醫(yī)學影像檢查技術(shù)學課件：MR成像原理

1、1磁共振成像技術(shù)山西醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院MRI室張 磊2第一節(jié)磁共振成像基本原理3核磁共振4物理基礎(chǔ)原子的構(gòu)成： 原子由原子核及核外電子組成。原子核 由一個或多個帶正電荷的質(zhì)子和不帶電荷的中子組成。56電磁感應(yīng)電和磁是不可分割的，它們始終交織在一起。簡單地說，就是電生磁、磁生電。7地磁的產(chǎn)生地球表面帶有電荷，地球的自轉(zhuǎn)形成一個閉合的電流環(huán)路。根據(jù)安培定則，可以推導出由南向北的磁場，這就是地磁產(chǎn)生的一個簡單原理。8核磁的產(chǎn)生原子核總是以一定的頻率繞著一個軸來高速轉(zhuǎn)動，我們把這個現(xiàn)象叫做自旋。核磁：帶正電的原子核自旋就會形成電流環(huán)路，從而形成一個具有一定大小和方向的磁化矢量。9原子核的磁性磁性原子

2、核：能夠自旋產(chǎn)生核磁的原子核稱為。條件：質(zhì)子和中子均為奇數(shù)； 中子數(shù)為奇數(shù)，質(zhì)子數(shù)為偶數(shù) 質(zhì)子數(shù)為奇數(shù)，中子數(shù)為偶數(shù)簡而言之：磁性原子核的中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)至少有一個為奇數(shù)。10氫核(1H)雖然理論上人體中所有的磁性原子核都能用于磁共振成像，但一般用于人體成像的原子核是氫核(1H)*。通常所說的氫質(zhì)子、質(zhì)子也都是指1H思考：原因？ 摩爾濃度最高 磁化率最高 存在于人體內(nèi)幾乎所有組織（除骨和肺）中，具有生物代表性11人體中MRI信號的主要來源注意：人體中并非所有的質(zhì)子都產(chǎn)生MR信號。*常規(guī)MRI信號主要來源于水分子中的1H和脂肪中的1H。 自由水：未與蛋白質(zhì)結(jié)合的水分子水分子 結(jié)合水：蛋白質(zhì)周圍水化

3、層的水由于化學位移效應(yīng)結(jié)合水中1H的進動頻率會偏移自由水中1H的進動頻率 ,故不直接產(chǎn)生MR信號，但會影響周圍自由水的弛豫從而影響周圍組織信號強度（例：FLAIR序列）。12人體的磁場思考： 人體中的1H不計其數(shù)，每一個1H都會產(chǎn)生一個磁場，那么是否人體本身就會形成一個很強的磁體呢？NO13人體的磁場平常狀態(tài)下，人體中每個1H產(chǎn)生的 磁化矢量會相互抵消，所以宏觀上人體的磁化矢量是零。14進入主磁場后人體的核磁磁共振成像儀（MRI）雖然精密，但不足以檢測出單個1H的小磁場。MRI只能檢測出人體組織的宏觀磁化矢量。把人體放入主磁場（B0 ）中就可以產(chǎn)生宏觀磁化矢量*主磁體的功能就是產(chǎn)生均勻的磁場沿

4、主磁場排列15進入主磁場后人體的核磁進入B0后，質(zhì)子的磁化矢量有兩種排列方式 與主磁場方向相同-低能態(tài) 與主磁場方向相反-高能態(tài)*處于低能態(tài)的質(zhì)子要比高能態(tài)的質(zhì)子多出數(shù)個ppm（百萬分之一）磁共振成像所需的信息就源于這多出來的數(shù)個ppm的質(zhì)子B01617夢中的陀螺，旋轉(zhuǎn)永不停止.現(xiàn)實中的陀螺會受到地球引力的作用18進動是磁性原子核自旋產(chǎn)生的小磁場與主磁場相互作用的結(jié)果，進動頻率明顯低于自旋頻率。*進動頻率也稱Larmor頻率，其計算公式為：=B進動和進動頻率質(zhì)子自旋及進動示意圖19為Larmor 頻率為磁旋比（ 對于某一種磁性原子核來說是個常數(shù)，H質(zhì)子的約為42.5 MHz/T)B為主磁場強度

5、，單位為T=10000高斯20磁化矢量矢量：既有大小又有方向的量。一般來說，在物理學中稱作矢量，在數(shù)學中稱作向量。請回憶：中學數(shù)學課上，向量（矢量）的合成和分解。由于進動的存在，質(zhì)子自旋產(chǎn)生的小磁場又可以分解成兩個部分-縱向磁化分矢量 橫向磁化分矢量21 縱向磁化分矢量：由于處于低能級的質(zhì)子略多于處于高能級者，最后會產(chǎn)生一個與主磁場同向的宏觀縱向磁化矢量。紅色虛線箭頭-縱向磁化分矢量紅色實線箭頭-橫向磁化分矢量22 橫向磁化分矢量：各質(zhì)子旋轉(zhuǎn)的橫向磁化分矢量由于相位不同而相互抵消，因此宏觀橫向磁化矢量為零。23似乎陷入一個矛盾中！人體磁化后，宏觀上只產(chǎn)生縱向磁化矢量，橫向磁化矢量是零。與B0相

