核磁共振原理(经典由简入深)

1、1第一章 核磁共振成像原理本章主要讲述内容：v磁共振信号的产生v磁共振信号的获取与傅立叶变换v像素位置信息的确定（梯度）v像素灰度信息（信号幅度）的确定v序列参数对图像权重的影响v磁共振成像序列2简述磁共振成像过程v1.345第一节 磁共振信号的产生 发电；发电； 磁带、录像带；磁带、录像带； 磁盘；磁盘； 音响；音响； MRI的核心。的核心。678 他想：既然通电的线圈类似一只磁铁，反过来，一他想：既然通电的线圈类似一只磁铁，反过来，一个天然磁体不是也像一只通电线圈吗？那么，天然个天然磁体不是也像一只通电线圈吗？那么，天然磁铁上的电流在哪里？安培注意到这样一个事实，磁铁上的电流在哪里？安培注

2、意到这样一个事实，那就是把一条形磁体折为两段，结果变成了两个独那就是把一条形磁体折为两段，结果变成了两个独立的磁体，照此分下去，天然磁体的每一颗粉末也立的磁体，照此分下去，天然磁体的每一颗粉末也都是独立的磁体，都有都是独立的磁体，都有N极和极和S极极 ； 安培想：在原子、分子或分子团等物质微粒内部，安培想：在原子、分子或分子团等物质微粒内部，存在着一种环形电流存在着一种环形电流-分子电流分子电流(后人也叫它后人也叫它“安培安培电流电流”)，分子电流使每个物质微粒都形成了一个微，分子电流使每个物质微粒都形成了一个微小的磁体，环性的分子电流的磁场使它的两侧相当小的磁体，环性的分子电流的磁场使它的两

3、侧相当于两个磁极。这两个磁极是跟分子电流不可分割地于两个磁极。这两个磁极是跟分子电流不可分割地联系在一起的。未磁化的物体分子电流的方向非常联系在一起的。未磁化的物体分子电流的方向非常紊乱，对外不显示磁性。磁化后，分子电流的方向紊乱，对外不显示磁性。磁化后，分子电流的方向变得大致相同，于是对外显示出磁作用。变得大致相同，于是对外显示出磁作用。91011用于人体用于人体MRI的为的为1H（氢质子），原因有：（氢质子），原因有：1、1H的磁化率很高；的磁化率很高；2、1H占人体原子的绝大多数。占人体原子的绝大多数。通常所指的通常所指的MRI为氢质子的为氢质子的MR图像。图像。121314把人体放进大

4、磁场1516 进动(Precession) 质子在静磁场中以进动方式运动 这种运动类似于陀螺的运动质子进动质子进动陀螺运动陀螺运动17 进动频率(Precession Frequency)00B其中：其中：0 ：进动的频率：进动的频率 （Hz或或MHz） B0 ：外磁场强度：外磁场强度(单位单位T，特斯拉，特斯拉)。 ：旋磁比；：旋磁比；质子质子的为的为 42.5MHz / T。18192021MR能检测到怎样的磁化矢量呢？能检测到怎样的磁化矢量呢？MR不能检测到纵向磁化矢量，但能检测到不能检测到纵向磁化矢量，但能检测到旋转旋转的横向磁化矢量的横向磁化矢量22MR能检测到怎样的磁化矢量呢？能检

5、测到怎样的磁化矢量呢？MR不能检测到纵向磁化矢量，但能检测到不能检测到纵向磁化矢量，但能检测到旋转旋转的横向磁化矢量的横向磁化矢量232425262728293031无线电波激发使磁场偏转无线电波激发使磁场偏转90度，度，关闭无线关闭无线电波后，磁场又慢慢回到平衡状态电波后，磁场又慢慢回到平衡状态（纵向（纵向)32333435纵向弛豫纵向弛豫 也称为也称为T1T1弛豫弛豫，是指，是指9090度脉冲关闭后，在度脉冲关闭后，在主磁场的作用下，主磁场的作用下，纵向磁化矢量开始恢复，纵向磁化矢量开始恢复，直至恢复到平衡状态的过程直至恢复到平衡状态的过程。363738不同组织有着不同不同组织有着不同这是

