磁共振成像精講課件

磁共振成像磁共振成像要點MRI發(fā)展的背景、歷史和現(xiàn)狀MRI的特點核磁共振的物理基礎(chǔ)MRI的成像原理MRI成像系統(tǒng)的構(gòu)成其他磁共振成像技術(shù)要點MRI發(fā)展的背景、歷史和現(xiàn)狀1946年，E.M.Purcell(哈佛大學)和F.Bloch(斯坦福大學)2個獨立小組在幾天內(nèi)各自獨立發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象，1952年兩人共同獲得諾貝爾物理獎BlochStanford大學

（1946）PhysicsReview69,127PurcellMIT,

（1946）PhysicsReview69,37發(fā)展歷史1946年，E.M.Purcell(哈佛大學)和F.BlocFelixBloch

1905-1983

EdwardMillsPurcell1912-19971952NobelPrizeforPhysicsStanfordUniversityMITFelixBlochEdwardMill1973年，美國紐約州立大學石溪分校教授P.C.Lauterbur提出二維核磁共振成像(MRI)方法，利用磁場梯度解決了空間信息獲取的問題Lauterbur,StateUniversityofNewYork

(1973)Nature

242,736Mansfield,NottinghamUniversity(1973)J.Phys.C6,L4221976年實現(xiàn)了人體手部成像，得到第一張人體的MR圖像（活體手指），1978年獲取第一幅人體頭部MR圖像1973年，美國紐約州立大學石溪分校教授P.C.LauterLauterbur,1929Mansfied19332003NobelPrizeinPhysiologyorMedicineLauterbur,Mansfied2003NobelPaulC.Lauterbur–PrizeAwardPhoto

SirPeterMansfield–PrizeAwardPhoto10/6,2003PaulC.Lauterbur–SirPeter實事求是地講，Damadian應(yīng)該算是最早把核磁共振用于生物醫(yī)學研究的人之一。早在1970年他便把從人身上切除的腫瘤移植到老鼠身上，并觀察到攜帶腫瘤的老鼠的核磁共振信號發(fā)生了變化（1971年《科學》）Damadian的工作直接啟發(fā)了Lauterbur對成像技術(shù)的研究，他在認識到這一發(fā)現(xiàn)的醫(yī)學價值的同時，也敏銳地意識到若不能進行空間上的定位，核磁共振在臨床應(yīng)用的可能性微乎其微（1972年《自然》）

實事求是地講，Damadian應(yīng)該算是最早把核磁共振用于生物第一臺MRI裝置1977第一臺MRI裝置1977世界上第一張MRI圖像Damadian的“用于癌組織檢測的設(shè)備和方法”世界上第一張MRI圖像Damadian的“用于癌組織檢測1980：推出世界上首臺NMR成像商品機。為與放射性核素檢查相區(qū)別，改稱為磁共振成像(magneticresonancelmaging，MRl)。1983～1984：美國儀器與藥物管理局（FDA）批準了4家公司生產(chǎn)的MRI機器上市，標志著核磁共振成像技術(shù)的基本成熟和MRI商品階段的開始。1985：第—軍醫(yī)大學南方醫(yī)院引進了第一臺磁共振成像機

1989：第一臺國產(chǎn)核磁共振儀器由中科院安科公司開發(fā)成功1980：推出世界上首臺NMR成像商品機。為與放射性核素檢查磁共振成像(MRI)：把核磁共振原理同空間編碼技術(shù)結(jié)合起來，采用磁場使人體組織成像。成像原理：用一定方法使空間各點磁場強度有規(guī)律地變化，核磁共振信號中的不同頻率分量即可同一定的空間位置對應(yīng)，通過一定的數(shù)學變換實現(xiàn)核磁共振成像。什么是磁共振成像技術(shù)？磁共振成像(MRI)：把核磁共振原理同空間編碼技術(shù)結(jié)合起來，

MRI利用射頻（RadioFrequency，RF）電磁波對置于靜磁場B中的含有自旋不為零的原子核（1H）的物質(zhì)進行激發(fā)，發(fā)生核磁共振，用感應(yīng)線圈檢測技術(shù)獲得組織弛豫信息和質(zhì)子密度信息（采集共振信號）用梯度磁場進行空間定位，通過圖像重建，形成磁共振成像的方法和技術(shù)醫(yī)學MRI圖像中，每個像素代表該位置上的磁共振信號的強度MRI利用射頻（RadioFrequency，RF）電磁MRI成像的條件射頻脈沖（激發(fā)原子核）外加靜磁場具有自旋不為零的原子核（受檢體）感應(yīng)線圈梯度磁場計算機產(chǎn)生磁共振檢測和接收磁共振信號實現(xiàn)空間定位完成重建，生成圖像MRI成像的條件產(chǎn)生磁共振檢測和接收磁共振信號實現(xiàn)空間定位完MRI與CT的比較成像機理衰減成像VS共振成像圖像中像素的含義衰減系數(shù)VS共振信號的強度MRI與CT的比較成像機理MRI成像特點較高的組織對比度和組織分辨力解剖成像，并含有比CT更豐富、更深層次的生物信息，對腦和膀胱、直腸、子宮、陰道、骨、關(guān)節(jié)、肌肉等軟組織分辨率極佳多方位成像能對被檢查的部位進行橫斷面、冠狀面、矢狀面以及任何斜面成像，且不必變動病人的體位，不會產(chǎn)生CT檢測中的偽影；不需注射造影劑橫斷面冠狀面矢狀面人體平面MRI成像特點較高的組織對比度和組織分辨力橫斷面冠狀面矢狀面

多參數(shù)成像獲取T1加權(quán)像（T1WI）、T2加權(quán)像（T2WI）、質(zhì)子密度加權(quán)像（PDWI），在影像上取得組織之間、組織與病變之間在T1、T2、T2*和PD上的信號對比，對顯示解剖結(jié)構(gòu)和病變敏感腦白質(zhì)腦灰質(zhì)肌肉腦脊液和水脂肪骨皮質(zhì)骨髓質(zhì)瓣膜T1WI較高，白灰中等，灰中等，灰低，黑高，白低，黑高，白低，黑T2WI中等，灰較高，白灰中等，灰高，白較高，白灰低，黑中等，灰低，黑多參數(shù)成像方法便于區(qū)分腦中的灰質(zhì)與白質(zhì)，對組織壞死、惡性疾患和退化性疾病的早期診斷效果有極大優(yōu)越性，其軟組織的對比度也更為精確多參數(shù)成像腦白質(zhì)腦灰質(zhì)肌肉腦脊液和水脂肪骨皮質(zhì)骨髓質(zhì)瓣膜T多種特殊成像如各種血管影像、水成像、脂肪抑制成像、血管影像可以顯示顱內(nèi)的大多數(shù)血管，可無創(chuàng)性地做出血管性疾病的診斷以射頻脈沖作為成像的能量源，不使用電離輻射，對人體安全，無創(chuàng)功能成像彌散成像（DI）灌注成像（PI）血氧水平依賴成像（BOLD）MRI能從分子水平上反映出人體器官失常和早期病變，既具有解剖成像的特點，又反映了組織內(nèi)部的功能變化，具有功能成像的特點，用于疾病早期診斷多種特殊成像MRI能從分子水平上反映出人體器官MRI的主要局限空間分辨率不及CT常規(guī)掃描信號采集時間較長，成像速度慢，不利于為昏迷、危重病人及躁動病人、兒童等做檢查禁忌較多裝有心臟起搏器、動脈瘤夾、金屬假肢等病人不宜進行MRI檢查不能對成像參數(shù)值進行有效測定，所以不能像CT那樣在圖像上進行定量分析和診斷。對含氫質(zhì)子較少的組織，如鈣化組織、致密骨骼以及含氣的肺部等部位的顯示遠不如CT，難以對以病理性鈣化為特征的病變作診斷；設(shè)備成本昂貴，檢查費用較高MR技術(shù)代替CT技術(shù)？MRI的主要局限空間分辨率不及CTMR技術(shù)代替CT技術(shù)？MRI機與CT機封閉式MRI機開放式MRI機CT機MRI機與CT機封閉式MRI機開放式MRI機CT機各種感應(yīng)線圈頸部信號接收線圈下肢信號接收線圈軀干信號接收線圈肩部信號接收線圈手腕信號接收部線圈各種感應(yīng)線圈頸部信號接收線圈下肢信號接收線圈軀干信號接收線圈T1ContrastTE=14msTR=400msT2ContrastTE=100msTR=1500msProtonDensityTE=14msTR=1500ms多參數(shù)成像MRI圖像T1ContrastT2ContrastProtonDT1ContrastTE=14msTR=400msT2ContrastTE=100msTR=1500msProtonDensityTE=14msTR=1500ms多截面成像T1ContrastT2ContrastProtonDMRA（核磁血管造影）MRA（核磁血管造影）磁共振成像精講課件fMRI功能成像fMRI功能成像原子核的一般特性質(zhì)子(proton)，帶正電（荷）Z

