磁共振成像原理_ppt

1、核磁共振成像原理核磁共振成像原理Nuclear Magnetic Resonance Imaging, NMRI主 講：易三莉生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院 昆明理工大學(xué)教材：核磁共振成像原理 熊國欣 科學(xué)出版社 2007年第一版輔導(dǎo)材料：1、MRI基礎(chǔ) 尹建中譯 天津科技翻譯出版公司 2004年2、MRI原理與技術(shù) 陳武凡 科學(xué)出版社 2012年l 什么是核磁共振成像？什么是核磁共振成像？l 核磁共振成像具有哪些優(yōu)勢(shì)？核磁共振成像具有哪些優(yōu)勢(shì)？l 核磁共振成像在醫(yī)學(xué)影像中有哪些應(yīng)核磁共振成像在醫(yī)學(xué)影像中有哪些應(yīng)用？用？第一章第一章 導(dǎo)導(dǎo) 言言 核磁共振核磁共振： 物質(zhì)原子核磁矩在外磁場(chǎng)

2、的作用下發(fā)生能級(jí)分裂，并在外加射頻磁場(chǎng)的能量條件下產(chǎn)生的能級(jí)躍遷的核物理現(xiàn)象。核磁共振的特點(diǎn)核磁共振的特點(diǎn)：（1）具有普遍性，在化學(xué)元素周期表中92種天然元素中，具有核磁矩的元素有88種。（2）不同的核有不同的磁矩，使NMR具有很高的選擇性；（3）NMR譜線寬度很窄，因而具有很高分辨率；（4）可進(jìn)行生物過程和化學(xué)變化等動(dòng)態(tài)觀測(cè)；（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）核磁共振成像核磁共振成像： Nuclear Magnetic Resonance Imaging, NMRI其全稱是核磁共振電子計(jì)算機(jī)斷層掃描術(shù)。它是根據(jù)生物磁性核在磁場(chǎng)中表現(xiàn)出來的共振特性進(jìn)行成像的新技術(shù)

3、。由于“核”字的敏感性，故通常將其稱為MRI。核磁共振成像的特點(diǎn)核磁共振成像的特點(diǎn)：（1）多參數(shù)成像，可提供豐富的診斷信息。（2）高對(duì)比度成像，尤其可獲得高對(duì)比度軟組織的圖像。（3）任意方位斷層，可從三維空間觀察人體。（4）可進(jìn)行人體能量代謝研究，將解剖結(jié)構(gòu)觀察和功能代謝情況觀察相對(duì)合。（5）無電離輻射，對(duì)人體沒有損傷。 以核磁共振成像與CT成像的比較為例來比較說明MRI的特點(diǎn)：T1 ContrastTE = 14 msTR = 400 msT2 ContrastTE = 100 msTR = 1500 msProton DensityTE = 14 msTR = 1500 ms（1）多參數(shù)成

4、像核磁共振成像在醫(yī)學(xué)影像中的應(yīng)用舉例核磁共振成像在醫(yī)學(xué)影像中的應(yīng)用舉例T1觀察解剖結(jié)構(gòu)較好T2T2顯示組織病變較好顯示組織病變較好用于觀察細(xì)小結(jié)構(gòu)用于觀察細(xì)小結(jié)構(gòu)（2）MRA核磁血管造影（3）FMRI功能成像（4）DTMRI擴(kuò)散張量成像第二章第二章 MRI掃描儀掃描儀主要內(nèi)容： 1、對(duì)MRI有初步的了解； 2、了解MRI掃描儀有哪些類型； 3、掌握MRI掃描儀的基本結(jié)構(gòu)；重點(diǎn)： 掌握MRI掃描儀的基本結(jié)構(gòu)；掌握主磁體的種類；第一節(jié)第一節(jié) 核磁共振儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及類型核磁共振儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及類型根據(jù)磁場(chǎng)的產(chǎn)生方式不同，可分為三大類：1.超導(dǎo)型2.永磁型3.常導(dǎo)型根據(jù)用途不同，可分為兩大類：1.臨床應(yīng)

5、用型：其主磁體磁場(chǎng)強(qiáng)度在0.20.5T以下；2.臨床研究型：其磁場(chǎng)強(qiáng)度在1.01.5T以上。根據(jù)磁體外形不同，可分為三類：1、開放式2、封閉式3、特殊外形磁體開放式開放式MRI封閉式封閉式MRI特殊外形特殊外形MRIMRI設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖MRI成像系統(tǒng)方框圖成像系統(tǒng)方框圖磁體系統(tǒng)、磁體系統(tǒng)、 譜儀系統(tǒng)、譜儀系統(tǒng)、 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)MRI系統(tǒng)：系統(tǒng)：MRI系系統(tǒng)統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)磁體系統(tǒng)磁體系統(tǒng)譜儀系統(tǒng)譜儀系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主磁體：電磁體（或阻抗磁體） 、永磁體、超導(dǎo)磁體梯度系統(tǒng)：三組線圈，產(chǎn)生x、y、z三 個(gè)方向的梯度場(chǎng)射頻發(fā)生器：頻率合成器、正交調(diào)制器、射頻功率放大器、射頻開關(guān)

6、、射頻發(fā)射線圈。射頻接收器：接收線圈、衰減器、射頻放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等硬件部分：控制臺(tái)計(jì)算機(jī)、主計(jì)算機(jī)、射頻脈沖控制器，梯度脈沖控制器、圖像顯示與存儲(chǔ)設(shè)備軟件部分：系統(tǒng)控制軟件、故障診斷軟件、成像協(xié)議軟件等 用于產(chǎn)生主磁場(chǎng)B0。它是NMR成像系統(tǒng)中一個(gè)關(guān)鍵部件，決定了MRI設(shè)備的圖像質(zhì)量和工作效率。第二節(jié)第二節(jié) 核磁共振儀的磁體系統(tǒng)核磁共振儀的磁體系統(tǒng)一、主磁體磁體材料磁體材料釹鐵硼、釤鈷、釹鐵硼、釤鈷、鋁鎳鈷等鋁鎳鈷等鋁帶、銅線、鋁帶、銅線、銅帶等銅帶等鈮鈦合金、鎂鈮鈦合金、鎂硼等硼等運(yùn)行費(fèi)用運(yùn)行費(fèi)用低低高高高高接收線圈接收線圈螺旋管型螺旋管型馬鞍型馬鞍型馬鞍型馬鞍型是否需要降溫是否需要降溫

7、否否是（水）是（水）是（液氦）是（液氦）磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度0.15T0.5T0.15T0.5T0.4T 0.4T 0.27.0T 0.27.0T 類型類型永磁型永磁型常導(dǎo)型常導(dǎo)型超導(dǎo)型超導(dǎo)型螺旋管型線圈與馬鞍型接收線圈的信噪比相差40 。螺旋管型接收線圈的接收信號(hào)的有效范圍更均勻、利用率更高、對(duì)稱性更好。0.3T（特斯拉）以下的稱為低磁場(chǎng)強(qiáng)度，主要應(yīng)用于永磁型MRI設(shè)備。1.0T以上的稱為高磁場(chǎng)強(qiáng)度，主要應(yīng)用于超導(dǎo)型MRI設(shè)備永磁型永磁型：主磁體為天然材料，不需消耗電能，運(yùn)行費(fèi)用低，但主磁體重量大。MRI設(shè)備的信號(hào)平面垂直于靜磁場(chǎng)方向，所以接收線圈使用效率較高的螺旋管型接收線圈。而其他類型的

8、主磁體磁場(chǎng)方向均為水平方向，只能使用馬鞍型接收線圈。常導(dǎo)型常導(dǎo)型：又稱阻抗磁體。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，但運(yùn)行費(fèi)用高。并且線圈電源的質(zhì)量直接影響磁場(chǎng)的穩(wěn)定，無法保證MRI設(shè)備的圖像質(zhì)量。常導(dǎo)型磁體的目前，常導(dǎo)型MRI設(shè)備正逐步被淘汰。超導(dǎo)型超導(dǎo)型：利用超導(dǎo)材料在低溫條件下（約-270）零電阻特性（施加很小的電壓可得到非常大的電流）制成。磁場(chǎng)強(qiáng)度高，但需要將線圈放入液氦中進(jìn)行低溫處理來形成超導(dǎo)環(huán)境，需要一套復(fù)雜的低溫保障系統(tǒng)，超導(dǎo)磁體的價(jià)格昂貴，運(yùn)行費(fèi)用高。具有高場(chǎng)強(qiáng)、高均勻度、高穩(wěn)定性、高信噪比等優(yōu)點(diǎn)。成像系統(tǒng)中對(duì)主磁體的指標(biāo)、工藝都有很高要求： （1）大孔徑：整體成像最小直徑1米左右。 （2

