磁共振的原理與結(jié)構(gòu)

關(guān)于磁共振的原理與結(jié)構(gòu)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，其發(fā)展?jié)摿薮?。?頁,共73頁，2024年2月25日，星期天二、MRI基本原理MRI影像形成的基本原理第3頁,共73頁，2024年2月25日，星期天(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，帶正電，產(chǎn)生磁矩，有如一個小磁體。第4頁,共73頁，2024年2月25日，星期天(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，各個質(zhì)子由于熱運(yùn)動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。第5頁,共73頁，2024年2月25日，星期天(二)外磁場對原子核自旋的影響當(dāng)外部施加一個恒定磁場后，則質(zhì)子沿外加磁場方向排列，產(chǎn)生凈磁化。1.低能級--自旋方向與磁場方向一致2.高能級--自旋方向與磁場方向相反第6頁,共73頁，2024年2月25日，星期天(二)外磁場對原子核自旋的影響在外磁場作用下，低能級的質(zhì)子數(shù)目要多于高能級的質(zhì)子，在大量原子分布的情況下，原子在不同能級上分布的數(shù)目與溫度與外磁場強(qiáng)度有關(guān)。第7頁,共73頁，2024年2月25日，星期天(二)外磁場對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)動時，外加磁場又會產(chǎn)生一個旋力臂作用于自旋質(zhì)子的磁矩上，使得質(zhì)子旋進(jìn)于一個錐形的磁矩軸上，稱為拉莫進(jìn)動。第8頁,共73頁，2024年2月25日，星期天(二)外磁場對原子核自旋的影響質(zhì)子進(jìn)動的速度用進(jìn)動頻率來衡量，也就是質(zhì)子每秒進(jìn)動的次數(shù)，進(jìn)動頻率與外加磁場的強(qiáng)度成正比，場強(qiáng)越高，進(jìn)動頻率越高。第9頁,共73頁，2024年2月25日，星期天(二)外磁場對原子核自旋的影響

0＝0：磁旋比常數(shù)

0：外加磁場強(qiáng)度

0:質(zhì)子進(jìn)動頻率拉莫（Larmor)頻率原子核的共振頻率第10頁,共73頁，2024年2月25日，星期天(二)外磁場對原子核自旋的影響由于有無數(shù)個質(zhì)子在進(jìn)動，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，它不能被直接測量。第11頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（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)電流第12頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（四〕射頻脈沖電場和磁場隨時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)動的質(zhì)子的進(jìn)動。只有RF脈沖與自旋質(zhì)子的進(jìn)動頻率相同時，才能向質(zhì)子傳遞能量。第13頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（五〕核磁共振現(xiàn)象當(dāng)RF脈沖頻率與質(zhì)子進(jìn)動頻率相同時，質(zhì)子就從中吸收能量，這稱為核磁共振現(xiàn)象。此時RF脈沖頻率＝

0＝0第14頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（五〕核磁共振現(xiàn)象施加RF脈沖后，質(zhì)子吸收了能量，能級就會提高，這會產(chǎn)生兩方面的效應(yīng)：1、質(zhì)子能級提高，使得縱向磁化矢量減小，最終為零，稱為飽和狀態(tài)。第15頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（五〕核磁共振現(xiàn)象2、進(jìn)動的質(zhì)子相位一致，做同步同速運(yùn)動，使得在橫軸方向上的磁化矢量得以疊加，并產(chǎn)生一個新的橫向磁化矢量，RF脈沖的強(qiáng)度越大，持續(xù)時間越長，橫向進(jìn)動偏轉(zhuǎn)的角度就越大。第16頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（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，激勵過程結(jié)束。隨后，吸收能量躍遷到高能級的質(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，稱為縱向弛豫第17頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（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。縱向弛豫就是質(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)值所需要的時間稱為縱向弛豫時間，簡稱T1,實際中將縱向磁化矢量從0恢復(fù)到最大值的63%所需的時間定義為T1時間。