6、这是MRIMRI显示解剖结显示解剖结构和病变的基础构和病变的基础39404142平衡状态平衡状态90度激发后度激发后采集信号时刻采集信号时刻水水4344平衡状态平衡状态90纵向弛豫纵向弛豫45 人体人体大多数病变大多数病变的的T1T1值、值、T2T2值均较相值均较相应的应的正常组织正常组织大，因而在大，因而在T1WIT1WI上比正上比正常组织常组织“黑黑”，在，在T2WIT2WI上比正常组织上比正常组织“白白”。4690180回波回波回波回波90180TETR47 AC=扫的图像的第几层，这是第2层图像。 TA=扫这层的当时的时间。48如何区分如何区分T1WIT1WI、T2WIT2WI49如何

7、区分如何区分T1WIT1WI、T2WIT2WI50 名词解释名词解释 1 1、T1WIT1WI、T2WIT2WI、PDWIPDWI51 MRI的成像基本过程的成像基本过程 1)氢质子群的平时状态氢质子群的平时状态 -杂乱无章、相互抵消杂乱无章、相互抵消 2)外加磁场外加磁场B0的氢质子状态的氢质子状态 -纵向磁化、进动纵向磁化、进动 3)施加射频磁场的氢质子状态施加射频磁场的氢质子状态 -激励共振、横向磁化激励共振、横向磁化 4)中断中断RF后的氢质子状态后的氢质子状态 -弛豫、散发能量弛豫、散发能量(无电信号的电磁能无电信号的电磁能) 5)接收无电信号转化为接收无电信号转化为MR信号信号 6

8、)用用MR信号重建图像信号重建图像 5290射频脉冲vRF脉冲的作用是在共振条件下激发质子使磁化强度矢量旋转，当磁化强度矢量绕射频场B1旋转90时，该RF脉冲称为90脉冲。v旋转180时，称180脉冲。53 脉冲序列脉冲序列：施加：施加9090度脉冲，等待一定时间，再度脉冲，等待一定时间，再施加一个施加一个9090度或度或180180度脉冲，这种连续施加脉过程度脉冲，这种连续施加脉过程为脉冲序列。为脉冲序列。 重复时间重复时间：两个激励脉冲间的间隔时间。：两个激励脉冲间的间隔时间。 回波时间回波时间：9090度脉开始之时到回波完成之间的度脉开始之时到回波完成之间的时间间隔。时间间隔。脉冲序列脉

9、冲序列549090脉冲后，产生横向磁化，中止脉冲，质子产生弛脉冲后，产生横向磁化，中止脉冲，质子产生弛豫，横向磁化开始消失，质子失去相位一致性，在豫，横向磁化开始消失，质子失去相位一致性，在质子未弛豫完成的某一时间内质子未弛豫完成的某一时间内(TE)(TE)，D D在在XYXY平面上平面上再施加再施加180180脉冲，使质子改变向相反的方向进动，停脉冲，使质子改变向相反的方向进动，停止脉冲后的止脉冲后的TETE时间时，质子再次聚集横向磁化的同时间时，质子再次聚集横向磁化的同向位方向上，产生较强的向位方向上，产生较强的MRMR信号，叫信号，叫回波回波回波的概念回波的概念5590180回波回波回波

10、回波90180TETR56第二节第二节 基本磁共振成像序列简述基本磁共振成像序列简述自由感应衰减信号(FID)自旋回波信号(SE)梯度回波信号（GrE）一般不用 FID信号来重建图像，原因是：1，信号的较大幅度部分被掩盖在900射频之内；2，线圈发射和接受通路之间来不及切换；较为常用的也是最早用以进行磁共振图像重建的信号，只是需要多施加一次1800RF脉冲，回波时间较长较新的可大大缩短磁共振扫描时间的用以重建图像的信号，又称场回波可获取的三种磁共振信号57一、自由感应衰减信号u自由进动：是指射频场作用停止后磁化强度矢量自由进动：是指射频场作用停止后磁化强度矢量M的的进动。进动。自由衰减信号（自

