过程。,纵向弛豫,:,纵向磁化矢量开始恢复，直至恢复到平衡状态的过程,。,Study questions:,1.What is the difference between longitudinal magnetization and transverse magnetization?,2.What is the,Larmor,Frequency? How does it relate to the,gyromagnetic,ratio? How does it relate to magnetic resonance?,3.How does the net magnetization of a spin system (e.g., a set of atomic nuclei in a,voxel,) change over time when exposed to a strong magnetic field?,4.Why does the net magnetization need to be tipped from the longitudinal plane to the transverse plane?,二、磁共振信号产生,第一步：静磁场,进入主磁场后，质子自旋产生的核磁与主磁场相互作用发生进动,进动使每个质子的核磁存在方向稳定的纵向磁化分矢量和旋转的横向磁化分矢量,由于相位不同，只有宏观纵向磁化矢量产生，并无宏观横向磁化矢量产生,第二步：静磁场,+,射频,射频激发后，人体内宏观磁场偏转了,90,度，,MR,可以检测到人体发出的信号,氢质子含量高的组织纵向磁化矢量大，,90,度脉冲后偏转到横向的磁场越强，,MR,信号强度越高。,此时的,MR,图像可区分质子密度不同的两种组织,第三步：射频消失,无线电波激发使磁场偏转,90,度，关闭无线电波后，磁场又慢慢回到平衡状态（纵向,),纵向弛豫时间,T,1,指,90,度脉冲关闭后，在主磁场的作用下，纵向磁化矢量开始恢复，直至恢复到平衡状态的纵向磁场强度,63%,所需的时间，反映组织,T1,弛豫的快慢。,不同组织有不同的,T1,弛豫时间,横向弛豫时间,T,2,指,90,度脉冲关闭后，,横向最大磁化矢量减少了,63%,所需的时间，反映组织,T2,弛豫的快慢。,不同的组织横向弛豫速度不同（,T2,值不同）,人体各种组织的,T2,弛豫要比,T1,弛豫快得多,T2 T1,重要提示,不同组织有着不同,质子密度,(,如,:,氢,),横向,(T2),弛豫速度,30-150ms,纵向,(T1),弛豫速度,300-2000ms,这是,MRI,显示解剖结构和病变的基础,第四步：,MR,信号的接受,磁共振,“加权成像”,所谓的加权就是,“重点突出”,的意思,T1,加权成像（,T1WI,）,-,突出组织,T1,弛豫（纵向弛豫）差别,T2,加权成像（,T2WI,）,-,突出组织,T2,弛豫（横向弛豫）差别,质子密度加权成像（,PD,）,突出组织氢质子含量差别,T,1,WI,T,2,WI,PD,在任何序列图像上，信号采集时刻,旋转横向的磁化矢量越大,，,MR,信号越强,T1,加权成像,(T1WI),T1,值越,小,纵向磁化矢量恢复越,快,MR,信号强度越,高（白）,T1,值越,大,纵向磁化矢量恢复越,慢,MR,信号强度越,低（黑）,脂肪,的,T1,值约为,250,毫秒,MR,信号,高（白）,水,的,T1,值约为,3000,毫秒,MR,信号,低（黑）,反映组织纵向弛豫的快慢！,T1WI,脑,水,平衡状态,90,纵向弛豫,90,T2,加权成像,（,T2WI),T2,值,小,横向磁化矢量减少,快,MR,信号,低（黑）,T2,值,大,横向磁化矢量减少,慢,MR,信号,高（白）,水,T2,值约为,3000,毫秒,MR,信号,高,脑,T2,值约为,100,毫秒,MR,信号,低,反映组织横向弛豫的快慢！,T,2,WI,平衡状态,90,度激发后,采集信号时刻,脑,水,人体大多数病变的,T1,值、,T2,值均较相应的正常组织大，因而在,T1WI,上比正常组织“黑”，在,T2WI,上比正常组织“白”。,一般说来，一种组织的,T2,值小于其,T1,值。,T1,值较大的组织，其,T2,值一般也较大；即,T1,值与,T2,值有某种程度上的相关性。,T1,White matter 390,Gray matter 520,CSF 2000,Skeletal Muscle 600,Fat 180,Liver 270,Renal,medula,680,Renal cortex 360,Blood 800,白质,灰质,脑积液,肌肉,脂肪,肝赃,骨髓质,骨皮质,血液,T2,90,100,300,40,90,50,140,70,180,Study Questions:,1.How do we measure MR signal?,2.What is T1 relaxation? Does it relate primarily to longitudinal or transverse magnetization? Is it best thought of as recovery or decay?,3.What is T2 relaxation? Does it relate primarily to longitudinal or transverse magnetization? Is it best thought of as recovery or decay?,