MRI磁共振成像入門

1、MRI磁共振成像入門.txt懂得放手的人找到輕松，懂得遺忘的人找到自由，懂得關懷的人找 到幸福！女人的聰明在于能欣賞男人的聰明。生活是燈，工作是油，若要燈亮，就要加油！ 相愛時，飛到天邊都覺得踏實，因為有你的牽掛；分手后，坐在家里都覺得失重，因為沒有 了方向。一、引言 X-CT是利用X射線從一定的方向向人體照射，X射線穿過人體，經各器官不同程度地吸收后被探測，作為信號送往計算機處理，獲得人體斷層圖像。核磁共振成像（MRI）類似于X-CT，它利用一定頻率的電磁波，向處于強磁場中的人體輻射。人體中各種組織都含有體液，體液中的氫原子核 H在電磁波的作用下發(fā)生磁共振（以后會談到這個詞的含義），吸收電磁

2、波能量，隨后探測來自H核的電磁波信號。經計算機信號處理得到人體的斷層圖像。由于 H核發(fā)出電磁波時，附帶了它們周圍化學環(huán)境的信息，所以從核磁共振信號 得到的人體斷層圖像上可以獲得許多X-CT不能得到的生理信息。二、核磁共振“核磁共振”顧名思義，是與核和磁有關的一種現象，以下我們就從磁矩說起。1、原子核磁矩 在人類生活的五彩繽紛的世界中，萬物都是由羅列于化學元素周期表中的各類原子組成。每個 原子都包含一個原子核，以及多個電子。電子繞著原子核快速旋轉，如同月亮繞著地球轉動 一樣，原子核則像地球一樣作自我旋轉，原子核內的質子因為核自旋運動，產生環(huán)形電流并 感生出磁場，我們稱這樣的原子核具有核磁矩。所謂

3、磁矩，形象地說，就像一個個細小的指 南針具有磁性、南極、北極等。雖然組成物體的很多原子核都具有磁矩，但平時在一般常見 的物體中它們都處于 一種無序排列狀態(tài)，每個磁矩的方向都是隨意的，磁矩間的磁性相互抵消，從整體上來講， 我們并未感到自己的身體，書本以及其它物體具有磁性。指南針總是指向南極， 是因為它們總受地球磁場的作用。如果具有磁矩的原子核也受一個磁場的作用，它們也會從一種無序排 列變成一種有序排列，磁場愈強磁矩一致取向的傾向愈強烈，物體就會表現出磁性，就好像 一個大的指南針，我們稱之為宏觀磁矩。磁場愈強這個宏觀磁矩的磁性也愈大。2、磁矩在磁場中的運動特性 1）進動 當一個核磁矩處于磁場中時，

4、磁矩受磁場的作用（如指南針受 地磁場的作用一樣），磁矩將繞磁場方向作“進動”，即原子核繞著自我旋轉的同時，又繞磁 場方向轉動。這個情形如同小孩玩的陀螺，陀螺在旋轉的時候，如果其軸偏離垂直方向，它 就會一邊自旋，一邊又繞著垂直方向轉動，陀螺進動是受地球重力場的作用，磁矩進動是受 外加磁場的作用。磁矩在磁場中進動時，進動的頻率稱拉莫而頻率，是由著名的拉莫爾方程 決定的：3 = 丫B0其中3為拉莫爾頻率，B0為外加磁場的磁感應強度，丫是與原子核性質有 關的一個常數，稱為旋磁比。H核的旋磁比丫 =42.58MHz/T ，在1500高斯的磁場中，H核磁矩每秒鐘將繞磁場轉動六百三十萬周。磁場越高，磁矩進動

5、的頻率就越快。處于磁場中的核磁矩， 當其方向與磁場方向之間的夾角越大時，它所處的能量狀態(tài)越高。宏觀磁矩在磁場中的運動規(guī)律與單個核磁矩一樣，另外宏觀磁矩的能量也與它同磁場的方向的 夾角成正比。在目前人們能制造的各種磁體的磁場強度范圍內，原子核的拉莫爾頻率都在 1千兆周以下，我們稱為射頻波段。2）處于強磁場中的宏觀磁矩，在無外界因素影響的情況下，將處于順著磁場方向排列的狀態(tài)，不會隨時間變化而變化，稱為穩(wěn)定平衡狀態(tài)。如果由 于某種原因，宏觀磁矩的方向偏離磁場方向，核磁矩就不能長久保持這種狀態(tài)，它們將由偏 離磁場方向的非平衡狀態(tài)，逐漸變化到順著磁場方向的穩(wěn)定狀態(tài)。這種變化過程反映了原子 核與周圍環(huán)境的