原子核

中子(neutron)，中性N核磁共振物理基礎(chǔ)對同一種元素，質(zhì)子數(shù)是一定的，但是中子數(shù)可能有所不同（質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同的元素互稱為同位素或核素）對某一種化學元素的不同核素在自然界的含量差別很大，而且性質(zhì)也不同原子核的一般特性核磁共振物理基礎(chǔ)對同一種元素，質(zhì)子數(shù)是一定的原子核1H原子核1H原子核的自旋、角動量、進動、磁矩〝自旋〞（spin）：原子核及質(zhì)子圍繞著自身的中軸進行旋轉(zhuǎn)。自旋的速率由核的種類決定原子在自旋時，由于受到重力影響，轉(zhuǎn)動軸與重力方向形成傾角。原子核的自旋、角動量、進動、磁矩帶有正電荷的質(zhì)子的自旋類似于一個小磁體，產(chǎn)生一個與自旋同軸的電磁場，具有大小和方向，磁場的方向可由環(huán)形電流的法拉第右手定則確定；自然狀態(tài)下，質(zhì)子的排列呈散亂隨機狀態(tài)，不同方向的磁力矩相互抵消，人體不顯示磁性具有軸對稱的物體在旋轉(zhuǎn)時，關(guān)于對稱軸的角動量等于物體對軸的轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)動角速度的乘積OL帶有正電荷的質(zhì)子的自旋類似于一個小磁體，產(chǎn)生一個與自旋同軸的當外力矩M=0時，角動量L大小和方向?qū)⒈３植蛔?，若存在非零的外力矩M，角動量則將發(fā)生變化，滿足在原子繞自身軸線轉(zhuǎn)動的同時，由于受到重力矩的影響，其轉(zhuǎn)動軸線又繞重力方向旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱進動(Precession)，進動具有能量也具有一定的頻率。當外力矩M=0時，角動量L大小和方向?qū)⒈３植蛔?，若存在非零的圓周電流包圍的面積矢量與電流強度的乘積成為磁矩，單位為安培.米2當有外磁場B作用時，磁矩要受到外磁場磁力矩的作用，產(chǎn)生磁勢能圓周電流包圍的面積矢量與電流強度的乘積成為磁矩，單位為安培.產(chǎn)生磁共振的原子核種類元素周期表中凡具有自旋特性的原子核都有產(chǎn)生磁共振的可能。能夠自旋的條件：質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)必有一個是奇數(shù)，即自旋量子數(shù)I≠0。包括質(zhì)子或中子之一為奇數(shù)如1H(質(zhì)子數(shù)為1，無中子)；13C

(質(zhì)子數(shù)為6，中子數(shù)為7)；31P；23Na；17O質(zhì)子和中子皆為奇數(shù)如2H(質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)皆為1)和14N(質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)皆為7)若質(zhì)子和中子數(shù)皆為偶數(shù)時，自旋量子數(shù)I=0，此原子核不具有自旋的特性，也不可能產(chǎn)生磁共振如12C(質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)皆為6)，16O等產(chǎn)生磁共振的原子核種類元素周期表中凡具有自旋特性的原子核都有任何存在奇數(shù)質(zhì)子、中子或質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和為奇數(shù)的原子核均存在磁矩。任何存在奇數(shù)質(zhì)子、中子或質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和為奇數(shù)的原子核均存

有自旋

原子核

無自旋現(xiàn)今MRI中研究和使用最多的原子核：氫核是磁化度最高的原子核占活體組織原子數(shù)量的2/3只有一個自旋的質(zhì)子，結(jié)構(gòu)最單純，磁矩最易于檢測最適于從它得到核磁共振圖像

原子核的磁矩含有奇數(shù)質(zhì)子或中子的原子核，由于質(zhì)子帶有正電荷，自旋時將產(chǎn)生環(huán)形電流，從而感應(yīng)出一個與自旋旋轉(zhuǎn)軸一致的磁場，如同一個小磁體有南北極（核磁現(xiàn)象，nuclearmagnetic），磁場用磁矩或磁向量來表示，有大小和方向核磁矩是原子核的固有特性，它決定核磁共振信號的敏感性，氫質(zhì)子由于只有一個質(zhì)子，故具有最強的磁矩具有磁矩的快速自旋核可以看成為極小磁棒原子核的磁矩含有奇數(shù)質(zhì)子或中子的原子核，由于質(zhì)子帶有正電荷，人體內(nèi)含有豐富的水，故存在大量的氫質(zhì)子，不同的組織，水的含量也各不相同，即含氫核數(shù)多少也不同。從而NMR信號強度存在差異，MRI技術(shù)就是通過識別水分子中氫原子信號的分布來推測水分子在人體內(nèi)的分布，進而把各種組織分開，探測人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)－－氫核密度的核磁共振圖像。人體不同組織之間、正常組織與該組織中的病變組織之間氫核密度、弛豫時間T1、弛豫時間T2三個參數(shù)的差異，是MRI用于臨床診斷最主要的物理基礎(chǔ)。人體內(nèi)含有豐富的水，故存在大量的氫質(zhì)子，不同的組織，水的含量無外磁場時的質(zhì)子無外加磁場時，奇數(shù)質(zhì)子群中的各個質(zhì)子任意方向自旋，其磁矩相互抵消，因而單位體積內(nèi)生物組織的宏觀磁矩Ｍ＝０以隨機相位作進動的自旋集合無外磁場時的質(zhì)子無外加磁場時，奇數(shù)質(zhì)子群中的各個質(zhì)子任意方向靜磁場中的質(zhì)子無外加靜磁場（B0）時，質(zhì)子繞自身軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個自身的小磁場。當自旋質(zhì)子放入外加靜磁場B0（又稱主磁場）時，質(zhì)子開始〝搖擺〞，不僅繞自身軸進行自旋，同時也繞靜磁場B0的磁力線為軸進行旋轉(zhuǎn)，這樣的運動狀態(tài)稱為〝進動〞，自旋與磁場間成θ角。質(zhì)子繞B0軸的進動頻率由拉莫爾方程確定θB0mg靜磁場中的質(zhì)子無外加靜磁場（B0）時，質(zhì)子繞自身軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生拉莫爾關(guān)系拉莫爾方程在主磁場中，宏觀磁矩象單個質(zhì)子磁矩那樣作旋進運動，磁矩進動的頻率符合拉莫爾（Larmor）方程：

f＝rB0/２π

式中：f——進動的頻率

B０

——主磁場強度

r——旋磁比（對于每一種原子核是恒定的常數(shù)）原子核進動的頻率只由外加磁場的強度和原子核本身的性質(zhì)決定，也就是說，對于某一特定原子，在一定強度的的外加磁場中，其原子核進動的頻率是固定不變的拉莫爾關(guān)系拉莫爾方程塞曼效應(yīng)無外加磁場時，原子核由于自旋具有能量，并保持在基態(tài)在外加靜磁場后，受到外磁場力的作用，自旋核發(fā)生進動，使原子核的能量在基態(tài)基礎(chǔ)上出現(xiàn)一定的附加能量，這些能量被分為若干能級，均勻分布這種從原本的一個基態(tài)能級的狀態(tài)，由于外加磁場后，能量發(fā)生分裂的現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)，分裂后的能級稱為塞曼能級由量子力學原理，核磁矩在靜磁場中的能量呈量子化分布，這些不連續(xù)的能量值（原子核的能級）滿足：

ΔEm=-

rB0hmI/2π塞曼效應(yīng)無外加磁場時，原子核由于自旋具有能量，并保持在基態(tài)對氫質(zhì)子1H，mI=±1/2，即處于靜磁場中的氫質(zhì)子，當外加磁場后，能量將被分裂為兩個能級，一個是正平行于B0，一個是反平行于B0

