磁共振的简介

1、磁共振产品概述1. 概述 磁共振成像技术在核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance ，NMR）现象的基础上，利用电子技术、计算机技术以及超导技术，继X-CT之后出现的一项崭新的成像技术。为了与使用放射性同位素的核医学相区别，临床上普遍使用磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）这一术语代替NMR，有时简称MR。 磁共振成像与X-CT一样，是通过计算机处理后产生的图像，所不同的是： 在X-CT中，图中的每个像素的数值代表的是人体组织中某一个体素的X线的衰减；在磁共振图像中，每个像素的值代表的从是某个体素来的磁共振信号的强度，与共振核子的密度

2、及两个化学参数-磁弛豫时间T1与T2有关。 磁共振成像技术是在磁共振波普学的基础上发展起来的。磁共振成像自出现以来曾被称为：核磁共振成像、自旋体层成像、核磁共振体层成像、核磁共振CT等。 1946年由美国加州斯坦福大学的布洛克（Bloch）和哈佛大学的普塞尔（Purcell）教授同时发现了磁共振的物理原理，即处在某一静磁场中的原子核受到相应频率的电磁波作用时，在它们的核能级之间发生共振跃迁现象。 两位教授共同获得1952年诺贝尔物流学奖。 磁共振的物理现象被发现以后，很快形成一门新兴的医学影像学科磁共振波普学。 1967年，约翰斯（Jasper Johns）等人首先利用活体动物进行试验，成功地

3、检测出动物体内分布的氢、磷和氮的MR信号。 1970年，美国纽约州立大学的达马迪安对已植入恶性肿瘤细胞的老鼠进行了MR实验，发现正常组织与恶性肿瘤组织的MR信号明显不同，并发现两类不同的信号（T1、T2弛豫信号）。 1971年纽约州立大学的达曼迪恩（Damadian）教授在科学杂志上发表了题为“核磁共振（NMR）信号可检测疾病”和“癌组织中氢的T1时间延长”等论文。 1973年曼斯菲德（Mansfields）研制出脉冲梯度法选择成像断层。 1974年英国科学家研制成功组织内磁共振光谱仪。 1975年恩斯托（Ernst）研制出相位编码成像。 1976年，得到了第一张人体MR图像（活体手指）。 1

4、977年磁共振成像技术进入体层摄影实验阶段，达马迪安等人建成了人类历史上第一台全身MRI设备，并于当年取得了第一幅横断面质子密度图像（用时长达4小时45分钟）。 1982年，取得第一幅胸、腹部图像，之后磁共振成像仪推向市场。 几十年期间，有关磁共振的研究曾在三个领域（物理、化学、生理学或医学）内获得了六次诺贝尔奖。 MRI的基本原理是当处于磁场中的物质收到射频（Radio Frequency，RF）电磁波的激励时，如果RF的电磁波的频率与磁场强度的关系满足拉莫尔方程，则组成物质的一些原子核会发生共振，即所谓的MRI，此时，原子核吸收了RF电磁波的能量，当RF电磁波停止激励时，吸收了能量的原子核

5、又会把这部分能量释放出来，即发射MR信号，通过测量和分析此MR信号，可得到物质结构中的许多物理和化学信息。 随着磁体技术、低温技术、电子技术、图像处理技术等相关领域的技术进步，MRI得到了飞速发展。电磁型MRI已经被市场淘汰；永磁型MRI尽管费用较低，但在成像质量、扫描速率等众多方面无法与超导型MRI匹敌；超导型MRI已逐渐成为该类产品的主流。作为中国新兴的医疗器械供应商，苏州朗润医疗系统有限公司经过全面的国内外市场现状分析及详细的技术调研、专家论证后，推出了符合中国国情需要的超导型磁共振成像系统，致力为中国的医疗卫生事业的发展做贡献。2 产品安全及性能标准 GB 9706.1-2007医用电

6、气设备 第1部分：安全通用要求。 GB 9706.15-2008医用电气设备 第1-1部分：安全通用要求并列标准：医用电气系统安全要求。 YY/T 0316-2008医疗器械 风险管理对医疗器械的应用。 GB/T 16886医疗器械生物学评价。 YY 0319-2008医用电气设备 第2-33部分：医疗诊断用磁共振设备安全专用要求。 YY/T 0482-2010医用成像磁共振设备主要图像质量参数的测定。 GB 7247.1-2001激光产品的安全 第1部分：设备分类、要求和用户指南。 GB/T 14710-2009 医用电器环境要求及试验方法。 YY 0505-2012 医用电气设备