T1是一個時間常數(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。第18頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（六〕核磁共振弛豫第19頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（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。實際中把橫向磁化矢量衰減至其最大值的37%的時間定義為橫向弛豫時間，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。第20頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（六〕核磁共振弛豫第21頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（六〕核磁共振弛豫第22頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（六〕核磁共振弛豫小結(jié)：這種組織間弛豫時間上的差別，是MRI的成像基礎(chǔ)。有如CT時，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只有一個參數(shù)，即吸收系數(shù)，而是有T1、T2等幾個參數(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。第23頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（七〕自由感應(yīng)衰減磁共振設(shè)備中，接收信號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，由于自由進(jìn)動與主磁場方向一致，所以無法測量。而當(dāng)RF脈沖對組織激勵又停止后，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，將這個電流信號放大后即為MR信號，它是一個隨時間周期性不斷衰減的電流，又因為它是由自由進(jìn)動感應(yīng)產(chǎn)生的，所以叫自由感應(yīng)衰減。第24頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（七〕自由感應(yīng)衰減第25頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（八〕MR信號的空間編碼一幅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，同時又對應(yīng)著一定層厚的體素組成的一個層面，稱為MR信號的空間位置。采集MR信號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)。第26頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（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)象并測量磁共振信號的RF脈沖序列；2、確定信號位置的空間編碼；3、將所測量的磁共振信號及其位置信息重建成磁共振影像。第27頁,共73頁，2024年2月25日，星期天三、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、計算機(jī)處理系統(tǒng)5、輔助設(shè)備第28頁,共73頁，2024年2月25日，星期天MRI掃描機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖第29頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（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MRI磁體強(qiáng)度多為0.15-2.0T(特斯拉)。第30頁,共73頁，2024年2月25日，星期天1、磁體主要性能指標(biāo)磁場強(qiáng)度：場強(qiáng)越高，MR信號越強(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第31頁,共73頁，2024年2月25日，星期天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。第32頁,共73頁，2024年2月25日，星期天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)第33頁,共73頁，2024年2月25日，星期天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。第34頁,共73頁，2024年2月25日，星期天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℃，此時線圈電阻為零。在勵磁以后，電流可以無衰減地循環(huán)流動，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。第35頁,共73頁，2024年2月25日，星期天2、磁體類型GESignaCV/i1.5T超導(dǎo)型MR機(jī)第36頁,共73頁，2024年2月25日，星期天2、磁體類型勻場線圈：任何磁體都不會產(chǎn)生絕對均勻的磁場，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,在安裝時由工程師設(shè)定調(diào)整，可將磁場均勻性提高100倍以上。第37頁,共73頁，2024年2月25日，星期天MRI掃描機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖第38頁,共73頁，2024年2月25日，星期天MRI掃描機(jī)第39頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（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MRI信號進(jìn)行空間編碼，以確定成像層面的位置和厚度。第40頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（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三個方向設(shè)計，任何一組梯度場都可起到層面選擇、相位編碼、頻率編碼三項作用之一，因此可對人體的橫斷位、冠狀位、矢狀位甚至任意斜位進(jìn)行成像。第41頁,共73頁，2024年2月25日，星期天第42頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（二）梯度磁場系統(tǒng)梯度磁場三維方向示意圖第43頁,共73頁，2024年2月25日，星期天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，所以它能激勵的質(zhì)子的拉莫頻率也是一個范圍，這樣產(chǎn)生共振的質(zhì)子的層面就可以確定了。第44頁,共73頁，2024年2月25日，星期天成像層面選擇當(dāng)磁場梯度一定時，RF脈沖的頻帶越寬，則層面越厚；當(dāng)頻帶寬一定時，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現(xiàn)成像層面的選擇的。第45頁,共73頁，2024年2月25日，星期天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)動頻率，同一列上的質(zhì)子則進(jìn)動頻率相同。第46頁,共73頁，2024年2月25日，星期天相位編碼要確定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)動角度不同，并由此進(jìn)行識別。第47頁,共73頁，2024年2月25日，星期天進(jìn)動的質(zhì)子相位一致，做同步同速運(yùn)動，使得在橫軸方向上的磁化矢量得以疊加，并產(chǎn)生一個新的橫向磁化矢量，RF脈沖的強(qiáng)度越大，持續(xù)時間越長，橫向進(jìn)動偏轉(zhuǎn)的角度就越大。第48頁,共73頁，2024年2月25日，星期天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到的數(shù)據(jù)信號分離，確定每一個體素的MR信號的值，形成圖像。第49頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（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，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第50頁,共73頁，2024年2月25日，星期天射頻（RF）線圈射頻線圈的作用是發(fā)射RF脈沖,對被檢體質(zhì)子進(jìn)行激勵，并檢測被檢體的MR信號。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MR信號的射頻線圈叫接收線圈。有的線圈可在不同的時期分別完成發(fā)射和接收任務(wù)，如體線圈；而有的只能用于接收信號，如大部分表面線圈。第51頁,共73頁，2024年2月25日，星期天射頻（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，如乳腺線圈等第52頁,共73頁，2024年2月25日，星期天射頻（RF）線圈頭顱線圈（鳥籠狀）第53頁,共73頁，2024年2月25日，星期天射頻（RF）線圈神經(jīng)血管線圈第54頁,共73頁，2024年2月25日，星期天射頻（RF）線圈頸椎線圈第55頁,共73頁，2024年2月25日，星期天射頻（RF）線圈胸腰椎線圈第56頁,共73頁，2024年2月25日，星期天射頻（RF）線圈軀體線圈第57頁,共73頁，2024年2月25日，星期天射頻（RF）線圈乳腺線圈第58頁,共73頁，2024年2月25日，星期天射頻（RF）線圈通用柔軟線圈第59頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（四）計算機(jī)處理系統(tǒng)1、主機(jī)2、存儲器3、輸入、輸出設(shè)備4、系統(tǒng)軟件5、應(yīng)用軟件第60頁,共73頁，2024年2月25