6、相互作用，就是下面要說的“弛豫過程”。為了敘述方便，我們把順著磁場方 向的方向稱為縱向，垂直于磁場方向的方向稱為橫向。由于人體中的液體是由無數個H原子與其它原子組成，H核磁矩受周圍原子核的影響，液體分子本身還在作布朗運動，因為核 磁矩與周圍環(huán)境存在著各種形式的能量交換。宏觀磁矩偏離磁場方向之后，在磁場中以拉莫 爾頻率運動。由于偏離磁場方向后，磁矩處于高能態(tài)，它將向周圍環(huán)境傳遞能量，其方向也 將向磁場方向靠攏，最終停留在磁場方向上，恢復到沒有偏離磁場方向以前的狀態(tài)。另外， 每個H核磁矩與周圍其它 H核磁矩相互作用，各磁矩的進動速度會有一些差異。就像在環(huán)形跑到上3000米賽跑一樣，起跑時選手們都在

7、同一線上，以后由于各個賽跑著速度不同而拉開距離，直到均勻地分布在整個跑到上。磁矩在“非穩(wěn)定”到穩(wěn)定的變化過程中，也經歷這種“分散”的過程。各磁矩在橫向的磁性將相互抵消，宏觀磁矩的橫向分量最后變?yōu)?,以上宏觀磁矩從非穩(wěn)定狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)的變化過程反映了“弛豫”(relaxation )。其中，宏觀磁矩在縱向上的分量，從小到大變化，最后達到磁矩沒有偏離磁場方向以前的宏觀磁矩值，這過程稱為“縱向弛驟”。宏觀磁矩橫向上的分量從非穩(wěn)定狀態(tài)初始值變到零的過程為“橫向弛豫”。從圖上看，無論橫向弛豫還是縱向弛驟，開始時變化都非?？?，以后逐漸緩慢，最后橫向宏觀磁矩分量趨向零， 而縱向宏觀磁矩分量趨向于穩(wěn)定狀態(tài)時的

8、值?？v向宏觀磁矩分量達到平衡狀態(tài)時的63 %所需的時間稱為縱向弛豫時間常數，用T1表示。橫向宏觀磁矩分量從非穩(wěn)定狀態(tài)初始值變化到初始值得37 %處所需的時間稱為橫向弛豫時間常數，用T2表示。T1 , T2大，弛豫進行的慢，T1 , T2 小,弛豫進行的快。由于弛豫速度是由原子核所處的周圍環(huán)境決定的，人體各 組織中H核所處的化學環(huán)境各不相同，因而一般來說，各組織的T1 , T2值都不相同。3、核磁共振現象及磁共振信號的探測共振現象是自然界普遍存在的，比如蕩秋千，如果你坐在秋千上，另一個人在推你，秋千來回蕩起來，你蕩到他前面時，就推你一下，這樣秋千越蕩 越高。假如推的頻率同你蕩秋千的頻率不一樣的話

9、，他就推不著你，你和他總是不同步，他 每次推都只能推到空氣，你的秋千也就不會越蕩越高。推的頻率和秋千的頻率一致，秋千得 到能量，越擺越高，這就是一種“共振”現象。處于磁場中H核磁矩類似于秋千。磁矩繞著磁場反復地進動，進動頻率是拉莫爾頻率。若在一時刻有電磁波向它輻射，而且電磁波頻率與拉莫爾 頻率一致時，核磁矩與電磁波之間也會發(fā)生共振。不過，不同于秋千共振時越蕩越高，核磁 矩在共振時的表現是：它一方面繞磁場方向作快速進動，另一方面磁矩與磁場方向間的夾角在不斷變大。如果電磁波的頻率與拉莫爾頻率不同的話，如同推秋千的人推不到秋千一樣， 電磁波不會與核磁矩之間發(fā)生作用。如果我們在瞬間用拉莫爾頻率的電磁波

10、使磁矩方向與磁 場方向的夾角變化a角時，我們就稱這個電磁波是一個a角的電磁脈沖，如900射頻脈沖使磁矩方向與磁場方向成 900 ,%角越大磁矩的能量也增加越多（av 1800 ）。共振電磁波停 止輻射之后，氫原子核要放出它吸收的電磁能量，磁矩將逐漸恢復到未受電磁波輻射之前的 狀態(tài)（弛豫）。如果把一線圈放置于磁矩邊上，由于宏觀磁矩在進動，線圈兩端會因宏觀磁矩橫向分量的旋轉而感應產生電信號。因橫向弛豫宏觀磁矩橫向分量越來越小，因而感應產生 的電信號是一個逐漸衰減的振蕩信號。這種信號稱為核磁共振信號。由于這種信號是宏觀磁 矩在磁場中自由進動產生的，所以又稱為自由感應衰減信號（free in duct

11、ion decay 簡稱FID）。如果電磁波與核磁矩之間沒有共振，宏觀磁矩仍沿磁場方向，電磁波脈沖發(fā)射完之后，感應線圈中因無宏觀磁矩在進動，不會產生任何信號。三、核磁共振成像用核磁共振信號成像的基本步驟是：首先把人體安置于強磁場之中，人體中的H原子核磁矩趨于一種有規(guī)律排列， 然后使人體的某一層面上體液中的H核磁矩，在電磁波輻射下發(fā)生共振，再給吸收了電磁波的核磁矩附加上一定的空間位置“標記”，并根據這種標記，從接收到的總核磁共振信號中分離平面上不同位置上的信號值，在顯示器上用不同亮度顯示出來。每 處的信號大小與該處 H核的密度，以及弛豫時間T1、T2有關，由于各種組織的H核密度及 H核的T1、T

