磁共振成像的原理

關(guān)于磁共振成像的原理第1頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五

利用生物內(nèi)特定原子磁性核(多為氫核)在磁場中表現(xiàn)出磁共振作用而產(chǎn)生信號，經(jīng)計算機(jī)空間編碼，重建而獲得圖像的一種技術(shù)。磁共振成像(MRI)第2頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五人體MR成像的物質(zhì)基礎(chǔ)原子的結(jié)構(gòu)電子：負(fù)電荷中子：無電荷質(zhì)子：正電荷第3頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁場原子核總是不停地按一定頻率繞著自身的軸發(fā)生自旋(Spin)原子核的質(zhì)子帶正電荷，其自旋產(chǎn)生的磁場稱為核磁，因而以前把磁共振成像稱為核磁共振成像（NMRI）。自旋與核磁第4頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五地磁、磁鐵、核磁示意圖第5頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五所有的原子核都可產(chǎn)生核磁嗎？質(zhì)子為偶數(shù)，中子為偶數(shù)質(zhì)子為奇數(shù)，中子為奇數(shù)質(zhì)子為奇數(shù)，中子為偶數(shù)質(zhì)子為偶數(shù)，中子為奇數(shù)產(chǎn)生核磁不產(chǎn)生核磁第6頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五用于人體MRI的為1H（氫質(zhì)子），原因有：1、1H的磁化率很高；2、1H占人體原子的絕大多數(shù)。通常所指的MRI為氫質(zhì)子的MR圖像。第7頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五人體元素1H14N31P13C23Na39K17O2H19F摩爾濃度99.01.60.350.10.0780.0450.0310.0150.0066相對磁化率1.00.0830.0660.0160.0930.00050.0290.0960.83第8頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五人體內(nèi)有無數(shù)個氫質(zhì)子（每毫升水含氫質(zhì)子3×1022）每個氫質(zhì)子都自旋產(chǎn)生核磁現(xiàn)象人體象一塊大磁鐵嗎？第9頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五通常情況下人體內(nèi)氫質(zhì)子的核磁狀態(tài)通常情況下，盡管每個質(zhì)子自旋均產(chǎn)生一個小的磁場，但呈隨機(jī)無序排列，磁化矢量相互抵消，人體組織標(biāo)本并不表現(xiàn)出宏觀磁化矢量。第10頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五進(jìn)入主磁場前后人體組織質(zhì)子的核磁狀態(tài)第11頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五在外磁場(B0)的作用下，則核磁矩沿著外磁場方向排列.B0位能高，逆磁場方向位能低，順磁場方向，穩(wěn)定進(jìn)入靜磁場后，氫核磁矩發(fā)生規(guī)律性排列（正負(fù)方向）,正負(fù)方向的磁矢量相互抵消后，少數(shù)正向排列（低能態(tài)）的氫核合成總磁化矢量M，即為MR信號基礎(chǔ).第12頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五處于低能狀態(tài)的質(zhì)子到底比處于高能狀態(tài)的質(zhì)子多多少？室溫下0.2T：1.3PPM0.5T：4.1PPM1.0T：7.0PPM1.5T：9.6PPMPPM為百萬分之一處于低能狀態(tài)的氫質(zhì)子僅略多于處于高能狀態(tài)的質(zhì)子第13頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五在主磁場中質(zhì)子的磁化矢量方向是絕對同向平行或逆向平行嗎？？？無論是處于高能級還是處于低能級的質(zhì)子，其磁化矢量并非完全與主磁場方向平行，而總是與主磁場有一定的角度。第14頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五進(jìn)入主磁場前后質(zhì)子核磁狀態(tài)對比進(jìn)動和進(jìn)動頻率進(jìn)入主磁場后，無論是處于高能級還是處于低能級的質(zhì)子，其磁化矢量并非完全與主磁場方向平行，而總是與主磁場有一定的角度。質(zhì)子除了自旋運(yùn)動外，還繞著主磁場軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)擺動，這種旋轉(zhuǎn)擺動稱為進(jìn)動。進(jìn)動是磁性原子核自旋產(chǎn)生的小磁場與主磁場相互作用的結(jié)果。第15頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五進(jìn)動進(jìn)入磁體后，質(zhì)子在自旋的同時還沿主磁場方向作圓周運(yùn)動這種復(fù)合運(yùn)動被稱為“進(jìn)動”第16頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五