上旋—平行于磁場方向的核磁矩—低能態(tài)E（+1/2）下旋—反向磁場方向的核磁矩—高能態(tài)E（-1/2）對氫質(zhì)子1H，mI=±1/2，即處于靜磁場中的氫質(zhì)子，當外加宏觀磁矩對氫質(zhì)子而言，在外磁場力作用下，質(zhì)子磁矩方向發(fā)生變化，能量按能級重新分布，大多數(shù)質(zhì)子由于處于低能狀態(tài)，故順著主磁場排列，少量質(zhì)子具有較高能量，磁矩與Ｂ0方向相反，將逆主磁場排列，形成與磁場作同一取向的低能狀態(tài)和反向的高能狀態(tài)。從而出現(xiàn)與主磁場Ｂ0方向一致的凈宏觀磁矩(或稱為宏觀磁化矢量）,以磁矩M表示處于低能態(tài)與高能態(tài)這兩種基本能量狀態(tài)間的原子核之間根據(jù)靜磁場場強大小與當時的溫度，存在動態(tài)平衡，稱為“熱平衡”狀態(tài)。宏觀磁矩對氫質(zhì)子而言，在外磁場力作用下，質(zhì)子磁矩方向發(fā)生變化當向磁矩施加頻率與質(zhì)子群的旋進頻率一致的射頻脈沖時，將破壞原來的熱平衡狀態(tài)，從微觀上講，將誘發(fā)兩種能態(tài)間的質(zhì)子產(chǎn)生能態(tài)躍遷，被激勵的質(zhì)子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，使原子核磁矩從能量較低的“平行”狀態(tài)跳到能量較高的“反向平行”狀態(tài)－核磁共振B1B1核磁共振共振(resonance)：運動頻率一致的兩個物體之間發(fā)生能量傳遞的現(xiàn)象稱為共振根據(jù)物理學原理，只有當外加射頻場頻率＝原子核進動的頻率時，射頻場的能量才能有效地被原子核吸收－－特定的原子核吸收特定的射頻場能量為了讓原子核自旋的進動發(fā)生能級躍遷，需要為原子核提供躍遷所需要的能量－－通過外加射頻場來提供核磁共振共振(resonance)：運動頻率一致的兩個物體之射頻場射頻脈沖（RF）：使磁矩發(fā)生改變，質(zhì)子產(chǎn)生共振頻率等于拉莫爾頻率，振幅等于B1，B1方向垂直于B0B1磁場的作用是使磁化沿其進動，從垂直方向轉(zhuǎn)向Mxy平面B1翻轉(zhuǎn)角度與所使用射頻脈沖的強度及作用時間相關(guān)θ=γB1t射頻場射頻脈沖（RF）：使磁矩發(fā)生改變，質(zhì)子產(chǎn)生共振射頻脈沖的方式射頻脈沖的實質(zhì)：垂直于B0，在XY平面的旋轉(zhuǎn)磁場B1，旋轉(zhuǎn)頻率等于拉莫爾頻率射頻場下質(zhì)子的運動------章動在B0與B1的雙重作用下，質(zhì)子將除沿B0軸進動外，還要沿B1軸運動，運動軌跡呈向下螺旋線形射頻脈沖的角度在RF脈沖的激勵下，宏觀磁化矢量M將偏離靜磁場B0方向，其偏離的角度稱為翻轉(zhuǎn)角射頻脈沖的方式磁共振成像精講課件常用的磁共振觀測方法掃頻法：固定場不變，調(diào)節(jié)射頻頻率；掃場法：固定射頻不變，改變調(diào)場電流從而改變場強；脈沖傅立葉變換法：時間短暫的射頻脈沖后進行信號采集；相當于多道連續(xù)波核磁共振，靈敏度高，目前廣為采用常用的磁共振觀測方法橫向磁化向量Mxy宏觀磁化磁矩(M)分為橫向面的Mxy和縱向面的Mz，只有在XY平面的成分能被探測到調(diào)整射頻脈沖強度和時間，當施加90°脈沖時，將使M以螺旋運動的形式離開平衡狀態(tài)，脈沖停止時，M將落在與靜磁場B0垂直的平面內(nèi)，獲得最大磁共振信號（Mz＝0）橫向磁化向量Mxy宏觀磁化磁矩(M)分為橫向面的Mxy和縱弛豫弛豫是一種不經(jīng)過能量輻射，使系統(tǒng)回到低能態(tài)的能量交換過程，需要一定的時間磁共振中，弛豫是指原子核發(fā)生共振后，處在非平衡的高能態(tài)向低能態(tài)恢復(fù)的過程，反映了質(zhì)子之間和質(zhì)子周圍環(huán)境之間的相互作用弛豫存在多種方式，最主要的有兩種：自旋-晶格弛豫與自旋-自旋弛豫弛豫弛豫是一種不經(jīng)過能量輻射，使系統(tǒng)回到低能態(tài)的能量交換過程弛豫過程當射頻脈沖激勵停止后，宏觀磁化矢量將自發(fā)地螺旋上升逐漸靠向B0，回復(fù)到平衡狀態(tài)－－核磁弛豫在脈沖結(jié)束的一瞬間，M在XY平面上分量Mxy達最大值，在Z軸上分量Mz為零，當恢復(fù)到平衡時，縱向分量Mz重新出現(xiàn)，而橫向分量Mxy消失由于在弛豫過程中磁化矢量M強度并不恒定，縱、橫向部分必須分開討論弛豫過程用2個時間值描述，即縱向弛豫時間(T1)和橫向弛豫時間(T2)弛豫過程當射頻脈沖激勵停止后，宏觀磁化矢量將自發(fā)地螺旋上升逐馳豫過程的綜合表示（三種運動的綜合過程）磁化矢量的進動縱向磁化逐漸增大橫向磁化逐漸減小馳豫過程的綜合表示（三種運動的綜合過程）磁化矢量的進動縱向磁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c、最后回歸原始狀態(tài)，縱向磁化恢復(fù)到最大縱向弛豫過程a、射頻結(jié)束瞬間，縱向磁化為零，橫向磁化最大縱向弛豫過程a、射頻結(jié)束瞬間，橫向磁化達到最大,進動相位一致b、內(nèi)部小磁場的不均勻性使得進動相位分散，橫向磁化矢量逐漸減小c、最終相位完全分散，橫向磁化矢量為零橫向弛豫過程a、射頻結(jié)束瞬間，橫向磁化達到最大,進動相位一致橫向弛豫過程縱向弛豫時間(T1)射頻脈沖停止后，縱向磁化Mz逐漸增大，弛豫快慢遵循指數(shù)遞增規(guī)律?？v向馳豫時間(T1)定義為Mz從0增大到最大值Mz0的63%所需的時間。T1的物理意義：由于質(zhì)子從射頻波吸收能量，處于高能態(tài)的質(zhì)子數(shù)目增加，T1弛豫是質(zhì)子群通過釋放已吸收的能量，以恢復(fù)原來高低能態(tài)平衡的過程，T1弛豫也稱為自旋－晶格弛豫。生物組織的T1值從大約50毫秒到幾秒不等

縱向弛豫時間(T1)射頻脈沖停止后，縱向磁化Mz逐漸增大，弛Mz063%Mz063%人體正常與病變組織的T1值（ms）肝140～170肝癌300～450腎300～340肝血管瘤340～370胰180～200胰腺癌275～400肌肉120～140膀胱癌200～240血液340～370腎癌400～450脂肪60～80肺膿腫400～500膽汁250～300腦膜瘤200～300人體正常與病變組織的T1值（ms）肝140～170肝癌300一般大分子（如生物蛋白）和小分子（如水）由于共振頻率與拉莫爾頻率差別較大，對能量傳遞有效性差，因此T1較長。中等分子（如脂肪）的共振頻率接近于拉莫爾頻率，能量傳遞最有效，因此T1較短。T1還與外加靜磁場的磁場強度有關(guān)，對同一組織而言，外加靜磁場強度越高，T1越長一般大分子（如生物蛋白）和小分子（如水）由于共振頻率與拉莫爾組織癌癥組織的T1（ms）正常組織的T1（ms）肺940±460600±170骨髓770±20380±50肝臟570±190380±20胰腺840±130398±20人體正常組織與癌變組織的弛豫時間對比（0.5T外場下）組織癌癥組織的T1（ms）正常組織的T1（ms）肺940±4橫向弛豫時間（T2）90°脈沖停止后，質(zhì)子同步旋進很快變?yōu)楫惒?，旋轉(zhuǎn)方位也由同而異，相位由聚合一致變?yōu)閱适Ь酆隙飨虍愋裕呕噶肯嗷サ窒?，Mxy很快由大變小,最后趨向于零，稱之為去相位。橫向弛豫的快慢遵循指數(shù)遞減規(guī)律，橫向弛豫時間T2規(guī)定為使Mxy從最大值衰減到其原來值37%所用的時間T2物理意義：橫向弛豫指不同的原子核之間以不同能量狀態(tài)傳遞能量，當某一原子核吸收相鄰的一個核釋放的能量時，將造成質(zhì)子共振頻率的改變，從而使質(zhì)子群由相位一致變?yōu)榛ギ悺2也稱為自旋-自旋弛豫。橫向弛豫時間（T2）90°脈沖停止后，質(zhì)子同步旋進很快變?yōu)楫恱ymaxxymax不同組織對橫向馳豫時間的影響小分子快速平移運動加速進動的原子核間相互作用，引起磁場局部變化的均化，減弱了T2弛豫的效率，相對延長了T2弛豫時間溶液里大分子的存在降低總體分子的運動，從而增加了自旋—自旋相互作用的效率，縮短T2弛豫時間T2與磁場強度無關(guān)不同組織對橫向馳豫時間的影響小分子快速平移運動加速進動的原子正常顱腦的T1與T2值（ms）組織T1T2胼胝體38080橋腦44575延髓475100小腦58590大腦600100腦脊液1155145頭皮23560骨髓32080一般情況下，T1約為T2的4-10倍正常顱腦的T1與T2值（ms）組織T1T2胼胝體38080幾種常見組織在不同場強下的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幾種常見組織在不同場強下的T1，T2及質(zhì)子密度值組織T1T2磁共振信號的獲取如果在垂直于XY平面，加一個接收線圈，會接收到什么信號？磁共振信號的獲取如果在垂直于XY平面，加一個接收線圈，會接收在弛豫過程中通過測定橫向磁化矢量Mxy可得知生物組織的磁共振信號。Mxy垂直并圍繞主磁場B0以Larmor頻率旋進，按法拉第定律，Mxy的變化將使環(huán)繞在人體周圍的接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，即磁共振(MR)信號。90°脈沖后，由于受T1、T2的影響，MR信號以指數(shù)曲線形式衰減，稱為自由感應(yīng)衰減（freeinductiondecay，F(xiàn)ID）在弛豫過程中通過測定橫向磁化矢量Mxy可得知生物組織的磁共振FID信號的初始幅度與Mxy成正比，而Mxy與特定體元的組織中受激勵的核子數(shù)目成正比，故在磁共振圖像中可辨別氫原子密度的差異。信號振幅FID信號的初始幅度與Mxy成正比，而Mxy與特定體元的組織脈沖序列與加權(quán)圖像實際情況下，信號是從大量空間位置點收集的，信號由許多頻率復(fù)合組成。利用數(shù)學分析方法（傅立葉變換），不但能求出各個共振頻率，即相應(yīng)的空間位置，還能求出相應(yīng)的信號振幅，而信號振幅與特定空間位置的自旋密度成比例。選擇不同的脈沖序列和不同的成像時間，磁共振設(shè)備可形成質(zhì)子密度圖像、T1加權(quán)的圖像和T2加權(quán)的圖像。MRI技術(shù)的關(guān)鍵在于找出正常組織與有病組織間弛豫時間差異的特點。脈沖序列與加權(quán)圖像實際情況下，信號是從大量空間位置點收集的，傅立葉變換的作用：復(fù)雜的時間域信號簡單的頻率域信號傅立葉變換傅立葉變換的作用：復(fù)雜的時間域信號簡單的頻率域信號傅立葉變換磁共振成像精講課件軸位T1加權(quán)像。雙側(cè)尾狀核、殼核信號稍低同一層面軸位T2加權(quán)像。雙側(cè)尾狀核、殼核為高信號同一層面軸位質(zhì)子密度像。雙側(cè)尾狀核、殼核信號稍高軸位T1加權(quán)像。雙側(cè)尾狀核、殼核信號稍低同一層面軸位T2加如何分辨出人體不同層面的共振信號？施加梯度磁場由于梯度磁場的存在，使不同Z坐標下的層面所處的場強略為不同