9、）強(qiáng)磁場(chǎng)：當(dāng)前臨床所用超導(dǎo)磁鐵，磁場(chǎng)強(qiáng)度有0.2到7.0T（特斯拉），常見的為1.5T和3.0T；動(dòng)物實(shí)驗(yàn)用的小型MRI則有4.7T、7.0T與9.4T等多種主磁場(chǎng)強(qiáng)度。 （3）均勻度：表示特定容積限度內(nèi)磁場(chǎng)的同一性。主磁場(chǎng)的均勻度決定了圖像的分辨能力。均勻度要求在10-610-5PPM(Parts per million)主磁體的工藝要求主磁體的工藝要求二、梯度系統(tǒng)1、系統(tǒng)組成： 梯度線圈、梯度控制器及數(shù)模轉(zhuǎn)換器、梯度放大器2、梯度場(chǎng)的性能： 均勻容積、梯度場(chǎng)強(qiáng)度、梯度場(chǎng)的線性、梯度場(chǎng)的切換率和上升時(shí)間MR儀的三套梯度線圈第三節(jié)第三節(jié) 核磁共振儀的譜儀系統(tǒng)核磁共振儀的譜儀系統(tǒng)譜儀系統(tǒng)：也稱射

10、頻系統(tǒng)。是MRI中實(shí)施射頻激勵(lì) 并接收和處理RF信號(hào)的功能單元。包括射頻發(fā)生器與射頻接收器兩部分。射頻發(fā)生器：提供一個(gè)短而強(qiáng)的射頻場(chǎng)，以脈沖形式施加到成像物體上，使其質(zhì)子發(fā)生磁共振現(xiàn)象。它包括：頻率合成器、正交調(diào)制器、射頻功率放大器、射頻開關(guān)、射頻發(fā)射線圈。射頻接收器：接收MR信號(hào)調(diào)制的射頻信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化處理最終得到數(shù)字化信息。它包括：接收線圈、衰減器、射頻放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等第三章第三章 核磁共振的基本概念核磁共振的基本概念 主要內(nèi)容： 1、掌握核共振的基本概念； 2、了解什么是角動(dòng)量、核自旋、核磁矩；掌握拉莫爾進(jìn)動(dòng)的概念； 3、了解核磁矩在外磁場(chǎng)中的能量狀態(tài)，掌握核磁共振產(chǎn)生的原理；

11、重 點(diǎn)： 掌握核磁共振的基本概念及核磁共振產(chǎn)生的原理；第一節(jié)第一節(jié) 原子核的自旋和自旋磁矩原子核的自旋和自旋磁矩 一、原子核的組成與電核1、原子的組成原子原子核外電子核外電子原子核原子核質(zhì)子質(zhì)子中子中子（帶負(fù)電）（帶負(fù)電）（p,帶正電）帶正電）: mp=1.672610-27kg(n,不帶電不帶電): mn=1.674910-27kg 2、原子的表示、原子的表示AZXX X表示元素符號(hào)表示元素符號(hào)Z Z表示原子的質(zhì)子數(shù)表示原子的質(zhì)子數(shù)A表示原子的質(zhì)量數(shù)表示原子的質(zhì)量數(shù)O8163、原子核體積與質(zhì)量的關(guān)系、原子核體積與質(zhì)量的關(guān)系 原子核可近似看成球體；原子核的質(zhì)量數(shù)A與原子核球體半徑R的三次方成正

12、比。ARRV3033434R0為一常數(shù)：R0=1.21015m3、氫原子核、氫原子核氫是人體內(nèi)含量最豐富、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的元素。在人體中氫核（即質(zhì)子）的核磁共振信號(hào)強(qiáng)，靈敏度很高，因而目前臨床上磁共振成像就是利用質(zhì)子成像。本課程主要以質(zhì)子為例對(duì)核磁共振及成像原理進(jìn)行介紹。元素元素相對(duì)靈敏度相對(duì)靈敏度元素元素相對(duì)靈敏度相對(duì)靈敏度H1.000Na1103C2.5104P1.4103N3.1104K1.1104O4.9104Ca9.1106F6.3105Fe5.2109表2-1：人體組織中氫核與其他元素的MR信號(hào)相對(duì)靈敏度二、原子核的自旋1、角動(dòng)量的概念角動(dòng)量：描述物體轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的物理量。 質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)

13、繞距離為r的固定軸以速度v，角速度做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，其角動(dòng)量P為：mrmvrp22、電子軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量 軌道角動(dòng)量：電子繞原子做軌道運(yùn)動(dòng)所具有的角動(dòng)量，用Pl表示。)1, 2 , 1 , 0()1(2 nlllhPl普朗克常量：6.621034 J s角量子數(shù)主量子數(shù) 自旋角動(dòng)量：電子繞自身軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)具有的角動(dòng)量，用Ps表示。)1(2sshPs自旋量子數(shù)質(zhì)子、中子、電子的自旋量子數(shù)都為1/2一切粒子具有自旋，因而具有自旋角動(dòng)量一切粒子具有自旋，因而具有自旋角動(dòng)量電子軌道角動(dòng)量電子軌道角動(dòng)量電子自旋角動(dòng)量電子自旋角動(dòng)量總角動(dòng)量軌道角動(dòng)量總角動(dòng)量軌道角動(dòng)量+ +自旋角動(dòng)量自旋角動(dòng)量3、原子核

14、的自旋原子核的自旋又稱為原子核的角動(dòng)量。（1）原子核自旋由兩部分組成： 組成原子核的質(zhì)子、中子的自旋角動(dòng)量； 原子核的內(nèi)質(zhì)子、中子的軌道角動(dòng)量；（2）原子核自旋角動(dòng)量是核子的總角動(dòng)量的矢量和。由于核子角動(dòng)量成對(duì)抵消，原子核角動(dòng)量通常體現(xiàn)為不成對(duì)的核子角動(dòng)量的疊加。) 1(2IIhPI核自旋量子數(shù) 質(zhì)子（氫核）的核自旋量子數(shù)為：質(zhì)子（氫核）的核自旋量子數(shù)為：I=1/2I=1/2（3）不同的核具有不同的自旋量子數(shù)（4）在外磁場(chǎng)B的作用下原子核的核角動(dòng)量在空間取向只能取特定的幾種方向，即空間取向量子化（用mI表示）。mI 稱為核的磁量子數(shù)，對(duì)于確定的I，其取值為：IIIIImI , 1,2, 1,原

15、子核的核角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方向的投影為：2hmPIIZPIZPIZ 外磁場(chǎng)中質(zhì)子的角動(dòng)量?jī)H兩個(gè)取向： mI =1/2; =1/2; mI =-1/2;=-1/2;無外磁場(chǎng)時(shí)質(zhì)子的自旋。三、原子核的磁矩磁矩：磁矩：環(huán)形電流i與它所圍面積s的乘積，用表示，其方向服從右手螺旋關(guān)系。原子核的磁矩：原子核的磁矩：組成原子核的各核子的磁矩的矢量和。原子核的磁矩具以下特點(diǎn)：（1）由本征磁矩和軌道磁矩組成；（2）質(zhì)子磁矩為正，中子磁矩為負(fù)，但不能相互抵消；質(zhì)子與質(zhì)子配對(duì)，中子與中子配對(duì)，配對(duì)后總磁矩為零。（3）原子核的磁矩I與原子核角動(dòng)量PI的關(guān)系為：IIIPmeg2朗德因子質(zhì)子電荷質(zhì)子質(zhì)量IIIIPPmeg2N