11、由衰减信号（free induction decay signal, FIR）指的是在探测线圈中感应出的自由进动，又叫自由进动指的是在探测线圈中感应出的自由进动，又叫自由进动衰减。衰减。FID是是NMR的信号源。的信号源。u自由感应衰减自由感应衰减(FID):信号随着时间而消失（信号随着时间而消失（类似于阻尼震荡信号类似于阻尼震荡信号），但频率），但频率不变。不变。585960自旋回波序列简述900射频结束瞬间，磁化翻转到横向，开始横向弛豫，即散相静止磁场中，宏观磁化与场强方向一致，纵向宏观磁化最大施加900射频脉冲，纵向磁化翻转到横向，横向磁化最大施加1800射频脉冲，质子进动反向,相位开始

12、重聚经过与散相相同的时间后,相位重聚完全,横向磁化再次达到最大值此时的线圈感应信号即为自旋回波信号自旋回波信号的产生过程6162基本基本SE序列的序列结构序列的序列结构重复时间重复时间回波时间回波时间63梯度回波(GRE)序列梯度回波序列缩短扫描时间分析图使用脉冲而非900脉冲,使得 纵向磁化弛豫加快,从而极大的减少TR时间,使用翻转梯度产生回波而非1800脉冲,从而允许最短的TE时间,给缩短TR带来空间梯度回波(Gradient Echo)64第三节 磁共振图像重建基本概念基本概念：像素像素：组成灰度数字图像的基本单元。体素：体素：像素对应人体内的位置。像素灰度信息：像素灰度信息：对应体素的

13、检测信息的强度。不同成像手段进行不同成像手段进行位置对应的手段不位置对应的手段不同同对磁共振而言,实现像素与体素对应的手段是施加三个维度上的梯度磁场。不同成像手段的检不同成像手段的检测信息不同测信息不同651、 磁共振信号的获取与傅立叶变换磁共振信号的获取与傅立叶变换v如果在垂直于XY平面，加一个接收线圈，会接收到什么信号？自由感应衰减自由感应衰减(FID):信号随着时间而消失（类似于阻尼信号随着时间而消失（类似于阻尼震荡信号），但频率不变。震荡信号），但频率不变。66一、傅立叶变换一、傅立叶变换F一维傅里叶变换一维傅里叶变换：( )( ),iwtFf t edt利用傅里叶变换可对不同函数的频

14、率进行分解。利用傅里叶变换可对不同函数的频率进行分解。在在MRI中，为了对一定共振频率范围内的质子都进行激中，为了对一定共振频率范围内的质子都进行激发，必须使用时域内的矩形脉冲作为激励的能量发，必须使用时域内的矩形脉冲作为激励的能量。1( )( )2i tf tFe dF傅里叶反变换傅里叶反变换：67MRI中常用的傅立叶变换中常用的傅立叶变换 越短，它覆盖的频率范围就越宽。越短，它覆盖的频率范围就越宽。 1.1.矩形脉冲矩形脉冲68矩形脉冲宽度无限窄矩形脉冲宽度无限窄2.2.脉冲脉冲69傅立叶变换的作用傅立叶变换的作用复杂的时间域信号复杂的时间域信号简单的频率域信号简单的频率域信号傅立叶变换A

15、mplitude70二、梯度场的模型二、梯度场的模型梯度斜率越大，系统性能越好梯度斜率越大，系统性能越好711.梯度磁场的产生梯度磁场的产生拉莫尔方程拉莫尔方程（Larmor equation）：00B改变磁场 就可改变共振频率 。00BB 又叫梯度磁场，是指沿直角坐标系某坐标方向呈线性又叫梯度磁场，是指沿直角坐标系某坐标方向呈线性变化的磁场。变化的磁场。空间定位：在主磁场空间定位：在主磁场 上叠加一个变化的小磁场上叠加一个变化的小磁场 ，从，从而使成像层面上各处的磁场得以改变。而使成像层面上各处的磁场得以改变。 0BB72n 在在Z方向叠加的强度方向叠加的强度随随Z变化的磁场，叫变化的磁场，

