核磁共振基础知识
磁共振成像基础知识
IR序列M的变化过程
IR序列特点
IR序列具有强T1对比特性； • 可设定TI，饱和特定组织产生具有特征
性对 比图像(STIR、FLAIR)； • 短 TI 对比常用于新生儿脑部成像； • 采集时间长，层面相对较少。
STIR序列(Short TI Inversion Recovery)
在IR恢复过程中，组织的MZ都要过0点，但时间不 同。利用这一特点，对某一组织进行抑制。
超导型
优点：1.场强高(0.5-3.0T) ；2.磁场稳 定均匀；3.成像速度快，图象质量好。
缺点：1.造价高；2.需要补充液氦和 液氮；日常维护费用高。
梯度线圈
梯度线圈性能的提高 磁共振成像速度加 快
梯度线圈性能指标 梯度场强 20mT/m 切换率 50mT/m.s
脉冲线圈
作用：激发人体产 生共振；采集MR信 号
质子密度加权像
长TR、短TE——质子密度加权像，图像特点：
组织的 H 越大，信号就越强； H 越小，信号 就越弱。
脑白质：65 % 脑灰质：75 % CSF： 97 %
常规SE序列的特点
最基本、最常用的脉冲序列。 得到标准T1 WI 、 T2 WI图像。 T1 WI观察解剖好。 T2 WI有利于观察病变，对出血较敏感。 伪影相对少（但由于成像时间长，病人易
180- 90-{180-Echo}n
180°脉冲反转脉冲结束后，无MXY的存在，MZ开 始恢复，等MZ过了0点后，在时刻 t=TI (Time of In version反转时间)，再施加一个 90°脉冲(此后的脉 冲方式同SE)，再施加180°脉冲，就可以得到回波信 号。IR序列的TR一般为1800～2500ms，而TI=400～60 0ms。
磁共振的基础知识
磁共振的基础知识1、核磁共振核，不是核辐射，而是原子核，用得最多的是氢（人体最多）。
磁，磁场也。
共振，一定频率的射频脉冲激发原子核，使之共振，从而产生信号，转换成图像。
2、磁共振成像简单过程如果给人体施加一个外来的静磁场，再给予一个短暂的、与质子共振相同频率的旋转磁场（即射频脉冲），之后采集电磁波信号，就可以获得人体的磁共振信号。
对磁共振信号的采集过程给予一个形象的比喻，可以把质子比喻成卫星，我们从发射电台发送信号，卫星获得信号，再重新发射出来，地面的收音机就可以收听到节目了。
通过对接受到的磁共振信号进行空间编码和图像重建等处理，即产生MR图像。
3.磁共振检查的特点1）磁共振没有X线、CT检查的辐射，对身体不产生辐射危害。
2）磁共振采用空间三维梯度场，在不移动患者和扫描床的情况下实现任何角度扫描和图像重建。
3）无骨质伪影。
4）软组织对比度良好。
5）对病变显示更加敏感，可使病灶显示更早更清楚。
6）磁共振的DWI(扩散加权成像)序列，是唯一能够无创检测活体组织内水分子扩散运动的成像方法。
7）磁共振的PWI（灌注加权成像）序列，能够显示脑组织血流动力学信息。
8）磁共振的MRS（波谱分析）序列，是唯一能够无创检测活体组织内化学物质、反应组织代谢的方法。
4、图像分析过程中，有个非常重要的概念必须了解——部分容积效应。
在CT扫描，凡小于层厚或该层仅包含部分的病灶，其CT值受层厚内其它组织的影响，所测出的CT值不能代表该病变的真正的CT值。
MRI也一样，凡小于层厚或该层仅包含部分的病灶，图像表现出来的，不仅仅是病灶的影像，而是重叠了层厚内部分病变外结构的影像。
5、部分容积效应会让你看到的影像变得“不真实”，从而可能会使你做出错误的判断。
6、宽窗位技术，更是数字影像时代，每一名影像医生必须掌握的、最基本的技能！窗宽窗位技术源于CT，磁共振可能用对比度更合适。
不同器官、不同部位，有着不同的合适的窗宽窗位。
同一区域，由于观察的内容不同，合适的窗宽窗位也不同。
MRI的基本原理和概念
磁场均匀性好;
冷头消耗;1 万/月
稳定性好.