=.B：進(jìn)動頻率

Larmor頻率：磁旋比

42.5兆赫/TB：主磁場場強(qiáng)第17頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五高能與低能狀態(tài)質(zhì)子的進(jìn)動由于在主磁場中質(zhì)子進(jìn)動，每個氫質(zhì)子均產(chǎn)生縱向和橫向磁化分矢量，那么人體進(jìn)入主磁場后到底處于何種核磁狀態(tài)？第18頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五處于低能狀態(tài)的質(zhì)子略多于處于高能狀態(tài)的質(zhì)子，因而產(chǎn)生縱向宏觀磁化矢量第19頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五盡管每個質(zhì)子的進(jìn)動產(chǎn)生了縱向和橫向磁化矢量，但由于相位不同，因而只有宏觀縱向磁化矢量產(chǎn)生，并無宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生第20頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五由于相位不同，每個質(zhì)子的橫向磁化分矢量相抵消，因而并無宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生第21頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五進(jìn)入主磁場后，質(zhì)子自旋產(chǎn)生的核磁與主磁場相互作用發(fā)生進(jìn)動小結(jié)進(jìn)動使每個質(zhì)子的核磁存在方向穩(wěn)定的縱向磁化分矢量和旋轉(zhuǎn)的橫向磁化分矢量由于相位不同，只有宏觀縱向磁化矢量產(chǎn)生，并無宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生第22頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五某一組織（或體素）產(chǎn)生的宏觀矢量的大小與其含有的質(zhì)子數(shù)有關(guān)，質(zhì)子含量越高則產(chǎn)生宏觀縱向磁化矢量越大。我們可能認(rèn)為MRI已經(jīng)可以區(qū)分質(zhì)子含量不同的組織了。然而遺憾的是MRI儀的接收線圈并不能檢測到宏觀縱向磁化矢量，也就不能檢測到這種宏觀縱向磁化矢量的差別。

接受線圈能夠檢測到的是旋轉(zhuǎn)的宏觀橫向磁化矢量，因為旋轉(zhuǎn)的宏觀橫向磁化矢量可以切割接收線圈產(chǎn)生電信號。第23頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五MR只能采集旋轉(zhuǎn)的橫向磁化矢量MR不能檢測到縱向磁化矢量，但能檢測到旋轉(zhuǎn)的橫向磁化矢量NS第24頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五進(jìn)入主磁場后人體被磁化了，產(chǎn)生縱向宏觀磁化矢量不同的組織由于氫質(zhì)子含量的不同，宏觀磁化矢量也不同磁共振不能檢測出縱向磁化矢量？第25頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五共振共振：能量從一個震動著的物體傳遞到另一個物體，而后者與前者具有相同的頻率震動。第26頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五共振條件頻率一致實質(zhì)能量傳遞第27頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五磁共振現(xiàn)象磁共振現(xiàn)象：給處于主磁場中的人體組織一個射頻脈沖，射頻脈沖的頻率與質(zhì)子的進(jìn)動頻率相同，射頻脈沖的能量將傳遞給處于低能級的質(zhì)子，處于低能級的質(zhì)子獲得能量后將躍遷到高能級。從微觀角度來說，磁共振現(xiàn)象是低能級的質(zhì)子獲得能量躍遷到高能級。從宏觀的角度來說，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)的角度與射頻脈沖的能量有關(guān)，能量越大偏轉(zhuǎn)角度越大；而射頻脈沖能量的大小與脈沖強(qiáng)度及持續(xù)時間有關(guān)第28頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五磁共振成像過程人體→進(jìn)入磁場→磁化→施加射頻脈沖→氫核磁矩發(fā)生90。偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生能量→射頻脈沖停止、弛豫過程開始，釋放所產(chǎn)生的能量（形成MR信號）→信號接收系統(tǒng)→計算機(jī)系統(tǒng)。第29頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五磁共振現(xiàn)象90°射頻脈沖

當(dāng)射頻脈沖的能量正好使宏觀縱向磁化矢量偏轉(zhuǎn)90°，即完全偏轉(zhuǎn)到X、Y平面，稱這種脈沖為90°脈沖，其產(chǎn)生的橫向宏觀磁化矢量在各種角度的射頻脈沖中是最大的。第30頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五磁共振現(xiàn)象從微觀上講，90°脈沖的效應(yīng)可以分解成兩個部分來理解：（1）90°脈沖使處于低能級多出處于高能級的那部分質(zhì)子，有一半獲得能量進(jìn)入高能級狀態(tài)，這就使處于低能級和高能級的質(zhì)子數(shù)目完全相同，兩個方向的縱向磁化分矢量相互抵消，因此宏觀縱向磁化矢量等于零。（2）90°脈沖前，質(zhì)子的橫向磁化分矢量相位不同，90°脈沖可使質(zhì)子的橫向磁化分矢量處于同一相位，因而產(chǎn)生了一個最大旋轉(zhuǎn)宏觀橫向磁化矢量。第31頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五90度脈沖繼發(fā)后產(chǎn)生的宏觀和微觀效應(yīng)低能的超出部分的氫質(zhì)子有一半獲得能量進(jìn)入高能狀態(tài)，高能和低能質(zhì)子數(shù)相等，縱向磁化矢量相互抵消而等于零使質(zhì)子處于同相位，質(zhì)子的微觀橫向磁化矢量相加，產(chǎn)生宏觀橫向磁化矢量第32頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五90度脈沖激發(fā)使質(zhì)子發(fā)生共振，產(chǎn)生最大的旋轉(zhuǎn)橫向磁化矢量，這種旋轉(zhuǎn)的橫向磁化矢量切割接收線圈，MR儀可以檢測到。氫質(zhì)子多氫質(zhì)子少第33頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五弛豫過程射頻脈沖停止后,已吸收能量發(fā)生共振的質(zhì)子群磁矩釋放能量,回到原平衡狀態(tài)的過程稱核磁弛豫。弛豫過程用兩個時間來表示：縱向弛豫Ｔ1、橫向弛豫Ｔ２。第34頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五核磁馳豫

