第三章磁共振现象.ppt

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1、1第三章第三章 磁共振物理磁共振物理核磁共振发现 1946年 诺贝尔物理学奖 1952年头部MRI投入临床 1978年全身MRI研制成功 1980年诺贝尔物理学奖 2003年磁共振谱分析(MRS)19461972年第三章第三章 磁共振物理磁共振物理2第三章第三章 磁共振物理磁共振物理布洛赫 USA 斯坦福大学珀塞尔 USA坎伯利基哈佛大学1952年 诺贝尔物理学奖第三章第三章 磁共振物理磁共振物理3第三章第三章 磁共振物理磁共振物理恩斯特R.R.Ernst 瑞士物理化学家1991年诺贝尔化学奖第三章第三章 磁共振物理磁共振物理4第三章第三章 磁共振物理磁共振物理第一节 原子核的磁矩第二节 静磁

2、场中的磁性核第四节 弛豫过程第三章第三章 磁共振物理磁共振物理第五节 自由感应衰减信号第三节 磁共振第六节 化学位移和磁共振谱5第三章第三章 磁共振物理磁共振物理 第一节 原子核的磁矩一、原子核的自旋二、原子核的磁矩 三、物质的磁性 四、用于磁共振成像的磁性核6第三章第三章 磁共振物理磁共振物理)m()(mvvrrL描述物体运动状态的物理量方向vr方向一、原子核的自旋角动量（动量矩）右手螺旋判定质点角动量 自转物体角动量 7第三章第三章 磁共振物理磁共振物理)m()(mvvrrL描述物体运动状态的物理量方向vr方向角动量（动量矩）右手螺旋判定一、原子核的自旋8第三章第三章 磁共振物理磁共振物理

3、 自旋（spin）存在由于核内核子具有固有角动量和轨道运动角动量，它们矢量和就是核自旋总角动量，习惯上称为“原子核自旋（nuclear spin）”。一、原子核的自旋9第三章第三章 磁共振物理磁共振物理)1(IIILIIzmL核自旋LI是量子化的，取一系列不连续值I核自旋量子数取整数、半整数IzL空间Z方向分量Im核自旋磁量子数2I+1个可能值对应核自旋在外磁场中2I+1个可能取向Im、-1、I-2、-I一、原子核的自旋10第三章第三章 磁共振物理磁共振物理不同原子核 自旋磁量子数不同232.奇偶核Z、N一奇一偶核自旋为半整数C15N15如21、3.奇奇核Z、N都是奇数核自旋为整数Li6N14

4、如1，2P31目前医学成像H121I()1.偶偶核Z、N为偶数核自旋为零O168C126如I=0一、原子核的自旋11第三章第三章 磁共振物理磁共振物理IpII2LmegIIILpII2meg核磁矩与核自旋关系0IgIg核因子核自旋磁旋比I二、原子核的磁矩描述自旋核在其周围空间所产生的磁场特性 磁矩(magnetic moment)I IIL原子核的自旋和磁矩 12第三章第三章 磁共振物理磁共振物理p2)1(meIIgIINI)1(IIg核磁矩Z分量zpIz2IILmegNIImg量子化核磁矩27pN1005095.52meJT-1核磁子 作为核磁矩单位N21IH1()Im2121z INI21

5、gNI21g二、原子核的磁矩 ImI、I-1、I-2、-I 13第三章第三章 磁共振物理磁共振物理三、物质的磁性铁磁性物质顺磁物质附加磁场与外磁场方向相同附加磁场与外磁场方向相同强度远大于外磁场铁、钴、镍物质构成分子或原子宏观上物质有可能表现顺磁性逆磁性逆磁性外磁场作用下 附加磁场与外磁场方向相反14第三章第三章 磁共振物理磁共振物理 顺磁物质中同样存在逆磁效应，只是逆磁效应比顺磁效应小得多 MRI造影剂(contrast agent)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 三、物质的磁性15第三章第三章 磁共振物理磁共振物理四、

