磁共振成像原理

1、磁共振成像原理磁共振成像原理lMRI簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 磁共振成像（MRI，magnetic resonance imaging）是根據(jù)生物體磁性核（氫核）在磁場(chǎng)中的表現(xiàn)特性成像的高新技術(shù)。二十余年來(lái)，隨著超導(dǎo)技術(shù)、低溫技術(shù)、磁體技術(shù)、電子技術(shù)、成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)等相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，MRI技術(shù)得到了飛速發(fā)展。如今，它已廣泛應(yīng)用于臨床，成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域中不可缺少的一員。 磁共振成像的物理基礎(chǔ)為核磁共振（NMR，nuclear magnetic resonance）理論。所謂NMR，是指與物質(zhì)磁性核磁場(chǎng)有關(guān)的共振現(xiàn)象，也可以說(shuō)它是低能量電磁波，即射頻波與既有角動(dòng)量又有磁矩的核系統(tǒng)在外界磁場(chǎng)中相互作用所表現(xiàn)出

2、來(lái)的共振特性。NMR的本質(zhì)為一種能級(jí)間躍遷的量子效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用這一現(xiàn)象可以研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。據(jù)此，人們以不同的射頻脈沖序列對(duì)生物組織進(jìn)行激勵(lì)，并利用線圈檢測(cè)組織的弛豫和質(zhì)子密度信息，就出現(xiàn)了MRI技術(shù)。正因?yàn)檫@樣，磁共振成像曾被稱為核磁共振成像（NMRI）。單數(shù)質(zhì)子原子核的特點(diǎn)單數(shù)質(zhì)子原子核的特點(diǎn)l原子核質(zhì)子、中子l單數(shù)質(zhì)子的原子核具有自旋特性，即具有磁性l如1H、31P、23Nal只有具有磁性的原子核才能產(chǎn)生磁共振現(xiàn)象l磁性原子核繞著自己的軸進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)的特性為自旋，由于質(zhì)子帶有正電荷，隨之旋轉(zhuǎn)的電荷則產(chǎn)生電流，即質(zhì)子的轉(zhuǎn)動(dòng)就相當(dāng)于一個(gè)環(huán)形電流。根據(jù)基礎(chǔ)的電磁理論我們知道，通電的

3、環(huán)形線圈周圍都有磁場(chǎng)存在，相當(dāng)于一塊磁鐵，所以轉(zhuǎn)動(dòng)的質(zhì)子也相當(dāng)于一個(gè)小磁體，具有自身的南北極及磁力，質(zhì)子自身具有磁性，在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)并具有自身磁矩。l磁矩是矢量，具有方向和大小，我們把這種由帶有正電荷的磁性原子核自旋產(chǎn)生的磁場(chǎng)稱為核磁用于人體磁共振成像的原子核用于人體磁共振成像的原子核l人體內(nèi)有許多磁性原子核，理論上這些原子核均可用于磁共振成像，但一般用于人體磁共振成像的為1H，1H只有一個(gè)質(zhì)子而沒有中子，被稱為氫質(zhì)子或質(zhì)子。l氫質(zhì)子的摩爾濃度最高為99，第二位的14N為1.6，1H的磁化率最高，因此：1.1H 是人體內(nèi)最多的原子核，占人體原子核總數(shù)的23，因此可以產(chǎn)生較強(qiáng)的磁共振信號(hào)。2.

4、1H的磁化率在人體最高，也可以產(chǎn)生較強(qiáng)的磁共振信號(hào)3.1H存在于人體的各種組織中，具有生物代表性。人體組織人體組織MRIMRI信號(hào)的主要來(lái)源信號(hào)的主要來(lái)源l并非所有的H都能產(chǎn)生MRI信號(hào)，常規(guī)MRI信號(hào)來(lái)源于水分子中的H，部分來(lái)自脂肪l人體組織的水分子分為自由水和結(jié)合水，結(jié)合水為蛋白質(zhì)大分子周圍水化層的水分子，其粘附在蛋白質(zhì)大分子部分集團(tuán)上，與蛋白質(zhì)大分子不同程度結(jié)合在一起。自由水為未和蛋白質(zhì)大分子粘合在一起，活動(dòng)充分自由的水分子。l人體的自由水和結(jié)合水可以互換，處于平衡狀態(tài)。l不同分子的H進(jìn)動(dòng)頻率存在差別，蛋白質(zhì)大分子中H的進(jìn)動(dòng)頻率大多偏離MRI的中心頻率，一般情況下不能被射頻脈沖激發(fā)，不產(chǎn)