16、IIIIIIIgIImehgPmeg) 1() 1(42核磁子N原子核的旋磁比，不 同原子核具有不同旋磁比。IZIZ (1)外磁場(chǎng)中質(zhì)子的核磁矩：(2)自旋量子數(shù)不為零的核都具有磁矩; IZIIZPmeg2第二節(jié)第二節(jié) 外磁場(chǎng)中的原子核外磁場(chǎng)中的原子核一、拉莫爾進(jìn)動(dòng) 原子核在外磁場(chǎng)的作用下繞自身軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)又繞外磁場(chǎng)方向進(jìn)動(dòng)稱為拉莫爾進(jìn)動(dòng)。它是產(chǎn)生核磁共振的主要機(jī)制。（1）拉莫爾進(jìn)動(dòng)由磁力矩而產(chǎn)生；磁矩為的原子核在均勻磁場(chǎng)B0中所受磁力矩為：M= B0（2）拉莫爾進(jìn)動(dòng)方向：垂直與B0所確定的平面的方向。（3）拉莫爾方程：00BBPII拉莫爾角頻率。二、塞曼能級(jí) 當(dāng)原子核在外磁場(chǎng)中，受磁場(chǎng)作用在

17、原來能量E0的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生附加能量Em：0BcosImE為與B0間的夾角（1） 當(dāng)=/2時(shí)： 與B0垂直， Em為0，即附加能量為0；（2） 當(dāng)/2時(shí)： Em/2時(shí)： Em0，即原子核能量增加；1、原子核的附加能量2、塞曼能級(jí) 在外磁場(chǎng)的作用下原子核的自旋在空間中只能取特定的幾種方向，空間取向不同，其能量也不同，形成能級(jí)分裂，這種現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)，分裂后的能級(jí)稱為塞曼能級(jí)。（1） 分裂后的塞曼能級(jí)正、負(fù)對(duì)稱，且間距均為Em=gI NB0 ；（2） 只在相鄰塞曼能級(jí)間進(jìn)行躍遷；（3） 無外界激勵(lì)時(shí)，塞曼能級(jí)間存在自發(fā)躍遷；外磁場(chǎng)中質(zhì)子的塞曼能級(jí)： mI =1/2 =1/2 時(shí), ,自旋方向與B0

18、平行， E1=-0.5gI NB0 mI = -1/2= -1/2時(shí), ,自旋方向與B0反平行， E2=0.5gI NB0E1=E0-0.5EmE2=E0+0.5EmE2-E1=Em第三節(jié)第三節(jié) 核磁共振現(xiàn)象核磁共振現(xiàn)象核磁共振核磁共振：若在與外磁B0垂直的平面內(nèi)施加一個(gè)射頻脈沖，其能量正好等于核的兩相鄰能級(jí)間的能量差時(shí)，原子核會(huì)強(qiáng)烈吸收射頻脈沖的能量，從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，這種現(xiàn)象稱為核磁共振。射頻脈沖（射頻脈沖（ radio frequency pulse, RF）：電磁波脈沖，即短促的電磁波頻率為的射頻脈沖其脈沖能量為： E=h產(chǎn)生磁共振的條件：(1) 核有自旋(磁性核)(2) 外磁場(chǎng)，

19、能級(jí)分裂(3) 脈沖能量與原子核相鄰能級(jí)能量差相等，即h=E=gI NB00021BhBgNI02B原子核在B0中的拉莫爾角頻率（1）當(dāng)射頻脈沖的角頻率與原子核在磁場(chǎng)B0中的拉莫爾角頻率相等時(shí)，會(huì)產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象；（2）不同原子核，其旋磁比也不同，相應(yīng)的核磁共振頻率也不同；（3）相同原子核，外磁場(chǎng)越強(qiáng)，其核磁共振頻率就越高。第四章第四章 核磁共振的宏觀描述核磁共振的宏觀描述主要內(nèi)容： 1、理解什么是磁化強(qiáng)度、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 2、理解并掌握什么是縱向磁化、橫向磁化；了解/2脈沖、脈沖以及部分翻轉(zhuǎn)脈沖的概念； 3、掌握縱向弛豫、橫向弛豫以及縱向弛豫時(shí)間及橫向弛豫時(shí)間等概念；重 點(diǎn)：掌握縱向弛豫、橫向弛

20、豫以及縱向弛豫時(shí)間及橫向弛豫時(shí)間等概念； 磁 化：磁場(chǎng)中的物體在外磁場(chǎng)作用下，在磁場(chǎng)方向上產(chǎn)生磁性的過程。不同物質(zhì)磁化程度不同，磁化大小用磁化強(qiáng)度m表示。 磁化強(qiáng)度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所有原子核磁矩的矢量和； 磁化率 ：物體在磁場(chǎng)中被磁化產(chǎn)生磁化的能力（磁敏感性），定義為產(chǎn)生磁化強(qiáng)度與施加磁場(chǎng)之比：第一節(jié)第一節(jié) 基本概念基本概念VMiHM第二節(jié)第二節(jié) 核磁共振核磁共振一、平衡態(tài)(1) 當(dāng)沒有外磁場(chǎng)時(shí)，核磁矩的方向雜亂無章，對(duì)外合成磁矩為零，其磁化矢量 M0，即不呈現(xiàn)磁性。(2) 在外磁場(chǎng)B0的作用下，各核磁矩圍繞該磁場(chǎng)拉莫進(jìn)動(dòng),并產(chǎn)生能級(jí)分裂?？v向：與外磁場(chǎng)B0平行的方向；橫向：與外磁場(chǎng)B0垂直的方向

21、；縱向磁化：物質(zhì)在外磁場(chǎng)中產(chǎn)生的沿外磁場(chǎng)方向的磁化強(qiáng)度矢量M0。沒有外磁場(chǎng)時(shí)原子核的分布外磁場(chǎng)作用下原子核的分布（1）在外磁場(chǎng)的作用下，磁場(chǎng)中的原子核繞B0進(jìn)動(dòng)并產(chǎn)生能級(jí)分裂，根據(jù)玻爾茲曼分布規(guī)律，處在低能級(jí)的核子數(shù)多于高能級(jí)的核子數(shù)，從而產(chǎn)生縱向磁化矢量M0；（2）由于核子的分布是均勻的，所以它們?cè)赬OY平面上的分量相互抵消，即橫向分量Mxy=0; M00,產(chǎn)生縱向磁化；Mxy=0，無橫向磁化；質(zhì)子不停圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)，該圖描述的是某一時(shí)刻質(zhì)子的狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系：描述核磁共振的一種基本概念；其Z軸及原點(diǎn)O不變，XOY軸旋轉(zhuǎn)。M0和Mxy的矢 量 和 M M0二、激發(fā)態(tài) 核磁共振沿著x軸方向施加一

22、射頻脈沖B1，當(dāng)射頻脈沖的角頻率等于原子核的拉莫爾角頻率時(shí)，則產(chǎn)生核磁共振。此時(shí)，原子核吸收相同頻率的射頻磁場(chǎng)能量而從平衡態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)； 激發(fā)射頻磁場(chǎng)對(duì)自旋系統(tǒng)的作用過程（1）射頻脈沖的作用下，質(zhì)子吸收射頻能量由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，造成縱向磁化矢量M0減小；（2）射頻脈沖使質(zhì)子不再均勻分布，而是進(jìn)行同相位旋轉(zhuǎn)，即同方向同速度旋轉(zhuǎn); 橫向磁化所有質(zhì)子在同一時(shí)刻指向同一方向以拉莫爾角頻率繞外磁場(chǎng)進(jìn)動(dòng)，其核磁矩在該方向的疊加所表現(xiàn)出的磁化強(qiáng)度。M00，產(chǎn)生橫向磁化；M0和Mxy的矢量和M M 0+ MxyM相當(dāng)于M0向XOY軸偏轉(zhuǎn)角三、馳豫過程 馳豫過程質(zhì)子系統(tǒng)的激發(fā)態(tài)是不平衡的狀態(tài)，當(dāng)去掉射頻脈沖

23、時(shí)，質(zhì)子將會(huì)恢復(fù)到原來的平衡態(tài)， 質(zhì)子的這種從激發(fā)態(tài)向平衡態(tài)恢復(fù)的過程就稱之為馳豫過程； 馳豫過程包括兩方面: 縱向弛豫過程:縱向磁化分量M0的恢復(fù) 橫向弛豫過程:橫向磁化分量 MXY的衰減 縱向馳豫與橫向弛豫同時(shí)開始但各自獨(dú)立；弛豫：Relaxation;1、縱向弛豫過程：放出能量，從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷；縱向磁化逐漸增加；稱為T1弛豫過程,又稱熱弛豫或自旋晶格弛豫，主要反映局部的能量交換信息 。c、最后回歸原始狀態(tài)，縱向磁化恢復(fù)到最大a、射頻結(jié)束瞬間，縱向磁化為零，橫向磁化最大；b、反平行質(zhì)子釋放能量躍遷回平衡態(tài)，縱向磁化逐漸增大2、橫向弛豫過程：質(zhì)子的自旋作用造成質(zhì)子系統(tǒng)的相位分散，橫向磁

