醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)原理5 MRI

醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)原理:

磁共振成像技術(shù)丁明躍華中科技大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系“圖像信息處理與智能控制”教育部重點實驗室2023/10/72

一、概論二、磁共振成像基本原理三、磁成像系統(tǒng)的構(gòu)成目錄

3GE3TMRIScannerAnimationfrom3DMRI4不同成像譜段5非電離電離6MRIX-Ray,CTElectromagneticRadiationEnergy891011磁共振現(xiàn)象磁共振成像的物理基礎(chǔ)是核磁共振（nuclearmagneticresonance，NMR）理論。NMR是一種射頻波與核系統(tǒng)在外磁場中相互作用所表現(xiàn)出的共振特性,利用這一特性可以研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。以不同的射頻脈沖序列對生物組織進行激勵，并用線圈檢測組織的弛豫和質(zhì)子密度信息，顯示來自人體層面內(nèi)每個組織體素射頻信號強度大小的像素陣列。磁共振成像磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）是利用生物體內(nèi)磁性核（多數(shù)為氫核）在磁場中特性的表現(xiàn)而進行成像的高新技術(shù)。如今隨著磁體、超導(dǎo)、低溫、電子和計算機等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，磁共振成像技術(shù)已廣泛應(yīng)用于臨床，成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域中不可缺少的診斷手段之一。12磁共振成像的作用與影響MRI是上世紀(jì)八十年代才發(fā)展起來的影像診斷技術(shù)。由于它徹底擺脫了電離輻射對人體的損害，又有多參數(shù)、多方位、大視野、組織特異性成像及對軟組織有高分辨力等特點，它不僅能提供人體的解剖圖像，還可反映人體組織的生理生化信息，因此，醫(yī)學(xué)界普遍認(rèn)為：MRI是20世紀(jì)醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域最重要的進展之一，21世紀(jì)它將仍以一個新興學(xué)科的面貌在工程技術(shù)學(xué)及醫(yī)學(xué)診斷學(xué)兩方面持續(xù)發(fā)展。13磁共振成像的歷史1946年，美國哈佛大學(xué)的Purcell及斯坦福大學(xué)的Bloch各自發(fā)現(xiàn)磁共振現(xiàn)象，由于這一現(xiàn)象在物理上、化學(xué)上具有重大的意義，Purcell和Bloch獲1952年諾貝爾物理獎。從發(fā)現(xiàn)NMR到1980年應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的成像技術(shù)，這中間經(jīng)歷了幾代物理學(xué)家及醫(yī)學(xué)家長達數(shù)十年的努力。14磁共振成像的歷史15磁共振成像命名

磁共振成像技術(shù)的命名比較混亂。曾使用過的名稱有：自旋成像法、自旋映像法、組合層析攝影、NMR斷層、NMR-CT、FONAR（場聚焦磁共振）和核磁共振成像（NMRI）等。1982年以后為了突出這一技術(shù)不產(chǎn)生電離輻射，同時又與放射性元素的核醫(yī)學(xué)相區(qū)別，臨床醫(yī)生建議把“核磁共振成像術(shù)”簡稱為“磁共振成像（MRI）”。16磁共振成像特點:(一)多參數(shù)成像

由于MRI的信號是多種組織特征參數(shù)的可變函數(shù)，它所反映的病理生理基礎(chǔ)較CT更廣泛，具有更大的靈活性。MRI的信號強度與組織的弛豫時間、氫質(zhì)子的密度、血液（或腦脊液）流動、化學(xué)位移及磁化率有關(guān)，其中馳豫時間，即T1和T2時間對圖像對比起了重要作用，它是區(qū)分不同正常組織、正常與異常組織的主要診斷基礎(chǔ)。因此，MRI的多參數(shù)成像，為臨床提供更多的診斷信息。17多參數(shù)成像T1加權(quán)圖像的對比:主要取決于不同組織的不同T1時間常數(shù)。T2加權(quán)圖像的對比，主要依賴于不同組織的不同T2時間常數(shù)。質(zhì)子密度N(H)對比：質(zhì)子密度圖像的對比，主要來源于不同組織的T2時間常數(shù)不同。T2*加權(quán)圖像的對比，主要來源于組織磁化率的差異。相位對比：以相位關(guān)系表示圖像的對比關(guān)系，常用以顯示流體對比及流體與靜態(tài)組織的對比。彌散對比：彌散加權(quán)圖像的對比，主要取決于細(xì)胞分子的熱運動速度。磁化傳遞對比：磁化傳遞對比，主要取決于大分子與小分子的相對比率。流動靜止對比：流動增強效應(yīng)與靜態(tài)飽和之間的對比。流速對比：流動速度對應(yīng)于信號強度所產(chǎn)生的圖像對比。1819磁共振成像特點:（二）多方位成像