5、生信號(hào)。l對(duì)于不含脂肪的組織，其MRI信號(hào)直接來(lái)源是自由水，結(jié)合水和蛋白質(zhì)都不直接產(chǎn)生信號(hào)l正常人體內(nèi)由于氫質(zhì)子排列無(wú)序，雖然具有若干氫質(zhì)子，人體并無(wú)磁場(chǎng)存在。 雜亂無(wú)章的氫質(zhì)子凈磁矩為0置入靜磁場(chǎng)內(nèi)的人體磁場(chǎng)置入靜磁場(chǎng)內(nèi)的人體磁場(chǎng)l將人體置入一個(gè)強(qiáng)大的靜磁場(chǎng)內(nèi)，人體內(nèi)氫質(zhì)子隨之整齊排列，形成磁矩（有方向有強(qiáng)度的磁場(chǎng)）。l進(jìn)入主磁場(chǎng)的小磁場(chǎng)有兩種排列方式，一種為與主磁場(chǎng)方向相同（低能級(jí)質(zhì)子受主磁場(chǎng)約束），另一種與主磁場(chǎng)方向相反（高能級(jí)質(zhì)子可以對(duì)抗主磁場(chǎng)的作用）。l與主磁場(chǎng)方向相同的小磁場(chǎng)數(shù)目大于與主磁場(chǎng)方向相反的數(shù)目，所以人體組織內(nèi)產(chǎn)生了一個(gè)與主磁場(chǎng)方向一致的宏觀縱向磁化矢量質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)方式與進(jìn)

6、動(dòng)頻率質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)方式與進(jìn)動(dòng)頻率l運(yùn)動(dòng)方式：自旋、進(jìn)動(dòng)l進(jìn)動(dòng)頻率取決于：元素種類、外加磁場(chǎng)強(qiáng)度l進(jìn)入主磁場(chǎng)后無(wú)論是處于低能級(jí)還是處于高能級(jí)的質(zhì)子，其磁化矢量并非完全與主磁場(chǎng)方向平行，而總是與主磁場(chǎng)有一定的角度。陀螺在旋轉(zhuǎn)力與地球引力的相互作用下，不僅存在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，還出現(xiàn)以地球引力為軸的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，這種旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)的頻率遠(yuǎn)低于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。處于主磁場(chǎng)的氫質(zhì)子也一樣，除了自旋運(yùn)動(dòng)外，其小核磁還繞著主磁場(chǎng)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，我們把氫質(zhì)子的這種旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)稱為進(jìn)動(dòng)。 由于進(jìn)動(dòng)的存在，質(zhì)子自旋產(chǎn)生的小磁場(chǎng)又可以分解成兩個(gè)部分，即縱向磁化分矢量和橫向磁化分矢量。l質(zhì)子的縱向磁化分矢量的方向是不變的，最后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與主磁場(chǎng)同向

7、的宏觀縱向磁化矢量。l由于質(zhì)子在進(jìn)動(dòng)，其橫向磁化矢量在XY平面作旋轉(zhuǎn)，因此方向處于不斷的動(dòng)態(tài)變化中，盡管每個(gè)氫質(zhì)子的小核磁都有橫向磁化分矢量，但各個(gè)氫質(zhì)子的橫向磁化分矢量在360圓周中所處的位置不同，即相位不同，橫向磁化分矢量相互抵消，因此沒有宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生。l人體組織進(jìn)入主磁場(chǎng)后被磁化了，產(chǎn)生了宏觀的縱向磁化矢量，某一組織（或體素）產(chǎn)生的宏觀縱向矢量的大小與其含有的質(zhì)子數(shù)有關(guān)，質(zhì)子含量越高產(chǎn)生宏觀縱向磁化矢量越大。但是相對(duì)強(qiáng)度很大的主磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)組織產(chǎn)生的宏觀縱向磁化矢量是非常微小的，MR接收線圈不能檢測(cè)到宏觀縱向磁化矢量，也就不能區(qū)分不同組織之間因質(zhì)子含量差別而產(chǎn)生的宏觀縱向磁化矢量的差