有選擇性地施加射頻脈沖，即可使不同層面產(chǎn)生共振—選擇性激勵如何分辨出人體不同層面的共振信號？梯度磁場的概念人體內(nèi)所有自旋質(zhì)子具有相同的拉莫爾頻率，受射頻脈沖激發(fā)后接收到的信號將包含受檢者整個身體的信息，從而無法確定信號中每個成分的特定起源點，即空間位置信息梯度場使掃描平面上每一點具有不同的B0，從而具有不同的拉莫爾頻率，使人體內(nèi)不同部分受激發(fā)的原子核將在不同頻率下發(fā)生共振，被用來編碼受激原子核的空間信息，進行空間定位梯度磁場：是一個隨位置、以線性方式變化的磁場。與靜磁場（B0）疊加后，可以暫時造成磁場的不均勻，使沿梯度方向的自旋質(zhì)子具有不同的磁場強度，因而有不同的共振頻率，從而獲得關(guān)于位置的信息梯度磁場的概念人體內(nèi)所有自旋質(zhì)子具有相同的拉莫爾頻率，受射頻梯度磁場由置于磁體內(nèi)的額外線圈產(chǎn)生（梯度線圈）位于磁體內(nèi)的梯度線圈一般為成對線圈，每對線圈內(nèi)的電流大小相等，極性相反為獲得各個方向的空間位置信息，需要在X、Y、Z方向上分別施加一個梯度，根據(jù)它們的功能，這些梯度被稱為：①層面選擇梯度；②頻率編碼或讀出梯度；③相位編碼梯度梯度磁場由置于磁體內(nèi)的額外線圈產(chǎn)生（梯度線圈）梯度場的作用就是動態(tài)地修改B0梯度場的作用就是動態(tài)地修改B0如果施加的射頻脈沖具有單一頻率，層面將為無限薄實際中，射頻脈沖存在一定的帶寬，故將激發(fā)一定厚度的層面層面厚度與射頻信號帶寬的關(guān)系如果施加的射頻脈沖具有單一頻率，層面將為無限薄如何改變成像平面的厚度？改變射頻脈沖的帶寬射頻脈沖持續(xù)時間越短，

帶寬越寬，厚度越厚改變梯度磁場的斜率射頻脈沖頻帶不變的情

況下，梯度場斜率越小，層面厚度越厚如何改變成像平面的厚度？梯度磁場系統(tǒng)梯度磁場的產(chǎn)生由梯度線圈完成梯度線圈有三組即GX、GY、GZ，疊加在主磁體空間的磁體內(nèi)，當線圈通電時可在靜磁場中形成梯度改變Gx：冠狀面Gy：矢狀面Gz：橫斷面磁共振成像精講課件圖像重建是一個極其復(fù)雜的信號處理過程，必須借助于計算機，在復(fù)雜且嚴格的程序軟件控制下進行。圖像重建的本質(zhì)是對原始數(shù)據(jù)的高速數(shù)學運算（包括累加平均去噪聲、相位校正、傅立葉變換等）。圖像重建既可用軟件完成也可用硬件完成，軟件重建的速度要慢于硬件磁共振圖像重建圖像重建是一個極其復(fù)雜的信號處理過程，必須借助于計算機，在復(fù)原始信號的產(chǎn)生圖像重建算法投影重建法二維傅立葉變換法（主要）回波平面成像法原始信號的產(chǎn)生二維傅立葉變換法磁共振成像過程中，啟動梯度磁場，通過層面選擇、頻率編碼、相位編碼，把整個層面體素一一進行標定，用RF脈沖對各體素進行激勵，測量感應(yīng)信號采集數(shù)據(jù)信息，對所采集的信號進行2D-FT處理，得到具有相位、頻率特征的磁共振信號，根據(jù)各層面體素編碼的對應(yīng)關(guān)系，將體素信號大小用灰度等級表現(xiàn)出來，形成圖像二維傅立葉變換法磁共振成像精講課件MRI設(shè)備組成

