影像物理磁共振成像的原理

影像物理磁共振成像的原理第一頁，共三十頁，2022年，8月28日

1、磁體永久<0.3T阻抗超導(dǎo)：0.35~2T場強(qiáng)：超低場：002~009；低場：01~03

中場：03~10；高場：10~2T磁場強(qiáng)度：磁力在空間某處的強(qiáng)度。1Tesla=10000gause，約地球磁場強(qiáng)度的20000多倍。均勻性：成像磁場空間一定范圍的磁場強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差與主磁場強(qiáng)度的比。以ppm為單位（百萬分之一）。穩(wěn)定性：磁場強(qiáng)度在單位時(shí)間內(nèi)的相對變化率。第二頁，共三十頁，2022年，8月28日

2、梯度系統(tǒng)

一個(gè)絕對均勻的磁場不能提供任何空間信息。因?yàn)樗械馁|(zhì)子都具有相同的共振頻率，發(fā)射出不能區(qū)分的MR信號。要確定共振的質(zhì)子相應(yīng)空間位置必須改變磁場的空間結(jié)構(gòu)。它由梯度放大器及X、Y、Z三組梯度線圈組成。第三頁，共三十頁，2022年，8月28日

3、射頻系統(tǒng)射頻線圈:

發(fā)射線圈:發(fā)送射頻脈沖，激發(fā)自旋。原子核自旋系統(tǒng)吸收相同頻率的RF磁場能量而從平衡態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的過程稱MR。接收線圈：小線圈具有較好的信噪比。射頻放大器：調(diào)制不同類型的射頻并通過發(fā)射線圈發(fā)射至興趣區(qū)。射頻接收放大器：將MR信號先放大再進(jìn)行數(shù)字化及進(jìn)一步處理。射頻屏蔽：防止外界電磁波對MR影響而產(chǎn)生偽影;避免RF對磁體室外接收器產(chǎn)生干擾。第四頁，共三十頁，2022年，8月28日4、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：圖像的重建與顯示

5、檢查床與操作控制臺

第五頁，共三十頁，2022年，8月28日二、怎樣的原子核產(chǎn)生磁場自旋特性的原子核，且質(zhì)子與中子必須一個(gè)是奇數(shù)自旋是自然界普遍存在的現(xiàn)象，但16O、12C不能用于MRI（磁矢量為零）；自然界2/3的同位素具有奇數(shù)質(zhì)子或中子1H、13C、19F、23Na、31P有凈核自旋稱自旋磁體。第六頁，共三十頁，2022年，8月28日三、自旋質(zhì)子在磁場中的運(yùn)動1、質(zhì)子的進(jìn)動：圓錐（陀旋）運(yùn)動2、自旋質(zhì)子須保持一個(gè)恒定的頻率-拉莫頻率：Larmor公式：w0(f)=rB0

質(zhì)子產(chǎn)生信號（被接收與利用）3、自旋弛豫：從激發(fā)態(tài)恢復(fù)至平衡態(tài)的一個(gè)動態(tài)自然過程。第七頁，共三十頁，2022年，8月28日附：名詞解釋晶格：

MRI中原子核周圍的環(huán)境稱為晶格。平衡態(tài)：質(zhì)子在溫度與磁場強(qiáng)度不變的情況下充分磁化后，磁化矢量保持衡定，這種穩(wěn)定狀態(tài)為平衡態(tài)。激發(fā)態(tài)：質(zhì)子吸收能量(RF)后的不穩(wěn)定狀態(tài)為激發(fā)態(tài)。第八頁，共三十頁，2022年，8月28日四、病人（質(zhì)子）進(jìn)入外加磁場時(shí)會發(fā)生什么情況1、質(zhì)子在正常情況下是隨意排列的（雜亂無章），宏觀磁化矢量和為零.“自由態(tài)”2、質(zhì)子進(jìn)入外加磁場時(shí)會發(fā)生二種情況：順、逆外加磁場的方向。(磁化）第九頁，共三十頁，2022年，8月28日3、順磁場方向的低能態(tài)，逆磁場方向的高能態(tài)（磁化）穩(wěn)定狀態(tài)

第十頁，共三十頁，2022年，8月28日四、病人（質(zhì)子）進(jìn)入外加磁場時(shí)會發(fā)生什么情況4、質(zhì)子進(jìn)動（圓錐運(yùn)動）