自線性梯度磁場應(yīng)用于MRI系統(tǒng)后，就不再用旋轉(zhuǎn)樣品或移動病人的方法來獲得掃描層面，而是用Gx,Gy和Gz三個梯度或者三者的任意組合來確定層面，即實現(xiàn)了所謂的選擇性激勵。因此，MRI可獲得人體橫斷面、冠狀面、矢狀面及任何方位斷面的圖像，有利于病變的三維定位及解剖結(jié)構(gòu)的完整、連續(xù)顯示，使醫(yī)學(xué)界從三維空間上觀察人體成為現(xiàn)實。2021磁共振成像特點（三）大視野成像MRI在冠狀面、矢狀面和斜面等方向可產(chǎn)生大視野圖像，對整體觀察組織、器官的結(jié)構(gòu)與病變的關(guān)系具有明顯的優(yōu)勢，對臨床術(shù)前定位具有重要意義。（四）組織特異性成像

通過使用特殊的脈沖序列特異性顯示水、脂、軟骨及靜態(tài)液和流體等組織。如水成像技術(shù)用于顯示靜態(tài)液；黑水技術(shù)可以區(qū)分結(jié)合水與自由水；脂肪激發(fā)可以專門用于顯示脂肪；水激發(fā)及脂肪抑制可用于關(guān)節(jié)軟骨的顯示；TOF、PC可用于流體的顯示。亦可采用不同的脈沖序列特異性的顯示某種病理組織，監(jiān)測病理演變過程，如血腫不同期的演變過程等。22磁共振成像特點:

(三)人體能量代謝研究任何生物組織在發(fā)生結(jié)構(gòu)變化之前，首先要經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)變化，然后才發(fā)生功能改變和組織學(xué)異常。但是，以往的影像診斷方法一般只提供單一的解剖學(xué)資料，沒有組織特征和功能信息可利用。MRI的出現(xiàn)填補了上述兩項空白，使疾病的診斷深入到分子生物學(xué)和組織學(xué)水平。如T1和T2弛豫時間及其加權(quán)像本身就反映質(zhì)子群周圍的化學(xué)環(huán)境，即生理和生化信息的空間分布。又如，通過磁共振波譜（MRS,magneticresonancespectroscopy）的研究亦可洞察組織器官的能量代謝情況，是目前唯一能對人體的組織代謝、生化環(huán)境及化合物進行定量分析的無創(chuàng)傷性方法。(四)無電離輻射，即無創(chuàng)性檢查MRI系統(tǒng)的激勵源為短波或超短波段的電磁波，波長在1m以上（小于300MHz），無電力輻射損傷。從成像所用的頻率看，盡管MRI系統(tǒng)的峰值功率可達千瓦數(shù)量級，但平均功率僅為數(shù)瓦，完全低于推薦的非電離輻射的安全標(biāo)準(zhǔn)?？梢?，MRI是一種安全的檢查方法，這是MRI能夠迅速發(fā)展并被人們所接受的主要原因之一。2324磁共振成像特點:(五)無骨偽影干擾