MRI設(shè)備主要由主磁體、梯度線圈、RF線圈、計算機與控制臺和檢查床組成。MRI設(shè)備組成MRI設(shè)備主要由主磁體、梯度線圈、RF磁共振成像精講課件磁共振成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)磁體部分磁共振波譜儀部分數(shù)據(jù)處理和圖像重建部分磁共振成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主磁體部分主磁體用于產(chǎn)生高度均勻、穩(wěn)定的靜磁場B0，可以是永磁體、常導磁體或超導磁體。一般把主磁體做成圓柱狀或矩形腔體，里面不僅可以安裝主磁體的線圈，還可以安裝X、Y、Z方向梯度磁場的線圈和全身RF發(fā)射線圈與接受線圈，病人可借助檢查床進入其中主磁體系統(tǒng)是磁共振成像系統(tǒng)最重要、成本最高的部件，是磁共振系統(tǒng)中最強大的磁場，臨床上磁共振成像要求磁場強度在0.05～3T范圍內(nèi)一般將≤0.3T稱為低場，0.3T～1.0T稱為中場，＞1.0T稱為高場。磁場強度越高，信噪比越高，圖像質(zhì)量越好。但磁場強度過高也帶來一些不利的因素主磁體部分主磁體用于產(chǎn)生高度均勻、穩(wěn)定的靜磁場B0，可以是磁共振成像精講課件梯度磁場系統(tǒng)梯度磁場系統(tǒng)產(chǎn)生一定開關(guān)形狀的梯度電流，經(jīng)放大后由驅(qū)動電路送至梯度線圈產(chǎn)生所需的梯度磁場，以實現(xiàn)MR信號的空間編碼梯度磁場系統(tǒng)由梯度線圈、梯度控制器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC)、梯度放大器、梯度冷卻系統(tǒng)等部分組成。反饋控制部分預(yù)驅(qū)動功率驅(qū)動高壓控制高壓開關(guān)線圈→→→→↑↑梯度磁場系統(tǒng)梯度磁場系統(tǒng)產(chǎn)生一定開關(guān)形狀的梯度電流，經(jīng)放大后梯度線圈：MRI系統(tǒng)中重要的硬件之一。主要性能指標包括梯度場強和切換率主要作用：進行MRI信號的空間定位編碼，生成斷層圖像產(chǎn)生MR回波（梯度回波）施加擴散加權(quán)梯度場進行流動補償進行流動液體的流速相位編碼梯度線圈：MRI系統(tǒng)中重要的硬件之一。主要性能指標包括梯度場射頻系統(tǒng)脈沖線圈有發(fā)射線圈和接收線圈之分。 發(fā)射線圈發(fā)射射頻脈沖（無線電波）激發(fā)人體內(nèi)的質(zhì)子發(fā)生共振，如同電臺的發(fā)射天線；發(fā)射線圈產(chǎn)生短而強的射頻場，以脈沖方式加到人體，使人體組織中的氫核產(chǎn)生MR現(xiàn)象。接收線圈接收人體內(nèi)發(fā)出的MR信號（也是一種無線電波），如同收音機的天線；接收線圈接收人體反映出來的自由感應(yīng)衰減信號，放大后進入圖像處理系統(tǒng)射頻系統(tǒng)脈沖線圈有發(fā)射線圈和接收線圈之分。 計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)：MRI設(shè)備的指令和控制中心，不僅具有數(shù)據(jù)采集、處理、存儲及多幅顯示等功能，而且選擇觀察野、建立RF脈沖波形和時序圖、打開和關(guān)閉梯度磁場、控制RF發(fā)射和收集MR信號及提供MRI設(shè)備各單元的狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)。計算機系統(tǒng)功能框圖計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)：MRI設(shè)備的指令和控制中心，不僅具有數(shù)圖像重建MRI系統(tǒng)在恒定磁場的基礎(chǔ)上，通過施加一定的線性梯度磁場，由RF脈沖激發(fā)被檢部位產(chǎn)生MR信號，再經(jīng)接收電路將MR信號變成數(shù)字信號。此數(shù)字信號為MR原始數(shù)據(jù)，為獲得被檢部位高質(zhì)量的圖像，還必須經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理，如累加平均去噪聲、相位校正、傅里葉變換等數(shù)據(jù)處理方法。這些處理過程由計算機圖像重建部分完成。磁共振專用的圖像處理有如計算T1值、T2值、質(zhì)子密度等圖像重建圖像顯示經(jīng)圖像重建后，得到的表示圖像各點不同亮度的一組數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)存于海量存儲器或磁盤中。為讓人眼能看到圖像，普遍采用ORT型TV顯示系統(tǒng)。此方法是通過將表示圖像各像素亮度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模擬信號，控制顯像管電子槍發(fā)射的電子束強度獲得圖像。經(jīng)重建后的圖像依次送入高分辨率的顯示裝置，也可存入磁盤和通過多幅照相機制成硬拷貝圖像顯示其他磁共振成像技術(shù)磁共振血管造影(MagneticResonanceAngiography，MRA)的研究也取得了重要進展，利用MRA可以發(fā)現(xiàn)血管的疾病，與三維顯示技術(shù)相結(jié)合能夠為診斷提供更多的可視化立體信息。磁共振波譜分析(MagneticResonanceSpectroscopy，MRS)亦是MRI技術(shù)研究的熱門課題，借助MRS技術(shù)，有可能在獲得病人解剖結(jié)構(gòu)信息的同時又得到功能信息，將MRS與MRI進行圖像融合,能夠獲得更多的有價值的診斷信息。其他磁共振成像技術(shù)磁共振血管造影(MagneticReso功能性磁共振圖像功能性磁共振成像（functionalMagneticResonanceImaging，fMRI）技術(shù)已廣泛應(yīng)用于腦功能的臨床和基礎(chǔ)研究。fMRI結(jié)合了功能、解剖和影像三方面的因素，為臨床磁共振診斷從單一形態(tài)學研究到與功能相結(jié)合的系統(tǒng)研究提供了強有力的技術(shù)支持。該技術(shù)具有無創(chuàng)傷性、無放射性、可重復(fù)性、較高的時間和空間分辨率、可準確定位腦功能區(qū)等特點，為腦神經(jīng)科學提供了廣闊的應(yīng)用前景。

功能性磁共振圖像功能性磁共振成像（functionalMafMRI的基本原理fMRI的基本原理：兩種血紅蛋白（含氧血紅蛋白和去氧血紅蛋白）對磁場有完全不同的影響去氧血紅蛋白可產(chǎn)生橫向磁化磁豫縮短效應(yīng)，因此，當去氧血紅蛋白含量增加時，T2加權(quán)像信號減低。當神經(jīng)元活動增強時，腦功能區(qū)皮質(zhì)的血流顯著增加，去氧血紅蛋白的含量降低，導致T2加權(quán)像信號增強，即T2加權(quán)像信號能反映局部神經(jīng)元活動，這就是所謂血氧水平依賴BOLD效應(yīng)，它是fMRI基礎(chǔ)

.fMRI的基本原理fMRI的基本原理：兩種血紅蛋白（含氧血人有了知識，就會具備各種分析能力，明辨是非的能力。所以我們要勤懇讀書，廣泛閱讀，古人說“書中自有黃金屋?！蓖ㄟ^閱讀科技書籍，我們能豐富知識，培養(yǎng)邏輯思維能力；通過閱讀文學作品，我們能提高文學鑒賞水平，培養(yǎng)文學情趣；通過閱讀報刊，我們能增長見識，擴大自己的知識面。有許多書籍還能培養(yǎng)我們的道德情操，給我們巨大的精神力量，鼓舞我們前進。人有了知識，就會具備各種分析能力，磁共振成像精講課件磁共振成像磁共振成像要點MRI發(fā)展的背景、歷史和現(xiàn)狀MRI的特點核磁共振的物理基礎(chǔ)MRI的成像原理MRI成像系統(tǒng)的構(gòu)成其他磁共振成像技術(shù)要點MRI發(fā)展的背景、歷史和現(xiàn)狀1946年，E.M.Purcell(哈佛大學)和F.Bloch(斯坦福大學)2個獨立小組在幾天內(nèi)各自獨立發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象，1952年兩人共同獲得諾貝爾物理獎BlochStanford大學

（1946）PhysicsReview69,127PurcellMIT,

（1946）PhysicsReview69,37發(fā)展歷史1946年，E.M.Purcell(哈佛大學)和F.BlocFelixBloch

1905-1983

EdwardMillsPurcell1912-19971952NobelPrizeforPhysicsStanfordUniversityMITFelixBlochEdwardMill1973年，美國紐約州立大學石溪分校教授P.C.Lauterbur提出二維核磁共振成像(MRI)方法，利用磁場梯度解決了空間信息獲取的問題Lauterbur,StateUniversityofNewYork

(1973)Nature

242,736Mansfield,NottinghamUniversity(1973)J.Phys.C6,L4221976年實現(xiàn)了人體手部成像，得到第一張人體的MR圖像（活體手指），1978年獲取第一幅人體頭部MR圖像1973年，美國紐約州立大學石溪分校教授P.C.LauterLauterbur,1929Mansfied19332003NobelPrizeinPhysiologyorMedicineLauterbur,Mansfied2003NobelPaulC.Lauterbur–PrizeAwardPhoto

SirPeterMansfield–PrizeAwardPhoto10/6,2003PaulC.Lauterbur–SirPeter實事求是地講，Damadian應(yīng)該算是最早把核磁共振用于生物醫(yī)學研究的人之一。早在1970年他便把從人身上切除的腫瘤移植到老鼠身上，并觀察到攜帶腫瘤的老鼠的核磁共振信號發(fā)生了變化（1971年《科學》）Damadian的工作直接啟發(fā)了Lauterbur對成像技術(shù)的研究，他在認識到這一發(fā)現(xiàn)的醫(yī)學價值的同時，也敏銳地意識到若不能進行空間上的定位，核磁共振在臨床應(yīng)用的可能性微乎其微（1972年《自然》）

實事求是地講，Damadian應(yīng)該算是最早把核磁共振用于生物第一臺MRI裝置1977第一臺MRI裝置1977世界上第一張MRI圖像Damadian的“用于癌組織檢測的設(shè)備和方法”世界上第一張MRI圖像Damadian的“用于癌組織檢測1980：推出世界上首臺NMR成像商品機。為與放射性核素檢查相區(qū)別，改稱為磁共振成像(magneticresonancelmaging，MRl)。1983～1984：美國儀器與藥物管理局（FDA）批準了4家公司生產(chǎn)的MRI機器上市，標志著核磁共振成像技術(shù)的基本成熟和MRI商品階段的開始。1985：第—軍醫(yī)大學南方醫(yī)院引進了第一臺磁共振成像機

