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1、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 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 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 磁共振物理,第一节 原子核的磁矩,第二节 静磁场中的磁性核,第四节 弛豫过程,第三章 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,第一节 原子核的磁矩,一、原子核的自旋
2、,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,描述物体运动状态的物理量,方向,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,描述物体运动状态的物理量,方向,方向,角动量（动量矩）,右手螺旋判定,一、原子核的自旋,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,核自旋LI是量子化的，取一系列不连续值,空间Z方向分量,对应核自旋在外磁场中2I+1个可能取向,、-1、I-2、-I,一、原子核的自旋,不同原子核 自旋磁量子数不
3、同,一、原子核的自旋,核磁矩与核自旋关系,核因子,核自旋磁旋比,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),核磁矩Z分量,量子化核磁矩,JT -1,( ),二、原子核的磁矩,I、I-1、I-2、-I,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,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
4、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,四、用于磁共振成像的磁性核,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,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,水 分 子 的 磁 矩,四、用于磁共振成像的磁性核,四、用于磁共振成像的磁性核,一、
5、微观描述,二、宏观描述,第二节 静磁场中的磁性核,磁矩 沿空间某几个特定方向分布,无,有,静磁场,一、微观描述,1、取向和磁势能,自旋核附加能量和核磁量子数 关系,共有2I1个可能值,I、I-1、I-2、-I,核磁矩 与 正方向成 角,一、微观描述,1、取向和磁势能,裂距(劈裂间距),一、微观描述,1、取向和磁势能,一、微观描述,裂距(劈裂间距),1、取向和磁势能,能级允许跃迁法则,相邻能级跃迁能量只能等于,投照电磁波量子 = 裂距A,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电磁波共振,一、微观描述,1、取向和磁势能,产生 NMR 时射频电磁波频率,一、微观描述,1、
6、取向和磁势能,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）,根据角动量定理,一、微观描述,2、旋进,宏观现象,可观测的大量微观粒子集体表现,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,宏观总磁矩为零,热运动,核磁矩 取向概率各向均等,磁化强度矢量 随时间变化,宏观总磁矩不为零,二、宏观描述,1、静磁场 时,
7、2、静磁场 时,上喇叭筒-低能级 下喇叭筒-高能级,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。,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,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,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,为顺着静磁场分布的 核磁矩 在Z轴上的分量的矢量和,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
