核磁共振成像原理

1、第二章 核磁共振成像原理本章主要講述內(nèi)容：v磁共振信號(hào)的產(chǎn)生v磁共振信號(hào)的獲取與傅立葉變換v像素位置信息的確定（梯度）v像素灰度信息（信號(hào)幅度）的確定v序列參數(shù)對(duì)圖像權(quán)重的影響v磁共振成像序列 進(jìn)動(dòng)頻率(Precession Frequency)00B其中：其中：0 ：進(jìn)動(dòng)的頻率：進(jìn)動(dòng)的頻率 （Hz或或MHz） B0 ：外磁場(chǎng)強(qiáng)度：外磁場(chǎng)強(qiáng)度(單位單位T，特斯拉，特斯拉)。 ：旋磁比；：旋磁比；質(zhì)子質(zhì)子的為的為 42.5MHz / T。核的種類(質(zhì)子數(shù)中子數(shù))質(zhì)子數(shù)或原子序數(shù)(Z Z)中子數(shù)(N N)核的自旋偶偶核偶數(shù)偶數(shù)無奇偶核奇數(shù)偶數(shù)有偶奇核偶數(shù)奇數(shù)有奇奇核奇數(shù)奇數(shù)有spinr /2(MH

2、z/T)自然產(chǎn)率(%)體內(nèi)含量相對(duì)靈敏度1H1/242.5899.98100M113C1/210.711.10810mM310-314N13.0899.6310mM210-719F1/240.0510010mM910-523Na3/211.2610080mM110-331P1/217.2310010mM410-539K3/21.9993.145mM110-4各種MR核的對(duì)比 如果此時(shí)去掉RF脈沖，質(zhì)子將會(huì)恢復(fù)到原來狀態(tài)，當(dāng)然恢復(fù)有一個(gè)時(shí)間過程，這個(gè)過程就叫弛豫過程。弛豫：Relaxation;自然界的一種固有屬性；即任何系統(tǒng)都有在外界激勵(lì)撤銷后回到原本（原始、平衡）狀態(tài)的性質(zhì)；這種從激勵(lì)狀態(tài)回

3、到平衡狀態(tài)的過程就是弛豫過程弛豫快慢：用弛豫時(shí)間T來進(jìn)行度量；弛豫過程是激勵(lì)過程的反過程,因此也包括2個(gè)分過程：1、放出能量，從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷；縱向磁化逐漸增加；縱向弛豫過程，T1弛豫過程2、相位分散，橫向磁化矢量逐漸減?。粰M向弛豫過程，T2弛豫過程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，橫向磁化達(dá)到最大,進(jìn)動(dòng)相位一致b、c、內(nèi)部小磁場(chǎng)的不均勻性使得進(jìn)動(dòng)相位分散，橫向磁化矢量逐漸減小d 、最終相位完全分散，橫向磁化矢量為零橫向弛豫過程 縱向恢復(fù)時(shí)間縱向恢復(fù)時(shí)間T1是

4、由于被激發(fā)的反平行于靜磁場(chǎng)是由于被激發(fā)的反平行于靜磁場(chǎng)的質(zhì)子恢復(fù)到平行狀態(tài)，所以縱向磁化增大。弛豫快慢的質(zhì)子恢復(fù)到平行狀態(tài)，所以縱向磁化增大。弛豫快慢遵循指數(shù)遞增規(guī)律，把從遵循指數(shù)遞增規(guī)律，把從0增大到最大值的增大到最大值的63%的所需的所需時(shí)間稱定義為時(shí)間稱定義為縱向馳豫時(shí)間縱向馳豫時(shí)間(T1)。弛豫時(shí)間T 縱向馳豫時(shí)間T1T1與靜磁場(chǎng)的強(qiáng)度大小有關(guān)，一般靜磁場(chǎng)強(qiáng)度越大， T1就大T1長(zhǎng)短取決于組織進(jìn)行能量傳遞的有效性。一般大分子一般大分子（如生物蛋白）和小分子（如水）由于共振頻率與拉莫爾頻率（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(duì)能量傳遞有效性差，因此差別較大，對(duì)

5、能量傳遞有效性差，因此T1較長(zhǎng)。上圖中白線表較長(zhǎng)。上圖中白線表示的腦脊液的示的腦脊液的t1為為3秒。秒。中等分子中等分子（如脂肪）的共振頻率接近于拉莫爾頻率，能量傳遞越有效，（如脂肪）的共振頻率接近于拉莫爾頻率，能量傳遞越有效，因此因此T1較短。上圖中紅線代表的腦白質(zhì)的較短。上圖中紅線代表的腦白質(zhì)的t1為為0.9秒秒 橫向恢復(fù)時(shí)間橫向恢復(fù)時(shí)間T2是由于相位同步質(zhì)子的又開始是由于相位同步質(zhì)子的又開始變得不同步變得不同步,所以橫向磁化減小。弛豫快慢遵循指數(shù)所以橫向磁化減小。弛豫快慢遵循指數(shù)遞減規(guī)律，把從最大下降到最大值的遞減規(guī)律，把從最大下降到最大值的37%的時(shí)間定義的時(shí)間定義為為橫向馳豫時(shí)間橫向