维修,维护困难,需要
稳定的低温技术.
•按磁体的外形可分为
•开放式磁体 •封闭式磁体 •特殊外形磁体
•MR按主磁场的场强分类
–MRI图像信噪比与主磁场场强成正比
–低场: 小于0.5T –中场：0.5T－1.0T –高场: 1.0T－2.0T（1.0T、1.5T、2.0T） –超高场强：大于2.0T（3.0T、4.7T、7T）
磁共振基础知识 MRI = Magnetic Resonance Imaging
MRI = 磁-共振-成像(装置)
旧称 NMRI(核磁共振成像装置), 其中N=Nuclear(核)
MRI的历史
➢ 1946年由美国斯坦福大学的Felix Bloch和哈 佛大学的Edward Purcell发现核磁共振现象， 为此获得1952年诺贝尔奖。
梯度线圈性能的提高 磁共振成像速度加快
没有梯度磁场的进步就 没有快速、超快速成像 技术
加快信号采集速度 提高图像的SNR
梯度、梯度磁场
梯度磁场的产生
Z轴方向梯度磁场的产 生
X、Y、Z轴上梯度磁场的产生
•梯度线圈性能指标
–梯度场强 25-60mT/m –切换率 120-200mT/m.s
OPER-0.35T
高斯（gauss, G）。 Gauss (1777-1855)
德国著名数学家，于1832年首次测量了地球的磁场。
1高斯为距离5安培电流的直导线1厘米处检测到的 磁场强度
5安培
1厘米
1高斯
地球的磁场强度分布图
特斯拉（Tesla,T）
Nikola Tesla (18571943), 奥地利电器 工程师，物理学家 ，旋转磁场原理及 其应用的先驱者之 一。
核磁共振专题知识
➢ 陀螺存在自旋 ➢ 陀螺处于重力场中 ➢ 重力力矩垂直于自转轴
（角动量）方向
结果
陀螺旋进 力矩越大旋进角速度越大
核磁共振专题知识
图 14-2 陀螺旋进
T L
第17页
旋进也称进动，描述是含 有角动量物体或体系在外力矩 作用下，其角动量方向发生连 续改变现象。
核磁共振专题知识
第18页
原子核在磁场中旋进
核磁共振专题知识
图 磁共振成像原理图
第36页
1．层面选择
利用梯度磁场 依据拉莫尔方程理 论，实现选层定片
核磁共振专题知识
图 选层定片
第37页
核磁共振专题知识
层面选择
第38页
层面选择
核磁共振专题知识
第39页
2．编码 （1）相位编码 如图1
图1 磁矩旋进相位差异
图2 磁矩旋进频率差异
（2）频率编码 核磁共振专题知识 如图2
核磁共振专题知识
第42页
核磁共振专题知识
Proton
质子
氢原子核1H
Electron
电子
第43页
2. 人体各种组织含水百分比不一样
3．人体不一样正常组织和病变组织 、
核磁共振专题知识
第44页
三、怎样产生氢核密度 和 、 加权成像
1.自旋回波序列
核磁共振专题知识
图14-21 自旋回波序列
第45页
第12页
而且，Damadian前瞻性地预言了核磁共 振作为临床诊疗工具可能性。
Damadian工作直接启发了 Lauterbur 对 成像技术研究，Lauterbur在认识到这一发 觉医学价值同时，也敏锐地意识到假如不能 进行空间上定位，核磁共振在临床应用可能
MRI原理 讲义
MRI基础知识——MRI 成像理论基础讲师简介Simon，硕士，副主任医师，医学影像专业。
曾任Philips磁共振临床培训工程师。
丁香园临床执医版版主，执医考试讲师。
MRI名称的由来M R IMagnetic Resonance ImagingN M RNuclear Magnetic Resonance由于1983年美苏冷战升级，老百姓谈核色变，所以后来去除“核”，美国放射学会推荐把核磁共振NMR技术叫做磁共振MRI技术。