6、比縱向磁化矢量極其微弱，鑒別出其信號強度猶如大海撈針。所以磁共振線圈只能接收與B0垂直的橫向磁化矢量。怎么辦？24共振蕩秋千、舊汽車、接力賽、列隊過橋25磁共振現(xiàn)象給處于主磁場中的人體組織一個射頻脈沖，這個射頻脈沖的頻率與質(zhì)子的進動頻率相同，射頻脈沖的能量將傳遞給處于低能級的質(zhì)子，處于低能級的質(zhì)子獲得能量后將躍遷到高能級26核磁共振的結(jié)果是使宏觀縱向磁化矢量發(fā)生偏轉(zhuǎn)(角)，射頻脈沖的能量越大，偏轉(zhuǎn)角度越大2790脈沖：射頻脈沖的能量使宏觀縱向磁化矢量偏轉(zhuǎn)90 180脈沖：射頻脈沖的能量使宏觀縱向磁化矢量偏轉(zhuǎn)180 小角度脈沖：射頻脈沖的能量使宏觀縱向磁化矢量偏轉(zhuǎn)的角度小于90 28 90脈沖激

7、發(fā)前后微觀和宏觀磁化矢量的變化90脈沖激發(fā)前，平衡狀態(tài)下，處于低能級的質(zhì)子略多于處于高能級者，從而會產(chǎn)生一個與主磁場同向的宏觀縱向磁化矢量（縱向黃箭 ), 但由于質(zhì)子相位不同，宏觀橫向磁化矢量為零29 90脈沖激發(fā)后，低能級超出高能級的質(zhì)子中有一半獲得能量越遷到高能級，此時處于高能級和低能級的質(zhì)子數(shù)完全相同，宏觀縱向磁化矢量完全消失；同時由于90脈沖的聚相位效應(yīng)，產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)的宏觀橫向磁化矢量（橫向黃箭）30脈沖激發(fā)前（平衡狀態(tài)下）宏觀縱向磁化矢量的大小與組織中的質(zhì)子含量（即質(zhì)子密度）有關(guān)，由于90脈沖能夠使宏觀縱向磁化矢量偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的宏觀橫向磁化矢量，這樣MRI就能區(qū)分質(zhì)子密度不同的人體組織

8、了。31再次糾結(jié)！90脈沖激發(fā)后不可能馬上就采集到磁共振信號僅能區(qū)分人體質(zhì)子密度的圖像遠遠不能滿足臨床的需要如何區(qū)分組織的橫向、縱向磁化分矢量的差別？怎么辦？3233 核磁弛豫 弛豫：射頻脈沖關(guān)閉后，組織的宏觀磁化矢量逐漸又回到平衡狀態(tài)的過程。同樣可分解為橫向弛豫和縱向弛豫 橫向弛豫（T2弛豫、自旋-自旋弛豫 ）橫向磁化矢量逐漸減小直至消失與周圍磁環(huán)境隨機波動有關(guān)縱向弛豫 （T1弛豫，自旋-晶格弛豫）宏觀縱向磁化矢量逐漸恢復(fù)直至平衡狀態(tài)與周圍分子的自由運動頻率有關(guān) 34自由感應(yīng)衰減自由感應(yīng)衰減：90脈沖激發(fā)后，組織產(chǎn)生宏觀橫向磁化矢量，脈沖關(guān)閉后，宏觀橫向磁化矢量受到T2弛豫和主磁場不均勻雙重

9、因素的影響而成指數(shù)方式衰減，其加權(quán)圖像稱T2*WI圖。35利用180聚焦脈沖剔除主磁場的不均勻造成的宏觀橫向磁化矢量衰減后的弛豫才能反應(yīng)組織真正的橫向弛豫，即T2弛豫180重聚相位脈沖的作用3637180重聚相位脈沖的作用向后轉(zhuǎn)1803839T1值 T2值 T1值 以90脈沖關(guān)閉后某組織的宏觀縱向磁化矢量為零，以此為起點，以宏觀縱向磁化矢量恢復(fù)到最大值的*63%為終點，起點與終點之間的時間間隔為該組織的T1值40 T2值 以90脈沖關(guān)閉后的零時刻為起點，以T2馳豫造成的橫向磁化矢量衰減到最大值的*37%為終點,起點與終點之間的時間間隔為該組織的T2值41質(zhì)子密度加權(quán)像 T2加權(quán)像 T1加權(quán)像

