磁共振的原理與結(jié)構(gòu)

磁共振成像（MRI〕原理

與磁共振機(jī)的結(jié)構(gòu)

邵逸夫醫(yī)院放射科朱碧波目前一頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)一、磁共振成像磁共振成像：

MagneticResonanceImaging，MRI 是利用人體內(nèi)原子核在磁場內(nèi)與外加射頻磁場發(fā)生共振而產(chǎn)生影像的一種成像技術(shù),它既能顯示形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)，又能顯示原子核水平上的生化信息及某些器官的功能狀況，更有無輻射的優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展?jié)摿薮?。目前二頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)二、MRI基本原理MRI影像形成的基本原理目前三頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)(一)、原子核的自旋特性含單數(shù)質(zhì)子的原子核，例如人體內(nèi)廣泛存在的氫原子核，其質(zhì)子有自旋運(yùn)動(dòng)，帶正電，產(chǎn)生磁矩，有如一個(gè)小磁體。目前四頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)(一)原子核的自旋特性在有自旋特性的原子核周圍存在的這個(gè)微觀磁場是磁偶極子，就是所謂的原子核的自旋磁矩。在沒有外加磁場時(shí)，各個(gè)質(zhì)子由于熱運(yùn)動(dòng)而處于雜亂無章的任意排列狀態(tài)，磁矩方向各不相同，相互抵消，所以在宏觀上不顯磁性。目前五頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)(二)外磁場對(duì)原子核自旋的影響當(dāng)外部施加一個(gè)恒定磁場后，則質(zhì)子沿外加磁場方向排列，產(chǎn)生凈磁化。1.低能級(jí)--自旋方向與磁場方向一致2.高能級(jí)--自旋方向與磁場方向相反目前六頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)(二)外磁場對(duì)原子核自旋的影響在外磁場作用下，低能級(jí)的質(zhì)子數(shù)目要多于高能級(jí)的質(zhì)子，在大量原子分布的情況下，原子在不同能級(jí)上分布的數(shù)目與溫度與外磁場強(qiáng)度有關(guān)。目前七頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)(二)外磁場對(duì)原子核自旋的影響在一定溫度和磁場條件下，自旋質(zhì)子就產(chǎn)生了一個(gè)沿外磁場方向的宏觀磁矩，這樣當(dāng)原子核圍繞自己的軸作自旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，外加磁場又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋力臂作用于自旋質(zhì)子的磁矩上，使得質(zhì)子旋進(jìn)于一個(gè)錐形的磁矩軸上，稱為拉莫進(jìn)動(dòng)。目前八頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)(二)外磁場對(duì)原子核自旋的影響質(zhì)子進(jìn)動(dòng)的速度用進(jìn)動(dòng)頻率來衡量，也就是質(zhì)子每秒進(jìn)動(dòng)的次數(shù)，進(jìn)動(dòng)頻率與外加磁場的強(qiáng)度成正比，場強(qiáng)越高，進(jìn)動(dòng)頻率越高。目前九頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)(二)外磁場對(duì)原子核自旋的影響

0＝0：磁旋比常數(shù)0：外加磁場強(qiáng)度0:質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率拉莫（Larmor)頻率原子核的共振頻率目前十頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)(二)外磁場對(duì)原子核自旋的影響由于有無數(shù)個(gè)質(zhì)子在進(jìn)動(dòng)，其磁矩在X和Y軸方向上的分量將相互抵消，只有沿Z軸方向的分量疊加起來形成了縱向磁化矢量，它不能被直接測(cè)量。目前十一頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)（三〕電磁感應(yīng)現(xiàn)象電流通過金屬導(dǎo)線可以產(chǎn)生磁場金屬導(dǎo)線切割磁力線產(chǎn)生電流變化磁場強(qiáng)度在金屬導(dǎo)線（線圈〕內(nèi)可以產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流目前十二頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)（四〕射頻脈沖電場和磁場隨時(shí)間而變化稱為電磁輻射。射頻（RF〕脈沖是一種無線電波，也是電磁波的一種，它的主要作用是擾亂沿外加磁場方向?qū)庫o進(jìn)動(dòng)的質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)。只有RF脈沖與自旋質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)頻率相同時(shí)，才能向質(zhì)子傳遞能量。目前十三頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)（五〕核磁共振現(xiàn)象當(dāng)RF脈沖頻率與質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率相同時(shí)，質(zhì)子就從中吸收能量，這稱為核磁共振現(xiàn)象。此時(shí)RF脈沖頻率＝