核磁共振产生的条件成像理论u ω=γB u ωrf = ω0物质基础u 质子u 磁场 u 射频场有核有磁有射频，射频拉莫两相等核磁共振成像——核核磁共振成像——核磁性原子核u 原子核的质子数和中子数必须有一个为奇数，才能自施旋产生磁场。
医学影像服务中心版权所有，禁止盗版！核磁共振成像——核人体元素摩尔浓度相对磁化率1H 99.0 1.014N 1.60.08331P 0.350.06613C 0.10.01623Na 0.0780.09339K 0.0450.000517O 0.0310.0292H 0.0150.09619F0.00660.83核磁共振成像——核人体磁共振信号来源u 水（H 2O ）u 脂肪（-CH 3）ω=γB核磁共振成像——核ω=γB1H核的自旋自由状态的人体1H核核磁共振——磁医学影像服务中心版权所有，禁止盗版！进动ω=γBu 进动频率明显低于自旋频率进动u Z 轴方向：M z =M 0u XY 平面方面：进动相位不一致，M xy =0能级在外磁场作用下，高低能级的质子分布符合玻尔兹曼统计分布，在9.4T的外加磁场情况下，低能级质子（和外加磁场方向一致）数目仅仅比高能级质子（和外加磁场方向相反）数目多0.031%，核磁共振——磁核磁共振——共振激发章动医学影像服务中心版权所有，禁止盗版！小问题“核”是人体提供的，那“磁”和“共振”将要如何实现呢？需要哪些硬件配套呢？欲知后事如何，请听下回分解！医学影像服务中心版权所有，禁止盗版！MRI基础知识MRI 硬件组成MRI成像理论基础核共振磁主磁场的意义ω=γB永磁体优点:u 稳定u 便宜u 开放缺点：u 强度低，<0.7T u 重u 不退磁超导磁体理论基础H = N ×I / Le超导磁体0电阻优点:u 不产生热量u 电流稳定u 无需供能医学影像服务中心版权所有，禁止盗版！超导磁体目前主流磁体的内部使用液氦作为冷却液，液氦的温度约等于-269℃超导磁体超导磁体紧急关闭紧急停止梯度场梯度场ω0=γB 0医学影像服务中心版权所有，禁止盗版！梯度场B1B2B3B4B5B6B7ω0=γB 0相位编码频率编码射频场ω0=γB 0射频场线圈医学影像服务中心版权所有，禁止盗版！线圈线圈线圈线圈正交线圈发射+接收相控阵线圈8个头单元+4个颈单元+6个胸单元医学影像服务中心版权所有，禁止盗版！相控阵线圈小问题有了这些硬件，1H可以被激发，释放的信号也可以被探测到，可怎么才能把信号排成一幅图像呢？欲知后事如何，请听下回分解！医学影像服务中心版权所有，禁止盗版！MRI基础知识K 空间数字图像CT成像X11X12X13X14X15X16X17X18X19X21X22X23X24X25X26X27X28X29X31X32X33X34X35X36X37X38X39X41X42X43X51X52X53X61X62X63X71X72X73X81X82X83Y =f(X ,X ,X ……X )Y =f(X ,X ,X ……X )Y =f(X ,X ,X ……X )Y =f(X ,X ,X ……X )K空间傅里叶转换傅里叶转换傅里叶转换医学影像服务中心版权所有，禁止盗版！傅里叶转换傅里叶转换K空间频率编码相位编码编码相位编码频率编码K空间halfscanK空间K空间的中心决定图像的对比度K空间的周围决定图像的解剖细节医学影像服务中心版权所有，禁止盗版！K空间K空间K空间的填充频率编码相位编码K空间的填充K空间频率编码相位编码u 信号强度u 频率编码u 相位编码小问题如何才能让激发的1H同时具有强度信息、频率编码信息和相位编码信息呢？医学影像服务中心版权所有，禁止盗版！欲知后事如何，请听下回分解！权版心中务服像影学医MRI基础知识自旋回波序列/快速自旋回波序列序列射频脉冲、梯度场、信号采集时间等相关参数的设置及时间排列的组合。
核磁共振基本知识
7. 自旋偶合与偶合常数
自旋裂分规律:(n+1)规律 当一个氢核有n个邻近的全同氢核存在时，其