24、化矢量逐漸減??；也稱為T2弛豫過程。a、射頻結(jié)束瞬間，橫向磁化達(dá)到最大,進(jìn)動(dòng)相位一致b、質(zhì)子之間的相互作用造成的磁場(chǎng)的差異使得進(jìn)動(dòng)相位分散，橫向磁化矢量逐漸減小d 、最終相位完全分散，橫向磁化矢量為零質(zhì)子的自旋自旋：當(dāng)兩個(gè)自旋質(zhì)子彼此靠近時(shí)，一個(gè)質(zhì)子自旋產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)影響鄰近它的質(zhì)子，其結(jié)果是使它們均勻分布。3、馳豫過程的綜合表示（三種運(yùn)動(dòng)的綜合過程）(1)磁化矢量的進(jìn)動(dòng)(2)縱向磁化增大(3)橫向磁化減小弛豫時(shí)間：當(dāng)去掉射頻脈沖時(shí)，質(zhì)子從激發(fā)態(tài)恢復(fù)到原來的平衡態(tài)所需時(shí)間。馳豫時(shí)間包括：縱向馳豫時(shí)間縱向馳豫時(shí)間T1:T1:用于描述質(zhì)子從被激發(fā)的狀態(tài)恢復(fù)到平行狀態(tài)時(shí)縱向磁化強(qiáng)度MZ逐漸增大的快慢的

25、物理量。縱向恢復(fù)可表示為：橫向馳豫時(shí)間橫向馳豫時(shí)間T2T2：用于描述質(zhì)子從被激發(fā)的狀態(tài)恢復(fù)到平行狀態(tài)時(shí)橫向磁化強(qiáng)度Mxy衰減的快慢的物理量，橫向恢復(fù)可表示為：4、弛豫時(shí)間2/max)(TtxyxyeMtM)1()(1/0TtZeMtM T2比T1快510倍，當(dāng)縱向磁化強(qiáng)度恢復(fù)到M0時(shí)，橫向磁化強(qiáng)度Mxy早已恢復(fù)到0.（1）縱向弛豫快慢遵循指數(shù)遞增規(guī)律，縱向馳豫時(shí)間T1的值定義為：從0增大到最大值M0的63%的所需時(shí)間。T1是組織的固有特性，給定外磁場(chǎng)的情況下不同組織的T1值不同； T1受外磁場(chǎng)的影響，同一組織當(dāng)外磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)則T1越長(zhǎng)；（2）橫向弛豫快慢遵循指數(shù)遞增規(guī)律，橫向馳豫時(shí)間T2的值定

26、義為：從最大值Mxymax下降到最大值的37%所需時(shí)間。T2與磁場(chǎng)強(qiáng)度無關(guān)；不同成分和結(jié)構(gòu)的組織T2不同，例如水的T2值要比固體的T2值長(zhǎng)；T2的長(zhǎng)短取決于組織內(nèi)部的局部小磁場(chǎng)的均勻性對(duì)小磁化散相的有效性；幾種常見組織在不同場(chǎng)強(qiáng)下的T1，T2及質(zhì)子密度值組織T1T2質(zhì)子密度(%)0.2T1.0T1.5T脂肪240-609.6白質(zhì)3906207187610.6灰質(zhì)4908109989110.6腦脊液14002500300014010.8肌肉370730860509.3四、射頻脈沖及翻轉(zhuǎn)角縱向磁強(qiáng)度M0在射頻脈沖的作用下，偏離Z軸與Z軸成角，這個(gè)稱為翻轉(zhuǎn)角(1)/2脈沖:正好使M0翻轉(zhuǎn)到XOY平面

27、上的射頻脈沖稱為/2脈沖；(2)脈沖:正好使M0翻轉(zhuǎn)到Z軸的負(fù)方向的射頻脈沖稱為脈沖；(3)角脈沖:在射頻脈沖作用下 ，使M0翻轉(zhuǎn)偏離Z軸角度，且T1(b)重復(fù)時(shí)間TRT1(b)重復(fù)時(shí)間TRT1第二個(gè)/2脈沖（3-a）充分的時(shí)間完成馳豫過程，從而： 恢復(fù)的縱向磁化 MzM0 ； 橫向磁化Mxy= 0 ；重復(fù) / 2 脈沖 ， 上述 過 程重復(fù)；（3-b）馳豫過程來不及完成，從而： 恢復(fù)的縱向磁化 MzT1B）：TR1MZA1MZB1(1) 使用較小的TR1時(shí)，組織B較組織A縱向馳豫恢復(fù)快，因而MZB1明顯大于MZA1，信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比明顯；TR2MZA2MZB2(2) 使用較大的TR2時(shí)，組織B

28、與組織A縱向馳豫都接近M0，因而MZB2與MZA2，差異不大，信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比不明顯；注：MRI圖像中不同組織的灰度取決于組織MR信號(hào)的強(qiáng)度，信號(hào)越強(qiáng)，圖像就越亮。結(jié)論：短結(jié)論：短TRTR增加增加T T1 1對(duì)比，長(zhǎng)對(duì)比，長(zhǎng)TRTR減弱減弱T T1 1對(duì)對(duì)比。比。2、翻轉(zhuǎn)角對(duì)組織信號(hào)強(qiáng)度的影響 對(duì)于特定T1組織，在給定的短TR條件下，信號(hào)強(qiáng)度與翻轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系如下：（1）翻轉(zhuǎn)角越大，縱向磁化強(qiáng)度越小，橫向磁化強(qiáng)度越大。翻轉(zhuǎn)到橫向的磁化強(qiáng)度才可以被測(cè)到；（2）翻轉(zhuǎn)角越小，縱向磁化強(qiáng)度越大，橫向磁化強(qiáng)度越??；每次脈沖激勵(lì)時(shí)縱向磁化強(qiáng)度大，則信號(hào)強(qiáng)度也大；（3）產(chǎn)生最高信號(hào)強(qiáng)度的理想翻轉(zhuǎn)角由組織T1與所

29、用TR決定，這個(gè)理想的翻轉(zhuǎn)角稱為Ernst角；3、T1與生物組織的關(guān)系 T1的大小與組織中質(zhì)子把它們的能量釋放到周圍的晶格，或從周圍晶格吸收能量的過程有關(guān)。當(dāng)組織中的質(zhì)子的自然運(yùn)動(dòng)角頻率與拉莫爾角頻率接近時(shí)，將產(chǎn)生最有效的能量傳遞，該組織具有最小的T1。 質(zhì)子的自然運(yùn)動(dòng)頻率取決于組織的物理狀態(tài)，它受到與它們相連或周圍鄰近原子的影響：質(zhì)子所處組織質(zhì)子所處組織質(zhì)子的自然運(yùn)動(dòng)角頻率質(zhì)子的自然運(yùn)動(dòng)角頻率T1T1值值自由水中的質(zhì)子遠(yuǎn)大于拉莫爾角頻率較長(zhǎng)固體中的質(zhì)子低于拉莫爾角頻率中等結(jié)合水中的質(zhì)子與拉莫爾角頻率相似較短脂肪中的質(zhì)子與拉莫爾角頻率相似最短生物組織中T1測(cè)量值取決于組織中水的含量：腦脊液、水

30、腫區(qū)、壞死組織及腫瘤等含有大量自由水，具有較長(zhǎng)T1值；脂肪及蛋白質(zhì)溶液具有短的T1值。第二節(jié)第二節(jié) 橫向磁化及橫向磁化及T2對(duì)比對(duì)比一、回波時(shí)間TE回波時(shí)間TR（echo time TE）:從橫向磁化強(qiáng)度最初產(chǎn)生到接收信號(hào)間的時(shí)間間隔被稱為回波時(shí)間，又稱為回波延遲時(shí)間。當(dāng)射頻脈沖激勵(lì)后，橫向磁化強(qiáng)度矢量Mxy從最大值Mxymax開始按指數(shù)衰減，衰減原因：（1）自旋自旋相互作用；（2）外磁場(chǎng)不均勻性； 在接收線圈中，接收信號(hào)SI的強(qiáng)度直接取決于橫向磁化強(qiáng)度Mxy。 Mxy按以下指數(shù)關(guān)系衰減： )(1)(21/TTETTReeHSI二、TE與橫向磁化強(qiáng)度Mxy的關(guān)系2/max)(TtxyxyeMt

