磁共振成像的原理4月日

利用生物內(nèi)特定原子磁性核(多為氫核)在磁場(chǎng)中表現(xiàn)出磁共振作用而產(chǎn)生信號(hào)，經(jīng)計(jì)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)目前一頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)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(wú)電荷質(zhì)子：正電荷目前二頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁場(chǎng)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(chǎng)稱為核磁，因而以前把磁共振成像稱為核磁共振成像（NMRI）。自旋與核磁目前三頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)地磁、磁鐵、核磁示意圖目前四頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)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)生核磁目前五頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)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。目前六頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)人體元素1H14N31P13C23Na39K17O2H19F摩爾濃度99.01.60.350.10.0780.0450.0310.0150.0066相對(duì)磁化率1.00.0830.0660.0160.0930.00050.0290.0960.83目前七頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)人體內(nèi)有無(wú)數(shù)個(gè)氫質(zhì)子（每毫升水含氫質(zhì)子3×1022）每個(gè)氫質(zhì)子都自旋產(chǎn)生核磁現(xiàn)象人體象一塊大磁鐵嗎？目前八頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)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(gè)質(zhì)子自旋均產(chǎn)生一個(gè)小的磁場(chǎng)，但呈隨機(jī)無(wú)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。目前九頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)進(jìn)入主磁場(chǎng)前后人體組織質(zhì)子的核磁狀態(tài)目前十頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)在外磁場(chǎng)(B0)的作用下，則核磁矩沿著外磁場(chǎng)方向排列.B0位能高，逆磁場(chǎng)方向位能低，順磁場(chǎng)方向，穩(wěn)定進(jìn)入靜磁場(chǎng)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(hào)基礎(chǔ).目前十一頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)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(wàn)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)子目前十二頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)在主磁場(chǎng)中質(zhì)子的磁化矢量方向是絕對(duì)同向平行或逆向平行嗎？？？無(wú)論是處于高能級(jí)還是處于低能級(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。目前十三頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)進(jìn)入主磁場(chǎng)前后質(zhì)子核磁狀態(tài)對(duì)比進(jìn)動(dòng)和進(jìn)動(dòng)頻率進(jìn)入主磁場(chǎng)后，無(wú)論是處于高能級(jí)還是處于低能級(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。質(zhì)子除了自旋運(yùn)動(dòng)外，還繞著主磁場(chǎng)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，這種旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)稱為進(jìn)動(dòng)。進(jìn)動(dòng)是磁性原子核自旋產(chǎn)生的小磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果。目前十四頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)進(jìn)動(dòng)進(jìn)入磁體后，質(zhì)子在自旋的同時(shí)還沿主磁場(chǎng)方向作圓周運(yùn)動(dòng)這種復(fù)合運(yùn)動(dòng)被稱為“進(jìn)動(dòng)”目前十五頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)

=.B：進(jìn)動(dòng)頻率Larmor頻率：磁旋比42.5兆赫/TB：主磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)目前十六頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)高能與低能狀態(tài)質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)由于在主磁場(chǎng)中質(zhì)子進(jìn)動(dòng)，每個(gè)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(chǎng)后到底處于何種核磁狀態(tài)？目前十七頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)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目前十八頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)盡管每個(gè)質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)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(wú)宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生目前十九頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)由于相位不同，每個(gè)質(zhì)子的橫向磁化分矢量相抵消，因而并無(wú)宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生目前二十頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)進(jìn)入主磁場(chǎng)后，質(zhì)子自旋產(chǎn)生的核磁與主磁場(chǎng)相互作用發(fā)生進(jìn)動(dòng)小結(jié)進(jìn)動(dòng)使每個(gè)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(wú)宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生目前二十一頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)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(cè)到宏觀縱向磁化矢量，也就不能檢測(cè)到這種宏觀縱向磁化矢量的差別。