16、叫Z方向梯度场；方向梯度场；n 在在X方向叠加的强度方向叠加的强度随随X变化的磁场，叫变化的磁场，叫X方向梯度场方向梯度场;n 在在Y方向叠加的强度方向叠加的强度随随Y变化的磁场，叫变化的磁场，叫Y方向梯度场方向梯度场;NSB0B0ZB0+B(z)0NSB0B0XB0+B(x)0NSB0B0YB0+B(Y)0三个基本梯度场三个基本梯度场73人体的三面人体的三面示意图示意图横断面横断面冠状面冠状面矢状面矢状面74空间的三维空间的三维水平磁场垂直磁场B0（Z）B0(Z)一般常导和超导磁体一般常导和超导磁体产生水平磁场，水平产生水平磁场，水平方向（人体长轴）为方向（人体长轴）为Z方向方向一般永磁体产

17、生垂直一般永磁体产生垂直磁场，垂直方向为磁场，垂直方向为Z方方向，人体长轴一般定向，人体长轴一般定义为义为X方向方向YZXZXY752.梯度场与主磁场的叠加梯度场与主磁场的叠加u梯度场梯度场 的大小和方向均可改变。的大小和方向均可改变。Bu主磁场主磁场 是匀强磁场，其大小和方向是固定不变的。是匀强磁场，其大小和方向是固定不变的。0B0BB u 中心的场强总为零，与中心的场强总为零，与 叠加后，磁体中心的场强不变。叠加后，磁体中心的场强不变。0B763.梯度场及其作用体素定位体素定位： MRI成像时，体素发出的成像时，体素发出的NMR信号的强信号的强度被转变为图像中像素的亮度。度被转变为图像中像

18、素的亮度。77v为了得到任意层面的空间信息，为了得到任意层面的空间信息，MRI系统在系统在 x, y, z 三个坐标方向均使用梯度磁场三个坐标方向均使用梯度磁场 (Gx , Gy , Gz 梯度梯度)， 分别用相互垂直的三个梯度线圈产生。分别用相互垂直的三个梯度线圈产生。784.三个梯度场的使用三个梯度场的使用F1.选择扫描层面：选择扫描层面：一般由层面选择梯度来完成。一般由层面选择梯度来完成。F2.用其余两个梯度定位：用其余两个梯度定位：在二维傅里叶成像中，在二维傅里叶成像中，即为频率编码和相位编码，解码后即得检测点的平即为频率编码和相位编码，解码后即得检测点的平面坐标。面坐标。F3.对所确

19、定的空间点的坐标所对应的空间体素发对所确定的空间点的坐标所对应的空间体素发出出NMR信号进行检测便得到了所需的图像对比度。信号进行检测便得到了所需的图像对比度。79MRI空间坐标的建立是由空间坐标的建立是由三维梯度磁场三维梯度磁场来实现的。来实现的。将来自每个体素的将来自每个体素的NMR信号与来自其他体素的信号分信号与来自其他体素的信号分离的方法离的方法：层面选择层面选择 空间编码空间编码 频率编码频率编码空间坐标空间坐标三、磁共振图像重建三、磁共振图像重建80 1.层面选择层面选择 MRI的层面选择是通过三维梯度的不同组合来实现的。的层面选择是通过三维梯度的不同组合来实现的。 任意斜面成像，

20、其层面的确定要两个或三个梯度的共同作用。任意斜面成像，其层面的确定要两个或三个梯度的共同作用。层面的选择采用的是层面的选择采用的是选择性激励选择性激励的原理：的原理：选择性激励（选择性激励（selective excitation）：）：指用一个有限频宽（窄带）指用一个有限频宽（窄带）的射频脉冲仅对共振频率在该频带范围的质子进行共振激发的技术。的射频脉冲仅对共振频率在该频带范围的质子进行共振激发的技术。Gz 或GyGy或GzGx矢状面矢状面Gz或GxGx或GzGy冠状面冠状面Gy 或GxGx或GyGz横轴面横轴面层面方向层面方向频率编码梯度频率编码梯度相位编码梯度相位编码梯度层面选择梯度层面选