8、灶分期根据之一,越大 越大,温度越高 越小,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,二、宏观描述,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、稳态核磁共振,一、磁共振的基本原理,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,一、磁共振的基本原理,电磁波角频率 等于核旋进角频率,产生NMR时,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,一、磁共振的基本原理,要产生磁共振，除了施加的电磁波的频率必须和
9、磁性核的旋进频率相同外，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。,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）。,核磁共振时,一、磁共振的基本原理,处于低能态的氢核数量 N1 处于高能态的氢核数量 N2,处于低能态氢核吸收
10、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,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,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,
11、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,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,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,磁共振的宏观表现所要讨论的也就是样品 的变化规律,二、磁共振的宏观表现,1RF波的磁矢量-旋转磁场,假定RF波的磁矢量 施加在 轴，其强度
12、的 变化规律为,，即RF波的频率和磁性核的旋进频率相同,0,二、磁共振的宏观表现,1RF波的磁矢量-旋转磁场,交变磁场 可由两个半径为 、角速度为 的旋转方向相反的磁场 叠加而成.,旋转磁场的获得,脉冲,角越大,获能越多,半球面螺旋线,YZ平面划四分之一圆周,球面螺旋线,YZ平面划半个圆周,两个基本脉冲,偏转 角度,RF电磁波作用,脉冲,脉冲宽度越大,二、磁共振的宏观表现,2射频波对样品的激励,RF电磁波频率,正交入射,激励样品产生MR,如图,提供旋转磁场,二、磁共振的宏观表现,脉冲,二、磁共振的宏观表现,脉冲,二、磁共振的宏观表现,特定的条件下（ 1），磁化强度矢量 在静磁场 、射频场 和弛
13、豫的作用下会达到平衡，即,布洛赫方程（Bloch equation）描述了这种状态下磁化强度矢量,不仅会受到静磁场、射频场的作用， 磁化强度矢量还处于弛豫过程当中,核磁共振样品的磁化强度矢量,三、稳态磁共振,这时的核磁共振被称为稳态核磁共振,利用Bloch方程，样品的磁化强度矢量在旋转坐标系（xyz） 中的稳态解可表示成：,=,式中 ， 。从上式可以得到磁化强度 矢量纵向分量的变化量 为,三、稳态磁共振,第四节 弛豫过程,一、弛豫及其规律,二、弛豫的机制,一、 弛豫及其规律,1、弛豫,弛豫（ralaxtion是“松弛”、“放松”之意，是一种向原有平衡状态恢复的过程。,纵向弛豫(longitud
14、inal ralaxtion)，是指纵向磁化 逐渐恢复为 的过程,横向弛豫(transverse ralaxtion)，是指横向磁化 逐渐衰减恢复为零的过程。,2、弛豫的规律,“自由旋进”,恢复热平衡态,射频脉冲结束,仅受主磁场作用,一、 弛豫及其规律,弛豫中 和 随时间变化规律,变化率正比于偏离平衡态的程度,Bloch方程,横向弛豫时间,纵向弛豫时间,忽略RF 作用期间的弛豫,纯弛豫过程,一、 弛豫及其规律,高能态,基态,激励,弛豫,37% M0,63% M0,释能,基态,获能,一、 弛豫及其规律,横向弛豫时间,纵向弛豫时间,一、 弛豫及其规律,二、弛豫的机制,纵向弛豫,横向弛豫,相对独立,
15、0.63,T1,T2,900脉冲激励后的弛豫过程,二、弛豫的机制,自旋核与晶格热辐射相互作用,高能态低能态过渡释放热能,自旋-晶格弛豫,热弛豫,1、纵向弛豫,自由旋进,作用,恢复热平衡,增加,又称自旋-晶格弛豫（spin lattic ralaxtion），是自旋核与周围物质相互作用交换能量的过程。,二、弛豫的机制,中的 核的 最长,病理分期,病灶不同阶段含水量不同 不同,病灶定性,的影响因素,1、纵向弛豫,的影响因素,1、纵向弛豫,二、弛豫的机制,共振频率段,不同分子中1H核有 不同的共振频率值,温度、粘度对 的影响,低温、高粘,高温、低粘,缩短,延长,环境温度、粘度对T1的影响,二、弛豫的
