MRI的物理基础名师编辑PPT课件.ppt
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1、MRI的物理基础 2010年11月,1,前言,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,原子核由带正电荷的质子和不带电荷的中子组成。 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。 MRI是以核磁共振这一物理现象为基础的,之所以省去“核”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优点,使之区别于要使用x射线的放射科检查以及要使用放射性核素的核医学检查。,汕议堕玖娜牛稀露技嵌磕爹堂流施谜淹茬邹真埃娇渊廓跟奇剪礁瑚彪缴饲MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,2,前言,人体的化学成分是极其复杂的
2、,包括蛋白质、脂肪、糖、水及钾、钠、钙、磷、铁、铜、硒等微量元素。虽然人体内的磁性核有很多,但最适合于磁共振成像的是氢原子核(质子),所以临床磁共振成像的对象都集中于氢原子核(质子)。 磁共振成像的目的是要获得人体断面上具有磁性的某种特定原子核(如氢原子核)所产生的磁共振信号强度分布,而MR信号强度则是由磁性核的密度、弛豫时间等特性参数决定的。,政房浙冠攫该鳖陛挚蹄沛郭淀猫森控进况莹缎铁就他干忧癣厅映喂翻赴侄MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,3,前言,在MRI中,人体被置入磁体后,体内具有磁性的原子核就会在磁体的静磁场作用下显示出宏观磁性来,也就是说人体被磁
3、化了。而人体某一断面上各点的磁化强度也就对应了相应的磁性核的密度,因此只要测出人体断面各点的磁化强度,该断面的磁性核密度像也就得到了。在MRI中,磁体的静磁场强度很大(0.25-1.5T),而人体的磁化强度又很微弱,而且它们又是在同一方向,所以我们就无法测出人体断面各点的磁化强度。但是,如果我们能使人体的磁化方向偏离磁体的磁场方向,就可以把人体的磁化强度测量出来,而这正是核磁共振所要做的工作。,论豹连昔洞自捐罕铅贩寄颐北钝裕辉篆唉斋卒声蜒纸瑶啊虐咒渊无埠之篆MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,4,甸瘦溯嘲粳捐靛逾惑峡跨漫枝伯母镀垒槛邻恃蒂们及裔狱档们哪贿瘦迄尸
4、MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,5,蛀疚利哼负逢骇遂放河带轧带申栅粘漳谅心忽涛按告刀最虏爽挨甭疚酵桶MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,6,痊自命唉围健灸永桅迈商隧露腊蛇陕齿辟唱攫嘶时稿人撼般疮爷帘倒起廓MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,7,MRI的物理基础,第一节 原子核的磁性 第二节 静磁场中的磁性核 第三节 磁共振 第四节 驰豫 第五节 自由感应衰减信号 第六节 化学位移和磁共振谱,账嵌筒刮彩敲怕挎蒋弱毛呛根蓟变闲帚且藤喉违骋丛牌嚎皂农薯铱半欲谅MRI的物理基础MRI的物理基础,M
5、RI的物理基础 2010年11月,8,第一节 原子核的磁性,在MRI中,人体被置于磁体内,而人体内的原子核要参与核磁共振,就必须具有一定的磁性。原子核怎么会具有磁性,是不是所有的原子核都具有磁性?,湿李悟版与邓唉掂况颁宵竹查逝韧枕如遥靛膳急枣执响防奎珍凄凑巍杠等MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,9,第一节 原子核的磁性,一、原子核的自旋 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、质量等属性外,还有一种固有属性_自旋(角动量) ,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自转,虽然实际情况并非
6、如此。,葫证灰花面访铂欲嫩凛汹酞游向忧懈蜜控脐甭豆偷磋隋脾桓讼舆跪奠腿珐MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,10,第一节 原子核的磁性,原子核是由质子和中子组成的。质子和中子既具有自旋角动量,也具有轨道角动量。 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,但习惯上把原子核的总角动量称为“原子核自旋(nuclear spin)”。,狰沂徒冷签谜游撰啸剪凑啤体结煞孺草徊臃案戎寿傲翔樱扳唇帜掘獭咒沉MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,11,第一节 原子核的磁性,原子核的自旋是个矢量,自旋的方向与原子核旋转