6、用于磁共振成像的磁性核H1N14C13F19aN23P31K39 自旋不为零的原子核都是磁性核，也只有磁性核才能和静磁场相互作用产生磁共振。但目前能用于临床MRI的只有氢核。生物组织中存在很多磁性核，如一是磁性核在组织中的浓度二是磁性核的相对灵敏度影响磁共振信号强度两个因素16第三章第三章 磁共振物理磁共振物理一个水分子十个核外电子两个氢核一个氧核一个满壳层五个电子对自旋为0偶偶核核自旋为0自旋为21/2从磁矩方面考察相当于两个“裸露”的氢核2 61OHH1水分子的磁矩四、用于磁共振成像的磁性核17第三章第三章 磁共振物理磁共振物理H11C136N147F19921aN231123P31151

7、.08402.2620.066100%0.70311.4780.093100%2.51795.2560.830100%0.19340.70230.0010.36%0.67281.40460.0161.1%2.67535.5855199.8%磁旋比108S-1T-1因子自旋相对灵敏度相对含量核素212121一些元素的特性参数四、用于磁共振成像的磁性核18第三章第三章 磁共振物理磁共振物理一、微观描述二、宏观描述第二节 静磁场中的磁性核19第三章第三章 磁共振物理磁共振物理zyx,固定坐标系zyx,旋转坐标系I磁矩等几率分布磁矩 沿空间某几个特定方向分布I无有静磁场0B一、微观描述1、取向和磁势能

8、20第三章第三章 磁共振物理磁共振物理BEIcosIBBIzBmgNIIIm自旋核附加能量和核磁量子数 关系共有2I1个可能值ImI、I-1、I-2、-I核磁矩 与 正方向成 角I0B一、微观描述1、取向和磁势能21第三章第三章 磁共振物理磁共振物理NIBgA裂距(劈裂间距)一、微观描述1、取向和磁势能22第三章第三章 磁共振物理磁共振物理一、微观描述NIBgA裂距(劈裂间距)1、取向和磁势能23第三章第三章 磁共振物理磁共振物理NIRFBgh1Im能级允许跃迁法则NIBg相邻能级跃迁能量只能等于RFh投照电磁波量子 =裂距ARFh核强烈吸收电磁波能量能级跃迁共振吸收跃迁 自旋核在磁场中和射频

9、电磁波共振一、微观描述1、取向和磁势能24第三章第三章 磁共振物理磁共振物理hBg1NIRFhmeBg12pIBmegpI221BI21产生 NMR 时射频电磁波频率一、微观描述1、取向和磁势能25第三章第三章 磁共振物理磁共振物理磁性核和陀螺的旋进 一、微观描述2、旋进原子核旋进称为拉摩尔旋进（Larmor precession）26第三章第三章 磁共振物理磁共振物理0IBT在磁力矩 作用下绕 旋进I核磁矩0B磁场TdsindIILLsin0IBT根据角动量定理LtTdd dsindsin0IILtB一、微观描述2、旋进27第三章第三章 磁共振物理磁共振物理N1iiM宏观现象可观测的大量微观

10、粒子集体表现M磁化强度矢量(magnetization vector)核磁矩矢量总和本质为磁矩二、宏观描述 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（proton density）自旋核密度（spin density）单位体积内自旋核的数目或含量28第三章第三章 磁共振物理磁共振物理0)0(N1iiBM)()(ddddN1BMttMii宏观总磁矩为零热运动核磁矩 取向概率各向均等i0)0(N1iiBM磁化强度矢量 随时间变化M宏观总磁矩不为零二、宏观描述1、静磁场 时00B2、静磁场 时00B在磁力矩 作用下绕 旋进I核磁矩0B磁场T29第三章第三章 磁共振物理

11、磁共振物理上喇叭筒-低能级 下喇叭筒-高能级在主磁场 的作用下，0B核磁矩的矢线形成两个圆锥面。二、宏观描述周期运动物体，可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。30第三章第三章 磁共振物理磁共振物理kTEiiNeNkTBkTEeNNkTE/1/1012 微观粒子在热平衡（thermal equilibrium）状态下服从玻尔兹曼分布(Boltzmann distribution)，即二、宏观描述处于热平衡状态的高低能级核数之比为iN表示第i个能级上的核数iE为该能级上的能量N为系统的总核数k=1.38110-23 J/K为玻尔兹曼常数T为绝对温度31第三章第三章

