核磁共振成像的计算机模拟.docVIP

引 言 1946年两位美国科学家布洛赫和珀塞尔发现，将具有奇数个核子(包括质子和中子)的原子核置于磁场中，再施加以特定频率的射频场，就会发生原子核吸收射频场能量的现象，这就是人们最初对核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)现象的认识。为此他们两人获得了1952年度诺贝尔物理学奖[1]。核磁共振就是原子核的磁矩在恒定磁场和高频磁场(处在无线电波波段)同时作用下，当满足一定条件时，会产生共振吸收现象。核磁共振很快成为一种探索、研究物质微观结构和性质的高新技术。早期核磁共振主要用于对核结构和性质的研究，如测量核磁矩、电四极矩及核自旋等，后来广泛应用于分子组成和结构分析，生物组织与活体组织分析，病理分析、医疗诊断、产品无损监测等方面。 磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)是根据生物体磁性核(氢核)在静磁场中所表现出的共振特性进行成像的高新技术。它的物理基础为核磁共振理论，其本质是一种能级间跃迁的量子效应。实验结果表明，利用核磁共振现象可以研究物质的微观结构。据此，人们以不同的射频脉冲序列对生物组织进行激励，并用线圈技术检测其弛豫或质子密度信息，就出现了MRI[2]。 近20年来，随着超导技术、磁体技术、低温技术、电子技术和计算机科学等相关技术的进步，磁共振成像技术及磁共振成像设备均得到了飞速发展。如今，MRI系统已成为现代医学影像领域中最先进、最昂贵的诊断设备，并广泛应用于临床[2]。MRI的应用，不仅代表医院现代化程度的高低，更重要的是标志其诊断水平的提高。 一般的医学成像技术都使用单一的成像参数。例如，CT的成像参数仅为X射线吸收系数、超声成像只依据组织界面所反向的回波信号等。MRI是一种多参数的成像方法。从理论上讲，它可以是多核种的成像，而每种核都有各自的成像参数。目前使用的MRI系统主要是用来观测活体组织中氢质子密度的空间分布及其弛豫时间的新型成像工具，用以成像的组织参数至少有氢核(质子)密度N(H)，纵向弛豫时间，横向弛豫时间等3个。上述参数既可分别成像，也可相互结合获取对比图像。本论文主要研究核磁共振成像的基本原理，并利用计算机模拟来简化问题，从而探讨各参数成像对比度的内在机制。 1 核磁共振成像的进展与应用 MRI获得2003年度诺贝尔奖 2003年10月6日，瑞典卡罗林斯卡医学院宣布74岁的美国科学家保罗·劳特布尔和70岁的英国科学家彼得·曼斯菲尔德为本届诺贝尔奖的得主，因为他们发明了核磁共振成像(MRI)技术[3]。这项技术的发明使得人类能看清自己和生物体内的器官，再也不必在黑暗中摸索，从而给医学诊断和治疗疾病发生了革命的变化。两位科学家在如何用核磁共振技术拍摄不同结构的图像上获得了关键性发现，这些发现导致了在临床诊断和医学研究上获得突破的核磁共振成像仪的出现。核磁共振成像技术的普及挽救了很多患者的生命。 核磁共振，就是处于某个静磁场中的自旋核系统受到相应频率的射频磁场作用时，在它们的磁能级之间发生的共振现象。简而言之，磁场的强度和方向决定了原子核旋转的频率和方向，在磁场中旋转时，原子核可以吸收频率与之相同的电磁波，使自身的能量增加。而一旦恢复原状，原子核又会把多余的能量以电磁波的形式释放出来。核磁共振在生物学领域特别有用，因为它能非常精确地记录水分子中氢原子内的原子核的行动。水占了人体体重的2/3，而不同组织中水的百分比组成各有不同。核磁共振成像可以探测器官与器官之间、甚至是一个器官的不同部分之间的分界。哪怕是疾病造成的水量的1%的变化，都能被核磁共振成像检测到[4]。 但是核磁共振本身不能展示被测体的内部结构，要得到内部的图像，就要将不同梯度的磁场加以结合，即改变穿过样本的磁场强度。这样就有无数二维的图像，彼此重叠后就得到样本内部空间的三维图像。 这正是劳特布尔和曼斯菲尔德的研究成果[1]：把物体放置在一个稳定的磁场中，再加上一个不均匀的磁场(即有梯度的磁场)，用适当的电磁波照射物体，然后根据物体释放出的电磁波就可以绘制出内部图像了。 核磁共振成像在医疗疹断的应用 作为对探测外科手术的安全替代，核磁共振成像仪在今天特别受欢迎，已经被用于扫描关节、脑部和其它一些重要器官。与将人体暴露在电离辐射的潜在危险下的X光检测(CT)不同，核磁共振成像只通过磁场和电磁波脉冲作用于人体，在生物学上是无害的。此外，X射线虽然能提供极好的骨骼和牙齿的图片，但在检测身体其它部位却很困难，相比之下，核磁共振成像能提供包括脑部和脊髓在内的软组织的高清晰度的图像，这些组织均藏在头骨和脊椎骨以及位于关节内表面的软骨下[5]。 目前，核磁共振成像仪在全世界得到初步普及。2002年，全球使用的核磁共振成像仪共有2.2万台。在北京天坛医院(最早引进核磁共振成像仪的单位之一