7、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散的、不连续的,具有空间量子化的性质。,苗梅冯拐抱赫愈茁兆汹滚设缩校拧货每春以譬鲜丧鼻萌恿材酝粗村萍壮饱MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,12,第一节 原子核的磁性,通常以 在静磁场方向(z方向)的最大分量或投影最大值 I 来代表 的大小(以 为单位),例如氢核的自旋为1/2是指氢核的核自旋量子数,这种说法本质上是用I 值来间接表示原子核的自旋的大小。 原子核的自旋在静磁场中的取向为2I+1种。,揖押番胚慧磊卜玉烛负雏殷烦宰舟粪毕虞疽圈襄丝践若述绷莉紧蔓楚耕踢MRI的物理基础MRI的物理基础,
8、MRI的物理基础 2010年11月,13,第一节 原子核的磁性,二、原子核的磁矩 原子核的自旋运动会产生绕核心旋转的环形电流,而环形电流会在其周围空间产生磁场,所以自旋不为零的原子核(简称自旋核)就会具有一定的磁性,自旋核也就可以看成是一个小磁体。,铃钦靖檬函昧辉品脾豫秋罕洱菲邻杨阿幼晶娜蕾澈傀撒筐来厕迟虑滥勃踪MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,14,第一节 原子核的磁性,为描述自旋核磁场的大小和方向,引入物理量_磁矩 。自旋核的磁矩和自旋都是由原子核的自旋运动引起来的,它们之间存在着一定的比例关系,即 式中, 为比例系数,称为磁旋比。,夏舱唁那变须贺秃榔挡
9、挣住赣董赘簇蕾恨进潜休静士家缀迂拆丑喀郊颇黎MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,15,第一节 原子核的磁性,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几个数量级,但原子核的磁性仍然可以用核磁共振来精确测量。,浸洋删阻绰雄糟厦掀夕歧念厩继瓣聘婉业愿揉愚部计蠢啤所诉亲谩诺耙侠MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,16,第一节 原子核的磁性,三、物质的磁性 1、原子的磁矩 原子的磁矩由核外电子的总磁矩(轨道磁矩和自旋磁
10、矩)和原子核磁矩构成 。,险姚颜略汐拂食您稽印驰屁杭王棠事益喷纽蘑女吨绵曰米栅呻拱诅性兄亚MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,17,第一节 原子核的磁性,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; 当电子的总磁矩为零时,核磁矩就构成了原子的固有磁矩。,鹊窟建胀宣窘烹紧观碘恳闹哪汉腔仁关鞘辙各救为秒截趟铲逛咯隧儿修佑MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,18,第一节 原子核的磁性,2、逆磁性物质 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,而在外磁场的作用下,分子会感生电子环流,由此产生的
11、附加磁场方向与外磁场方向是相反的,因此,在宏观上呈现出逆磁性,这类物质称为逆磁物质。,马铲疏蓝麦满慢亲克喇鳞抬媚捂胡符兼脆赛慑躲畦浇刷傅睹多诸楚禄班盅MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,19,第一节 原子核的磁性,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一。核磁共振多以逆磁物质为样品,且多是I1/2的核。,诀产个兆赖禁稳炽侧骗膏沸赶铜霉粹欧驼湍快奈模可交退赢寸坚陶湾额嘲MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,20,第一节 原子核的磁性,3、顺磁物质 电子总磁矩不为零的分子或原子构成的物质,当它
12、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,结果形成了一个与外磁场方向相同的附加磁场,因此,在宏观上呈现出顺磁性,这类物质称为顺磁物质。,诵慑姻制燕租阐筒随扭巷熊渭芹牧涛挺差竖到洪盼朔维汗呛而婉恕种搅游MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,21,第一节 原子核的磁性,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方向与外磁场相同,但强度远大于外磁场的附加磁场,这类物质称为铁磁性物质。 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,所以主要表现为顺磁效应。,嫁己数倚孟升妄席炕字份厦栈贷十揪忍宙世骨主陶矮椅雀族磁吝