16、机制,主磁场0.42.0T,主磁场 对 的影响,弛豫粒子数增多,弛豫时间延长,延长,增大,增大,值 ms数量级,顺磁性环境,增强晶格自旋作用,较明显缩短,1、纵向弛豫,二、弛豫的机制,2、横向弛豫,局部磁场 各异,旋进频率 不等,相位参差不一,最终均匀分布,作用,二、弛豫的机制,二、弛豫的机制,自旋核磁矩方向 由相对有序状态向相对无序状态过渡,核磁矩在聚焦方向分散,每个自旋核相互磁作用,本质,自旋自旋弛豫,2、横向弛豫,二、弛豫的机制,与温度、粘度无关,主磁场大小相关不大,磁场不均匀性,顺磁环境,明显缩短,的影响因素,比 小一个数量级,磁场不均匀时的横向弛豫时间,2、横向弛豫,1.不同组织器官
17、弛豫时间显著不同,2.同一组织器官不同病理阶段弛豫时间显著不同,MRI进行病理分期,MRI对软组织及器官分辨能力,二、弛豫的机制,发生核磁共振后，样品就会出现横向磁化，横向磁化在在xy平面的旋进就会使放置在xy平面上接收线圈产生感生电压，这一感生电压就是MR信号.,第五节 自由感应衰减信号,可以是发生核磁共振时的共振吸收信号 也可以是核磁共振发生后自由旋进时的信号,MR信号,MR信号种类:,自由感应衰减信号（free induced decay, FID） 自旋回波信号 反转恢复信号 梯度回波信号等,自由感应衰减信号（FID ）,自由旋进(无射频场时磁化强度在恒定静磁场中的旋进),接收线圈中角
18、频率为 的感生电动势幅值衰减,FID包含生物组织信息多,第五节 自由感应衰减信号,磁化强度矢量 在自由旋进的情况下所产生的MR信号,自由感应衰减（FID ）,第五节 自由感应衰减信号,第五节 自由感应衰减信号,一.只有横向磁化才能产生MR信号, 要测量纵向磁化, 必须将 其翻转到平面上来； 二.900脉冲作用下FID信号的初始幅度正比于M0； 三.质子密度相同, T2时间较长组织横向磁化衰减较慢，组织 FID信号较高，反之则较低； 四.质子密度相同，在T1时间较短的组织纵向磁化恢复的快， FID信号较高，反之则较低； 五.影响FID信号强度因素T1、T2和质子密度 ，所以磁共振成 像是多参数成
19、像。,第六节 化学移位和磁共振谱,一、化 学 移 位,二、 MRS分析,三、 “自由水”、“结合水” 及其MRS,测试样品自旋核共振频率,标准样品自旋核共振频率,化学位移是核磁共振波谱分析的主要对象,化学位移（Chemical shift）,一、化 学 移 位,均匀静磁场中，处于不同化学环境下的同一种自旋核会受到不同磁场B的作用，因而会有不同的共振频率，这种共振频率的差异称为化学位移（chemical shift）,化学位移另一定义,B、Bs 分别表示维持 RF 电磁波频率不变，测试样品、标准物质中同类自旋核发生NMR所需要外磁场的大小。,很小, ppm数量级磁共振波谱分析不仅要求静磁场场强高
20、于1.5T，而且对磁场均匀度要求更高,一、化 学 移 位,纵坐标 共振吸收强度,横坐标 共振频率,自旋核的共振频率及其MR吸收信号强度变化的曲线,唯一可观察载体细胞代谢变化的非损伤检测技术,1、 MRS,二、MRS分析,如图 乙基苯的质子谱线,乙基苯有C6H6、CH2、CH3三个原子团,三个原子团中氢核结合状态不同,三种氢核产生 三条共振吸收谱线,乙基苯的质子核共振谱线,1、 MRS,谱线位移程度不同,二、MRS分析,NMR灵敏度,MRS 限制因素,人体自旋核密度高低 1H、31P、13C、19F、23Na,灵敏度最高的是1H，其次为31P、19F、23Na、13C,应用临床 1H-MRS，3
21、1P-MRS,自旋核密度,2、MRS分析,二、MRS分析,一.化合物有自己特有的共振吸收峰的频率位置 二.从共振吸收峰频率位置知道每种质子所处电子环境 三.共振吸收峰面积正比于化合物中质子的比数或数量 四.共振吸收峰分裂情况可知它邻近有多少个不同质子,MRS分析主要依据：,2、MRS分析,二、MRS分析,目前较先进的MRI装置均附有MRS功能,2、MRS分析,磁共振波谱共振峰面积与所测代谢产物含量成正比，通过计算共振峰面积就能知道相应的代谢产物的含量,代谢产物三种定量方法,应用很少,代谢产物定量测量依据,二、MRS分析,获得MRS谱线方法步骤,MRI断层取像,选出欲分析部位,特制小线圈RF激励
22、,扫场范围,RF频率变化范围,抑制技术,H2O峰抑制,1H-MRS分析,31P-MRS分析,1H 峰抑制,2、MRS分析,二、MRS分析,MRS出现异常早于MRI图像异常,对细胞能量代谢的观测,MRS 技术观测细胞代谢的医学基础,细胞中物质和能量的代谢变化 早于组织学结构改变,2、MRS分析,二、MRS分析,三、“自由水”、“结合水” 及其MRS,根据水分子运动自由度多少可把细胞外的水分为,自由度少的“结合水(bound water)” 自由度大的“自由水(free water)”。,水分子1H核弛豫时间长,含水多少对组织平均弛豫时间举足轻重,“结合水” 1H核弛预时间相对“自由水” 短,“自由水” 分子热运动强烈， 相对长,“结合水”多时，组织 平均短,MRS呈单个窄峰,MRS宽而幅值低,MRI所有信号来自 “自由水”,“自由水”合磁场一致,以相同频率旋进,“结合水”合磁场不一致,以不同的频率旋进,三、“自由水”、“结合水” 及其MRS,三、“自由水”、“结合水” 及其MRS,