NMR吸收峰分裂为(n+1)个，相邻峰间距离为J
（Hz），各峰相对强度比为二项式(a + b)n展开
式的各项系数之比
信号裂分的数目和相对强度
氢核间的耦合类型
H H H (a) (b) H
H (c)
峰的分裂数与直接相连的氢有关一般也遵守n+1规律
③ INEPT谱
碳的类型 C-I C-Br
Cl
OCH2 CH3
5、H核磁共振谱图的信息
信号的数目: 分子中有多少种不同类型的质子 信号的位置: 每种质子的电子环境，化学位移
信号的强度: 每种质子的比数或个数
裂 分 情 况: 邻近有多少个不同的质子
化学位移的定义和表示
信号的位置
δ＝
ν样品－ ν标准 （Hz）
ν标准 （M Hz ） ×106
难以用电负性来解释，如
H H3C CH2 H δ 0.96 H2C H 5.84 2.8 7.26 HC H H R H 7.8-10.5 O
苯环(及其它大Π键体系)形成环流
芳烃的各向异性图示
(a) 苯环的 H 处于诱导磁场的去屏蔽区域，因此在低场 δ 7.3 ； (b)[18]-轮烯的环外H去屏蔽，在低场δ.8.9，环内H屏蔽，在高 场，δ -1.8
4.屏蔽效应－化学位移
氢原子核的外面有电子，它们对磁场的磁力
线有排斥作用。对原子核来讲，周围的电子起了
屏蔽（ Shielding ）效应。核周围的电子云密度越 大，屏蔽效应就越大，要相应增加磁场强度才能 使之发生共振。核周围的电子云密度是受所连基 团的影响，故不同化学环境的核，它们所受的屏
MRI基本知识
90度脉冲激发使质子发生共振，产生最大的旋转 横向磁化矢量，这种旋转的横向磁化矢量切割接 收线圈，MR 仪可以检测到。
氢 质 子 多
氢 质 子 少
此时的MR 图像仅仅区分氢质子密度不同的两种组织，所以 要在射频脉冲关闭后等待一定时间并对信号进行干预和采集
无线电波激发使磁场偏转90度，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
“ ”
磁共振成像基本知识
1
核磁共振成像
• 发展历史
• 基本原理
目
• 扫描仪的基本硬件构成
录
• 脉冲序列及其临床应用
• MRI 特点以及禁忌证
• 总结
2
Nuclear Magnetic Resonance Imaging
首字母缩写:
NMRI
为了和原子核及射线的放射性危害区分开 来，临床医生建议去掉N，简称为磁共振成像
• 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
34
•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
➢ 主磁场场强
场强越高，磁化率越高，场强几乎与磁化率成 正比
➢ 质子含量
质子含量越高，与主磁场同向的质子总数增加 （磁化率不变）
15
在主磁场中质子的磁化矢量方向与主
磁场方向不平行——进动
进动
场相互作用
核磁（小磁场）与主磁
陀螺
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
NMR基础知识介绍
NMR基础知识介绍NMR（核磁共振）是一种基于原子核的磁性性质进行分析的非常重要的技术。
它能够提供有关分子结构、化学环境、动力学和相互作用等方面的信息。
本文将介绍NMR的基础知识。
首先，了解什么是核磁共振很重要。
核磁共振是原子核固有的属性，当原子核中有未配对的核子时，它会在外部磁场的作用下产生自旋磁矩。
当这些原子核处于外部磁场中时，它们会以不同的能级分布方式依据其自旋状态。
核磁共振技术利用这些特性来研究样品中的原子核。
NMR的基本原理是基于核磁共振的共振现象。
当一定频率的电磁波通过样品时，只有在特定频率时，能够与样品中的原子核产生共振。