31、M接收信號(hào)強(qiáng)度SI與回波時(shí)間的關(guān)系如下： 未考慮磁場(chǎng)不均勻的情況點(diǎn)A處開始檢測(cè)，即TE=0時(shí)開始檢測(cè)，此時(shí)信號(hào)最強(qiáng)。點(diǎn)B處開始檢測(cè)，即TE0時(shí)開始檢測(cè)，此時(shí)信號(hào)隨時(shí)間延長(zhǎng)按指數(shù)衰減。三、組織的T2對(duì)比 對(duì)于質(zhì)子密度相同的兩種組織A 和B，由于它們的質(zhì)子密度相同，因而它們?cè)谕獯艌?chǎng)B0中產(chǎn)生的縱向磁化強(qiáng)度M0 相同，由于A與B是不同的組織因而它們的橫向馳豫時(shí)間T2不同，其衰減曲線如下圖（T2AT2B）：T2值是根據(jù)衰減曲線從t=0處畫其切線，切線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)即為T2值。 兩種組織信號(hào)強(qiáng)度之比為：)/()(/22/BATTETTEBAeeSISI1、T2與組織對(duì)比(1) 使用較小的TE1時(shí)，組織A

32、與組織B橫向磁化衰減剛開始，因而MxyA1與MxyB1信號(hào)差異較小，信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比不明顯；(2) 使用適中的TE2時(shí)，組織B 比組織A橫向磁化衰減明顯要快，因而MxyB2與MZxyA2差異明顯，信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比明顯；結(jié)論：非常短以及非常長(zhǎng)的結(jié)論：非常短以及非常長(zhǎng)的TETE都不能得到明顯的都不能得到明顯的T2T2對(duì)比，適當(dāng)選擇對(duì)比，適當(dāng)選擇 TETE才可才可得到較好的得到較好的T2T2對(duì)比對(duì)比TE1TE2TE3(3) 使用較大的TE3時(shí)，組織A 比組織B橫向磁化衰減都接近于0，兩種組織的信號(hào)強(qiáng)度都非常低，沒有臨床應(yīng)用價(jià)值；MxyA1MxyB1MxyA2MxyB22、T2與生物組織的關(guān)系質(zhì)子所處組織質(zhì)子

33、所處組織質(zhì)子間的距離質(zhì)子間的距離T1T1值值自由水質(zhì)子間距離較遠(yuǎn)較長(zhǎng)脂肪組織質(zhì)子間距離較近中等蛋白質(zhì)組織質(zhì)子間距離較近中等固體組織質(zhì)子間距離很近較短蛋白質(zhì)液體與蛋白質(zhì)含量有關(guān)最短T2是組織的固有特性，僅取決于組織的性質(zhì)，即組織的T2值取決于該組織內(nèi)的氫質(zhì)子失相伴的速率。不同組織的T2值如下表：T2值在醫(yī)學(xué)臨床的應(yīng)用：具有較長(zhǎng)T2值的組織：腦脊液、腎、水腫、多發(fā)性硬化斑塊以及腫瘤，這些組織的T2信號(hào)為較強(qiáng)信號(hào)；T2具有較短值的組織：肺癌、成骨性腫瘤、胰腺癌等纖維化腫瘤；正常的脾臟、肝臟、肌肉等較短；這些組織的T2信號(hào)較弱；第三節(jié)第三節(jié) T1加權(quán)、加權(quán)、T2加權(quán)、質(zhì)子密度加權(quán)加權(quán)、質(zhì)子密度加權(quán)Mx

34、y衰減規(guī)律為： 2/max)(TtxyxyeMtM結(jié)合縱向磁化 ，則Mxy衰減可表示為： )1(1/0maxTTRxyeMM)(1 ()(21/0TtTTRxyeeMtM)(1)(21/TtTTRxyeeHM由于初始縱向磁化強(qiáng)度M0與質(zhì)子密度 成正比，因而： )(H*質(zhì)子密度：表示組織內(nèi)能夠充分移動(dòng)以改變方向和沿外磁場(chǎng)方向排列的質(zhì)子數(shù)。 不同組織的初始磁化強(qiáng)度由質(zhì)子密度的大小決定：水的質(zhì)子密度大于 脂肪組織，脂肪組織的質(zhì)子密度大于固體組織因此：M0水M0脂肪M0固體M0水M0脂肪M0固體T1加權(quán)圖像：信號(hào)的強(qiáng)度主要由組織的加權(quán)圖像：信號(hào)的強(qiáng)度主要由組織的T1決定，用這決定，用這種信號(hào)重建的圖像

35、稱為種信號(hào)重建的圖像稱為T1加權(quán)圖像；（選用較短的加權(quán)圖像；（選用較短的TR與與TE值；）值；）T2加權(quán)圖像：依賴的強(qiáng)度主要由組織的加權(quán)圖像：依賴的強(qiáng)度主要由組織的T2決定，用這決定，用這種信號(hào)重建的圖像稱為種信號(hào)重建的圖像稱為T1加權(quán)圖像；（選用較長(zhǎng)的加權(quán)圖像；（選用較長(zhǎng)的TR值值 以及較長(zhǎng)的以及較長(zhǎng)的TE值；）值；）質(zhì)子密度圖像：信號(hào)的強(qiáng)度由氫質(zhì)子密度決定，則這質(zhì)子密度圖像：信號(hào)的強(qiáng)度由氫質(zhì)子密度決定，則這種信號(hào)重建的圖像稱為質(zhì)子密度加權(quán)圖像。（選用較長(zhǎng)的種信號(hào)重建的圖像稱為質(zhì)子密度加權(quán)圖像。（選用較長(zhǎng)的TR與較短的與較短的TE值；）值；）第四節(jié)第四節(jié) 重聚焦射頻脈沖和自旋回波重聚焦射頻脈

36、沖和自旋回波一、重聚焦射頻脈沖(refocusing pulse)由于磁場(chǎng)和化學(xué)位移的非均勻性等非T2原因使橫向磁化快速衰減，導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降，因而在接收信號(hào)之前再用一個(gè)射頻脈沖，使非T2因素已經(jīng)開始衰減的橫向磁化的相位再重新聚集在一起，這樣的射頻脈沖稱為重 聚焦脈沖。（1）重聚焦脈沖在TE/2時(shí)刻施加，即在回波時(shí)間的是間使用重聚焦脈沖，也就是射頻脈沖與回波峰值 時(shí)間之間的中點(diǎn)；（2）重聚焦脈沖采用脈沖最有效，稱為重聚焦脈沖；（3）一個(gè)重聚焦脈沖后接收的信號(hào)稱為自旋回波，它是FID信號(hào)的恢復(fù)；（4） 重聚焦脈沖可以校正由于磁場(chǎng)的非均勻性和化學(xué)位移等非T2因素所引起的質(zhì)子失相位；二、自旋回波 (

37、spin echo)自旋回波脈沖序列就是通過使用重聚焦脈沖來獲得自旋回波的，它是首先施加/2脈沖，經(jīng)過時(shí)間就可獲得一個(gè)回波，這個(gè)回波就是自旋回波，也就是說在接收信號(hào)的中間時(shí)刻施加重聚焦脈沖，接收信號(hào)的時(shí)刻就能夠接收到自旋回波。回波信號(hào)的特點(diǎn)：（1）回波形狀：回波形狀恰似兩個(gè)FID信號(hào)背靠背對(duì)接起來。這說明在/2脈沖作用后和重聚焦脈沖作用前的時(shí)間內(nèi)是散相運(yùn)動(dòng)，橫向磁化強(qiáng)度衰減；在到2的時(shí)間內(nèi)是聚相運(yùn)動(dòng)，并且在2時(shí)刻達(dá)到相位一致，即達(dá)到回波峰值，之后又是散相運(yùn)動(dòng)。（2）回波峰值：在t=0到t= 2期間，由于磁場(chǎng)不均勻造成失相，通過重聚焦脈沖使相位在2時(shí)刻變?yōu)橐恢?，但在這期間由于質(zhì)子自旋自旋作用仍然