8、別。l磁共振信號(hào)的探測(cè)，利用發(fā)電機(jī)的原理，磁力線切割線圈，產(chǎn)生電流，把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。l但是進(jìn)入主磁場(chǎng)后人體組織產(chǎn)生的宏觀縱向磁化矢量保持穩(wěn)定，其方向不發(fā)生變化，不會(huì)切割接收線圈而產(chǎn)生電信號(hào)，而如果組織中有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的宏觀橫向磁化矢量，它切割線圈而產(chǎn)生電信號(hào)，因此接收線圈能夠探測(cè)到的是旋轉(zhuǎn)的宏觀橫向磁化矢量。l如何讓人體組織產(chǎn)生一個(gè)接收線圈能夠探測(cè)到的旋轉(zhuǎn)宏觀橫向磁化矢量呢？磁共振現(xiàn)象磁共振現(xiàn)象l如果給處于主磁場(chǎng)中的人體組織一個(gè)射頻脈沖，這個(gè)射頻脈沖的頻率與質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)頻率相同，射頻脈沖的能量將傳遞給處于低能級(jí)的質(zhì)子，其獲得能量后將躍遷至高能級(jí)，我們把這種現(xiàn)象稱為磁共振現(xiàn)象（微觀角度）。l從宏觀角

9、度來(lái)說(shuō)，磁共振現(xiàn)象的結(jié)果是使宏觀縱向磁化矢量發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度與射頻脈沖能量有關(guān)，能量越大偏轉(zhuǎn)角度越大。如果射頻脈沖使宏觀縱向磁化矢量偏轉(zhuǎn)的角度小于90，稱這種脈沖為小角度脈沖。當(dāng)射頻脈沖的能量剛好可以使宏觀縱向磁化矢量偏轉(zhuǎn)90，即完全偏轉(zhuǎn)到X、Y平面并產(chǎn)生一個(gè)最大的旋轉(zhuǎn)宏觀橫向磁化矢量，我們稱該脈沖為90脈沖。射頻脈沖最大可發(fā)射180，將磁化矢量偏轉(zhuǎn)至反向。射頻磁場(chǎng)的作用射頻磁場(chǎng)的作用l向外磁場(chǎng)內(nèi)的氫質(zhì)子施加具有Larmor頻率的RF脈沖發(fā)生磁共振后，產(chǎn)生兩個(gè)同時(shí)發(fā)生的作用：l1.低能級(jí)的質(zhì)子吸收RF脈沖的能量躍遷到高能級(jí)，使之在外磁場(chǎng)中排列方向由同向平行變?yōu)榉聪蚱叫?，進(jìn)而抵消了相同數(shù)目低能

10、級(jí)質(zhì)子的磁力，縱向磁化矢量Mz變小l2.受射頻脈沖磁場(chǎng)磁化作用，進(jìn)動(dòng)的質(zhì)子趨向射頻脈沖磁場(chǎng)方向而變?yōu)橥酵龠\(yùn)動(dòng)，即處于同相位核磁弛豫核磁弛豫l以90射頻脈沖為例，當(dāng)90脈沖關(guān)閉，組織的宏觀橫向磁化矢量從最大逐漸縮小至完全衰減，而縱向宏觀磁化矢量從零逐漸恢復(fù)至最大即平衡狀態(tài)。l核磁弛豫分解成兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分：l1.橫向磁化矢量逐漸減小至消失，稱為橫向弛豫l2.縱向磁化矢量逐漸恢復(fù)至最大（平衡狀態(tài)）稱為縱向弛豫l一般用T1值描述組織的縱向弛豫的快慢。90射頻脈沖關(guān)閉后某組織宏觀縱向磁化矢量為零時(shí)刻為起點(diǎn)，至其恢復(fù)至最大值63為終點(diǎn)，這之間的時(shí)間間隔即為該組織的T1值。l一般用T2值來(lái)，描述組織