10、PDWI T2WI T1WI MR成像過程中，組織質(zhì)子密度，T1值、T2值特性均對MR信號有貢獻，通過調(diào)整成像參數(shù)，可以得到反映組織某一方面特性的MR圖像， 而盡量抑制組織其它特性對MR信號的影響，這就是加權(quán)像 ，也就是重點突出的意思加權(quán)42質(zhì)子密度加權(quán)像主要突出組織的質(zhì)子含量差別 43T2加權(quán)像重點突出組織橫向馳豫差別 44思考：縱向磁化矢量線圈接收不到，怎么辦？T1加權(quán)像重點突出組織縱向馳豫差別 B圖示組織的縱向磁化矢量，C圖示它們變?yōu)榱藱M向磁化矢量，期間只要再添加一個90脈沖就可以了90T1WI、T2WITR決定T1權(quán)重 TR越小，T1權(quán)重越高，T1最短的組織信號最強（亮），也稱短T1信

11、號 TR越大，序列的T1權(quán)重越低。TE決定T2權(quán)重 TE延長，序列的T2權(quán)重越高，T2最長的組織信號最強（亮），也稱長T2信號 TE減小，T2權(quán)重減低。45461.5T場強下正常人體組織的T1,T2參考值組織名稱T1值(ms)T2值(ms)腦白質(zhì)35050090100腦灰質(zhì)400600100120腦脊液3000400012002000肝臟3504004555脾臟400450100160腎皮質(zhì)35042080100腎髓質(zhì)450650120150骨骼肌5006007090皮下脂肪2202509013047 T1WI T2WI PDI48梯度磁場和空間定位MR信號的空間定位編碼由梯度場完成空間定位包

12、括層面和層厚的選擇頻率編碼相位編碼49地磁的梯度地球不同緯度地區(qū)的地磁強度是不同的，南北極的磁場強度大概為0.7G（高斯10-4T），而赤道為0.3G；因而從南北極到赤道地磁強度呈現(xiàn)一定的梯度變化。地質(zhì)學家通過測量某地的地磁強度而推算出該地區(qū)的緯度。50MRI的梯度場和空間定位梯度場：是指沿直角坐標系某坐標方向磁場強度呈線性變化的磁場（不是一個磁場強度均勻的磁場）梯度場51 為了得到任意層面的空間信息，MRI系統(tǒng)在X,Y,Z三個坐標方向均使用梯度場。分別被稱為層厚選擇梯度，相位編碼梯度，頻率編碼梯度利用X、Y、Z三組梯度場的有機組合進行層面和層厚的選擇，MRI就可以達到對橫軸、冠狀、矢狀及任意

13、角度的成像。52層面和層厚的選擇回憶：進動頻率Larmor頻率公式= B 梯度場的距離變化是每厘米1高斯場強為1.0T的磁共振大約每厘米變化0.10。在z、x、y方向施加線性的梯度磁場，使其不同位置上組織的進動頻率不同。-2 -1 0 1 253層面選擇 在所選層平面的垂直方向加上一個梯度場，沿該軸方向的自旋共振頻率有了一個線性變化，使沿此軸的每一點的層面都有一特定的進動頻率。當與RF頻率一致時，質(zhì)子才能引起共振 54RF頻率帶寬及梯度場 對層面層厚的影響梯度場不變，RF的頻率增加，則層面向梯度場高的一側(cè)移動梯度場不變，RF的帶寬增加，則層厚加厚RF帶寬不變，梯度場場強增加，層厚變薄55梯度場

14、不變，RF的頻率增加，則層面向梯度場高的一側(cè)移動梯度場不變，RF的帶寬增加，則層厚加厚RF帶寬不變，梯度場場強增加，層厚變薄56在完成了圖像層面和層厚的選擇后，我們還需對層面進行空間定位編碼：頻率編碼、相位編碼57頻率編碼示意圖58相位編碼示意圖59相位編碼的方向與頻率編碼方向垂直相位編碼梯度場在信號采集前施加頻率編碼梯度場在信號采集的同時施加頻率編碼、相位編碼的關(guān)系60傅里葉轉(zhuǎn)換區(qū)分不同頻率MR信號的能力很強，只需采集一次頻率編碼即可完成。相位編碼采集需多次重復(fù)進行，相位編碼方向上矩陣為n，則需進行n次相位編碼才能完成,即用不同的相位編碼梯度場重復(fù)n次MR信號最終得到的MR信號也稱相位編碼線，填充在K空間相位編碼方向上的不同位置上，經(jīng)過傅里葉轉(zhuǎn)換重建出空間分辨力合乎要求的圖像61K空間（傅里葉空間）K空間是帶有空間定位編碼信息的MRI信號原始數(shù)字數(shù)據(jù)的填充空間，每一幅圖像都有相應(yīng)的K空間數(shù)據(jù)點陣。對K空間的數(shù)據(jù)進行傅里葉轉(zhuǎn)換，分解出不同頻率、相位和幅度的MR信號。不同的頻率和相位代表不同的空間位置；幅度代表MR信號強度。把上述數(shù)字信息分配到相應(yīng)的像素中就組成了MR圖像626364K空間的特性K空間中的點陣與圖像的點陣不是一一對應(yīng)的關(guān)系，K空間中每一點包含掃描層面的全層信息K空間呈現(xiàn)鏡像對稱的特征填充K空間中央?yún)^(qū)域的MR信號主要決定圖像的對比填充K空間周邊區(qū)域的MR信號