38、造成橫向磁化強(qiáng)度的衰減。即從FID信號(hào)峰值到自旋回波峰值之間按T2規(guī)律衰減。（3）自旋回波衰減速率：自旋回波信號(hào)衰減較快，與FID信號(hào)一樣由T2*決定。TRTE=TE/2FIDecho課后思考:1.縱向磁化矢量的恢復(fù)正比于：(a) e-t/T1 (b) e-t/T2 (c) 1- e-t/T1 (d) 1- e-t/T2 2.橫向磁化矢量的衰減正比于： (a) e-t/T1 (b) e-t/T2 (c) 1- e-t/T1 (d) 1- e-t/T23.下列哪個(gè)是正確的： (a) T2T2*T1 (b) T2*T2T1 (c) T1T2T2* (d) T1T2*T24.判斷： T2*受外磁場(chǎng)不

39、均勻性的影響5.判斷： T2受外磁場(chǎng)不均勻性的影響6.判斷： T2受T2*的影響7.判斷：FID的衰減率由T2決定1,c;2,b;3,c;4,Y;5,N;6,N;7,N8、計(jì)算題：腦白質(zhì)與腦脊液二者的T1、T2值分別如下：白質(zhì)（WM）：T1500ms,T2=100ms腦脊液（CSF）： T12000ms,T2=200ms假定二者自旋密度(H)=100。(1) 在TR=2000ms時(shí)求出腦白質(zhì)與腦脊液的相對(duì)信號(hào)比值（圖中的A點(diǎn)與B點(diǎn)）(2) 計(jì)算TE的交叉點(diǎn)，即腦白質(zhì)一腦脊液有相等的T2信號(hào)時(shí)的回波時(shí)間（C點(diǎn)）(3) 計(jì)算腦白質(zhì)和腦脊液在TE25ms時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度，腦脊液/腦白質(zhì)的比值；(4) 計(jì)

40、算當(dāng)TR3000ms，TE=200ms時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度，腦脊液/腦白質(zhì)的比值；注：e-0.13=0.88;e-0.25=0.78; e-1=0.37; e-1.5=0.22; e-2=0.14; e-4=0.02; e-60; Ln2=0.69; ln0.78=-0.25; 1.5688ms0.722.06第六章第六章 圖像重建：層面選取圖像重建：層面選取主要內(nèi)容：1. 核磁共振成像的基本原理：了解人體磁共振成像的生理基礎(chǔ)；掌握?qǐng)D像重建的基本原理；了解傅利葉變換及傅利葉成像等模仿；2. 了解線性梯度場(chǎng)的概念；掌握層面的選擇；掌握層厚（THK）的概念；3. 層間交叉；層面選擇失相位和復(fù)相位；中心頻率

41、重 點(diǎn)：1. 掌握核磁共振成像的基本原理；2. 了解如何進(jìn)行層面選擇及層厚的原理，掌握其原理；3. 了解什么是中心頻率； 第一節(jié)第一節(jié) 核磁共振成像核磁共振成像一、醫(yī)學(xué)圖像的基礎(chǔ)知識(shí)1、體素與像素體素（voxel)：代表人體組織的小的體積元，它是一個(gè)空間概念，有長(zhǎng)、寬、高等尺寸，通常用體積或容積描述體素大小。體素越大，所包含的質(zhì)子就越多，它的磁共振信號(hào)就越強(qiáng)。像素（pixel)：圖像的最小單位，一幅圖像是由許多縱橫排列的像素構(gòu)成的一個(gè)矩陣，矩陣的每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)圖像中的一個(gè)像素。像素體素磁共振成像時(shí)，每個(gè)體素所發(fā)出的MR信號(hào)被轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像中的像素亮度信息，信號(hào)強(qiáng)，像素就亮，反之則暗。而體素發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)

42、度又由體素內(nèi)組織的質(zhì)子密度、馳豫時(shí)間等因素決定。2、灰度與灰階灰度：圖像中像素的亮度稱為灰度，表示灰度高低的數(shù)值稱為灰度值灰階（灰度級(jí)）：將一定范圍內(nèi)的灰度值分為若干個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)叫一個(gè)灰度級(jí)，相同灰度級(jí)的亮度相同，不同灰度級(jí)亮度不同。計(jì)算機(jī)灰度表示方法：用全表示黑，用全表示白，二進(jìn)制位數(shù)代表灰度級(jí)的多少，位數(shù)越多，灰度級(jí)就越多。圖像深度：在圖像中表示像素亮度值的二進(jìn)制位數(shù)即為圖像深度。3、圖像的窗口技術(shù)l 根據(jù)DICOM 3.0標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，醫(yī)學(xué)圖像的深度（包括MRI）應(yīng)為12位，即圖像中每個(gè)像素的亮度將用2124096個(gè)灰階來表示。l 人的肉眼只能分辨出64個(gè)灰度級(jí)的變化；l 計(jì)算機(jī)的顯示

43、具有256(普通)或1024 (高級(jí))個(gè)灰度級(jí)；窗口技術(shù)：在4096個(gè)灰階的僅取出灰度值在一定范圍的像素按其灰階進(jìn)行顯示，而將灰度值大于給定范圍的像素置為全白，灰度值小于給定范圍的像素置為全黑。窗寬（256個(gè)灰階）下限上限窗位全黑全白二、MRI成像1、人體MRI成像的生理基礎(chǔ)l臨床MRI是靠水質(zhì)子給出的信息進(jìn)行成像診斷的；l在整個(gè)人體的臟器、組織中，水載著細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境的信息；l人體水的特性包括：密度分布、存在狀態(tài)以及運(yùn)動(dòng)情況；l水質(zhì)子成像參數(shù)包括：質(zhì)子密度成像、T1加權(quán)成像、T2加權(quán)成像以及分子自擴(kuò)散系數(shù)D成像等；磁磁共共振振成成像像過過程程框框圖圖處于靜磁場(chǎng)的成像物體用Z軸方向的梯度磁場(chǎng)選擇

44、層面用X軸方向的梯度磁場(chǎng)頻率編碼用Y軸方向的梯度磁場(chǎng)相位編碼信號(hào)采集信號(hào)處理，得到數(shù)字圖像層面圖像顯示2、MRI成像的過程3、MRI成像的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）多參數(shù)成像，可提供豐富的診斷信息；（2）高對(duì)比度成像，尤其是可獲得高對(duì)比度的軟組織的圖像。（3）任意方位斷層，可從三維觀察人體。MRI使用三個(gè)線性梯度場(chǎng)任意組合來選定所需層面，所選層面可以是橫軸位、矢狀位、冠狀位，也可以是任意方位的層面；（4）人體能量代謝研究，將解剖結(jié)構(gòu)觀察和功能代謝情況觀察相結(jié)合。MRI的出現(xiàn)，使疾病診斷深入到分子生物學(xué)水平；（5）無電離輻射，對(duì)人體沒有損傷。局限：（1）成像速度較慢；（2）對(duì)鈣化灶和骨皮質(zhì)病灶不夠敏感；（

45、3）圖像易受多種偽影影響；（4）禁忌癥多；（5）定量診斷困難；第二節(jié)第二節(jié) 層面選擇層面選擇一、基本概念1、磁體坐標(biāo)系： MRI系統(tǒng)的磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)可分為水平磁場(chǎng)與垂直磁場(chǎng)。本章主要基于縱向磁場(chǎng)進(jìn)行分析。水平磁場(chǎng)垂直磁場(chǎng)B0（Z）B0(Z)一般常導(dǎo)和超導(dǎo)磁體一般常導(dǎo)和超導(dǎo)磁體產(chǎn)生水平磁場(chǎng)，水平產(chǎn)生水平磁場(chǎng)，水平方向（人體長(zhǎng)軸）為方向（人體長(zhǎng)軸）為Z方向方向一般永磁體產(chǎn)生垂直一般永磁體產(chǎn)生垂直磁場(chǎng)，垂直方向?yàn)榇艌?chǎng)，垂直方向?yàn)閆方方向，人體長(zhǎng)軸一般定向，人體長(zhǎng)軸一般定義為義為X方向方向YZXZXY2、三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)斷面： 橫斷面、矢狀面、冠狀面；3、線性梯度場(chǎng)（linear field gradient