0＝0目前十四頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)（五〕核磁共振現(xiàn)象施加RF脈沖后，質(zhì)子吸收了能量，能級(jí)就會(huì)提高，這會(huì)產(chǎn)生兩方面的效應(yīng)：1、質(zhì)子能級(jí)提高，使得縱向磁化矢量減小，最終為零，稱為飽和狀態(tài)。目前十五頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)（五〕核磁共振現(xiàn)象2、進(jìn)動(dòng)的質(zhì)子相位一致，做同步同速運(yùn)動(dòng)，使得在橫軸方向上的磁化矢量得以疊加，并產(chǎn)生一個(gè)新的橫向磁化矢量，RF脈沖的強(qiáng)度越大，持續(xù)時(shí)間越長，橫向進(jìn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)的角度就越大。目前十六頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)（六〕核磁共振弛豫當(dāng)質(zhì)子系統(tǒng)達(dá)到飽和狀態(tài)后，停止RF磁場后，激勵(lì)過程結(jié)束。隨后，吸收能量躍遷到高能級(jí)的質(zhì)子將釋放吸收的能量，很快回到外加磁場原先排列的平衡位置，這一過程稱為核磁弛豫。橫向磁化矢量逐漸消失，稱為橫向弛豫縱向磁化矢量恢復(fù)原狀，稱為縱向弛豫目前十七頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)（六〕核磁共振弛豫在磁共振領(lǐng)域中，將質(zhì)子周圍的原子統(tǒng)稱為晶格?？v向弛豫就是質(zhì)子自旋磁矩將能量釋放傳遞給晶格原子的過程，所以也叫自旋-晶格弛豫。

RF脈沖停止后，縱向磁化矢量恢復(fù)到原來的數(shù)值所需要的時(shí)間稱為縱向弛豫時(shí)間，簡稱T1,實(shí)際中將縱向磁化矢量從0恢復(fù)到最大值的63%所需的時(shí)間定義為T1時(shí)間。

T1是一個(gè)時(shí)間常數(shù)，描述組織的縱向磁化矢量恢復(fù)的快慢程度。其長短依賴于組織成分、結(jié)構(gòu)和環(huán)境，如水為長T1，脂肪為短T1。目前十八頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)（六〕核磁共振弛豫目前十九頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)（六〕核磁共振弛豫

RF脈沖停止后，質(zhì)子很快失去相位一致性,這是由于原子核之間的相互作用，而沒有能量從原子核向周圍晶格中的轉(zhuǎn)移，所以也成為自旋-自旋弛豫。此過程中，橫向磁化矢量逐步抵消而變小直至為零。實(shí)際中把橫向磁化矢量衰減至其最大值的37%的時(shí)間定義為橫向弛豫時(shí)間，簡稱T2。

