1、腦的生理基態(tài)的艦租圖像分析及計(jì)算機(jī)輔助診斷研究2012-02-24 論文導(dǎo)讀:原子、分子、離子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，電子軌道運(yùn)動(dòng)和自旋與運(yùn)動(dòng)都會(huì)在核自旋的位置上產(chǎn)生一個(gè)變化的電磁場(chǎng)，這個(gè)電磁場(chǎng)的頻率和相位是雜亂的。當(dāng)其中有某種頻率成分的電磁場(chǎng)，其能量和Zeeman能級(jí)間距相等的時(shí)候，就會(huì)引起能級(jí)躍遷。通常晶格系統(tǒng)熱容量比自旋系統(tǒng).原子、分子、離子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，電子軌道運(yùn)動(dòng)和自旋與運(yùn)動(dòng)都會(huì)在核自旋的位置上產(chǎn)生一個(gè)變化的電磁場(chǎng)，這個(gè)電磁場(chǎng)的頻率和相位是雜亂的。當(dāng)其中有某種頻率成分的電磁場(chǎng)，其能量和Zeeman能級(jí)間距相等的時(shí)候，就會(huì)引起能級(jí)躍遷。通常晶格系統(tǒng)熱容量比自旋系統(tǒng)熱容量大的多。自旋系統(tǒng)中可以從晶

2、格中找到與之匹配的電磁場(chǎng)，使Zeeman能級(jí)上核自旋數(shù)趨近于波爾茲曼分布，形成凈磁化強(qiáng)度M當(dāng)在與B。垂直的方向上施加與p同方向旋轉(zhuǎn)的RF場(chǎng)Bl，即M。受到擾動(dòng)，偏離平衡位置。當(dāng)擾動(dòng)解除后，Mz總是向M恢復(fù)。T，短意味著弛豫過程快，也意味著晶格場(chǎng)中與Zeeman能級(jí)間距近似的電磁場(chǎng)成分較強(qiáng)，反之，TI長(zhǎng)則意味著晶格場(chǎng)中的這種電磁場(chǎng)成分較弱。對(duì)不同物質(zhì)，T，差別較大，從數(shù)百m:到數(shù)天。純水的Ti=3s。人體水的T;約為500ms一ls范圍，固體中T;很長(zhǎng)，幾小時(shí)甚至幾天。理論上，達(dá)到熱平衡，需要無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間，但是，當(dāng)憐ST:時(shí)，n已經(jīng)接近平衡態(tài)時(shí)n。的9933%，非常接近1，所以一般取憐5TI作為達(dá)

3、到熱平衡的時(shí)間。核磁矩p在外場(chǎng)中B。極化后，繞B。以。進(jìn)動(dòng)，它在鄰近的核磁矩“處產(chǎn)生頻率為。的局部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)BL，由于兩者為同類核，進(jìn)動(dòng)頻率相同，相互作用容易(交換能量，交換自旋角動(dòng)量)，這個(gè)過程可在整個(gè)自旋系綜內(nèi)發(fā)生，能量子在鄰近核自旋之間傳遞。這種能量轉(zhuǎn)移的速度取決于自旋一自旋相互作用的強(qiáng)沁聲，次驢俘士學(xué)徒論文筱磁共狠原理度，用一個(gè)自旋一自旋弛豫時(shí)間TZ來(lái)描述。自旋一自旋弛豫通常比自旋一晶格弛豫要快，在人體中T;一般比T:大一個(gè)量級(jí)。同時(shí)，BO與BL場(chǎng)的疊加，使對(duì)應(yīng)的Zeeman能級(jí)發(fā)生展寬，即NMR的共振線有一定的寬度。固體幾很短，達(dá)到微秒量級(jí)，共振線寬(l/Tz)很大。在液體中，分子布朗

4、運(yùn)動(dòng)很快，T:比較長(zhǎng)，線寬比較窄。Bloch方程告訴我們NMR信號(hào)以特征時(shí)間T:衰減。然而，實(shí)際上測(cè)得的信號(hào)比預(yù)期中短許多，原因是主磁場(chǎng)微弱的不均勻性以及組織間磁化率不同使得邊界的磁場(chǎng)發(fā)生扭曲，因此體內(nèi)不同部位的原子核感受到的外加磁場(chǎng)強(qiáng)度不同，使得進(jìn)動(dòng)頻率也有不同，故除了原子核之間的隨機(jī)能量交換所造成的相位一致性消失之外，磁場(chǎng)不均勻使得相位更為不一致，所以信號(hào)的衰減速率比只有幾弛豫的情況下更快。根據(jù)Lannor進(jìn)動(dòng)關(guān)系 (l.2)式，可以得出空間變化的磁場(chǎng)將引起包含空間信息的共振頻率的變化，這就是空間編碼技術(shù)原理。1973年Lal滋erbUr教授設(shè)計(jì)并成功進(jìn)行了NMR成像實(shí)驗(yàn)獲得了第一幅NMR