核磁弛豫：

90°脈沖關(guān)閉后，組織的宏觀磁化矢量逐漸恢復(fù)到平衡狀態(tài)的過程。 核磁弛豫又可分解成兩個相對獨立的部分：（1）橫向磁化矢量逐漸減小直至消失，稱為橫向弛豫；（2）縱向磁化矢量逐漸恢復(fù)直至最大（平衡狀態(tài)），稱為縱向弛豫。第35頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五無線電波激發(fā)使磁場偏轉(zhuǎn)90度，關(guān)閉無線電波后，磁場又慢慢回到平衡狀態(tài)第36頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五橫向弛豫也稱為T2弛豫，簡單地說，T2弛豫就是橫向磁化矢量減少的過程。90度脈沖第37頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五T2時間T2時間：測量橫向馳豫的時間定義：橫向磁化矢量從由最大衰減至37%所經(jīng)歷的馳豫時間。第38頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五無線電波激發(fā)使磁場偏轉(zhuǎn)90度，關(guān)閉無線電波后，磁場又慢慢回到平衡狀態(tài)第39頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五縱向弛豫也稱為T1弛豫，是指90度脈沖關(guān)閉后，在主磁場的作用下，縱向磁化矢量開始恢復(fù)，直至恢復(fù)到平衡狀態(tài)的過程。90度脈沖第40頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五T1時間T1時間：測量縱向馳豫的時間定義：縱向磁化矢量從最小恢復(fù)至平衡態(tài)的63%所經(jīng)歷的馳豫時間第41頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五磁共振加權(quán)成像加權(quán)突出重點一般的成像過程中，組織的各方面特性（例如：質(zhì)子密度、T1值、T2值）均對MR信號有貢獻(xiàn)，幾乎不可能得到僅純粹反映組織一個特性的MR圖像，我們可以利用成像參數(shù)的調(diào)整，使圖像主要反映組織某方面特性，而盡量抑制組織其他特性對MR信號的影響，這就是“加權(quán)”。第42頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五磁共振加權(quán)成像T1加權(quán)成像（T1WI）：重點突出組織縱向弛豫差別；T2加權(quán)成像（T2WI）：重點突出組織橫向弛豫差別；質(zhì)子密度圖像（PD）：主要反映組織質(zhì)子含量差別。

第43頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五質(zhì)子密度加權(quán)成像的實現(xiàn)

以甲、乙兩種組織為例，甲組織質(zhì)子含量高于乙質(zhì)子：（1）進(jìn)入主磁場后，甲組織產(chǎn)生的宏觀縱向磁化矢量大于乙組織；（2）90°脈沖后甲組織產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)宏觀橫向磁化矢量就大于乙組織；（3）馬上檢測MR信號，甲組織產(chǎn)生的MR信號將高于乙組織。

