磁共振成像的原理

1、核磁共振成像（nuclear） magnetic resonance imaging：（ N）MRI 一、磁共振成像基本原理        1磁共振現(xiàn)象微觀領域中的核子都有自旋的特性。核子的自旋產(chǎn)生小磁矩，類似于小磁棒。質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)至少有一個為奇教的大量原子核可在靜磁場中體現(xiàn)出宏觀磁化來，其磁化矢量與靜磁場同向。而每單個原子核在靜磁場中做著不停的進動運動（一方面不斷自旋，同時以靜磁場為軸做圓周運動）。在很強的外磁場中，具有核磁矩的原子核產(chǎn)生磁能級分裂，分裂成兩個或更多的量子化能級。用一個能量恰好等于分裂后相鄰能級差的電磁波

2、照射，該核就可以吸收此頻率的波，發(fā)生能級躍遷，從而產(chǎn)生特征的NMR 吸收，這就是核磁共振的基本原理。拉莫爾進動：磁矩繞著靜磁場B0并保持一定的角度,沿著一個固定的錐面軌跡轉(zhuǎn)動方式。拉莫爾頻率/進動頻率 0= rB0 r = 磁旋比，常數(shù)B0 =靜磁場中的場強 0 =質(zhì)子的共振頻率人體含有占比重70%以上的水，如上表所示，又由于氫質(zhì)子磁矩不為零，這些水中的氫質(zhì)子是磁共振信號的主要來源，其余信號來自脂肪、 蛋白質(zhì)和其他化合物中的氫質(zhì)子。 對靜磁場中的質(zhì)子群沿著垂直于靜磁場的方向施加某一特定頻率的電磁波其頻率在聲波范圍內(nèi)，故稱為射頻(radio frequency，RF),原來的宏觀磁化就會以射頻場

3、為軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)角度取決于射頻場的施加時間、射頻強度和射頻波形。當然，一個關鍵條件是：射頻的頻率必須與靜磁場中的質(zhì)子的進動頻率一致。宏觀磁化發(fā)生章動的實質(zhì)是質(zhì)子群中一部分質(zhì)子吸收了射頻的能量，使自己從低能級躍遷到了高能級。這種現(xiàn)象即稱為原子核的磁共振現(xiàn)象。如果將此時的宏觀磁化進行二維分解，會發(fā)現(xiàn)射頻激勵的效果是使沿靜磁場方向的磁化矢量（縱向磁化）減小，而垂直于靜磁場方向的磁化（橫向磁化）增大了。RF脈沖有使進動的質(zhì)子同步化的效應，質(zhì)子同一時間指向同一方向，處于所謂“同相”，其磁化矢量在該方向上疊加起來，即橫向磁化增大。使質(zhì)子進動角度增大至90。的RF脈沖稱為90。脈沖，此時縱向磁化矢量消失

4、，只有橫向磁化矢量。同樣還有其他角度的RF脈沖。質(zhì)子的進動角度受RF脈沖強度和脈沖持續(xù)時間影響，強度越強、持續(xù)時間越長，質(zhì)子的進動角度越大，且強RF脈沖比弱RF脈沖引起質(zhì)子進動角度改變得要快。核磁共振產(chǎn)生的條件： 核有自旋(I不為零) 有外磁場,能級裂分; 輻射頻率與能級差相等。n0 = B0 g / (2p )        2弛豫及弛豫時間短暫的射頻激勵（一般為幾十微秒）以后，宏觀磁化要恢復到原始的靜態(tài)。從激勵態(tài)恢復到靜態(tài)要經(jīng)歷一個與激勵過程相反的兩個分過程，一個是橫向磁化逐漸減小的過程（即為橫向弛豫過程，T2過程）（圖

5、1）；另一個是縱向磁化逐漸增大的過程 （縱向弛豫過程，T1過程）（圖2）?？v向弛豫過程的本質(zhì)是激勵過程吸收了射頻能量的那些質(zhì)子釋放能量返回到基態(tài)的過程。能量釋放的有效程度與質(zhì)子所在分子大小有關，分子過大或很小，能量釋放將越慢，弛豫需要的時間就越長。如水中的質(zhì)子，0. 5T場強下弛豫時間>4000毫秒；分子結(jié)構(gòu)處于中等大小，能量釋放就很快，T1就短，如脂肪內(nèi)的質(zhì)子，0.5T場強下弛豫時間僅為260毫秒左右。橫向弛豫過程的本質(zhì)是激勵過程使質(zhì)子進動相位的一致性逐漸散相（即逐漸失去相位一致性）的過程，其散相的有效程度與質(zhì)子所處的周圍分子結(jié)構(gòu)的均勻性有關，分子結(jié)構(gòu)越均勻，散相效果越差，橫向磁化減小

6、的越慢，需要的橫向弛豫時間(T2)就越長；反之，分子結(jié)構(gòu)越不均勻，散相效果越好，橫向磁化減小越快，T2就越短。        3自由感應衰減磁共振成像設備中，接收信號用的線圈和發(fā)射用的線圈可以是同一線圈，也可以是方向相互正交的兩個線圈，線圈平面與主磁場Bo平行，其工作頻率都需要盡量接近拉摩爾頻率。線圈發(fā)射RF脈沖對組織進行激勵，在停止發(fā)射RF脈沖后進行接收。RF脈沖停止后組織出現(xiàn)弛豫過程，磁化矢量只受主磁場Bo的作用時，這部分質(zhì)子的 進動即自由進動，因與主磁場方向一致，所以無法測量，而橫向磁化矢量垂直并圍繞主磁場 方向旋進，