46、） 磁感應(yīng)強(qiáng)度大小隨位置以線性方式變化的磁場(chǎng)，簡(jiǎn)稱梯度場(chǎng)。MRI系統(tǒng)中在x、y和z軸均使用了線性梯度場(chǎng)，分別稱為Gx、Gy、Gz。線性梯度磁場(chǎng)是MRI系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一。一般儀器一旦出廠，線性梯度場(chǎng)性能就已經(jīng)設(shè)定好，不能更改。線性梯度磁場(chǎng)的強(qiáng)度一般為外磁場(chǎng)的數(shù)千分之一，單位為mT/m。 u梯度場(chǎng)B的大小和方向均可改變。u主磁場(chǎng) B0是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，其大小和方向是固定不變的。u 中心的場(chǎng)強(qiáng)總為零，與B0疊加后，磁體中心的場(chǎng)強(qiáng)不變。4、梯度場(chǎng)與主磁場(chǎng)的疊加二、層面選擇1、層面選擇： 在外磁場(chǎng)方向，疊加一個(gè)同方向線性梯度場(chǎng)Gz，由于梯度場(chǎng)的作用使用不同位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度不同，根據(jù)拉莫爾進(jìn)動(dòng)公式，若把射頻脈沖

47、的頻率設(shè)計(jì)為滿足甘醇 層的磁共振條件時(shí)，該層將產(chǎn)生核磁共振，而其他層因不滿足條件，而不產(chǎn)生核磁共振。激發(fā)核磁共振的射頻脈沖的頻率水同，可使不同層面產(chǎn)生 核磁共振，這一過程稱為層面選擇，或選片。2、層面選擇脈沖：Gz（section select gradient）去相位波復(fù)相位波梯度脈沖復(fù)相位波應(yīng)滿足：若復(fù)相位波與去相位波強(qiáng)度相同，則復(fù)相位波作用時(shí)間為去相位波作用時(shí)間的一半；若它們的作用時(shí)間相同，則復(fù)相位波的強(qiáng)度是去相位波的一半。從而保證它除了使質(zhì)子進(jìn)動(dòng)相位恢復(fù)一致外，沒有其他影響。層面選擇梯度的特點(diǎn)：（1）層面選擇梯度在射頻脈沖作用時(shí)才開啟，射頻脈沖作用后關(guān)閉；（2）層面選擇梯度包括去相位波

48、與復(fù)相位波兩部分；（3）用不同頻率的射頻脈沖激勵(lì)不同的層面產(chǎn)生 磁共振，它是以層面選擇梯度Gz不變?yōu)榛A(chǔ)的；（4）層面選擇梯度與成像的平面有關(guān)，Gz對(duì)應(yīng)橫斷面；Gx對(duì)應(yīng)矢狀面；Gy對(duì)應(yīng)冠狀面；3、層厚（thickness, HTK）及帶寬 層厚：在MRI中，層厚表示一定厚度的掃描層面，即在實(shí)際臨床操作中層面的選取都是有一定厚度。 帶寬：由于選片梯度的作用，每一層面內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小是不均勻的，是在一定范圍內(nèi)線性變化的，它們對(duì)應(yīng)一定的磁場(chǎng)范圍，因而，使該層面發(fā)生磁共振的射頻脈沖頻率將不是單一的拉莫爾頻率，而是具有一定的頻率范圍，這個(gè)頻率范圍就稱為帶寬。決定層厚的因素：(1)射頻脈沖的帶寬：帶寬越寬

49、，對(duì)應(yīng)的層厚就越厚。(2)層面選擇梯度Gz：Gz斜率越大，即變化越快，對(duì)應(yīng)的層厚越小(3)帶寬與層厚Z間的關(guān)系為：=GzZGz層厚層厚與圖像質(zhì)量的關(guān)系：層厚與圖像質(zhì)量的關(guān)系：(1)層面薄，則成像層面分辨率高，層面厚則分辨率低。(2)層面薄，則信號(hào)強(qiáng)度弱；層面厚則信號(hào)強(qiáng)度強(qiáng)，信噪比高。部分容積效應(yīng)：部分容積效應(yīng)：部分容積效應(yīng)是由于從體素到像素的轉(zhuǎn)化而造成的。體素是三維概念，而像素是二維概念，當(dāng)體素中存在很高信號(hào)的小組織塊時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)體素的像素值呈高信號(hào)，這種假像稱為部分容積效應(yīng)。4、層間交叉射頻脈沖： 分為非選擇性射頻脈沖和選擇性射頻脈沖（軟脈沖） 本節(jié)針對(duì)選擇性射頻脈沖介紹兩種主要選擇性射頻

50、脈沖： a、 高斯射頻脈沖；b、辛格射頻脈沖 注：辛格函數(shù)的頻率特性比高斯函數(shù)好，頻率范圍具有較好的帶寬，但由于其在時(shí)間域中的截?cái)喽斐深l率域的函數(shù)并非理想的矩形，其邊緣具有 拖尾。 a、 高斯射頻脈沖；傅利葉變換（1）射頻脈沖的頻率范圍不是理想的矩形，而是高斯曲線形狀；（2）當(dāng)兩個(gè)具有一定帶寬的高斯形狀的頻率所對(duì)應(yīng)的相鄰層面就會(huì)產(chǎn)生 交叉，即層間交叉。層面1層面2層間交叉層面1層面2層間距層間距（slice gap）：為避免層間交叉，在連續(xù)的帶寬間保持一個(gè)間隔，在對(duì)應(yīng)的成像層面上則會(huì)產(chǎn)生間隙，相鄰兩層之間的距離稱為層間距。層面系數(shù)：層間距與層厚之比稱為層面系數(shù)。b、辛格射頻脈沖sinc(t)

51、/t傅利葉變換5、中心頻率 中心頻率是指對(duì)于具有一定帶寬的射頻脈沖，其中心的頻率值稱為中心頻率。(1) 射頻脈沖的中心頻率對(duì)應(yīng)層面的位置；帶寬與層厚對(duì)應(yīng)；(2) 在層面厚度確定的情況下，層面選擇梯度Gz斜率越大，相鄰兩層間的中心頻率相差越大；(3) 中心頻率一般在兆赫茲數(shù)量級(jí)，而射頻脈沖的帶寬非常窄，一般都在千赫茲數(shù)量級(jí)。第七章第七章 圖像重建：頻率編碼相位編碼圖像重建：頻率編碼相位編碼主要內(nèi)容：1. 頻率編碼的概念；頻率編碼梯度去相位和復(fù)相位；梯度回波和自旋回波；2. 相位編碼的概念；相位編碼梯度脈沖；脈沖序列（PSD）基礎(chǔ)；3. 了解數(shù)據(jù)空間基礎(chǔ)及采樣；掌握什么是數(shù)據(jù)空間；信號(hào)的采樣；采集

52、時(shí)間；多層面采集技術(shù)；二維圖像的信噪比等概念；重 點(diǎn)：1. 掌握頻率編碼的概念；頻率編碼梯度去相位和復(fù)相位；2. 了解梯度回波和自旋回波，掌握其原理；3. 了解什么是數(shù)據(jù)空間； 第一節(jié)第一節(jié) 頻率編碼頻率編碼2、頻率編碼：沿X軸方向加一梯度磁場(chǎng)GX，從而使不同X坐標(biāo)的質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)頻率同，進(jìn)而依據(jù)這種進(jìn)動(dòng)頻率的差異來確定X坐標(biāo)。 GX稱為頻率編碼梯度（frequency encoding gradient）。一、頻率編碼及相關(guān)概念1、空間編碼：沿Gz、Gy、Gx等梯度方向的相應(yīng)的位置信息稱為空間編碼。通過空間編碼以后，不同體素發(fā)射的MR信號(hào)頻率、相位、相位變化率均不相同，依據(jù)這些信息和信號(hào)強(qiáng)度可正