質(zhì)子密度越高，MR信號強(qiáng)度越大，這就是質(zhì)子密度加權(quán)成像。第44頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五T2加權(quán)成像的實現(xiàn)假設(shè)甲、乙兩種組織質(zhì)子密度相同，但甲組織的橫向弛豫比乙組織慢（即甲組織的T2值長于乙組織）：（1）進(jìn)入主磁場后由于質(zhì)子密度一樣，甲乙兩種組織產(chǎn)生的宏觀縱向磁化矢量大小相同（圖a）；（2）90°脈沖后產(chǎn)生的宏觀橫向磁化矢量的大小也相同（圖b）：（3）由于甲組織橫向弛豫比乙組織慢，到一定時刻，甲組織衰減掉的宏觀橫向磁化矢量少于乙組織，其殘留的宏觀橫向磁化矢量將大于乙組織（圖c）；（4）這時檢測MR信號，甲組織的MR信號強(qiáng)度將高于乙組織（圖d），這樣就實現(xiàn)了T2WI。在T2WI上，組織的T2值越大，其MR信號強(qiáng)度越大。第45頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五T1加權(quán)成像的實現(xiàn)假設(shè)甲、乙兩種組織質(zhì)子密度相同，但甲組織的縱向弛豫比乙組織快（即甲組織的T1值短于乙組織）：（1）進(jìn)入主磁場后由于質(zhì)子密度一樣，甲乙兩種組織產(chǎn)生的縱向磁化矢量大小相同；（2）90°脈沖后產(chǎn)生的宏觀橫向磁化矢量的大小也相同；（3）射頻脈沖關(guān)閉后，甲乙兩種組織將發(fā)生縱向弛豫，由于甲組織的縱向弛豫比乙組織快，過一定時間以后，甲組織已經(jīng)恢復(fù)的宏觀縱向磁化矢量將大于乙組織；（4）由于接收線圈不能檢測到這種縱向磁化矢量的差別，必須使用第二個90°脈沖。第二個90°脈沖后，甲、乙兩組織的宏觀縱向磁化矢量將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生宏觀橫向磁化矢量，因為這時甲組織的縱向磁化矢量大于乙組織，其產(chǎn)生的橫向磁化矢量將大于乙組織，馬上檢測MR信號，甲組織產(chǎn)生的MR信號將高于乙組織，這樣就實現(xiàn)了T1WI。在T1WI上，組織的T1值越小，其MR信號強(qiáng)度越大。

第46頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五在任何序列圖像上，信號采集時刻旋轉(zhuǎn)橫向的磁化矢量越大，MR信號越強(qiáng)第47頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五MRI空間定位X軸、Y軸、Z軸三維空間定位層面層厚選擇頻率編碼相位編碼第48頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五MR采集到的每一個信號均含有全層信息必須進(jìn)行層面內(nèi)的空間定位編碼才能把整個信息分配到各個像素空間定位編碼包括頻率編碼和相位編碼第49頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五總結(jié)一下MR成像的過程把病人放進(jìn)磁場人體被磁化產(chǎn)生縱向磁化矢量發(fā)射射頻脈沖人體內(nèi)氫質(zhì)子發(fā)生共振從而產(chǎn)生橫向磁化矢量關(guān)掉射頻脈沖質(zhì)子發(fā)生T1、T2弛豫（同時進(jìn)行空間定位編碼）

線圈采集人體發(fā)出的MR信號計算機(jī)處理（付立葉轉(zhuǎn)換）顯示圖像第50頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五脈沖序列自旋回波序列（SE）快速自旋回波序列(FSE)部分飽和序列（SR）反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列（IR）梯度回波序列（GE/GRE）回波平面成像序列（EPI

）第51頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五掃描參數(shù)重復(fù)時間（TR）:為兩次RF激發(fā)間隔的時間回波時間（TE）：為激發(fā)后到測量回波的時間翻轉(zhuǎn)角（FA）：RF的角度第52頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五自旋回波序列－ＳＥ自旋回波序列為最常用的脈沖序列。先發(fā)射90o脈沖，隔TE/2后再發(fā)射180o脈沖，至ＴＥ時間測量回波信號，重復(fù)這一過程，完成所有采集。兩90o脈沖間的時間為重復(fù)時間TR。第53頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五自旋回波（spinecho，SE）序列結(jié)構(gòu)圖激發(fā)脈沖層面選擇梯度頻率編碼梯度相位編碼梯度MR信號第54頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五自旋回波序列－ＳＥ

90180回波回波90180TETRTE：回波時間TR：重復(fù)時間第55頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五影響MR信號強(qiáng)度的因素

組織的MR信號強(qiáng)度可用下式來表示：

SI=K.N(H).e(-TE/T2).[1-e(-TR/T1)]SI為信號強(qiáng)度；K為常數(shù)；N(H)是質(zhì)子密度；e為自然常數(shù)，等于2.71828182845904；TE為回波時間；TR為重復(fù)時間；T2為組織的T2值；T1為組織的T1值。第56頁，共63頁，2022年，5月20日，14點11分，星期五影響MR信號強(qiáng)度的因素當(dāng)TE很短（<<T2），則e(-TE/T2)≈1，這時組織信號強(qiáng)度不受T2值的影響，即基本剔除了T2效應(yīng)，到的將是T1WI或PD；當(dāng)TR很長（>>T1），則e(-TR/T1)≈0，[1-e(-TR/T1)]≈1，這時組織信號強(qiáng)度幾乎不受T1值的影響，即基本剔除了T1效應(yīng)；到的將是T2WI或PD如果TR很長（>>T1），同時很短（<<T2），則組織信號強(qiáng)度既不受T1值影響，也不受T2值影像，而僅與N(H)有關(guān)，得到將只能是