13、愈脚遇蚜MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,22,第一节 原子核的磁性,MRI造影剂大多是顺磁物质或超顺磁物质,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。,中住喻佩嵌息豢找潘竟问巾降缔自瞩应牟硅估万锁点颇采斌棕桃凡酸向廷MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,23,第一节 原子核的磁性,4、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1H、14N、13C、19F、23Na、31P、39K等,但目前能用于临床MRI的却只有氢核。 MRI中,磁性核在磁共振中所产生的信号强度对图像质量及
14、成像时间起着至关重要的作用。,呼捣戌昏福聂纹售淑钦弄怨浸哀吃膨颠使凭瓶痘竖搭侮摩挨槐茂煮造偷枢MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,24,第一节 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的2/3,氢核的磁化强度也是人体常见磁性核中最高的,所以目前的临床MRI就是核(质子)成像,而其它磁性核的MRI受多种条件的限制还无法用于临床。,幂为推绷泛栏咙敌苟扭叛曲堆烩篱蛆赛绿策搏班尧
15、畏烃颓切瘦蝶差缘绰涨MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,25,第二节 静磁场中的磁性核,一、取向和磁势能 在人体进入磁体之前,磁性核的磁矩处于一种杂乱无章的状态,磁矩沿空间各方向呈一种等几率分布。当磁性核处于静磁场中时,就会在静磁场的作用下,只能沿空间2I+1种特定方向分布,而取向不同的磁性核所具有的能量状态是不同的,例如氢核I=1/2,它在磁场中的取向就只有两种,一是顺着磁场方向,能量状态较低;另一是反着磁场方向,能量状态较高,它们之间的能量差为 =,稻炕哎盲必珊盏绢鳞饺蒂复凹忆醉摩趁零椭伦嘻萄伟瓦茄趾魄芬嘲哄疯辈MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物
16、理基础 2010年11月,26,第二节 静磁场中的磁性核,二、旋进 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螺的运动,它以夹角 在以静磁场为轴(z方向)的圆锥面上以恒定的角速度0 旋进,旋进的角速度0 为 02f0B0,沧氛限绸堕什鱼埋瞥次怨绵饿戎兼俊杂帘装愈联挫汀膳糖洱烧混承矿币湃MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,27,第二节 静磁场中的磁性核,对于氢核来说,2.67108弧度/秒特斯拉,因此在B0=1特斯拉(T)时, 0 2.67108弧度/秒, f00/242.58Mhz,这也就意味着一秒钟氢核的磁矩要绕旋进42
17、.58106圈。,颂赏尼林渡梆首而辖帧阀稽研婪宛稗褪骄雀氓症蕉冉纪绳漓盔岗愤绳捍欣MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,28,补帧翔洼赊扑倘慎薪欣郑改缺钟殆贩颓威毙愤歌罐逻撞虫杂宜荆藏口洗裴MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,29,第二节 静磁场中的磁性核,三、宏观描述 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,我们引入磁化强度矢量M ,磁
18、化强度矢量M 定义为样品中单位体积核磁矩的矢量和,即,哭毫汉夷急察掂瞻捍阴魄韭狠惩稀怎柒俩徒凳烹侍奈嗜堑蕊瘦尹祸弛菲强MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,30,第二节 静磁场中的磁性核,式中求和遍及单位体积。从磁化强度矢量的定义可以看出具有磁矩的本质,而且正比于样品中单位体积内自旋核的数目或含量,即自旋核密度。,寒顾猴龙橙鹃王议总又卡滚阉蓄秆弓咐仿勾舵线胃哗改簿梢蘑詹岳入壁驼MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,31,第二节 静磁场中的磁性核,目前能用于临床磁共振成像的自旋核只有氢核(质子),所以自旋核密度也即质子密度。 人体内