T2與人體組織的固有小磁場有關(guān),如大分子比小分子快,結(jié)合水比游離水快。目前二十頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)（六〕核磁共振弛豫目前二十一頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)（六〕核磁共振弛豫目前二十二頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)（六〕核磁共振弛豫小結(jié)：這種組織間弛豫時(shí)間上的差別，是MRI的成像基礎(chǔ)。有如CT時(shí)，組織間吸收系數(shù)（CT值）差別是CT成像基礎(chǔ)的道理。但MRI不像CT只有一個(gè)參數(shù)，即吸收系數(shù)，而是有T1、T2等幾個(gè)參數(shù)。因此，獲得選定層面中各種組織的T1（或T2）值，就可獲得該層面中包括各種組織影像的圖像。目前二十三頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)（七〕自由感應(yīng)衰減磁共振設(shè)備中，接收信號(hào)用的線圈平面與主磁場平行，工作頻率接近拉莫頻率。當(dāng)質(zhì)子磁化矢量只受主磁場作用時(shí)，由于自由進(jìn)動(dòng)與主磁場方向一致，所以無法測(cè)量。而當(dāng)RF脈沖對(duì)組織激勵(lì)又停止后，組織出現(xiàn)了弛豫過程，橫向磁化矢量的變化能使位于被檢體周圍的接收線圈產(chǎn)生隨時(shí)間變化的感應(yīng)電流，其大小與橫向磁化矢量成正比，將這個(gè)電流信號(hào)放大后即為MR信號(hào)，它是一個(gè)隨時(shí)間周期性不斷衰減的電流，又因?yàn)樗怯勺杂蛇M(jìn)動(dòng)感應(yīng)產(chǎn)生的，所以叫自由感應(yīng)衰減。目前二十四頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)（七〕自由感應(yīng)衰減目前二十五頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)（八〕MR信號(hào)的空間編碼一幅MR影像由垂直方向的象素行和水平方向的象素列共同組成，同時(shí)又對(duì)應(yīng)著一定層厚的體素組成的一個(gè)層面，稱為MR信號(hào)的空間位置。采集MR信號(hào)空間位置信息的方法稱為空間編碼，拉莫方程，0＝0是空間編碼技術(shù)的基礎(chǔ)。目前二十六頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)（九〕原理總結(jié)綜上所述，磁共振成像主要包括三方面的內(nèi)容：1、激發(fā)產(chǎn)生磁共振現(xiàn)象并測(cè)量磁共振信號(hào)的RF脈沖序列；2、確定信號(hào)位置的空間編碼；3、將所測(cè)量的磁共振信號(hào)及其位置信息重建成磁共振影像。目前二十七頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)三、MRI系統(tǒng)的組成與功能MRI系統(tǒng)主要由以下五部分構(gòu)成：1、主磁體系統(tǒng)2、梯度磁場系統(tǒng)3、射頻（RF）系統(tǒng)4、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)5、輔助設(shè)備目前二十八頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)MRI掃描機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖目前二十九頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)（一）主磁體系統(tǒng)主磁體是MRI系統(tǒng)的核心部分之一，其功能是提供使原子核定向所必須的靜磁場。應(yīng)用于臨床醫(yī)療的MRIT(特斯拉)。目前三十頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)1、磁體主要性能指標(biāo)磁場強(qiáng)度：場強(qiáng)越高，MR信號(hào)越強(qiáng)，影像信噪比越大磁場均勻度：決定了圖像的空間分辨率和信噪比磁場穩(wěn)定性：是衡量場強(qiáng)隨時(shí)間而飄移程度的指標(biāo)磁體孔腔：孔腔大小限制了被檢者的體型大小目前三十一頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)2、磁體類型（1）永磁型磁體：磁體由具有鐵磁性的永磁材料構(gòu)成，其場強(qiáng)相當(dāng)穩(wěn)定，維護(hù)簡單，線圈效率高。但磁場強(qiáng)度較低，最大僅0.3T。磁體龐大、笨重，磁場均勻度受室溫影響較大，穩(wěn)定性差。目前三十二頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)2、磁體類型國產(chǎn)安科公司OpenMarkⅡ0.2T第二代開放式永磁型磁共振成像系統(tǒng)目前三十三頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)2、磁體類型（2）常導(dǎo)型（阻抗型）磁體：由電流通過導(dǎo)線產(chǎn)生磁場，其磁力線與受檢人體長軸平行。安裝容易，造價(jià)低。但磁場均勻度和穩(wěn)定性較差，受室溫影響大。耗電量大，需大量水冷卻，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高，場強(qiáng)一般小于0.3T。目前三十四頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)2、磁體類型（3）超導(dǎo)型磁體：由電流通過導(dǎo)線產(chǎn)生磁場，但導(dǎo)線為超導(dǎo)材料，置于液氦之中，溫度為-273℃，此時(shí)線圈電阻為零。在勵(lì)磁以后，電流可以無衰減地循環(huán)流動(dòng)，產(chǎn)生穩(wěn)定、均勻、高場強(qiáng)的磁場，且不受室溫影響大。場強(qiáng)最高可達(dá)8T，醫(yī)用一般小于2T。由于需液氦，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高。目前三十五頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)2、磁體類型GESignaCV/i1.5T超導(dǎo)型MR機(jī)目前三十六頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)2、磁體類型勻場線圈：任何磁體都不會(huì)產(chǎn)生絕對(duì)均勻的磁場，所以還要加上一組勻場線圈，一般由鈮鈦合金制成，置于磁體中心，梯度線圈外,在安裝時(shí)由工程師設(shè)定調(diào)整，可將磁場均勻性提高100倍以上。目前三十七頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)MRI掃描機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖目前三十八頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)MRI掃描機(jī)目前三十九頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)（二）梯度磁場系統(tǒng)梯度磁場系統(tǒng)也是MRI系統(tǒng)的核心部分之一，它利用梯度線圈產(chǎn)生相對(duì)主磁場來說較微弱的在空間位置上變化的磁場，并疊加在主磁場上，其功能是對(duì)MRI信號(hào)進(jìn)行空間編碼，以確定成像層面的位置和厚度。目前四十頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)（二）梯度磁場系統(tǒng)梯度磁場包括梯度線圈和梯度電源兩部分。梯度線圈有三組，分別按相互垂直的X、Y、Z三個(gè)方向設(shè)計(jì)，任何一組梯度場都可起到層面選擇、相位編碼、頻率編碼三項(xiàng)作用之一，因此可對(duì)人體的橫斷位、冠狀位、矢狀位甚至任意斜位進(jìn)行成像。目前四十一頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)目前四十二頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)（二）梯度磁場系統(tǒng)梯度磁場三維方向示意圖目前四十三頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)成像層面選擇梯度磁場疊加在主磁場上，使得場強(qiáng)隨著位置呈線形分布，即每一層面的場強(qiáng)都是不相同的。