各種投射性成像技術(shù)往往因氣體和骨骼的重疊而形成偽影，給某些部位病變的診斷帶來困難。例如，行頭顱X射線CT掃描時，就經(jīng)常在巖骨、枕骨粗隆等處出現(xiàn)條狀偽影，影響后顱凹的觀察。MRI無此類骨偽影。穹窿和顱底的骨結(jié)構(gòu)也不影響磁共振顱腦成像，從而使后顱凹的腫瘤得以顯示。25磁共振成像局限性（一）成像速度慢MRI系統(tǒng)成像速度的快慢一般是相對于同時期X射線CT的成像速度而言的。成像速度慢是MRI的主要缺點，使得該檢查的適應(yīng)癥大為減少。例如，它不適合于運動性器官、危重病人、噪動、喪失自制能力等患者的檢查。開放式磁共振成像系統(tǒng)國產(chǎn)開放式磁共振成像系統(tǒng)(0.3T)28（二）對鈣化灶和骨皮質(zhì)病灶不夠敏感

鈣化灶在發(fā)現(xiàn)病變和定性診斷方面均有一定作用，但磁共振圖像上鈣化通常卻表現(xiàn)為低信號。另外，由于骨質(zhì)中氫質(zhì)子（或水）的含量較低，骨的信號同樣比較弱，使得骨皮質(zhì)病變不能充分顯影，對骨細(xì)節(jié)的觀察也就比較困難。例如，巖骨是以皮質(zhì)骨為主的結(jié)構(gòu)，加上其中氣化的乳突蜂窩，它在磁共振圖像上將表現(xiàn)為典型的低信號區(qū)。（三）圖像易受多種偽影影響MRI的偽影主要來自設(shè)備、運動和金屬異物三個方面。常見的有化學(xué)位移偽影、卷褶偽影、截斷偽影、非自主性運動偽影、自主性運動偽影、流動偽影、靜電偽影、非鐵磁性金屬偽影和鐵磁性金屬偽影等。29（四）禁忌癥多MRI系統(tǒng)的強磁場和射頻場有可能使心臟起搏器失靈，也容易使各種體內(nèi)金屬性植人物移位。在激勵電磁波作用下，體內(nèi)的金屬還會因為發(fā)熱而造成傷害。因此，植有心臟起搏器的病人、安裝假肢或人工髖關(guān)節(jié)的病人、疑有眼球異物的病人以及動脈瘤銀夾結(jié)扎術(shù)后的病人等都是嚴(yán)禁行MRI檢查的，裝有假牙的病人不能進行頜面水平的MRI檢查。放置宮內(nèi)節(jié)育環(huán)的患者如在檢查中發(fā)現(xiàn)不適感應(yīng)立刻停止檢查。如受檢部位在盆部，金屬節(jié)育環(huán)造成的偽影也可能使檢查失敗。3031磁共振成像的局限性（五）定量診斷困難

對通常采用的質(zhì)子密度、T1和T2加權(quán)像，其權(quán)重值尚難精確測定。因此，MRI還不能像X射線CT那樣在圖像上進行定量診斷。32磁共振成像物理學(xué)原理

所謂磁共振成像（MagneticResonanceImaging,MRI）就是利用生物體內(nèi)特定原子磁性核在磁場中所表現(xiàn)出的磁共振作用而產(chǎn)生信號，經(jīng)空間編碼、重建而獲得圖像的一種高新技術(shù)。其物理基礎(chǔ)為磁共振理論，其本質(zhì)是一種能級間躍遷的量子效應(yīng)。SynopsisofMRI

1)

Putsubjectinbigmagneticfield

2)Transmitradiowavesintosubject[2-10ms]

3)Turnoffradiowavetransmitter

4)Receiveradiowavesre-transmittedbysubject

5)ConvertmeasuredRFdatatoimageManyfactorscontributetoMRimagingQuantumpropertiesofnuclearspinsRadiofrequency(RF)excitationpropertiesTissuerelaxationpropertiesMagneticfieldstrengthandgradientsTimingofgradients,RFpulses,andsignaldetectionWhatkindsofnucleicanbeusedforNMR?Nucleusneedstohave2properties:SpinChargeNucleiaremadeofprotonsandneutronsBothhavespin?ProtonshavechargePairsofspinstendtocancel,soonlyatomswithanoddnumberofprotonsorneutronshavespin