7、 第1-2部分:安全通用要求并列标准:电磁兼容要求。3 产品分类 按电击防护的类型：I类。 按电击防护的程度：B型应用。 按液体防护的程度：IPX 0。 按生产厂家允许的消毒方式：可消毒设备。 本设备不适用于易燃麻醉气与空气的混合气，或氧气，或氧化亚氮的混合气的环境里使用。 按工作制：间歇加载连续运行。 按用途：通用设备。 按磁场方式：超导型磁共振设备。 按激光产品的分类：2类。4 磁共振成像原理1）成像的物理基础 （1）角动量及旋进 角动量（angular momentum）又叫动量矩（moment of momentum），是描述物体运动状态的物量。 角动量 轨道运动质点的角动量称为轨道角

8、动量，对称轴的自旋转体相对于对称轴的角动量等于物体对轴的转动惯量J与转动角速度的乘积：L=J. 原子核中的核子，如质子、中字都有自旋运动，都有自旋角动量。 旋进 旋进也称进动，描述的是具有角动量的物体或体系在外力矩作用下，其角动量发生改变的现象。角动量的改变包括两方面，一是大小改变，二是方向改变。旋进是角动量方向发生连续改变的现象。 当转动的体系所受到外力矩与体系角动量始终垂直时，体系将发生纯旋进，原子核角动量在主磁场作用下的旋进，就是纯旋进。 只要角动量受到一个与之垂直的力矩的作用，则角动量就产生旋进，表现为角动量矢端沿一圆周转动。 （2）核的自旋磁矩 按量子力学，核自旋LI是量子化的，只能

9、取一系列不连续值LI=I(I+1)h 核自旋量子数I只能取整数的半整数。LI大小取决I值，不同的核I值不同。核自旋角动量具有空间量子化性质，即LI在外磁场方向（Z方向）的分量LIZ取一系列不连续值。 不同的原子核，其自旋磁量子数不同。 （3）磁共振现象 原子：原子核和围绕原子核运动的电子组成，原子核由质子和中子组成，质子和中子都有自旋特性。 a.含奇数质子的原子核均在其自旋过程中产生自旋磁动量，即磁矩以矢量描述。 b.核磁矩大小是原子核的固有特性，决定MRI信号的敏感性。 c.氢原子核只有单一质子具有最强的磁矩。 d.氢质子在人体内分布广，数量多，MRI均选用氢为靶原子核。 经典力学观点 磁矩

10、：质子带正电，自旋将产生一个小小的磁场，称为磁矩。 中子是电中性的，但在它的体积内各电荷的分量的分布是不均匀的，自旋时也能产生磁矩。 净自旋：当原子核中含有奇数个中子或奇数个质子或两个都奇数时，原子核本身就存在净自旋，要想产生磁共振现象，所观察样本的原子核必须具有净自旋。氢的主要同位素质子在人体中丰度大，磁矩便于检测，比较适合用来获得磁共振图像。 磁化：当自旋的质子被置入一个外加磁场B0时，它就会围绕磁场方向进动，称为磁化，进动的角频率由拉莫尔定理给出：=rB0 运动角频率与外加磁场强度（单位：Tesla，简称：T）成正比，与旋磁比r成正比，旋磁比r是一个常量，定义是：旋磁比r=磁矩/自旋角动

11、量。（不同的核素旋磁比r不一样）。 原子集：研究一个样本时，所涉及的不是一个质子，而是一大群质子，称为：质子的集。质子集在外加磁场的作用下，所有的质子将绕Z轴（外加磁场的方向）进动，其倾角都是一样的，但是只有两种可能的指向平行（自旋向上）和反向平行（自旋向下），这两种状态分别对应高、低能两种状态。即当它们刚刚被放入磁场的那一刻，有一半质子围绕Z轴的正方向进动，一半绕Z轴的负方向进动。 圆锥体：分别围绕Z轴的正方和Z轴的负方向进动的质子可以用两个相对的顶点都在原点的圆锥体表示，上锥体表示自旋向上的质子，下锥体表示自旋向下的质子。 部分磁化：在放入外磁场后开始一段时间，有一部分质子翻动到上锥体（即

12、较低能量的锥体中），这样，从平均的效果看，在上锥体中进动的质子将多于下锥体中进动的质子，这时所外的状态称为部分磁化。 完全磁化：在过了较长的一段时间后，就有更多的质子翻动到上锥体中，最后达到一个平衡状态，称为完全磁化。 磁化是一个磁体现象，比单个质子表现出的特征更重要。一群质子在磁场作用下的结果可以简单的认为是出现了一个与Z轴同相的磁化向量，尽管每个体质子是围绕Z轴进动，但是由于它们在进动圆周上的位置是随机的，总的平均的磁化向量可以认为不存在进动。 相位相千现象：样本磁化后，施加一个与主磁场垂直的交变磁场，当交变磁场的频率与进动频率一致时，原来处于随机相位的进动质子将趋向于同相，同相现象称为相