接受線圈能夠檢測(cè)到的是旋轉(zhuǎn)的宏觀橫向磁化矢量，因?yàn)樾D(zhuǎn)的宏觀橫向磁化矢量可以切割接收線圈產(chǎn)生電信號(hào)。目前二十二頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)MR只能采集旋轉(zhuǎn)的橫向磁化矢量MR不能檢測(cè)到縱向磁化矢量，但能檢測(cè)到旋轉(zhuǎn)的橫向磁化矢量NS目前二十三頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)進(jìn)入主磁場(chǎng)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(cè)出縱向磁化矢量目前二十四頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)共振共振：能量從一個(gè)震動(dòng)著的物體傳遞到另一個(gè)物體，而后者與前者具有相同的頻率震動(dòng)。目前二十五頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)共振條件頻率一致實(shí)質(zhì)能量傳遞目前二十六頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)磁共振現(xiàn)象磁共振現(xiàn)象：給處于主磁場(chǎng)中的人體組織一個(gè)射頻脈沖，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，處于低能級(jí)的質(zhì)子獲得能量后將躍遷到高能級(jí)。從微觀角度來(lái)說(shuō)，磁共振現(xiàn)象是低能級(jí)的質(zhì)子獲得能量躍遷到高能級(jí)。從宏觀的角度來(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)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(shí)間有關(guān)目前二十七頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)磁共振成像過(guò)程人體→進(jìn)入磁場(chǎng)→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(guò)程開始，釋放所產(chǎn)生的能量（形成MR信號(hào)）→信號(hào)接收系統(tǒng)→計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。目前二十八頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)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。目前二十九頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)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(gè)部分來(lái)理解：（1）90°脈沖使處于低能級(jí)多出處于高能級(jí)的那部分質(zhì)子，有一半獲得能量進(jìn)入高能級(jí)狀態(tài)，這就使處于低能級(jí)和高能級(jí)的質(zhì)子數(shù)目完全相同，兩個(gè)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(gè)最大旋轉(zhuǎn)宏觀橫向磁化矢量。目前三十頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)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目前三十一頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)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(cè)到。氫質(zhì)子多氫質(zhì)子少目前三十二頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)弛豫過(guò)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(guò)程稱核磁弛豫。弛豫過(guò)程用兩個(gè)時(shí)間來(lái)表示：縱向弛豫Ｔ1、橫向弛豫Ｔ２。目前三十三頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)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(guò)程。 核磁弛豫又可分解成兩個(gè)相對(duì)獨(dú)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。目前三十四頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)無(wú)線電波激發(fā)使磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)90度，關(guān)閉無(wú)線電波后，磁場(chǎng)又慢慢回到平衡狀態(tài)目前三十五頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)橫向弛豫也稱為T2弛豫，簡(jiǎn)單地說(shuō)，T2弛豫就是橫向磁化矢量減少的過(guò)程。90度脈沖目前三十六頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)T2時(shí)間T2時(shí)間：測(cè)量橫向馳豫的時(shí)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(shí)間。目前三十七頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)無(wú)線電波激發(fā)使磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)90度，關(guān)閉無(wú)線電波后，磁場(chǎng)又慢慢回到平衡狀態(tài)目前三十八頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)縱向弛豫也稱為T1弛豫，是指90度脈沖關(guān)閉后，在主磁場(chǎng)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(guò)程。90度脈沖目前三十九頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)T1時(shí)間T1時(shí)間：測(cè)量縱向馳豫的時(shí)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(shí)間目前四十頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)磁共振加權(quán)成像加權(quán)突出重點(diǎn)一般的成像過(guò)程中，組織的各方面特性（例如：質(zhì)子密度、T1值、T2值）均對(duì)MR信號(hào)有貢獻(xiàn)，幾乎不可能得到僅純粹反映組織一個(gè)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(duì)MR信號(hào)的影響，這就是“加權(quán)”。目前四十一頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)磁共振加權(quán)成像T1加權(quán)成像（T1WI）：重點(diǎn)突出組織縱向弛豫差別；T2加權(quán)成像（T2WI）：重點(diǎn)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。

目前四十二頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)質(zhì)子密度加權(quán)成像的實(shí)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(chǎng)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(cè)MR信號(hào)，甲組織產(chǎn)生的MR信號(hào)將高于乙組織。

質(zhì)子密度越高，MR信號(hào)強(qiáng)度越大，這就是質(zhì)子密度加權(quán)成像。目前四十三頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)T2加權(quán)成像的實(shí)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(zhǎng)于乙組織）：（1）進(jìn)入主磁場(chǎng)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(shí)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(shí)檢測(cè)MR信號(hào)，甲組織的MR信號(hào)強(qiáng)度將高于乙組織（圖d），這樣就實(shí)現(xiàn)了T2WI。在T2WI上，組織的T2值越大，其MR信號(hào)強(qiáng)度越大。目前四十四頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)T1加權(quán)成像的實(shí)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(chǎng)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(guò)一定時(shí)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(cè)到這種縱向磁化矢量的差別，必須使用第二個(gè)90°脈沖。第二個(gè)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?yàn)檫@時(shí)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(cè)MR信號(hào)，甲組織產(chǎn)生的MR信號(hào)將高于乙組織，這樣就實(shí)現(xiàn)了T1WI。在T1WI上，組織的T1值越小，其MR信號(hào)強(qiáng)度越大。

目前四十五頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)在任何序列圖像上，信號(hào)采集時(shí)刻旋轉(zhuǎn)橫向的磁化矢量越大，MR信號(hào)越強(qiáng)目前四十六頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)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目前四十七頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)MR采集到的每一個(gè)信號(hào)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(gè)信息分配到各個(gè)像素空間定位編碼包括頻率編碼和相位編碼目前四十八頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)總結(jié)一下MR成像的過(guò)程把病人放進(jìn)磁場(chǎng)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(shí)進(jìn)行空間定位編碼）

線圈采集人體發(fā)出的MR信號(hào)計(jì)算機(jī)處理（付立葉轉(zhuǎn)換）顯示圖像目前四十九頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)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）目前五十頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)掃描參數(shù)重復(fù)時(shí)間（TR）:為兩次RF激發(fā)間隔的時(shí)間回波時(shí)間（TE）：為激發(fā)后到測(cè)量回波的時(shí)間翻轉(zhuǎn)角（FA）：RF的角度目前五十一頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)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(shí)間測(cè)量回波信號(hào)，重復(fù)這一過(guò)程，完成所有采集。兩90o脈沖間的時(shí)間為重復(fù)時(shí)間TR。目前五十二頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)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(hào)目前五十三頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)自旋回波序列－ＳＥ

90180回波回波90180TETRTE：回波時(shí)間TR：重復(fù)時(shí)間目前五十四頁(yè)\總數(shù)五十九頁(yè)\編于十二點(diǎn)影響MR信號(hào)強(qiáng)度的因素 組織的MR信號(hào)強(qiáng)度可用下式來(lái)表示：SI=K.N(H).e(-TE/T2).[