GoodMRnucleiare1H,13C,19F,23Na,31P36HydrogenatomsarebestforMRIBiologicaltissuesarepredominantly12C,16O,1H,and14NHydrogenatomistheonlymajorspeciesthatisMRsensitiveHydrogenisthemostabundantatominthebodyThemajorityofhydrogenisinwater(H2O)EssentiallyallMRIishydrogen(proton)imagingNuclearMagneticResonanceVisibleNucleiResonancefrequenciesof

commonnucleiNote:Resonanceat1.5T=LarmorfrequencyX1.540ASingleProton+++Thereiselectricchargeonthesurfaceoftheproton,thuscreatingasmallcurrentloopandgeneratingmagneticmomentm.TheprotonalsohasmasswhichgeneratesanangularmomentumJwhenitisspinning.JmThusproton“magnet”differsfromthemagneticbarinthatitalsopossessesangularmomentumcausedbyspinning.MagneticMomentIBFLF=IBLBLWt=IBLW=IBA

m

=tmax/B=IA

t=m

B=mBsinqForceTorqueAngularMomentumJ=mw=mvrmvrJ

m=g

J

misthemagneticmomentgiscalledgyromagneticratio.Itisaconstantforagivennucleus.Themagneticmomentandangularmomentumarevectorslyingalongthespinaxis.Theysatisfythefollowingequation:MagneticMoment&AngularMomentHowdoprotonsinteractwithamagneticfield?Moving(spinning)chargedparticlegeneratesitsownlittlemagneticfieldSuchparticleswilltendtolineupwithexternalmagneticfieldlines(thinkofironfilingsaroundamagnet)SpinningparticleswithmasshaveangularmomentumAngularmomentumresistsattemptstochangethespinorientation(thinkofagyroscope)Ref:48FlashdemoofspinningprotonsinChapter2TheenergydifferencebetweenthetwoalignmentstatesdependsonthenucleusDE=ghBo=hn

hisPlanckconstantn=g/2pBo

g/2p

isknownasLarmorfrequency

g/2p=42.57MHz/TeslaforprotonLamorPrecession505152AMechanicalAnalogy:ASwingset

Personsittingonswingatrestis“aligned”withexternallyimposedforcefield(gravity)Togetthepersonuphigh,youcouldsimplysupplyenoughforcetoovercomegravityandlifthim(andtheswing)upAnalogoustoforcingMoverbyturningonahugestaticB1.Theotherwayistopushbackandforthwithatinyforce,synchronouslywiththenaturaloscillationsoftheswing.AnalogoustousingatinyRFB1overaperiodoftimetoslowlyflipMover.gIfMisnotparalleltoB,thenitprecessesclockwisearoundthedirectionofB.“Normal”(fullyrelaxed)

situationhasMparalleltoB,andthereforedoesnotprecess

PrecessionThisislikeagyroscope56FlashdemoofprotonlikeagyroscopeinChapter4MRIusesacombinationofMagneticandElectromagneticFieldsNMRmeasuresthenetmagnetizationofatomicnucleiinthepresenceofmagneticfieldsMagnetizationcanbemanipulatedbychangingthemagneticfieldenvironment(static,gradient,andRFfields)Staticmagneticfieldsdon’tchange(<0.1ppm/hr):Themainfieldisstaticand(nearly)homogeneousRF(radiofrequency)fieldsareelectromagneticfieldsthatoscillateatradiofrequencies(tensofmillionsoftimespersecond)Gradientmagneticfieldschangegraduallyoverspaceandcanchangequicklyovertime(thousandsoftimespersecond).RadioFrequencyFieldsRFelectromagneticfieldsareusedtomanipulatethemagnetizationofspecifictypesofatomsThisisbecausesomeatomicnucleiaresensitivetomagneticfieldsandtheirmagneticpropertiesaretunedtoparticularRFfrequenciesExternallyappliedRFwavescanbetransmittedintoasubjecttoperturbthosenucleiPerturbednucleiwillgenerateRFsignalsatthesamefrequency–thesecanbedetectedcomingoutofthesubjectTheEffectofIrradiationtotheSpinSystemLowerHigherSpinSystemAfterIrradiationNetmagnetizationisthemacroscopicmeasureofmanyspinsBoMNetmagnetizationSmallB0producessmallnetmagnetizationMLargerB0produceslargernetmagnetizationM,linedupwithB0Thermalmotions

trytorandomizealignmentofprotonmagnetsAtroomtemperature,thepopulationratioofanti-parallelversusparallelprotonsisroughly1,000,000to1,000,006perTeslaofB0.63當(dāng)靜態(tài)主磁場為1.5T時，在一個體素