5、圖像4。其實(shí)驗(yàn)設(shè)備是一個(gè)連續(xù)波NMR波譜儀，所用樣品是兩個(gè)內(nèi)徑為1的毛細(xì)玻璃管裝滿水，固定在d=_4.2粗玻璃管內(nèi)，為避免磁化率不均勻效應(yīng)，大玻璃管內(nèi)裝重水，在大玻璃管外面繞盯線圈，梯度磁場(chǎng)在zx平面上旋轉(zhuǎn)4次。梯度在0o到1800度之間每隔450旋轉(zhuǎn)一次，如此得到4個(gè)投影，由四個(gè)投影直接背投影而得到兩個(gè)裝水毛細(xì)管的MR像。RF脈沖是指產(chǎn)生Bl射頻磁場(chǎng)的脈沖。B;是驅(qū)動(dòng)或激發(fā)磁化強(qiáng)度M。進(jìn)行章動(dòng)，從而產(chǎn)生MR信號(hào)的動(dòng)力場(chǎng)源。在M租中，對(duì)RF脈沖有特定的要求。每個(gè)NMR圖像數(shù)據(jù)的獲得都由一個(gè)程序脈沖序列 (pulsesequence)來(lái)管理。臨床最常用的脈沖序列大體分為三大類。它們分別是自旋回波

6、(SE)、反轉(zhuǎn)恢復(fù)(IR)和梯度回波(GE)。每一類又包括若干種的改進(jìn)變化。層面選擇是開啟梯度磁場(chǎng)Gz，導(dǎo)致在Z軸上不同位置的原子核進(jìn)動(dòng)頻率不同，在利用某一頻率的射頻脈沖便可選擇性的激發(fā)某一切面的原子核，而不會(huì)影響到其它層面的原子核。被激發(fā)的層面寬度由梯度磁場(chǎng)的單位距離變化量和射頻脈沖的頻寬共同決定，梯度變化越大、脈沖頻寬越窄會(huì)使得層面越薄。在激發(fā)了某一層面的原子核后，在層面的兩個(gè)軸向加上空間訊息，就能在射頻脈沖關(guān)閉后，從測(cè)得的弛豫信號(hào)中分辨出X一Y平面上的位置。頻率編碼是在層面上的其中一個(gè)軸向例如X方向進(jìn)行頻率編碼，加入X軸位置的訊息。做法是在選好層面之后，開啟一個(gè)X方向的梯度磁場(chǎng)，此時(shí)X方

7、夕母聲，次才俘士學(xué)徒論文袱磁共狠康理向不同位置的原子核感受到的磁場(chǎng)略有不同，也用不同的頻率進(jìn)動(dòng)，不同位置的FID也會(huì)以不同的頻率衰減，實(shí)際測(cè)量到的訊號(hào)是不同位置的訊號(hào)的疊加，可用傅立葉轉(zhuǎn)換將不同頻率的訊號(hào)分析出來(lái)，不同頻率代表來(lái)自不同的位置，故可從實(shí)際測(cè)得的訊號(hào)中分析出來(lái)，不同頻率代表來(lái)自不同的位置，故可從實(shí)際測(cè)得的訊號(hào)中分離出不同位置的訊息。空間編碼的脈沖序列如圖所示，它的脈沖時(shí)序如下:首先孫脈沖激發(fā)磁化強(qiáng)度M。進(jìn)行章動(dòng)，然后應(yīng)用x方向的梯度場(chǎng)建立一個(gè)x方向上的空間定位與頻率之間的關(guān)聯(lián)，即頻率編碼，在頻率編碼期間對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采樣。對(duì)采樣信號(hào)做Fourie:變換就可獲得一維的圖像。最后橫向磁

8、化強(qiáng)度衰減(幾)，縱向磁化強(qiáng)度Mz恢復(fù)(T，)最大。整個(gè)過程不斷重復(fù)就可以獲得不同的像。通常根據(jù)體內(nèi)組織和器官走向選取所需要的切面(例如，人體掃描中選擇與AC一PC線平行的切面可以減少信號(hào)失真)。相位編碼是在層面上的另一個(gè)軸向例如Y方向進(jìn)行相位編碼，以加入Y軸位置的信息。做法是在選好層面之后，開啟一個(gè)Y方向的梯度磁場(chǎng)一段時(shí)間，同理，Y方向不同位置的原子核會(huì)以略有不同的頻率進(jìn)動(dòng)，當(dāng)GY關(guān)閉之后，原子核就恢復(fù)到以主磁場(chǎng)所造成的Lannor頻率進(jìn)動(dòng)，但因?yàn)镚Y的影響，在GY關(guān)戶呀聲，決驢俘士學(xué)徒論文袱徽共狠魔理閉的瞬間，Y方向上不同位置的原子核的指向略有不同，所以Y方向上的原子核以同樣的頻率但不同的

9、相位進(jìn)動(dòng)。改變GY的強(qiáng)度可使GY關(guān)閉的瞬間，Y軸上不同位置的原子核指向的差異增大或減小，而產(chǎn)生不同的相位編碼。最后可通過傅立葉轉(zhuǎn)換將Y方向的位置信息分離出來(lái)。層面選擇，相位編碼和頻率編碼的結(jié)合使用就可以獲得三維物體的MRI成像。上面相位編碼和頻率編碼的方法結(jié)合起來(lái)就是平面回波EPI成像序列67。其具體的方法如下:在Gz梯度磁場(chǎng)開啟，配合適當(dāng)?shù)纳漕l脈沖，激發(fā)某一平面的原子核后，在施以180。射頻脈沖以做 spineeho之用，接下來(lái)進(jìn)行一連串的相位編碼和頻率編碼，在某一相位差異的GY梯度磁場(chǎng)關(guān)閉之后，開啟Gx梯度磁場(chǎng)，接收此一相位差異下不同頻率的信號(hào)，在下一個(gè)相位差異的GY梯度磁場(chǎng)開啟之前，關(guān)閉Gx梯