1989：第一臺國產(chǎn)核磁共振儀器由中科院安科公司開發(fā)成功1980：推出世界上首臺NMR成像商品機。為與放射性核素檢查磁共振成像(MRI)：把核磁共振原理同空間編碼技術(shù)結(jié)合起來，采用磁場使人體組織成像。成像原理：用一定方法使空間各點磁場強度有規(guī)律地變化，核磁共振信號中的不同頻率分量即可同一定的空間位置對應(yīng)，通過一定的數(shù)學變換實現(xiàn)核磁共振成像。什么是磁共振成像技術(shù)？磁共振成像(MRI)：把核磁共振原理同空間編碼技術(shù)結(jié)合起來，

MRI利用射頻（RadioFrequency，RF）電磁波對置于靜磁場B中的含有自旋不為零的原子核（1H）的物質(zhì)進行激發(fā)，發(fā)生核磁共振，用感應(yīng)線圈檢測技術(shù)獲得組織弛豫信息和質(zhì)子密度信息（采集共振信號）用梯度磁場進行空間定位，通過圖像重建，形成磁共振成像的方法和技術(shù)醫(yī)學MRI圖像中，每個像素代表該位置上的磁共振信號的強度MRI利用射頻（RadioFrequency，RF）電磁MRI成像的條件射頻脈沖（激發(fā)原子核）外加靜磁場具有自旋不為零的原子核（受檢體）感應(yīng)線圈梯度磁場計算機產(chǎn)生磁共振檢測和接收磁共振信號實現(xiàn)空間定位完成重建，生成圖像MRI成像的條件產(chǎn)生磁共振檢測和接收磁共振信號實現(xiàn)空間定位完MRI與CT的比較成像機理衰減成像VS共振成像圖像中像素的含義衰減系數(shù)VS共振信號的強度MRI與CT的比較成像機理MRI成像特點較高的組織對比度和組織分辨力解剖成像，并含有比CT更豐富、更深層次的生物信息，對腦和膀胱、直腸、子宮、陰道、骨、關(guān)節(jié)、肌肉等軟組織分辨率極佳多方位成像能對被檢查的部位進行橫斷面、冠狀面、矢狀面以及任何斜面成像，且不必變動病人的體位，不會產(chǎn)生CT檢測中的偽影；不需注射造影劑橫斷面冠狀面矢狀面人體平面MRI成像特點較高的組織對比度和組織分辨力橫斷面冠狀面矢狀面

多參數(shù)成像獲取T1加權(quán)像（T1WI）、T2加權(quán)像（T2WI）、質(zhì)子密度加權(quán)像（PDWI），在影像上取得組織之間、組織與病變之間在T1、T2、T2*和PD上的信號對比，對顯示解剖結(jié)構(gòu)和病變敏感腦白質(zhì)腦灰質(zhì)肌肉腦脊液和水脂肪骨皮質(zhì)骨髓質(zhì)瓣膜T1WI較高，白灰中等，灰中等，灰低，黑高，白低，黑高，白低，黑T2WI中等，灰較高，白灰中等，灰高，白較高，白灰低，黑中等，灰低，黑多參數(shù)成像方法便于區(qū)分腦中的灰質(zhì)與白質(zhì)，對組織壞死、惡性疾患和退化性疾病的早期診斷效果有極大優(yōu)越性，其軟組織的對比度也更為精確多參數(shù)成像腦白質(zhì)腦灰質(zhì)肌肉腦脊液和水脂肪骨皮質(zhì)骨髓質(zhì)瓣膜T多種特殊成像如各種血管影像、水成像、脂肪抑制成像、血管影像可以顯示顱內(nèi)的大多數(shù)血管，可無創(chuàng)性地做出血管性疾病的診斷以射頻脈沖作為成像的能量源，不使用電離輻射，對人體安全，無創(chuàng)功能成像彌散成像（DI）灌注成像（PI）血氧水平依賴成像（BOLD）MRI能從分子水平上反映出人體器官失常和早期病變，既具有解剖成像的特點，又反映了組織內(nèi)部的功能變化，具有功能成像的特點，用于疾病早期診斷多種特殊成像MRI能從分子水平上反映出人體器官MRI的主要局限空間分辨率不及CT常規(guī)掃描信號采集時間較長，成像速度慢，不利于為昏迷、危重病人及躁動病人、兒童等做檢查禁忌較多裝有心臟起搏器、動脈瘤夾、金屬假肢等病人不宜進行MRI檢查不能對成像參數(shù)值進行有效測定，所以不能像CT那樣在圖像上進行定量分析和診斷。對含氫質(zhì)子較少的組織，如鈣化組織、致密骨骼以及含氣的肺部等部位的顯示遠不如CT，難以對以病理性鈣化為特征的病變作診斷；設(shè)備成本昂貴，檢查費用較高MR技術(shù)代替CT技術(shù)？MRI的主要局限空間分辨率不及CTMR技術(shù)代替CT技術(shù)？MRI機與CT機封閉式MRI機開放式MRI機CT機MRI機與CT機封閉式MRI機開放式MRI機CT機各種感應(yīng)線圈頸部信號接收線圈下肢信號接收線圈軀干信號接收線圈肩部信號接收線圈手腕信號接收部線圈各種感應(yīng)線圈頸部信號接收線圈下肢信號接收線圈軀干信號接收線圈T1ContrastTE=14msTR=400msT2ContrastTE=100msTR=1500msProtonDensityTE=14msTR=1500ms多參數(shù)成像MRI圖像T1ContrastT2ContrastProtonDT1ContrastTE=14msTR=400msT2ContrastTE=100msTR=1500msProtonDensityTE=14msTR=1500ms多截面成像T1ContrastT2ContrastProtonDMRA（核磁血管造影）MRA（核磁血管造影）磁共振成像精講課件fMRI功能成像fMRI功能成像原子核的一般特性質(zhì)子(proton)，帶正電（荷）Z

原子核

中子(neutron)，中性N核磁共振物理基礎(chǔ)對同一種元素，質(zhì)子數(shù)是一定的，但是中子數(shù)可能有所不同（質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同的元素互稱為同位素或核素）對某一種化學元素的不同核素在自然界的含量差別很大，而且性質(zhì)也不同原子核的一般特性核磁共振物理基礎(chǔ)對同一種元素，質(zhì)子數(shù)是一定的原子核1H原子核1H原子核的自旋、角動量、進動、磁矩〝自旋〞（spin）：原子核及質(zhì)子圍繞著自身的中軸進行旋轉(zhuǎn)。自旋的速率由核的種類決定原子在自旋時，由于受到重力影響，轉(zhuǎn)動軸與重力方向形成傾角。原子核的自旋、角動量、進動、磁矩帶有正電荷的質(zhì)子的自旋類似于一個小磁體，產(chǎn)生一個與自旋同軸的電磁場，具有大小和方向，磁場的方向可由環(huán)形電流的法拉第右手定則確定；自然狀態(tài)下，質(zhì)子的排列呈散亂隨機狀態(tài)，不同方向的磁力矩相互抵消，人體不顯示磁性具有軸對稱的物體在旋轉(zhuǎn)時，關(guān)于對稱軸的角動量等于物體對軸的轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)動角速度的乘積OL帶有正電荷的質(zhì)子的自旋類似于一個小磁體，產(chǎn)生一個與自旋同軸的當外力矩M=0時，角動量L大小和方向?qū)⒈３植蛔?，若存在非零的外力矩M，角動量則將發(fā)生變化，滿足在原子繞自身軸線轉(zhuǎn)動的同時，由于受到重力矩的影響，其轉(zhuǎn)動軸線又繞重力方向旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱進動(Precession)，進動具有能量也具有一定的頻率。當外力矩M=0時，角動量L大小和方向?qū)⒈３植蛔?，若存在非零的圓周電流包圍的面積矢量與電流強度的乘積成為磁矩，單位為安培.米2當有外磁場B作用時，磁矩要受到外磁場磁力矩的作用，產(chǎn)生磁勢能圓周電流包圍的面積矢量與電流強度的乘積成為磁矩，單位為安培.產(chǎn)生磁共振的原子核種類元素周期表中凡具有自旋特性的原子核都有產(chǎn)生磁共振的可能。能夠自旋的條件：質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)必有一個是奇數(shù)，即自旋量子數(shù)I≠0。包括質(zhì)子或中子之一為奇數(shù)如1H(質(zhì)子數(shù)為1，無中子)；13C

(質(zhì)子數(shù)為6，中子數(shù)為7)；31P；23Na；17O質(zhì)子和中子皆為奇數(shù)如2H(質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)皆為1)和14N(質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)皆為7)若質(zhì)子和中子數(shù)皆為偶數(shù)時，自旋量子數(shù)I=0，此原子核不具有自旋的特性，也不可能產(chǎn)生磁共振如12C(質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)皆為6)，16O等產(chǎn)生磁共振的原子核種類元素周期表中凡具有自旋特性的原子核都有任何存在奇數(shù)質(zhì)子、中子或質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和為奇數(shù)的原子核均存在磁矩。任何存在奇數(shù)質(zhì)子、中子或質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和為奇數(shù)的原子核均存