7、按電磁感應定律（即法拉第定律），橫向磁化矢量的變化，能使位于被檢體周圍的接收線圈產(chǎn)生隨時間變化的感應電流，其大小與橫向磁化矢量成正比，這個感應電流經(jīng)放大即為MR信號。由于弛豫過程橫向磁化矢量的幅度按指數(shù)方式不斷衰減，決定了感應電流 為隨時間周期性不斷衰減的振蕩電流，因而它是自由進動感應產(chǎn)生的，被稱為自由感應衰減(free induction decay，F(xiàn)ID)。90°脈沖后，由于受縱向弛豫(T1)和橫向弛豫(T2)的影響，磁 共振信號以指數(shù)曲線形式衰減，如圖3所示，其幅度隨時間指數(shù)式衰減的速度就是橫向弛豫速率(l/T2)。圖 3 自由感應哀減信號及其產(chǎn)生  &#

8、160;     4空間定位 根據(jù)臨床檢查需要，將受檢部位分成若干個薄層，這些薄層稱為層面，這個過程稱為選片。每個層面可分為由許多被稱為體素的小體積組成，然后，對每一個體素標定一個記號，這個過程稱為編碼或者空間定位。然后對某一層面施加射頻脈沖以后，接收該層面的MR信號，進行解碼，得到該層面各個體素MR信號的大小，最后根據(jù)與層面各體素編碼的對應關系，把體素信號的大小顯示在熒光屏對應像素上，這樣就得到一幅反映層面各體素的MR信號大小圖像，即MRI圖像。磁共振信號的三維空間定位是利用施加三個相互垂直的可控的線性梯度磁場來實現(xiàn)的。根據(jù)定位作用的不同，三個梯度場分

9、別稱為選層梯度場(Gs)、頻率編碼梯度場（Gx）和相位編碼梯度場（Gy），三者在使用時是等效的，可以互換，而且可以使用兩個梯度場的線性組合來實現(xiàn)某一定位功能，從而實現(xiàn)磁共振的任意截面斷層成像。 (1) 選層梯度:在主磁體中加一個梯度磁場,則被檢體各部位質(zhì)子群的進動頻率可因磁場強度不同而有所區(qū)別，這樣可對被檢體某一部位進行MR成像,MR的空間定位靠的是梯度磁場,通過梯度磁場達到選層的目的。（圖4）圖4射頻帶寬與選層梯度場共同決定層厚       (2)頻率編碼：在相位編碼結(jié)束后，沿X軸方向加一梯度磁場GX，從而使不同X坐標的自

10、旋磁矩的進動頻率不一樣，進而依據(jù)這種進動頻率的差異來確定X坐標。稱為頻率編碼。（圖5）(3)相位編碼：在射頻脈沖結(jié)束后,在沿層面的Y軸方向加一短時間的梯度磁場GY,由于不同Y坐標的自旋磁矩的進動頻率不一樣,從而在磁場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,這稱為相位編碼. 通過空間編碼以后，不同體素發(fā)射的MR信號頻率、相位、相位變化率不同，依據(jù)這些信息和信號強度可正確地重建圖像。 （圖6） 實際的序列中還有一些梯度場不起空間定位作用，主要有相位平衡梯度、快速散相梯度、重聚相梯度等。       

11、 5成像方法磁共振成像方法指的是將人體組織所發(fā)出的微弱的磁共振信號如何重建成一幅二維斷面圖像的方法，主要有點成像法、線成像法、面成像法，體積成像法等。        (1)點成像法：對每個組織體素信號逐一進行測量成像的方法，主要包括敏感點法和場聚焦法。        (2)線成像法：一次采集一條掃描線數(shù)據(jù)的方法，主要包括敏感線成像法、線掃描以及多線掃描成像法、化學位移成像法等。      

12、0; (3)面成像法：同時采集整個斷面數(shù)據(jù)的成像方法，主要包括投影重建法、備種平面成像法以及傅立葉變換成像法等。        (4)體積成像法：在面成像法的基礎上發(fā)展起來的，不使用選層梯度進行面的選擇，而 是施加二維的相位編碼梯度和一維的頻率編碼梯度同時對組織進行整個三維體積的數(shù)據(jù)采 集和成像方法。 磁共振的成像方法很多，但選擇RF脈沖的帶寬和形狀，使之能激發(fā)一個已知的頻帶， 并控制梯度場來選取一個點、一條線、一個層面，甚至選取整個成像體積來獲得信號，是各種 成像方法的共同點。任何一種成像法的實現(xiàn)，均與機器的軟硬件設計緊密相關。 二、MRI的基本結(jié)構(gòu)n 1、MRI分類成像范圍：實驗用MRI、局部MRI、全身MRI主磁場的產(chǎn)生方法：永磁型、常導型、混合型、超導型用途：介入型、通用型n 2、磁共振系統(tǒng)：主磁體系統(tǒng)、梯度磁場系統(tǒng)、射頻發(fā)射與接收系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)、其他輔助系統(tǒng)（1） 主磁體系統(tǒng)MRI磁體有三種類型：永磁型 電阻型 超導型MRI磁體的作用是：產(chǎn)生靜態(tài)主磁場B0，使人體內(nèi)的氫質(zhì)子在磁場內(nèi)形成進動，產(chǎn)生靜態(tài)磁化量。（2） 梯度磁場系統(tǒng)梯度系統(tǒng)：是指與梯度磁場有關的電