这个频率被称为拉莫尔频率。
当原子核共振时，它会从一个自旋状态跃迁到另一个自旋状态，吸收能量。
通过测量吸收能量，我们可以获得关于样品中原子核的信息。
在NMR实验中，我们用术语“化学位移”来描述化学环境对原子核共振频率的影响。
化学位移是一个无量纲量，通过与参考标准（通常为TMS）的比较来确定。
通过测量化学位移，可以确定不同原子的化学结构信息。
除了化学位移，J耦合也是NMR中常见的现象。
J耦合是指两个不同原子核之间的自旋相互作用。
这种相互作用可以提供关于化学结构和空间分布的重要信息。
通过分析J耦合常数，可以确定分子中的连接关系和官能团。
在NMR实验中，我们还常常使用“弛豫时间”来描述分子中核自旋状态的恢复速率。
共有两种类型的弛豫时间：横向弛豫时间（T2）和纵向弛豫时间（T1）。
横向弛豫时间指的是核自旋状态从高能级返回基态的恢复速率，而纵向弛豫时间指的是核自旋状态从基态恢复到高能级的速率。
在NMR实验中，可以使用不同的谱图来描述不同原子核信号。
最常用的是1H-NMR谱图，它提供了关于氢原子的信息。
此外，还有13C-NMR谱图、31P-NMR谱图等，它们可以提供关于碳和磷等原子核的信息。
最后，NMR技术在化学领域有许多应用。
它在有机化学中是一种非常强大的工具，可以用于确定化合物的结构、化学动力学和反应机理等方面。
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μ＝rp
式中 r—磁旋比，是核的特征常数； 核磁矩μ以核磁子p为单位，p＝5.05×10－27 J／T，是个常数。
自旋量子数（spin quantum number, I） －原子核自旋状态的量子化
NMR中电磁辐射的频率为兆赫数量级，属于射频 区，但是射频辐射只有置于强磁场F的原子核才 会发生能级间的跃迁，即发生能级裂分。当吸收 的辐射能量与核能级差相等时，就发生能级跃迁， 从而产生核磁共振信号。
核磁共振谱常按测定的核分类
◆ 测定氢核的称为氢谱(1H－NMR) ◆ 测定碳-13的称为碳谱(13C－NMR)
变。
（2）不同原子核，磁旋比 不同，产生共振的条件不同，需 要的磁场强度H0和射频频率不同。
1H—核磁共振波谱(氢谱)
1H—核磁共振(1H—NMR)也称为质子核磁共 振，是研究化合物中1H原子核(即质子的核磁共 振。可提供化合物分子中氢原子所处的不同化 学环境和它们之间相互关联的信息。依据这些 信息可确定分子的组成、连接方式及其空间结 构。
Chapter2 基本原理
原子核的磁矩和自旋角动量
两种进动取向不同的氢核之间的能级
差：E= H0 （磁矩）
共振条件
(1) 核有自旋(磁性核) (2)外磁场,能级裂分;
(3)照射频率与外磁场的比值0 / H0 = / (2 )
讨论:
共振条件： 0 = H0 / (2 ) （1）对于同一种核 ，磁旋比 为定值， H0变，射频频率
◆核磁共振谱不仅给出基团的种类，而且能提供基团 在分子中的位置
◆在定量上NMR也相当可靠，高分辨NMR还能根据 磁耦合规律确定核及电子所处环境的细小差别，从 而成为研究高分子构型和共聚序列分布等结构问题 的有力手段
◆ 13C－NMR主要提供高分子碳－碳骨架的结构信息
当测定1H核磁共振谱时，将磁铁线圈通电， 使磁场达到23847Gs(100MHz的仪器)，射频振荡 器产生100MHz的无线电波，通过发射线圈照射样 品，扫描线圈中通入电流且改变其强度，即改变 外磁场强度，当三个互相垂直的线圈不满足共振 条件时，接受线圈没有电流通过，如果满足共振 条件时，则有电流通过．将它放大记录下来就得 到了核磁共振谱图。
产生核磁共振的首要条件是核自旋时要 有磁矩产生，也就是说，只有当核的自旋量 子数I ≠ 0时，核自旋才能具有一定的自旋角 动量，产生磁距。