Larmor公式：w0(f)=rB05、自旋質(zhì)子弛豫微觀上講:共振即誘發(fā)兩種質(zhì)子能態(tài)間的越遷,產(chǎn)生磁共振所需能量即為質(zhì)子兩種基本能態(tài)之差.能量來源于射頻脈沖.第十一頁，共三十頁，2022年，8月28日五、核磁共振現(xiàn)象微觀上：共振即誘發(fā)質(zhì)子二種能態(tài)間的躍遷，產(chǎn)生磁共振所需能量即為質(zhì)子二種基本能態(tài)之差.RF頻率僅在與質(zhì)子群的進(jìn)動頻率一致時(shí)，才出現(xiàn)共振.第十二頁，共三十頁，2022年，8月28日六、核磁共振現(xiàn)象宏觀上：受RF激勵的質(zhì)子群發(fā)生共振時(shí)，其磁化矢量M不再與主磁場B0平行。RF越強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間越長，RF停止時(shí)，M偏離B0越遠(yuǎn)。第十三頁，共三十頁，2022年，8月28日七、自旋質(zhì)子弛豫90oRF停止時(shí)，M垂直于B0,Mz=0，平行于xy平面，Mxy最大。180oRF停止時(shí)，M平行于B0，但方向相反，橫向磁化矢量Mxy=0，Mz最大。第十四頁，共三十頁，2022年，8月28日小結(jié)①質(zhì)子帶有正電荷，并不停地作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。②旋轉(zhuǎn)著的質(zhì)子產(chǎn)生磁場猶如一個(gè)小磁棒。③病人入磁場后，體內(nèi)的質(zhì)子（小磁場）以二種方式排列（順低能態(tài)，逆高能態(tài)）。④RF激勵質(zhì)子進(jìn)動，如陀螺在重力下旋轉(zhuǎn)⑤進(jìn)動頻率可依Larmor公式計(jì)算；外加磁場愈強(qiáng)，進(jìn)動頻率愈高。⑥磁共振現(xiàn)象：指某些特定的原子核置于靜磁場內(nèi)，并受到一個(gè)適當(dāng)?shù)腞F磁場的激勵時(shí)，所出現(xiàn)的吸收和放出RF磁場的電磁能的現(xiàn)象。第十五頁，共三十頁，2022年，8月28日八、產(chǎn)生MR的三個(gè)條件外加磁場：質(zhì)子：自旋特性的原子核（質(zhì)、中子之一）為奇數(shù)。RF：頻率須與質(zhì)子進(jìn)動頻率相同。第十六頁，共三十頁，2022年，8月28日九、核磁弛豫RF符合Larmor頻率，被激勵的質(zhì)子群發(fā)生共振，宏觀磁化矢量M離開平衡狀態(tài)。但RF停止后，M又自發(fā)地回復(fù)到平衡狀態(tài)，這個(gè)過程稱為“核磁弛豫”90oRF停止后，M圍繞B0軸旋轉(zhuǎn)，M末端沿著上升螺旋逐漸靠向B0

。RF結(jié)束的一瞬間，Mxy達(dá)最大值，Mz=0?；謴?fù)到平衡時(shí)，Mz達(dá)最大值，Mxy=0在弛豫過程中磁化矢量M強(qiáng)度并不恒定，縱、橫向部分必須分開討論。弛豫過程可用兩個(gè)時(shí)間值描述，即縱向弛豫時(shí)間（T1）和橫向弛豫時(shí)間（T2）第十七頁，共三十頁，2022年，8月28日縱向弛豫（自旋晶格弛豫）縱向弛豫時(shí)間（T1）：指90oRF后，達(dá)到原縱向磁化矢量63%的時(shí)間.質(zhì)子從RF波吸收能量，處于高能態(tài)（即被激勵）的質(zhì)子數(shù)目增加。T1弛豫是質(zhì)子群釋放已吸收的能量以恢復(fù)原來高、低能態(tài)平衡的過程.在恢復(fù)過程中，質(zhì)子處于一個(gè)磁波動環(huán)境中，受到分子的Brown氏運(yùn)動的影響.MR成像：磁波動的頻率與RF一致時(shí)，激發(fā)高能態(tài)的質(zhì)子，使其能量擴(kuò)散到周圍環(huán)境（晶格），兩種高能態(tài)的質(zhì)子恢復(fù)到平衡狀態(tài).第十八頁，共三十頁，2022年，8月28日橫向弛豫（自旋-自旋弛豫）橫向弛豫時(shí)間（T2）指90oRF后，原橫向磁化矢量值衰減到37%的時(shí)間組織中水分子的熱運(yùn)動持續(xù)產(chǎn)生磁場的小波動，周圍磁環(huán)境的任何波動可造成質(zhì)子共振頻率的改變，使質(zhì)子振動稍快或稍慢，使質(zhì)子群由相位一致變?yōu)榛ギ?，即熱運(yùn)動的作用使質(zhì)子間的旋進(jìn)方位和頻率互異，但無能量的散出。因此T2弛豫也稱自旋-自旋弛豫。腦脊液脂肪37%841400Mxyt(ms)第十九頁，共三十頁，2022年，8月28日十、MR信號：