53、確地重建圖像。沿x軸方向施加x梯度Gx；與y軸平行的各列體素的進(jìn)動(dòng)頻率x為 x= (B0+xGx) x是x的函數(shù)，不同的x決定了不同的進(jìn)動(dòng)頻率 所接受的信號(hào)中已包含有體素的空間位置信息二、頻率編碼數(shù)學(xué)原理cos0t0cos0t2cos0tcos0t00-2cos0tcos0txy cos0t0cos0t2cos0tcos0t00-2cos0tcos0t接收到的信號(hào) 整個(gè)層面信號(hào)4cos0tcos0t0cos+0t2cos0tCos-0t00-2cos-0tcos+0txy Gx+ 接收到的信號(hào)(-cos-0t)+(3cos0t)+(2cos+0t)（1）頻率編碼梯度場(chǎng)Gx僅在接收信號(hào)的期間內(nèi)施

54、加，在非接收信號(hào)期間不施加Gx;（2）在每次接收信號(hào)期間內(nèi)所施加的頻率編碼梯度場(chǎng)Gx都相同；頻率編碼梯度場(chǎng)梯度較大（斜率大），則相鄰兩列之間的頻率差異大；（3）在射頻激勵(lì)脈沖作用期間應(yīng)為選片梯度場(chǎng)Gz進(jìn)行層面選擇，在MR信號(hào)測(cè)量期間應(yīng)用讀出梯度Gx進(jìn)行頻率編碼，兩者的施加的時(shí)間不同；（4）施加梯度場(chǎng)Gx，對(duì)各體素產(chǎn)生MR信號(hào)的幅值不會(huì)發(fā)生變化，各體素信號(hào)幅值僅取決于質(zhì)子密度。三、頻率編碼基本特征四、頻率編碼梯度去相位和復(fù)相位 由于在接收信號(hào)時(shí)施加頻率編碼梯度Gx，從Gx打開到TE時(shí)刻這段時(shí)間內(nèi)，由于頻率編碼梯度造成的所選層面所有體素失相位是我們所不需要的，它將使信號(hào)強(qiáng)度減小。這個(gè)問題可通過施加

55、去相位波Gx來解決。去相位波Gx復(fù)相位波Gx梯度脈沖GxGx造成最大失相位Gx作用造成同相位Gx繼續(xù)作用造成失相位 一個(gè)完整的頻率編碼梯度應(yīng)包括去相位波Gx和復(fù)相位波Gx，兩者一起構(gòu)成一個(gè)完整的頻率編碼梯度。需注意以下兩點(diǎn)：（1） Gx其強(qiáng)度與作用時(shí)間的乘積等于Gx的強(qiáng)度與作用時(shí)間的乘積的一半；（2）施加Gx只能補(bǔ)償頻率編碼梯度Gx造成的失相位，但不能補(bǔ)償外磁場(chǎng)不均勻及化學(xué)位移造成的失相位；（3）施加相反方向梯度使因梯度本身造成失相位變?yōu)橐恢碌臋C(jī)制與重聚焦脈沖有所不同。五、梯度回波與自旋回波 由于頻率編碼梯度中的負(fù)向Gx使橫向磁化強(qiáng)度失相位，從而消除FID信號(hào)，隨后和緊接著正向的Gx使失相位的

56、質(zhì)子重聚焦，由于Gx是Gx作用的一半，從而產(chǎn)生一個(gè)回波，稱為梯度回波（gradient echo），特點(diǎn)如下：（1）與自旋回波相似是兩個(gè)FID信號(hào) 背對(duì)背連接起來的信號(hào)；（2）由于梯度編碼脈沖不能像重聚焦脈沖一樣，消除磁場(chǎng)不均勻以及化學(xué)位移對(duì)T2的影響，因而梯度回波的峰值按T2*衰減；第二節(jié)第二節(jié) 相位編碼相位編碼一、頻率編碼及相關(guān)概念1、相位編碼：在激勵(lì)脈沖結(jié)束后，在沿層面的Y軸方向加一短時(shí)間的梯度磁場(chǎng)GY，由于不同Y坐標(biāo)的自旋磁矩的進(jìn)動(dòng)頻率不一樣，從而在磁場(chǎng)GY撤除后，磁矩的位相不一樣。依據(jù)位相的不同可以區(qū)分Y坐標(biāo)。這稱為相位編碼。cos0t0cos0t2cos0tcos0t00-2cos

57、0tcos0txy v1v2v3 二、相位編碼數(shù)學(xué)原理 設(shè)v1,v2,v3分別表示相位編碼方向上 三個(gè)相鄰的體素1、開始時(shí)所有體素的磁化矢量 M1,M2,M3相位相同并以相同頻率進(jìn)動(dòng)。當(dāng)t=0時(shí)，相位編碼梯度Gy開啟；2、Gy作用下，相位編碼方向上各體素處于不同磁場(chǎng)。沿相位編碼方向各磁化強(qiáng)度矢量進(jìn)動(dòng)頻率為： y= (B0+yGy) v3進(jìn)動(dòng)頻率 v2進(jìn)動(dòng)頻率 v1進(jìn)動(dòng)頻率3、進(jìn)動(dòng)頻率不同導(dǎo)致進(jìn)動(dòng)相位不同；相位編碼梯度持續(xù)時(shí)間ty后各體素的情況： 進(jìn)動(dòng)相位y為： y=y ty = (B0+yGy) ty 相位差為： y= yGy ty = y y ty4、 t=ty時(shí)刻，相位編碼梯度關(guān)閉，各體素

58、再次置于相同的外磁場(chǎng)，此時(shí)：進(jìn)動(dòng)頻率恢復(fù)Gy作用前數(shù)值Gy誘發(fā)的進(jìn)動(dòng)相位差保留相位記憶Gy加入前磁化矢量的相位Gy加入后對(duì)相位的作用xyGy三、相位編碼基本特征（1）相位編碼梯度Gy必須在施加頻率編碼梯度Gx之前打開，通常是在射頻脈沖以后可剛好在Gx之前施加，或其中的任意時(shí)刻;（2）線性梯度場(chǎng)Gy作用時(shí)間通常非常短，因而又稱為相位梯度編碼脈沖；（3）線性梯度場(chǎng)Gy 每間隔TR周期都反復(fù)使用，反復(fù)使用次數(shù)由成像層面沿y軸方向的行數(shù)所決定；（4）每次使用的線性梯度場(chǎng)Gy的強(qiáng)度都不相同，因而每次接收信號(hào)的振幅和相位都不同；第三節(jié)第三節(jié) 脈沖序列基礎(chǔ)脈沖序列基礎(chǔ)一、脈沖序列及相關(guān)概念 脈沖序列:射頻脈

59、沖和磁場(chǎng)梯度的特征和持續(xù)時(shí)間組合稱為脈沖序列,它提供了我們?cè)贛RI成像過程中所進(jìn)行事件的順序時(shí)間步驟,它通過圖解說明MR成像過程中事件發(fā)生的順序,它是顯示射頻脈沖、磁場(chǎng)梯度和接收信號(hào)的時(shí)間圖 。二、自旋回波脈沖序列片選梯度脈沖片選梯度脈沖TRTETE/2相位梯度脈沖相位梯度脈沖相頻率梯度脈沖相頻率梯度脈沖三、脈沖序列的特點(diǎn) 一般而言脈沖序列圖只給出一個(gè)周期的內(nèi)容，其他周期內(nèi)容除相位編碼梯度強(qiáng)度不同外其余均相同。在脈沖序列中，一個(gè)周期包括四個(gè)階段：預(yù)備期（preparation period)發(fā)展期（evolution period)混合期（mixing period)檢測(cè)期（detection

60、 period)(1)預(yù)備期（preparation period) 在自旋回波脈沖序列中，預(yù)備期由一個(gè)/2射頻激勵(lì)脈沖組成， /2射頻脈沖作用時(shí)間在所有周期內(nèi)是固定不變的。預(yù)備期內(nèi)縱向磁化強(qiáng)度矢量在射頻脈沖作用下偏離縱向，產(chǎn)生橫向磁化。(2)發(fā)展期（evolution period) 相位編碼梯度的持續(xù)時(shí)間即為發(fā)展期，此時(shí)FID信號(hào)已經(jīng)產(chǎn)生，但暫時(shí)不進(jìn)行檢測(cè)。在不同周期內(nèi)，相位編碼梯度的持續(xù)時(shí)間固定不變，但強(qiáng)度是變化的。(3)混合期（mixing period) 在自旋回波脈沖序列中，施加重聚焦脈沖的持續(xù)時(shí)間就是混合期。這是一個(gè)非線性操作，取決于不同的脈沖序列，目的是增強(qiáng)MR的強(qiáng)度。(4)檢