6、馳豫時(shí)間(T2)。 組織T2時(shí)間的分析。T2的長(zhǎng)短取決于組織內(nèi)部的局部小磁場(chǎng)的均勻性對(duì)小磁化散相的有效性。T2與磁場(chǎng)強(qiáng)度無關(guān)。不同成分和結(jié)構(gòu)的組織T2不同，例如水的T2值要比固體的T2值長(zhǎng)。幾種常見組織在不同場(chǎng)強(qiáng)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馳豫過程的綜合表示（三種運(yùn)動(dòng)的綜合過程）磁化矢量的進(jìn)動(dòng)縱向磁化的逐漸增大過程橫向磁化的逐漸減小過程磁共振信號(hào)的獲取與傅立葉變換磁共振信號(hào)的獲取與傅

7、立葉變換 如果在垂直于XY平面，加一個(gè)接收線圈，會(huì)接收到什么信號(hào)？FID補(bǔ)充說明3點(diǎn)組織的弛豫時(shí)間是組織的一種固有屬性，與組織的密度類似，在場(chǎng)強(qiáng)和環(huán)境確定后其時(shí)間是一個(gè)確定不變的值；病變組織相對(duì)于正常組織的一個(gè)典型變化是含水量增加；由于水具有長(zhǎng)T2和長(zhǎng)T1值，因此病變組織的T2時(shí)間比正常組織的長(zhǎng)；（Damadian發(fā)表在Science上的文章）；如果能將上面的T2時(shí)間差別體現(xiàn)在圖像的灰度差別，則能夠達(dá)到區(qū)分正常組織和病變組織的目的，完成對(duì)疾病的診斷；核磁共振的兩種解釋 量子理論（Pucell） 微觀角度 波函數(shù)在哈米爾頓能量算符的作用下，從而造成量子化能量的吸收和釋放； 較容易初步理解，容易說

8、明極化傳遞和相干轉(zhuǎn)移等現(xiàn)象； 基本理論為：含時(shí)微擾理論； 二者相互補(bǔ)充，各有優(yōu)缺點(diǎn)； 經(jīng)典電磁學(xué)理論(Bloch) 宏觀角度 宏觀磁化矢量在各種磁矩的作用下的運(yùn)動(dòng)； 較難理解，但在說明磁共振信號(hào)產(chǎn)生方面有優(yōu)越性； 基本理論為：Bloch方程； 在理解和應(yīng)用時(shí)需區(qū)分場(chǎng)合，相得益彰；核磁共振的三種方法 連續(xù)波核磁共振：連續(xù)施加與拉莫爾頻率相等的射頻電磁波，在射頻作用于弛豫作用達(dá)到平衡時(shí)采集信號(hào)；根據(jù)共振條件的調(diào)節(jié)又分為： 調(diào)頻法：固定場(chǎng)不變，調(diào)節(jié)射頻頻率； 調(diào)場(chǎng)法：固定射頻不變，改變調(diào)場(chǎng)電流從而改變場(chǎng)強(qiáng)； 脈沖傅立葉變換法：時(shí)間短暫的射頻脈沖后進(jìn)行信號(hào)采集；相當(dāng)于多道連續(xù)波核磁共振，因此靈敏度高，

9、目前都采用；掃場(chǎng)法掃頻法核磁共振波譜儀結(jié)構(gòu)傅立葉變換的作用：復(fù)雜的時(shí)間域信號(hào)簡(jiǎn)單的頻率域信號(hào)傅立葉變換傅立葉變換傅立葉變換Amplitude第三節(jié)第三節(jié) 磁共振信號(hào)的空間定位磁共振信號(hào)的空間定位MRS：MR SpectroscopyMRI：MR Imaging核磁共振的2大用途：核磁共振譜圖：分子結(jié)構(gòu)的“指紋”組成灰度數(shù)字圖像的基本單元是像素像素只有兩個(gè)基本信息：像素位置信息和像素灰度信息像素位置信息表示圖像中的該像素對(duì)應(yīng)人體內(nèi)的體素位置像素灰度信息表示對(duì)應(yīng)體素的檢測(cè)信息的強(qiáng)度對(duì)磁共振而言,實(shí)現(xiàn)像素與體素對(duì)應(yīng)的手段是施加三個(gè)維度上的梯度磁場(chǎng);對(duì)磁共振而言,檢測(cè)的生物體信息是磁共振信號(hào)加快磁共振成像時(shí)間的途徑回波平面序列 使成像時(shí)間由常規(guī)的掃描序列的秒級(jí)提高到了亞秒級(jí)；30ms之內(nèi)采集一幅完整的圖像，使每秒獲取的圖像達(dá)到20幅 ；心臟電影 成為可能并進(jìn)入臨床；從原理上講，EPI應(yīng)歸屬于GRE類序列，但現(xiàn)在已自成體系了 ；分為梯度回