有自旋

原子核

無自旋現(xiàn)今MRI中研究和使用最多的原子核：氫核是磁化度最高的原子核占活體組織原子數(shù)量的2/3只有一個自旋的質(zhì)子，結(jié)構(gòu)最單純，磁矩最易于檢測最適于從它得到核磁共振圖像

原子核的磁矩含有奇數(shù)質(zhì)子或中子的原子核，由于質(zhì)子帶有正電荷，自旋時將產(chǎn)生環(huán)形電流，從而感應(yīng)出一個與自旋旋轉(zhuǎn)軸一致的磁場，如同一個小磁體有南北極（核磁現(xiàn)象，nuclearmagnetic），磁場用磁矩或磁向量來表示，有大小和方向核磁矩是原子核的固有特性，它決定核磁共振信號的敏感性，氫質(zhì)子由于只有一個質(zhì)子，故具有最強的磁矩具有磁矩的快速自旋核可以看成為極小磁棒原子核的磁矩含有奇數(shù)質(zhì)子或中子的原子核，由于質(zhì)子帶有正電荷，人體內(nèi)含有豐富的水，故存在大量的氫質(zhì)子，不同的組織，水的含量也各不相同，即含氫核數(shù)多少也不同。從而NMR信號強度存在差異，MRI技術(shù)就是通過識別水分子中氫原子信號的分布來推測水分子在人體內(nèi)的分布，進而把各種組織分開，探測人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)－－氫核密度的核磁共振圖像。人體不同組織之間、正常組織與該組織中的病變組織之間氫核密度、弛豫時間T1、弛豫時間T2三個參數(shù)的差異，是MRI用于臨床診斷最主要的物理基礎(chǔ)。人體內(nèi)含有豐富的水，故存在大量的氫質(zhì)子，不同的組織，水的含量無外磁場時的質(zhì)子無外加磁場時，奇數(shù)質(zhì)子群中的各個質(zhì)子任意方向自旋，其磁矩相互抵消，因而單位體積內(nèi)生物組織的宏觀磁矩Ｍ＝０以隨機相位作進動的自旋集合無外磁場時的質(zhì)子無外加磁場時，奇數(shù)質(zhì)子群中的各個質(zhì)子任意方向靜磁場中的質(zhì)子無外加靜磁場（B0）時，質(zhì)子繞自身軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個自身的小磁場。當自旋質(zhì)子放入外加靜磁場B0（又稱主磁場）時，質(zhì)子開始〝搖擺〞，不僅繞自身軸進行自旋，同時也繞靜磁場B0的磁力線為軸進行旋轉(zhuǎn)，這樣的運動狀態(tài)稱為〝進動〞，自旋與磁場間成θ角。質(zhì)子繞B0軸的進動頻率由拉莫爾方程確定θB0mg靜磁場中的質(zhì)子無外加靜磁場（B0）時，質(zhì)子繞自身軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生拉莫爾關(guān)系拉莫爾方程在主磁場中，宏觀磁矩象單個質(zhì)子磁矩那樣作旋進運動，磁矩進動的頻率符合拉莫爾（Larmor）方程：

f＝rB0/２π

式中：f——進動的頻率

B０

——主磁場強度

r——旋磁比（對于每一種原子核是恒定的常數(shù)）原子核進動的頻率只由外加磁場的強度和原子核本身的性質(zhì)決定，也就是說，對于某一特定原子，在一定強度的的外加磁場中，其原子核進動的頻率是固定不變的拉莫爾關(guān)系拉莫爾方程塞曼效應(yīng)無外加磁場時，原子核由于自旋具有能量，并保持在基態(tài)在外加靜磁場后，受到外磁場力的作用，自旋核發(fā)生進動，使原子核的能量在基態(tài)基礎(chǔ)上出現(xiàn)一定的附加能量，這些能量被分為若干能級，均勻分布這種從原本的一個基態(tài)能級的狀態(tài)，由于外加磁場后，能量發(fā)生分裂的現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)，分裂后的能級稱為塞曼能級由量子力學原理，核磁矩在靜磁場中的能量呈量子化分布，這些不連續(xù)的能量值（原子核的能級）滿足：

ΔEm=-

rB0hmI/2π塞曼效應(yīng)無外加磁場時，原子核由于自旋具有能量，并保持在基態(tài)對氫質(zhì)子1H，mI=±1/2，即處于靜磁場中的氫質(zhì)子，當外加磁場后，能量將被分裂為兩個能級，一個是正平行于B0，一個是反平行于B0

上旋—平行于磁場方向的核磁矩—低能態(tài)E（+1/2）下旋—反向磁場方向的核磁矩—高能態(tài)E（-1/2）對氫質(zhì)子1H，mI=±1/2，即處于靜磁場中的氫質(zhì)子，當外加宏觀磁矩對氫質(zhì)子而言，在外磁場力作用下，質(zhì)子磁矩方向發(fā)生變化，能量按能級重新分布，大多數(shù)質(zhì)子由于處于低能狀態(tài)，故順著主磁場排列，少量質(zhì)子具有較高能量，磁矩與Ｂ0方向相反，將逆主磁場排列，形成與磁場作同一取向的低能狀態(tài)和反向的高能狀態(tài)。從而出現(xiàn)與主磁場Ｂ0方向一致的凈宏觀磁矩(或稱為宏觀磁化矢量）,以磁矩M表示處于低能態(tài)與高能態(tài)這兩種基本能量狀態(tài)間的原子核之間根據(jù)靜磁場場強大小與當時的溫度，存在動態(tài)平衡，稱為“熱平衡”狀態(tài)。宏觀磁矩對氫質(zhì)子而言，在外磁場力作用下，質(zhì)子磁矩方向發(fā)生變化當向磁矩施加頻率與質(zhì)子群的旋進頻率一致的射頻脈沖時，將破壞原來的熱平衡狀態(tài)，從微觀上講，將誘發(fā)兩種能態(tài)間的質(zhì)子產(chǎn)生能態(tài)躍遷，被激勵的質(zhì)子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，使原子核磁矩從能量較低的“平行”狀態(tài)跳到能量較高的“反向平行”狀態(tài)－核磁共振B1B1核磁共振共振(resonance)：運動頻率一致的兩個物體之間發(fā)生能量傳遞的現(xiàn)象稱為共振根據(jù)物理學原理，只有當外加射頻場頻率＝原子核進動的頻率時，射頻場的能量才能有效地被原子核吸收－－特定的原子核吸收特定的射頻場能量為了讓原子核自旋的進動發(fā)生能級躍遷，需要為原子核提供躍遷所需要的能量－－通過外加射頻場來提供核磁共振共振(resonance)：運動頻率一致的兩個物體之射頻場射頻脈沖（RF）：使磁矩發(fā)生改變，質(zhì)子產(chǎn)生共振頻率等于拉莫爾頻率，振幅等于B1，B1方向垂直于B0B1磁場的作用是使磁化沿其進動，從垂直方向轉(zhuǎn)向Mxy平面B1翻轉(zhuǎn)角度與所使用射頻脈沖的強度及作用時間相關(guān)θ=γB1t射頻場射頻脈沖（RF）：使磁矩發(fā)生改變，質(zhì)子產(chǎn)生共振射頻脈沖的方式射頻脈沖的實質(zhì)：垂直于B0，在XY平面的旋轉(zhuǎn)磁場B1，旋轉(zhuǎn)頻率等于拉莫爾頻率射頻場下質(zhì)子的運動------章動在B0與B1的雙重作用下，質(zhì)子將除沿B0軸進動外，還要沿B1軸運動，運動軌跡呈向下螺旋線形射頻脈沖的角度在RF脈沖的激勵下，宏觀磁化矢量M將偏離靜磁場B0方向，其偏離的角度稱為翻轉(zhuǎn)角射頻脈沖的方式磁共振成像精講課件常用的磁共振觀測方法掃頻法：固定場不變，調(diào)節(jié)射頻頻率；掃場法：固定射頻不變，改變調(diào)場電流從而改變場強；脈沖傅立葉變換法：時間短暫的射頻脈沖后進行信號采集；相當于多道連續(xù)波核磁共振，靈敏度高，目前廣為采用常用的磁共振觀測方法橫向磁化向量Mxy宏觀磁化磁矩(M)分為橫向面的Mxy和縱向面的Mz，只有在XY平面的成分能被探測到調(diào)整射頻脈沖強度和時間，當施加90°脈沖時，將使M以螺旋運動的形式離開平衡狀態(tài)，脈沖停止時，M將落在與靜磁場B0垂直的平面內(nèi)，獲得最大磁共振信號（Mz＝0）橫向磁化向量Mxy宏觀磁化磁矩(M)分為橫向面的Mxy和縱弛豫弛豫是一種不經(jīng)過能量輻射，使系統(tǒng)回到低能態(tài)的能量交換過程，需要一定的時間磁共振中，弛豫是指原子核發(fā)生共振后，處在非平衡的高能態(tài)向低能態(tài)恢復(fù)的過程，反映了質(zhì)子之間和質(zhì)子周圍環(huán)境之間的相互作用弛豫存在多種方式，最主要的有兩種：自旋-晶格弛豫與自旋-自旋弛豫弛豫弛豫是一種不經(jīng)過能量輻射，使系統(tǒng)回到低能態(tài)的能量交換過程弛豫過程當射頻脈沖激勵停止后，宏觀磁化矢量將自發(fā)地螺旋上升逐漸靠向B0，回復(fù)到平衡狀態(tài)－－核磁弛豫在脈沖結(jié)束的一瞬間，M在XY平面上分量Mxy達最大值，在Z軸上分量Mz為零，當恢復(fù)到平衡時，縱向分量Mz重新出現(xiàn)，而橫向分量Mxy消失由于在弛豫過程中磁化矢量M強度并不恒定，縱、橫向部分必須分開討論弛豫過程用2個時間值描述，即縱向弛豫時間(T1)和橫向弛豫時間(T2)弛豫過程當射頻脈沖激勵停止后，宏觀磁化矢量將自發(fā)地螺旋上升逐馳豫過程的綜合表示（三種運動的綜合過程）磁化矢量的進動縱向磁化逐漸增大橫向磁化逐漸減小馳豫過程的綜合表示（三種運動的綜合過程）磁化矢量的進動縱向磁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c、最后回歸原始狀態(tài)，縱向磁化恢復(fù)到最大縱向弛豫過程a、射頻結(jié)束瞬間，縱向磁化為零，橫向磁化最大縱向弛豫過程a、射頻結(jié)束瞬間，橫向磁化達到最大,進動相位一致b、內(nèi)部小磁場的不均勻性使得進動相位分散，橫向磁化矢量逐漸減小c、最終相位完全分散，橫向磁化矢量為零橫向弛豫過程a、射頻結(jié)束瞬間，橫向磁化達到最大,進動相位一致橫向弛豫過程縱向弛豫時間(T1)射頻脈沖停止后，縱向磁化Mz逐漸增大，弛豫快慢遵循指數(shù)遞增規(guī)律?？v向馳豫時間(T1)定義為Mz從0增大到最大值Mz0的63%所需的時間。T1的物理意義：由于質(zhì)子從射頻波吸收能量，處于高能態(tài)的質(zhì)子數(shù)目增加，T1弛豫是質(zhì)子群通過釋放已吸收的能量，以恢復(fù)原來高低能態(tài)平衡的過程，T1弛豫也稱為自旋－晶格弛豫。生物組織的T1值從大約50毫秒到幾秒不等