12、2值不一樣，各組織的亮度不一樣，因此可以得到一幅人體斷層像，下面我們 仔細談談成像過程。1 ）選片 把人安置于一個均勻磁場中，磁場的方向為Z方向。在均勻磁場的基礎上，再加另一個磁場：磁場的方向與均勻磁場方向一致，但磁場的強度沿Z方向由小到大均勻變化如圖 6所示，這種磁場稱為梯度磁場。垂直于Z軸的平面上磁場強度都一樣，不同平面如甲，乙平面上磁場強度不同，相應的拉莫爾進動頻率也不一樣。若有一頻率 為甲平面的拉莫爾進動頻率的電磁波向人體輻射，甲平面上的H核均發(fā)生共振。乙，丙平面上的磁矩因拉莫爾頻率不同于電磁波頻率，不會發(fā)生共振。把電磁波的頻率分別設置為其它平面的拉莫爾頻率時，也可使其它平面分別發(fā)生核

13、磁共振。這種技術稱為“選片”，用來完成選片的梯度場稱為選片梯度。2）相位編碼和頻率編碼“編碼”就是對某物體中各部分編上記號，如劇院中每個座位都有“排”，“號”的標記，這就是一種編碼。有了（排，號）這種編碼，觀眾就根據編碼就座。對所選片層進行的 X與Y兩個方向的編碼是用這兩個軸方向變化的梯度磁場來完成的。經過“選片”過程后，磁矩在磁場中進動，此時沿Y軸施加一梯度磁場，磁場沿 Y軸由小到大均勻變化。共振面中垂直于 Y軸的各條直線上磁場不一樣，磁矩進動的速度也不同。如果我 們以Y=0處的磁矩為參考，站在這個磁矩上，經過一段時間后，便會看到Y為不同值的直線上的磁矩逐漸前后分開。這種進動過程中前后位置的

14、不同稱為“相位”差異。如果從小到 大均勻變化Y方向的梯度磁場，不同 Y值處相位隨梯度場變化而變化的幅度不一樣。用這種 相位變化率=（相位/梯度）來作為一種標志，可識別每一直線的核磁共振信號。這種標記的 方法叫“相位編碼”。在一定的時間內施加 Y方向的梯度磁場后，各磁矩帶著相位差異繼續(xù) 以相同的拉莫爾頻率在均勻磁場中的運動。若在人體周圍也放置一接收線圈就可以觀察到核 磁共振信號。由于各磁矩運動頻率一樣，它們在接收線圈中感應的電信號的頻率也一樣。若 接收信號時再加一沿 X軸由小到大均勻變化的梯度場，這時，共振面垂直于X軸的各條直線上的磁矩進動頻率就不同了，它們在接收線圈中感應出的電信號的頻率也各不

15、相同。磁矩進 動頻率的差異，也可作為一種“標記”，用于識別信號來自垂直于X軸的哪條直線。這種技術稱為“頻率編碼” 。3 ）回波 在實際的MR成像過程中，核磁共振信號的數據采集是用 采集回波來完成的，而不是采集 FID信號。下面介紹兩種回波：自旋回波和梯度回波。、自選回波方法需向人體施加一個 90度射頻脈沖和180度脈沖。90度脈沖使磁矩倒向橫向， 然后施加一 X方向的梯度磁場。不同X處的核磁矩所處的磁場不同， 有的磁矩落后，有的超前。隨后，180 度脈沖使所有的磁矩前后位置顛倒，超前者變?yōu)槁浜笳摺Ｔ偈┘油较虻奶荻葓?，使各磁?逐漸回聚，然后又再次前后分離。這個過程中，宏觀磁矩橫向分量隨各磁矩

16、的分散，回聚， 分散而經歷由大變小，有小變大，再變成零的過程。第二次施加梯度場時，宏觀磁矩橫向分 量（小t大t?。┑倪^程叫回波。梯度回波僅需一射頻脈沖，使磁矩倒向橫向方向。然后在X方向施加一段正向梯度場和一段負向梯度場。第一段梯度場使不同X處的磁矩前后分散，第二段梯度場時，原來進動快的磁矩現在進動慢，原來進動慢的磁矩現在進動快，不同X處的磁矩逐漸回聚到一處，最后再次前后分散。宏觀磁矩橫向分量將經歷大T小T大T小的過 程，在第二段梯度時探測到的信號也是（小T大T?。┳兓?。這就是梯度回波。一般都在回波產生時探測信號。4 ）圖像重建通過相位與頻率編碼，在產生磁共振信號的層面內不同X,Y光標處的核磁矩就賦于了不同的標記，就如劇院里的排號一樣了。 但是，接收線圈探測到的是各個帶有相位與頻率特征的核磁共振信號的總和。為了了解共振面上各點的信號大小，需根據相位編碼和頻率編碼，把各點的信號分離出來，這個過程叫“解碼”，是由計算機完成的。計