RF脈沖并非只包含一種頻率，而是有一定頻率范圍（帶寬）的脈沖，所以它能激勵(lì)的質(zhì)子的拉莫頻率也是一個(gè)范圍，這樣產(chǎn)生共振的質(zhì)子的層面就可以確定了。目前四十四頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)成像層面選擇當(dāng)磁場梯度一定時(shí)，RF脈沖的頻帶越寬，則層面越厚；當(dāng)頻帶寬一定時(shí)，磁場梯度越大，則層面厚度越薄。一般是將RF脈沖的中心頻率固定，通過改變磁場的強(qiáng)度和梯度的大小來實(shí)現(xiàn)成像層面的選擇的。目前四十五頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)頻率編碼在已確定的成像層面的水平軸（X軸）方向上，施加頻率編碼梯度磁場，使得沿X軸不同位置的每一列質(zhì)子都具有不同的進(jìn)動(dòng)頻率，同一列上的質(zhì)子則進(jìn)動(dòng)頻率相同。目前四十六頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)相位編碼要確定Y軸每一列上平行于X軸方向上的每一行質(zhì)子的位置，就需進(jìn)行相位編碼。在Y軸方向上施加另一梯度場，使得不同位置的質(zhì)子處于不同相位，即進(jìn)動(dòng)角度不同，并由此進(jìn)行識(shí)別。目前四十七頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的質(zhì)子相位一致，做同步同速運(yùn)動(dòng)，使得在橫軸方向上的磁化矢量得以疊加，并產(chǎn)生一個(gè)新的橫向磁化矢量，RF脈沖的強(qiáng)度越大，持續(xù)時(shí)間越長，橫向進(jìn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)的角度就越大。目前四十八頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)MR圖像的重建

f(t)=A0+Asin(t+φ)在進(jìn)行頻率編碼和相位編碼后，利用傅立葉變換就可將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信號(hào)分離，確定每一個(gè)體素的MR信號(hào)的值，形成圖像。目前四十九頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)（三）射頻系統(tǒng)射頻系統(tǒng)的作用是發(fā)射射頻(RF)脈沖,使磁化的質(zhì)子吸收能量產(chǎn)生共振,并接收質(zhì)子在弛豫過程中釋放的能量而產(chǎn)生MR信號(hào)，其頻率在拉莫頻率附近。發(fā)射器功率放大器發(fā)射線圈人體組織接受線圈接收器RFMR目前五十頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)射頻（RF）線圈射頻線圈的作用是發(fā)射RF脈沖,對(duì)被檢體質(zhì)子進(jìn)行激勵(lì)，并檢測(cè)被檢體的MR信號(hào)。用于發(fā)射射頻建立射頻磁場的射頻線圈叫發(fā)射線圈，用于檢測(cè)MR信號(hào)的射頻線圈叫接收線圈。有的線圈可在不同的時(shí)期分別完成發(fā)射和接收任務(wù)，如體線圈；而有的只能用于接收信號(hào)，如大部分表面線圈。目前五十一頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)射頻（RF）線圈射頻線圈的敏感容積越小，則信噪比越高；線圈與人體檢查部位的距離越近，則信號(hào)越強(qiáng)，信噪比越高。這兩者直接決定著圖像的質(zhì)量，所以需根據(jù)人體各個(gè)部位的不同形狀、大小，制成不同尺寸和類型的線圈，以取得最佳圖像質(zhì)量。射頻線圈主要有兩類：1、體積線圈：大容積，如頭線圈、體線圈2、表面線圈：小容積，如乳腺線圈等目前五十二頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)射頻（RF）線圈頭顱線圈（鳥籠狀）目前五十三頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)射頻（RF）線圈神經(jīng)血管線圈目前五十四頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)射頻（RF）線圈頸椎線圈目前五十五頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)射頻（RF）線圈胸腰椎線圈目前五十六頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)射頻（RF）線圈軀體線圈目前五十七頁\總數(shù)七十二頁\編于十二點(diǎn)射頻（RF）線圈乳腺線圈目前五十八頁\總數(shù)七