中，共有多少個剩余的質(zhì)子？64宏觀磁化矢量M

由此可見，平衡態(tài)時上旋態(tài)磁矩布居數(shù)較下旋態(tài)多，兩者的差即為剩余自旋，由剩余自旋產(chǎn)生的磁化矢量又稱為凈磁化矢量，也稱為宏觀磁化矢量M(macroscopicmagnetizationvector).65QuantumvsClassicalPhysics

Onecanconsiderthequantummechanicalpropertiesofindividualnuclei,buttoconsiderthebulkpropertiesofawholeobjectitismoreusefultouseclassicalphysicstoconsidernetmagnetizationeffects.Tomeasuremagnetization

wemustperturbitWecanonlymeasuremagnetizationperpendiculartotheB0fieldNeedtoapplyenergytotipprotonsoutofalignmentAmountofenergyneededdependsonnucleusandappliedfieldstrength(Larmorfrequency)Theamountofenergyadded(durationoftheRFpulseattheresonantfrequency)determineshowfarthenetmagnetizationwillbetippedawayfromtheB0axis.磁共振條件所有共振現(xiàn)象的產(chǎn)生，均具有特征性的條件：①外力的頻率與共振系統(tǒng)的固有頻率相同；②外力對系統(tǒng)作功，系統(tǒng)內(nèi)能增加；③外力停止后，系統(tǒng)釋放能量。核磁共振（magneticresonance,MR）是利用電磁波，確切的說是射頻脈沖(radiofrequencypulse,RFpulse)對平衡態(tài)的自旋系統(tǒng)作功，使其吸收能量，射頻停止后，系統(tǒng)釋放能量。68射頻脈沖輻射既然射頻脈沖屬于電磁波，它就具有電磁波的特性―波粒二象性。因此它同時是帶有一定能量的光子，光子的能量與頻率的關(guān)系為：

ΔEr=hf

（1）

其中f為射頻脈沖的頻率，ΔEr為其能量。如前所述，磁場對自旋系統(tǒng)的量子化作用，使自旋系統(tǒng)產(chǎn)生低能態(tài)與高能態(tài)的能級差ΔE。若射頻的能量ΔEr恰好等于該能級差ΔE，即f=Larmor頻率，則低能態(tài)自旋可吸收其能量躍遷至高能態(tài)。由ΔEr=hf可知，頻率的改變，會導(dǎo)致射頻能量的改變。當(dāng)f等于Larmor頻率時，則ΔEr＝ΔE，即自旋系統(tǒng)吸收射頻能量，并處于激發(fā)態(tài)；射頻停止后，自旋系統(tǒng)將釋放出能量并逐漸恢復(fù)至平衡態(tài)，這便是量子物理學(xué)理論。69核磁共振的經(jīng)典物理學(xué)理論由于射頻脈沖是電磁波，所以經(jīng)典物理學(xué)則將其視為一交變磁場。在此先定義一個MRI通用的坐標(biāo)系，沿著主磁場方向為Z軸或縱軸，垂直于主磁場方向的平面為XY平面或水平面，左右方向為Y軸，前后方向方向為X軸。沿著Z軸方向的宏觀磁化稱為縱向磁化(longitudinalmagnetization)，XY平面的磁化稱為橫向磁化(transversemagnetization)。射頻脈沖B1作為一種電磁波，其空間效應(yīng)相當(dāng)于一個垂直于Z軸沿XY平面繞Z軸進動的磁場。70核磁共振的經(jīng)典物理學(xué)理論平衡態(tài)宏觀磁化矢量M0繞Z軸以Larmor頻率自旋，若B1也以Larmor頻率垂直于Z軸進動，則兩者處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。根據(jù)Larmor定理，B1對M0持續(xù)存在磁轉(zhuǎn)矩，使其繞B1向XY平面進動，從而形成橫向磁化矢量Mxy；B1使M0偏離Z軸，偏離Z軸的M0在B0的作用下沿Z軸進動。M0繞Z軸進動的同時繞動態(tài)的B1