因此I为0的原子核如12C和16O等没有磁矩， 所以没有核磁共振现象。在表中给出了核自 旋量子数与质量数和原子序数之间的关系。
核磁共振现象
当置于外加磁场H0 中时，相对于外磁
◆ I 0的核为磁性核，具有自旋角动量 P ，可以
产生NMR信号。
◆ I = 0的核为非磁性核，无NMR信号。
◆ I=1/2的原子核，其电荷均匀分布于原子核表面， 这样的原子核不具有四极矩（quadruple），其 核磁共振的谱线窄，最宜于核磁共振检测。
I >1/2的原子核 ，具有电核四极矩。
这类原子核的核电荷分布可看作一个椭球体，电荷分布 不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少
讨论:
(3)Ｉ＝1/2的原子核 1H，13C，19F，31P
原子核可看作核电荷均匀分布的球体， 并象陀螺一样自旋，有磁矩产生，是核磁共 振研究的主要对象，C，H也是有机化合物 的主要组成元素。
核磁共振现象
自旋量子数 I=1/2的原子核（氢 核），可当作电荷均匀分布的球体，绕 自旋轴转动时，产生磁场，类似一个小 磁铁。
核磁共振基础知识
Nuclear Magnetic Resonance(NMR)
Chapter1 概述
核磁共振谱(NMR)与红外、紫外一样， 都是吸收光谱，它的频率范围是兆周 (MC)或兆赫兹(MHz)，属于无线电波范 围。
红外光谱来源于分子振动—转动能级间的跃迁， 紫外－可见吸收光谱来源于分子的电子能级间的 跃迁。
I=1 2H; 6Li; 14N 等
奇
偶
整数 I=2 58Co
I=3 10B
偶
偶
零
12C; 16O; 32S 等
若原子核存在自旋，产生核磁矩： 自旋角动量： h I(I 1)
2
核 磁 矩： g I(I 1)
I：自旋量子数； h：普朗克常数； 核磁子=eh/2M c；
自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩， 原子的自旋情况可以用（I）表征：
原子核组成(质子数p与中子数n)与自旋量子数I 的经验规则：
◆p与n同为偶数，I = 0。如 12C, 16O, 32S等。
◆p + n =奇数，I =半整数(1/2, 3/2等)。
如 1H, 13C, 15N, 17O, 31P等。
◆p与n同为奇数，I =整数。如2H, 6Li等。
◆原子核的自旋状态：2I+1
质量数 原子序数 自旋量子数I
偶数
偶数
0
偶数
奇数
1，2，3….
奇数
奇数或偶数 1/2；3/2；5/2….
讨论:
(1) I=0 的原子核 O(16)；C（12）；S（22） 等 ，无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收。
(2) I=1 或 I >0的原子核 I=1 ：2H，14N I=3/2： 11B，35Cl，79Br，81Br I=5/2：17O，127I
场，可以有（2I+1） 种取向：
氢核（I=1/2），两
种取向（两个能 级）：
(1)与外磁场平行，能量
低，磁量子数ｍ＝
＋1/2;
(2)与外磁场相反，能量
高，磁量子数ｍ＝
－1/2;
两种取向不完全生进动(拉莫尔进动)进动
频率 0； 角速度0； 0 = 2 0 = H0 磁旋比； H0外磁场强度；
◆
自旋量子数与原子核的质量数及质子数关系
原子序数 Z
质量数 A
自旋量子 数I
例
I=1/2 1H; 13C; 15N; 19F; 31P; 77Se 等
奇、偶
奇
半整数 I=3/2 7Li; 9Be; 11B; 33S; 35Cl; 37Cl 等
I=5/2 17O; 25Mg; 27Al; 55Mn 等