與強(qiáng)大的主磁場方向一致的質(zhì)子場強(qiáng)不能測定，需改變方向第二十頁，共三十頁，2022年，8月28日十一、核磁共振信號在弛豫過程中，橫向磁化矢量Mxy的變化使環(huán)繞在人體周圍的接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這個(gè)可以放大的感應(yīng)電流即MR信號自由感應(yīng)衰減：90oRF后MR信號以指數(shù)曲線形式衰減RF與生物組織原子核的共振信號不同時(shí)，但同頻率可用一個(gè)線圈兼作發(fā)射和接收磁共振信號的測量只能在垂直于主磁場的xy平面進(jìn)行.由于磁化矢量本身就是一個(gè)磁場，所以它在xy平面的旋進(jìn)正如一個(gè)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(gè)隨時(shí)間波動的電壓即為MR信號。第二十一頁，共三十頁，2022年，8月28日十二、加權(quán)像：通過調(diào)節(jié)TR、TE得到突出某個(gè)組織特征參數(shù)的圖像質(zhì)子密度N（H）加權(quán)像：長TR：1500~2500ms、短TE：15~25ms。T1加權(quán)像（T1WI）：短TR：500ms，短TE：15~25ms。

T2加權(quán)像（T2WI）：長TR：1500~2500ms，長TE：90~120ms。

第二十二頁，共三十頁，2022年，8月28日第二十三頁，共三十頁，2022年，8月28日十三、各種正常和病變組織的T1、T2值均不同正常和病變組織的氫原子的T1、T2受周圍化學(xué)環(huán)境或磁環(huán)境的影響，周圍化學(xué)環(huán)境改變氫原子核的行為，進(jìn)而改變組織所發(fā)出的RF波。換言之，氫原子的T1、T2可反映其周圍的化學(xué)環(huán)境或磁環(huán)境在MR成像中，質(zhì)子密度是一種成像參數(shù)，但不如另外二種成像參數(shù)T1、T2重要。因?yàn)門1、T2（氫原子核的行為）提供了更為重要周圍“磁氣候”的信息。HH.如：乙醇H-C-C-HOH第二十四頁，共三十頁，2022年，8月28日十四、MR圖像用信號強(qiáng)度代表能量的高低高信號：白中等信號：灰低信號：黑1、信號強(qiáng)度與T1成反比：同一時(shí)間內(nèi)Fat的MR

強(qiáng),H2O的MR弱.2、信號強(qiáng)度與T2成正比：同一時(shí)間內(nèi)H2O的

MR強(qiáng),Fat的MR弱.3、分子量：中等分子信號強(qiáng)、低分子信號弱、高分子信號弱（黑色素、含鐵血黃素）。4、質(zhì)子密度：某一定區(qū)域內(nèi)自旋質(zhì)子的密度。5、流空效應(yīng)：第二十五頁，共三十頁，2022年，8月28日十五、常見組織的MR信號特點(diǎn)

種類組織特性信號骨皮質(zhì)、空氣:質(zhì)子密度低弱致密結(jié)T1長、T2短弱締組織:腦積液:T1很長、T2很長.T1低T2高實(shí)質(zhì)臟器:質(zhì)子密度高

.T1較長、T2較長中等信號脂肪:T1短、T2長T1、T2高信號第二十六頁，共三十頁，2022年，8月28日十六、序列技術(shù)自旋回波SE脈沖序列：由于磁場的不均勻性，自旋磁矩的旋進(jìn)頻率各不相同，激發(fā)態(tài)自旋的相位相干性逐漸喪失，稱去相位．這種相位效應(yīng)使橫向磁化迅速衰減．SE：90o—Ti—180o—T`去相位：90oRF后使同步的質(zhì)子群異步，相位由一致變?yōu)榉稚ⅲㄟ’B扇逐漸張開）相位回歸：180oRF后質(zhì)子群離散的相位又相互趨向一致（摺疊扇合起、列隊(duì)操練）第二十七頁，共三十頁，2022年，8月28日十七、其它脈沖序列反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列IR：快速自旋回波序列：TSE梯度自旋回波序列：TGSE快速反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列：TIR半付理葉采集單次激發(fā)快速自旋回波序列