軸進動，使M0頂端運動軌跡為一個三維螺旋，這種運動方式又稱為章動。射頻脈沖使宏觀磁化偏離Z軸的角度稱為翻轉(zhuǎn)角(flipangle)。垂直于Z軸以Larmor頻率的射頻脈沖對自旋系統(tǒng)作用，宏觀磁化變小，自旋系統(tǒng)吸收能量而處于激發(fā)態(tài)。當(dāng)射頻脈沖停止后，自旋系統(tǒng)釋放能量逐漸恢復(fù)至平衡態(tài)。71剩余磁場章動72弛豫現(xiàn)象弛豫（relaxation）是指自旋系統(tǒng)由激發(fā)態(tài)恢復(fù)至其平衡態(tài)的過程，也就是縱向磁化的恢復(fù)和橫向磁化的衰減的過程?？v向弛豫(longitudinalrelaxation)又稱自旋-晶格弛豫或T1弛豫，是指90°射頻脈沖停止后縱向磁化逐漸恢復(fù)至平衡態(tài)的過程。橫向弛豫(transverseralaxation)又稱自旋-自旋弛豫或T2

弛豫。自旋系統(tǒng)的大量自旋磁矩彼此相處在對方磁矩所產(chǎn)生的附加磁場中，由于分子的熱運動導(dǎo)致附加磁場的波動，使彼此的進動頻率發(fā)生改變，這就是自旋－自旋作用。它導(dǎo)致自旋的相位相干性消失，即產(chǎn)生所謂自旋－自旋弛豫。7374縱向弛豫時間T1縱向磁化的過程遵循以下公式：Mz＝M0（1－e-t/T1）

(2)式中Mz為縱向磁化的即時值，M0為平衡態(tài)縱向磁化矢量，t為弛豫時間，T1為縱向弛豫時間常數(shù)。上式中，令t＝T1，則Mz/M0＝63／100，或Mz＝0.63M0。由此，定義T1是指縱向磁化矢量從最小值恢復(fù)至平衡態(tài)的63%所經(jīng)歷的弛豫時間。其物理學(xué)意義相當(dāng)于一個“弛豫周期”，每經(jīng)過一個T1時間則縱向磁化恢復(fù)其剩余值的63%。T1

是不同組織的弛豫特征值，反應(yīng)不同組織的縱向弛豫率的快慢差別。由于縱向弛豫是高能態(tài)自旋釋放能量恢復(fù)低能態(tài)的過程，所以高能態(tài)自旋必須通過有效的途徑將能量傳遞至周圍環(huán)境（晶格）中去，故又稱其為自旋―晶格弛豫。75橫向弛豫時間T2

在理想的均勻磁場中橫向磁化的弛豫過程遵循以下函數(shù)：

Mxy=M0cosωtе-t/T2

(3)

式中Mxy為橫向磁化的即時值，M0為平衡態(tài)宏觀磁化矢量，t為弛豫時間，T2為橫向弛豫時間常數(shù)。若只考慮Mxy的幅值，令t=T2，則Mxy/M0=37/100或Mxy=0.37M0。由此，定義T2是射頻脈沖停止后，橫向磁化矢量衰減至其最大值的37%時所經(jīng)歷的時間，即為一個T2時間。76T2也是不同組織的弛豫特征值，反應(yīng)不同組織橫向磁化弛豫率的快慢差別，其物理意義與T1相似，只是T2

代表橫向磁化的“衰減周期”，每過一個T2時間，橫向磁化減少至其剩余值的37%，與放射性元素的半衰期意義相近。實際上，橫向磁化的自然弛豫過程并不是在理想均勻的磁場中，它經(jīng)歷著自旋－自旋弛豫作用和外加磁場不均勻性所形成的T2’弛豫雙重效應(yīng)，兩者作用的結(jié)果稱為有效T2弛豫T2*：