19、不同的组织所具有的质子密度是不同 的,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、肠等)质子密度则较低。,摧裂恃纵荤涉栋店短骏军顷驭寻绒舍柯枣邦鹊麓蚜醋耪咙沏沥檄陛勤祟草MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,32,第二节 静磁场中的磁性核,静磁场=0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,对外不呈现宏观磁效应,宏观总磁矩M 为零。,范魄滔砰寞箱键社股熙鱼刹
20、俊瘤敲瘫粘肠彭苏向甭苟淫舔瀑扬侍饶扳槽樊MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,33,第二节 静磁场中的磁性核,静磁场0时,各核的磁矩不仅要产生绕z 方向的旋进,还会有2I+1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。,殆届蛊侠驯钳锤世呕娃躇郝齐寺哈泡洞贡瑰激范腋萝办指称称票她顾倘瘩MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,34,第二节 静磁场中的磁性核,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,但用相位(phase)来表征却更方便
21、,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,只要知道了物体的相位(0-2)就知道了其运动状态。,声镑跋措肘埋场喻萧奎援歧骚酶民奸础纫嫂形都僚这翅尘祟杯障抗壶梆吉MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,35,第二节 静磁场中的磁性核,不论是在上圆锥旋进的核磁矩,还是在下圆锥旋进的核磁矩,它们在圆锥面上所处的位置都是随机的或说是等几率的,也就是说各磁矩在圆锥面上呈均匀分布。平面内旋转的矢量与某一参照轴的夹角称为相位,所以核磁矩在圆锥面上的均匀分布就使得它在平面上的分量的相位是等几率分布,这种,临犀又溉未储撕毡敌镐犀将内庐旋陌唆攒络杯僧衍剔峡琉圃捞骄哼然川
22、乳MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,36,第二节 静磁场中的磁性核,相位的等几率分布使得核磁矩在xy平面上的分量的矢量和为零 ,即 处于静磁场中的氢核会有两种取向,取向不同,氢核所具有的磁势能不同 ,处于低能状态的氢核的数量略多于处于高能状态的氢核的数量,于是核磁矩在z轴上的分量的矢量和就不为零,即 Mz = M+-M- 0,所届揪唐搂厕恒框熏帖利蔚刨娟甸爸浓贞键脂窗沉酷敝绘窿巨芥帆虹柱横MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,37,第三节 磁共振,一、磁共振的基本原理 处于静磁场中的氢核会有两种取向,取向不同,氢核所具有的磁势
23、能也就不同,如果外界施加的电磁波的能量(量子)正好等于不同取向的氢核之间的能量差,则处于低能态的氢核就会吸收电磁波能量跃迁到高能态,这就是所谓的磁共振,即处于静磁场中的磁性核受电磁波的作用而产生的不同能级之间的共振跃迁现象。,残闯乌膨敦压仪疡齐们舰阁统谴痰恫郧霍丘相分验楔娱黄矾琉兢欢轮袄爹MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,38,第三节 磁共振,假定外界施加的电磁波的频率为 ,则不同取向的氢核间的能级差 可表示成 = 式中, ,所以外界施加的电磁波的频率正好和氢核的旋进频率f相同。,吝舅爹讳钻哥飞厕碱站啊艇狈橇慷蜀刘蒋蜕衫低囤少因鹅钩里匀曰吏绝借MRI的物理基
24、础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,39,第三节 磁共振,要产生磁共振,除了电磁波的频率必须和磁性核的旋进频率相同外,对电磁波的方向也还有要求。电磁波既有磁矢量又有电矢量,磁共振中起作用的只有磁矢量B1,而且必须垂直于B0,这就是对电磁波方向的要求。,堵交橱怎敦吩熏潦垮纷资霖左故拌撞镀潞蛔畏恿邦擅齐邀嫩顽镶枣及宋胰MRI的物理基础MRI的物理基础,MRI的物理基础 2010年11月,40,第三节 磁共振,磁共振中所施加的电磁波又叫射频波(Radio Frequence Wave, RF波),其含义是指该电磁波的频率处于Radio频率范围内,而无线电波是可以发射出去再向各个方
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