12、 磁共振物理磁共振物理 温度为300K，静磁场场强为1T时，高能级粒子数与低能级粒子数之比为7/100万zM0MMM=-0 0BiM 为顺着静磁场分布的 核磁矩 在Z轴上的分量的矢量和二、宏观描述M0Bi 为顺着静磁场分布的 核磁矩 在Z轴上的分量的矢量和32第三章第三章 磁共振物理磁共振物理H1病灶不同病理阶段含水量不同即 核 不同则 不同,这是MRI诊断病灶分期根据之一0M0B0M 越大 越大0M越大越大 温度越高 越小0M 的大小与样品内自旋核的密度静磁场大小以及环境温度有关0M二、宏观描述33第三章第三章 磁共振物理磁共振物理第三节 磁共振二、磁共振的宏观表现一、磁共振的基本原理三、稳

13、态核磁共振34第三章第三章 磁共振物理磁共振物理一、磁共振的基本原理0BE 则处于低能态的氢核就会吸收电磁波能量跃迁到高能态（受激吸收），这就是所谓的核磁共振。当外界施加的电磁波的能量正好等于不同取向的氢核之间的能量差医学影像领域，核磁共振一般简称为磁共振35第三章第三章 磁共振物理磁共振物理一、磁共振的基本原理BIN21NRFNRF 电磁波角频率 等于核旋进角频率产生NMR时BIRF21如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0EhB 2/h36第三章第三章 磁共振物理磁共振物理一、磁共振的基本原理1B1B0B 要产生磁共振，除了施加的电磁波的频率必须和磁性核的旋进频

14、率相同外，对电磁波方向也有要求。我们知道，电磁波中既有磁矢量又有电矢量 ，而且 必须垂直于 ，磁共振中起作用的只有磁矢量,这对施加电磁波方向提出了要求。37第三章第三章 磁共振物理磁共振物理一、磁共振的基本原理 磁共振中，所施加的电磁波又叫射频波（radio frequence wave）,简称RF波，其含义是指该电磁波的频率处于无线电波（radio）频率范围内，而无线电波是可以发射出去再向各个方向传播开来的，故称射频。RF波又常被称为射频脉冲（RF pulse）。RF波只持续很短的一段时间（以ms计）。38第三章第三章 磁共振物理磁共振物理 核磁共振时一、磁共振的基本原理处于低能态的氢核数量

15、 N1处于高能态的氢核数量 N2处于低能态氢核吸收电磁波能量跃迁到高能态处于高能态的氢核释放能量回到低能态的情况（受激吸收)（受激辐射）受激吸收受激辐射受激跃迁发生几率是相等热平衡状态时吸收大于总辐射多于多于39第三章第三章 磁共振物理磁共振物理外加射频波受激跃迁样品处于激发态热平衡状态被打破热弛豫跃迁过程 处于高、低能态上的氢核会与周围环境（晶格）作用分别跃迁到低、高能态上。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几率。一、磁共振的基本原理40第三章第三章 磁共振物理磁共振物理tE dd共振吸收信号的强度就正比于样品每秒吸收的能量 当高、低能态上的氢核数之差随时

16、间的变化率为零时(dn/dt=0,n=N1-N2),系统达到动态平衡，可以持续观察稳定的核磁共振吸收现象 受 激 跃 迁 高、低能态上氢核数之差趋向于零 热弛豫跃迁 高、低能态上氢核数之差趋向于玻尔兹 曼热平衡分布 如高、低能态上粒子数相等，样品既不吸收能量也不辐射出能量，此时观察不到连续核磁共振现象，此状态称为饱和态(saturation state)。一、磁共振的基本原理41第三章第三章 磁共振物理磁共振物理二、磁共振的宏观表现 由于静磁场强度很大，而样品的磁化强度矢量又很微弱，这就使得的检测成为不可能0BM 在射频电磁波的作用下，样品会发生磁共振，样品的 也会偏离 方向,这也就使的检测成为可能 0BM静磁场中的样品是在同一方向磁共振的宏观表现所要讨论的也就是样品 的变化规律M42第三章第三章 磁共振物理磁共振物理二、磁共振的宏观表现1RF波的磁矢量-旋转磁场 tBB011cos21Bx假定RF波的磁矢量 施加在 轴，其强度的变化规律为00B，即RF波的频率和磁性核的旋进频率相同43第三章第三章 磁共振物理磁共振物理二、磁共振的宏观表现yx0t0t0001B1B1B旋转转磁场1B1