1/T2*=1/T2'+1/T2

（4）其中T2’代表為外加不均勻磁場所產(chǎn)生的馳豫時間。

有效橫向弛豫時間T2*77T2*與T2哪個更大？

DerivationofprecessionfrequencyThissaysthattheprecessionfrequencyistheSAMEastheLarmorfrequency=m

×Bo=dJ/dtJ=m/gdm/dt=g(m×Bo)m(t)=(mxocosgBot+myosingBot)x+(myocosgBot-mxosingBot)y+mzoz

MR信號形成射頻脈沖停止后，縱向磁化矢量轉(zhuǎn)向橫向磁化矢量并在XY平面內(nèi)繞Z軸進動。正如一個XY平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)磁體，可以在接收線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，這個隨時間波動的電壓即為MR信號。電磁感應(yīng)與感生電壓線圈作為磁場的接收工具而用于接收來自橫向磁化矢量Mxy的磁場，由于Mxy在XY平面內(nèi)旋進，所以，其磁場強度在線圈內(nèi)的投影值隨時間呈周期性變化，即穿過線圈的磁通量不斷變化。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，通過閉合回路的磁通量（磁場強度×磁通面積）發(fā)生變化時，閉合回路內(nèi)產(chǎn)生感生電壓，感生電壓的大小與磁通量的變化率成正比。電磁感應(yīng)與FID信號Mxy在XY平面內(nèi)以拉莫頻率旋進，所以穿過線圈內(nèi)的磁通量也以拉莫頻率呈周期性波動。因而在線圈內(nèi)產(chǎn)生的感生電壓信號也是拉莫頻率的波動信號。

V

∝Mxy·cosωt

（5）射頻脈沖停止后，橫向磁化矢量Mxy在XY平面內(nèi)自由旋進，由于其相位相干性逐漸喪失，所以橫向磁化矢量迅速衰減。

Mxy=M0·sinθе-t/T2*

(6)θ為翻轉(zhuǎn)角。以Larmor頻率在X-Y平面內(nèi)自由旋進的橫向磁化矢量，在線圈感應(yīng)出頻率相同的、幅度快速衰減的MR信號稱為自由感應(yīng)衰減（FreeInductionDecay，F(xiàn)ID）信號：

VFID∝M0·sinθ·cosωtе-t/T2*

（7）FID信號FID信號是最基礎(chǔ)的MR信號，是自旋系統(tǒng)信號總和，無法區(qū)分不同組織的空間位置，必須對其進行空間編碼及圖像重建才能產(chǎn)生MR圖像。由于FID信號按T2*衰減，所以生存時間有限，磁場均勻性越低，其衰減速度越快，因此很難獲取良好的信號。在MRI中通常需要對FID信號進行處理，使其重現(xiàn)，即所謂回波（echo），再來采集信號。自旋回波（spinecho,SE）就是MRI中一種經(jīng)典的最常用的信號。自旋回波信號在90°射頻脈沖作用下，縱向磁化矢量被轉(zhuǎn)移成橫向磁化矢量并在XY平面內(nèi)進動，即所有剩余自旋的磁化矢量以相同的頻率、一致的相位一起進動。當(dāng)90°射頻脈沖停止后，由于磁場不均勻性所致的T2＇效應(yīng)及自旋——自旋的T2