11、橫向弛豫的快慢。以宏觀橫向磁化矢量最大時(shí)刻為起點(diǎn)，至其衰減至最大值37為終點(diǎn)，這之間的間隔時(shí)間即為該組織的T2值。磁共振加權(quán)成像磁共振加權(quán)成像l加權(quán)就是“重點(diǎn)突出”的意思，就是重點(diǎn)突出組織某方面特性的意思。lT1加權(quán)成像（T1WI)是指圖像中組織信號(hào)強(qiáng)度的高低主要反映組織的縱向弛豫差別。lT2加權(quán)成像（T2WI）是重點(diǎn)突出不同組織之間的橫向弛豫差別。l質(zhì)子密度加權(quán)成像（PDWI）主要反映單位體積不同組織之間質(zhì)子含量差別。磁共振信號(hào)的空間定位磁共振信號(hào)的空間定位l如果能在被檢體所在空間內(nèi)隨意改變各點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)，就可使該空間內(nèi)各點(diǎn)的共振頻率發(fā)生變化，從而得到空間信息。通過(guò)在靜磁場(chǎng)B0上疊加梯度磁場(chǎng)而得

12、以實(shí)現(xiàn)。l梯度磁場(chǎng)指在一定方向上磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化情況。通常為線性梯度，即在一定方向上場(chǎng)強(qiáng)與位置成正比。l解剖學(xué)中定義了三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)斷面，所以用三個(gè)梯度場(chǎng)可以定位。lX梯度場(chǎng)建立在主磁場(chǎng)X軸方向上，形成從病人右側(cè)到左側(cè)，強(qiáng)度由低到高呈線性變化的梯度場(chǎng)。lY梯度場(chǎng)建立在磁場(chǎng)Y軸方向上，形成從病人上到下的線性變化梯度磁場(chǎng)。lZ梯度場(chǎng)以人體長(zhǎng)軸自下而上設(shè)計(jì)，作用是一端削弱主磁場(chǎng)強(qiáng)度，一端加強(qiáng)其強(qiáng)度。l一個(gè)梯度場(chǎng)完成層面定位和選擇，另外兩個(gè)完成圖像的空間編碼。l層面選擇和層厚選擇層面選擇和層厚選擇頻率編碼頻率編碼l前面的層面選擇僅確定了被激發(fā)采集二維層面的中心位置及其厚度，這時(shí)采集的MR信號(hào)包含有全層的信息，

13、我們必須把采集的MR信號(hào)分配到層面內(nèi)不同的空間位置上（即各個(gè)像素中），才能顯示層面內(nèi)的不同結(jié)構(gòu)。所以必須進(jìn)行層面內(nèi)的空間定位編碼，頻率編碼和相位編碼。l一般以前后方向?yàn)轭l率編碼方向，所以在MR信號(hào)采集時(shí)刻在前后方向施加一個(gè)前高后低的梯度場(chǎng)，這樣前后方向上的質(zhì)子因感受到的磁場(chǎng)強(qiáng)度不同，因而進(jìn)動(dòng)頻率產(chǎn)生差別，我們就可以采集到包含不同頻率的空間信息，經(jīng)傅里葉變換后不同頻率的MR信號(hào)就被區(qū)分出來(lái)，分配到前后方向各自的位置上。相位編碼相位編碼l經(jīng)傅里葉變換后MR信號(hào)僅完成前后方向的空間信息編碼，而左右方向上并未實(shí)現(xiàn)。l和頻率編碼一樣相位編碼也使用梯度場(chǎng)，不同的是（1）梯度場(chǎng)施加方向是在頻率編碼的垂直方向上，在臨床上根據(jù)需要相位編碼方向和頻率編碼方向是可以互換的。（2）施加時(shí)刻不同，頻率編碼必須在信號(hào)采集過(guò)程中同時(shí)施加，而相位編碼必須在信號(hào)采集前施加，信號(hào)采集過(guò)程中相位編碼梯度場(chǎng)必須關(guān)閉。（3）一幅圖像的每個(gè)MR信號(hào)的頻率編碼梯度場(chǎng)方向和大小都是一樣的，而各個(gè)MR信號(hào)的相位編碼梯度場(chǎng)強(qiáng)度和（或）方向是不同的。l我們?cè)谧笥曳较蛏鲜┘右粋€(gè)左高右低的相位編碼梯度場(chǎng)，這樣左右方向上的質(zhì)子因感