縱向弛豫時間(T1)射頻脈沖停止后，縱向磁化Mz逐漸增大，弛Mz063%Mz063%人體正常與病變組織的T1值（ms）肝140～170肝癌300～450腎300～340肝血管瘤340～370胰180～200胰腺癌275～400肌肉120～140膀胱癌200～240血液340～370腎癌400～450脂肪60～80肺膿腫400～500膽汁250～300腦膜瘤200～300人體正常與病變組織的T1值（ms）肝140～170肝癌300一般大分子（如生物蛋白）和小分子（如水）由于共振頻率與拉莫爾頻率差別較大，對能量傳遞有效性差，因此T1較長。中等分子（如脂肪）的共振頻率接近于拉莫爾頻率，能量傳遞最有效，因此T1較短。T1還與外加靜磁場的磁場強度有關(guān)，對同一組織而言，外加靜磁場強度越高，T1越長一般大分子（如生物蛋白）和小分子（如水）由于共振頻率與拉莫爾組織癌癥組織的T1（ms）正常組織的T1（ms）肺940±460600±170骨髓770±20380±50肝臟570±190380±20胰腺840±130398±20人體正常組織與癌變組織的弛豫時間對比（0.5T外場下）組織癌癥組織的T1（ms）正常組織的T1（ms）肺940±4橫向弛豫時間（T2）90°脈沖停止后，質(zhì)子同步旋進很快變?yōu)楫惒?，旋轉(zhuǎn)方位也由同而異，相位由聚合一致變?yōu)閱适Ь酆隙飨虍愋?，磁化矢量相互抵消，Mxy很快由大變小,最后趨向于零，稱之為去相位。橫向弛豫的快慢遵循指數(shù)遞減規(guī)律，橫向弛豫時間T2規(guī)定為使Mxy從最大值衰減到其原來值37%所用的時間T2物理意義：橫向弛豫指不同的原子核之間以不同能量狀態(tài)傳遞能量，當某一原子核吸收相鄰的一個核釋放的能量時，將造成質(zhì)子共振頻率的改變，從而使質(zhì)子群由相位一致變?yōu)榛ギ?。T2也稱為自旋-自旋弛豫。橫向弛豫時間（T2）90°脈沖停止后，質(zhì)子同步旋進很快變?yōu)楫恱ymaxxymax不同組織對橫向馳豫時間的影響小分子快速平移運動加速進動的原子核間相互作用，引起磁場局部變化的均化，減弱了T2弛豫的效率，相對延長了T2弛豫時間溶液里大分子的存在降低總體分子的運動，從而增加了自旋—自旋相互作用的效率，縮短T2弛豫時間T2與磁場強度無關(guān)不同組織對橫向馳豫時間的影響小分子快速平移運動加速進動的原子正常顱腦的T1與T2值（ms）組織T1T2胼胝體38080橋腦44575延髓475100小腦58590大腦600100腦脊液1155145頭皮23560骨髓32080一般情況下，T1約為T2的4-10倍正常顱腦的T1與T2值（ms）組織T1T2胼胝體38080幾種常見組織在不同場強下的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幾種常見組織在不同場強下的T1，T2及質(zhì)子密度值組織T1T2磁共振信號的獲取如果在垂直于XY平面，加一個接收線圈，會接收到什么信號？磁共振信號的獲取如果在垂直于XY平面，加一個接收線圈，會接收在弛豫過程中通過測定橫向磁化矢量Mxy可得知生物組織的磁共振信號。Mxy垂直并圍繞主磁場B0以Larmor頻率旋進，按法拉第定律，Mxy的變化將使環(huán)繞在人體周圍的接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，即磁共振(MR)信號。90°脈沖后，由于受T1、T2的影響，MR信號以指數(shù)曲線形式衰減，稱為自由感應(yīng)衰減（freeinductiondecay，F(xiàn)ID）在弛豫過程中通過測定橫向磁化矢量Mxy可得知生物組織的磁共振FID信號的初始幅度與Mxy成正比，而Mxy與特定體元的組織中受激勵的核子數(shù)目成正比，故在磁共振圖像中可辨別氫原子密度的差異。信號振幅FID信號的初始幅度與Mxy成正比，而Mxy與特定體元的組織脈沖序列與加權(quán)圖像實際情況下，信號是從大量空間位置點收集的，信號由許多頻率復(fù)合組成。利用數(shù)學分析方法（傅立葉變換），不但能求出各個共振頻率，即相應(yīng)的空間位置，還能求出相應(yīng)的信號振幅，而信號振幅與特定空間位置的自旋密度成比例。選擇不同的脈沖序列和不同的成像時間，磁共振設(shè)備可形成質(zhì)子密度圖像、T1加權(quán)的圖像和T2加權(quán)的圖像。MRI技術(shù)的關(guān)鍵在于找出正常組織與有病組織間弛豫時間差異的特點。脈沖序列與加權(quán)圖像實際情況下，信號是從大量空間位置點收集的，傅立葉變換的作用：復(fù)雜的時間域信號簡單的頻率域信號傅立葉變換傅立葉變換的作用：復(fù)雜的時間域信號簡單的頻率域信號傅立葉變換磁共振成像精講課件軸位T1加權(quán)像。雙側(cè)尾狀核、殼核信號稍低同一層面軸位T2加權(quán)像。雙側(cè)尾狀核、殼核為高信號同一層面軸位質(zhì)子密度像。雙側(cè)尾狀核、殼核信號稍高軸位T1加權(quán)像。雙側(cè)尾狀核、殼核信號稍低同一層面軸位T2加如何分辨出人體不同層面的共振信號？施加梯度磁場由于梯度磁場的存在，使不同Z坐標下的層面所處的場強略為不同

有選擇性地施加射頻脈沖，即可使不同層面產(chǎn)生共振—選擇性激勵如何分辨出人體不同層面的共振信號？梯度磁場的概念人體內(nèi)所有自旋質(zhì)子具有相同的拉莫爾頻率，受射頻脈沖激發(fā)后接收到的信號將包含受檢者整個身體的信息，從而無法確定信號中每個成分的特定起源點，即空間位置信息梯度場使掃描平面上每一點具有不同的B0，從而具有不同的拉莫爾頻率，使人體內(nèi)不同部分受激發(fā)的原子核將在不同頻