效應(yīng)，經(jīng)過一段時間τ，在XY平面內(nèi)的進動相位的每個剩余自旋的相位一致性（相位相干）將逐漸喪失（T2*弛豫），場強高處進動快，低處進動慢，橫向磁化矢量隨之變小或消失。自旋回波信號此時，我們沿Y軸再施加一個180°射頻反轉(zhuǎn)脈沖，作用于XY平面內(nèi)進動的每一個剩余自旋的橫向磁化，使其以Y軸為對稱軸呈軸對稱翻轉(zhuǎn)至Y軸的另一側(cè)。此時，進動較快的剩余自旋相位將落后于進動慢的剩余自旋，所有剩余自旋的相位又重新達到一致，產(chǎn)生最大的回波信號，即自旋回波（SE）。從射頻激發(fā)脈沖至最大回波信號產(chǎn)生所經(jīng)歷的時間（2τ）稱為回波時間（echotime,TE）。自旋回波信號從自旋回波產(chǎn)生過程可見，自旋回波消除了由于外加磁場不均勻性所致的T2＇效應(yīng)，所以可獲得T2衰減信號，使MR信號生存期延長。如果在第一個SE信號采集完后，再次施加180°反轉(zhuǎn)脈沖，同樣可獲得第二個自旋回波信號，依此類推，一次激發(fā)可獲得很多個自旋回波信號，這就是多回波（multiecho）技術(shù)。RecordingtheMRsignalNeedareceivecoiltunedtothesameRFfrequencyastheexcitercoil.Measure“freeinductiondecay”ofnetmagnetizationSignaloscillatesatresonancefrequencyasnetmagnetizationvectorprecessesinspaceSignalamplitudedecaysasnetmagnetizationgraduallyrealignswiththemagneticfieldSignalalsodecaysasprecessingspinslosecoherence,thusreducingnetmagnetization.NMRsignaldecaysintimeT1relaxation–FlippednucleirealignwiththemagneticfieldT2relaxation–Flippednucleistartoffallspinningtogether,butquicklybecomeincoherent(outofphase)T2*relaxation–Disturbancesinmagneticfield(magneticsusceptibility)increasetherateofspincoherenceT2relaxationThetotalNMRsignalisacombinationofthetotalnumberofnuclei(protondensity),reducedbytheT1,T2,andT2*relaxationcomponentsT2*decaySpincoherenceisalsosensitivetothefactthatthemagneticfieldisnotcompletelyuniformInhomogeneitiesinthefieldcausesomeprotonstospinatslightlydifferentfrequenciessotheylosecoherencefasterFactorsthatchangelocalmagneticfield(susceptibility)canchangeT2*decay.Differenttissueshavedifferentrelaxationtimes.Theserelaxationtimedifferencescanbeusedtogenerateimagecontrast.T1-Gray/WhitematterT2-Tissue/CSFT2*-Susceptibility(functionalMRI)MRIwithDifferentParameters磁共振成像系統(tǒng)組成磁共振成像系統(tǒng)（MRI系統(tǒng)）由磁體、梯度、射頻、計算機系統(tǒng)組成。通過信號的產(chǎn)生、探測、編碼以及圖像的數(shù)據(jù)采集、圖像重建和顯示兩大功能模塊的有機組合，實施其功能。MRI系統(tǒng)除了成像設(shè)備外，還要有許多附屬設(shè)備與之相配套，如：磁屏蔽體、射頻屏蔽體、冷水機組、不間斷電源、空調(diào)以及超導(dǎo)磁體的低溫保障設(shè)施、激光打印機等。94磁體系統(tǒng)MRI的磁體系統(tǒng)主要有三種類型：永磁型、電阻型及超導(dǎo)型。磁體是磁共振成像系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，磁體的主磁場產(chǎn)生靜態(tài)磁場，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)磁化矢量。磁體的性能直接關(guān)系到系統(tǒng)的信噪比，在一定程度上決定著圖像的質(zhì)量。95磁體性能

（一）主磁場強度

MRI系統(tǒng)的主磁場B0又叫靜磁場（staticmagneticfield）。在一定范圍內(nèi)，增加靜磁場強度則氫質(zhì)子所產(chǎn)生的磁矩越大，信號越強，圖像的信噪比（SNR）也就越高。

通常將磁場強度≤0.3T的稱為低磁場，≥0.3T-1.0T稱為中場強，高于1.0T的稱為高場強。磁場強度的選擇應(yīng)綜合考慮圖像的信躁比，生物效應(yīng)，人體的安全性。目前，1.5T以上的超導(dǎo)MRI系統(tǒng)臨床使用相當(dāng)普遍，3.0T的超導(dǎo)MRI也已進入臨床使用。國外已研制出7.0T和9.0T的超高場系統(tǒng)，但至今尚未進入臨床應(yīng)用階段。96（二）磁場均勻度

磁場均勻度（homogeneity）是MRI系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一，均勻度指