13、位相千现象。 核磁共振现象：当质子的进动相位完全一致时就发生共振现象，称为核磁共振现象。 射频信号：在研究人体成像时，交变磁场的频率一般都在射频的范围，称交变磁场也称为射频场或射频信号。 量力学的观点 不存在外加磁场：自旋质子的指向随机。 加入外加磁场：他们像处于磁场中的小磁针一样将与外加磁场的方向对齐，自旋质子将出现指北或指南两种可能性，分别处于不同的能级上。处于低能级上的质子比处于高能级上的质子更稳定，由于执热效应，两个能级上的质子只是处于相对平衡状态，他们之间的来回运动始终存在。 弛豫时间T1：磁化过程开始变化很快，即磁化向量M增加很快，随着时间的推移，增长的速度就会变慢，最终慢慢地趋向

14、于最大的平衡值M0，整个变化过程中，M的增长表现为一个指数函数，指数函数的时间常数称为弛豫时间T1，重要参数。 共振现象：当质子在能级间翻动，能量来回转移，从能量低的位置吸收能量后跃至较高能级，较高能级上的质子释放能量后来到低的能级上，处于平衡状态时，是一种随机热运动，运动的能量由分子间的热运动提供，运动所需的能量也可以由外部的无线电波提供，无线电波的能量与它们的频率有关，频率越高，能量越大，当外加射频量子的能量正好与指南、指北质子间的能量差相等是，将引起质子的两个能级间迅速翻动，产生共振。 自旋自旋弛豫时间T2：只要用来激励的射频磁场的频率和能量合适就能产生共振。在短时间的射频脉冲激励后，质

15、子将继续辐射两种频率的射频率能量，这个信号将被检测，并用于磁共振现象，不过辐射的射频信号很快会衰减，这种衰减也呈指数特性，时间常数称为T2或自旋自旋弛豫时间。 2）磁共振成像原理1磁共振现象微观领域中的核子都有自旋的特性。核子的自旋产生小磁矩，类似于 小磁棒。质子数或中子数至少有一个为奇教的大量原子核可在静磁场中体现出宏观磁化 来，其磁化矢量与静磁场同向。而每单个原子核在静磁场中做着不停的进动运动（一方面不 断自旋，同时以静磁场为轴做圆周运动），进动频率(precession frequency)（即质子每秒进动的次数）为(00一/Bo，7为原子核的旋磁比(对于每一种原子核，7是一个常数且各不

16、相同，如氢质子7值为42. 5MHz/T)，Bo为静磁场的场强大小。人体含有占比重70%以上的水，又由于氢质子磁矩不为零，这些水中的氢质子是磁共振信号的主要来源，其余信号来自脂肪、 蛋白质和其他化合物中的氢质子。 对静磁场中的质子群沿着垂直于静磁场的方向施加某一特定频率的电磁波其频率在声波范围内，故称为射频(radio frequency，RF)-原来的宏观磁化就会以射频场为轴发生偏转（章动），其偏转角度取决于射频场的施加时间、射频强度和射频波形。当然，一个关键条件是：射频的频率必须与静磁场中的质子的进动频率一致。宏观磁化发生章动的实质是质子群中一部分质子吸收了射频的能量，使自己从低能级跃迁到

17、了高能级。这种现象即称为原子核的磁共振现象。如果将此时的宏观磁化进行二维分解，会发现射频激励的效果是使沿静磁场方向的磁化矢量（纵向磁化）减小，而垂直于静磁场方向的磁化（横向磁化）增 大了。RF脉冲有使进动的质子同步化的效应，质子同一时间指向同一方向，处于所谓“同相”，其磁化矢量在该方向上叠加起来，即横向磁化增大。使质子进动角度增大至90。的RF脉冲称为90。脉冲，此时纵向磁化矢量消失，只有横向磁化矢量。同样还有其他角度的RF脉冲。质子的进动角度受RF脉冲强度和脉冲持续时间影响，强度越强、持续时间越长，质 子的进动角度越大，且强RF脉冲比弱RF脉冲引起履子进动角度改变得要快。 

18、0;      2弛豫及弛豫时间短暂的射频激励（一般为几十微秒）以后，宏观磁化要恢复到原始的静态。从激励态恢复到静态要经历一个与激励过程相反的两个分过程，一个是横向磁化逐渐减小的过程（即为横向弛豫过程，T2过程）（图6-1）；另一个是纵向磁化逐渐增大的过程 （纵向弛豫过程，T1过程）（图6-2）。纵向弛豫过程的本质是激励过程吸收了射频能量的那些质子释放能量返回到基态的过程。能量释放的有效程度与质子所在分子大小有关，分子过大或很小，能量释放将越慢，弛豫需要的时间就越长。如水中的质子，0. 5T场强下弛豫时间>4000毫秒；分子结构处于中等大

19、小，能量释放就很快，T1就短，如脂肪内的质子，0.5T场强下弛豫时间仅为260毫秒左右。横向弛豫过程的本质是激励过程使质子进动相位的一致性逐渐散相（即逐渐失去相位一致性）的过程，其散相的有效程度与质子所处的周围分子结构的均匀性有关，分子结构越均匀，散相效果越差，横向磁化减小的越慢，需要的横向弛豫时间(T2)就越长；反之，分子结构越不均匀，散相效果越妤，横向磁化减小越快，T2就越短。        3自由感应衰减磁共振成像设备中，接收信号用的线圈和发射用的线圈可以是同一线圈，也可以是方向相互正交的两个线圈，线圈平面与主磁场Bo

20、平行，其工作频率都需要尽量接近Larmor频率。线圈发射RF脉冲对组织进行激励，在停止发射RF脉冲后进行接收。RF脉冲停止后组织出现弛豫过程，磁化矢量只受主磁场Bo的作用时，这部分质子的 进动即自由进动，因与主磁场方向一致，所以无法测量，而横向磁化矢量垂直并围绕主磁场 方向旋进，按电磁感应定律（即法拉第定律），横向磁化矢量的变化，能使位于被检体周围的接收线圈产生随时间变化的感应电流，其大小与横向磁化矢量成正比，这个感应电流经放大即为MR信号。由于弛豫过程横向磁化矢量的幅度按指数方式不断衰减，决定了感应电流 为随时间周期性不断衰减的振荡电流，因而它是自由进动感应产生的，被称为自由感应衰减(fre

21、e induction decay，FID)。90。脉冲后，由于受纵向弛豫(T1)和横向弛豫(T2)的影响，磁 共振信号以指数曲线形式衰减，如图6-3所示，其幅度随时间指数式衰减的速度就是横向弛 豫速率(l/T2)。图6-3 自由感应哀减信号及其产生        4空间定位磁共振信号的三维空间定位是利用施加三个相互垂直的可控的线性梯度磁场来实现的。根据定位作用的不同，三个梯度场分别称为选层梯度场(Gs)、频率编码 梯度场(Gf)和相位编码梯度场(G。)；三者在使用时是等效的，可以互换，而且可以使用两个梯度场的线性组合来实现

22、某一定位功能，从而实现磁共振的任意截面断层成像。 (1)选层：沿静磁场方向叠加一线性梯度场Gs可以选择发生磁共振现象的人体断层层 面，RF的频带宽度与梯度场强度共同决定层厚（图6-4）。层厚与RF带宽呈正相关，与梯度强度呈负相关；图6-4射频带宽与选层梯度场共同决定层厚        (2)频率编码：沿选定层面内的X方向叠加一线性梯度场Gf，可使沿X向质子所处磁场线性变化，从而共振频率线性变化，将采集信号经傅立叶变换后即可得到信号频率与X方向位置的线性一一对应关系，如图6-5所示。   

23、0;    (3)相位编码：沿选定层面内的Y方向施加一线性梯度场G。（时间很短，在选层梯度之 后，读出梯度之前），则沿Y方向的质子在进动相位上呈现线性关系，将采集信号经傅立叶 变换后，可以得到Y向位置与相位的一一对应关系，如图6-6所示。实际的序列中还有一些梯度场不起空间定位作用，主要有相位平衡梯度、快速散相梯度、重聚相梯度等。        5成像方法磁共振成像方法指的是将人体组织所发出的微弱的磁共振信号如何重建成一幅二维断面图像的方法，主要有点成像法、线成像法、面成像法、体积成像法等。

24、60;       (1)点成像法：对每个组织体素信号逐一进行测量成像的方法，主要包括敏感点法和场聚焦法。        (2)线成像法：一次采集一条扫描线数据的方法，主要包括敏感线成像法、线扫描以及多线扫描成像法、化学位移成像法等。        (3)面成像法：同时采集整个断面数据的成像方法，主要包括投影重建法、备种平面成像法以及傅立叶变换成像法等。   

25、0;    (4)体积成像法：在面成像法的基础上发展起来的，不使用选层梯度进行面的选择，而是施加二维的相位编码梯度和一维的频率编码梯度同时对组织进行整个三维体积的数据采 集和成像方法。 磁共振的成像方法很多，但选择RF脉冲的带宽和形状，使之能激发一个已知的频带， 并控制梯度场来选取一个点、一条线、一个层面，甚至选取整个成像体积来获得信号，是各种 成像方法的共同点。任何一种成像法的实现，均与机器的软硬件设计紧密相关。 5. 磁共振的结构1、磁体系统：是谱议的关键部件之一，它提供高强度和一定均匀度的恒定磁场，供主漂移室测量带电粒子的径迹，用以研究基本粒子间的相互作用和规律。导磁体利用轭铁提供磁场回路2、梯度系统：是磁共振设备主要组成部