21、择梯度81v在在Z方向叠加梯度场可以选择层面，方向叠加梯度场可以选择层面，RF的频带宽的频带宽度与梯度强度共同决定层厚。度与梯度强度共同决定层厚。 选层梯度选层梯度Gs层厚与梯度强度成反相关层厚与梯度强度成反相关层厚与射频频宽成正相关层厚与射频频宽成正相关8283以横轴位成像为例以横轴位成像为例选选G Gz z作为选层梯度作为选层梯度840()zzBzG选层过程选层过程层面内所有质子层面内所有质子的共振频率均相的共振频率均相同（称为自选同（称为自选面），垂直于面），垂直于z轴的所有层面的轴的所有层面的共振频率均不同共振频率均不同在在z向施加梯度后，向施加梯度后，沿沿z轴各层面上质轴各层面上质子

22、的进动频率为：子的进动频率为：用窄带脉冲进行用窄带脉冲进行激发，实现每次激发，实现每次只激发一层。在只激发一层。在进行选择性激励进行选择性激励时多用时多用sinc函数，函数，在非选择性激励在非选择性激励时常使用很窄的时常使用很窄的方波方波12385863.层面内信号的定位层面内信号的定位对对MRI线圈内得到的复合共振信号（由成像层面内所有质子线圈内得到的复合共振信号（由成像层面内所有质子同时发出）加以分辨。同时发出）加以分辨。平面定位梯度平面定位梯度：相位编码梯度相位编码梯度 频率编码梯度频率编码梯度相位编码梯度相位编码梯度：在在y方向上提供了体素的识别信息。方向上提供了体素的识别信息。频率编

23、码梯度频率编码梯度：在在x方向上提供了体素的识别信息。方向上提供了体素的识别信息。87设设Gx和和Gy分别为频率编码和相位编码梯度，同时设分别为频率编码和相位编码梯度，同时设Gx和和Gy分分别位于图像矩阵的行和列方向。别位于图像矩阵的行和列方向。nx和和ny分别为矩阵的列数和分别为矩阵的列数和行数。行数。88相位编码相位编码|相位编码（相位编码（phase encoding）：利用相位编码梯度磁场）：利用相位编码梯度磁场造成质子有规律的进动相位差，用此相位差来标定体素空造成质子有规律的进动相位差，用此相位差来标定体素空间位置的方法。间位置的方法。|相位编码梯度工作于脉冲状态，有多少个数据采集周

24、期，相位编码梯度工作于脉冲状态，有多少个数据采集周期，该梯度就接通多少次。该梯度就接通多少次。|在在Gy作用期间，体素所发出的作用期间，体素所发出的RF信号并不利用。因此，信号并不利用。因此，相位编码梯度又叫准备梯度。相位编码梯度又叫准备梯度。|相位编码用来识别行与行之间体素的位置。相位编码用来识别行与行之间体素的位置。891. v1，v2和和v3分别表示相位编码方向上三个相邻的体素。分别表示相位编码方向上三个相邻的体素。2.开始有相同的相位，并以相同的频率进动。开始有相同的相位，并以相同的频率进动。3.相位编码梯度相位编码梯度Gy开启。开启。 该方向上磁化强度矢量将以不同频率进动，公式：该方

25、向上磁化强度矢量将以不同频率进动，公式：0()yyByGy越大，质子进动越快。越大，质子进动越快。编码过程编码过程0()yyyyytByGty相位编码梯度持续时间相位编码梯度持续时间ty后，该方向上体素的进动相位后，该方向上体素的进动相位 为：为：产生的相位差产生的相位差 为：为：yy yyG t y4.在在t=ty时刻，相位编码梯度关断。此时进动频率逐渐恢时刻，相位编码梯度关断。此时进动频率逐渐恢复至原频率，但进动相位差被保留。这就是相位编码的复至原频率，但进动相位差被保留。这就是相位编码的所谓所谓“相位记忆相位记忆（phase memory）”功能。功能。90v加入相位编码梯度加入相位编码

26、梯度(Gp), 沿沿Y方向的质子在进动相位上呈现线性关系方向的质子在进动相位上呈现线性关系,将将采集信号经傅立叶变换后采集信号经傅立叶变换后,可以得到可以得到Y向位置与相位的一一对应关系。向位置与相位的一一对应关系。施加施加GP,质子沿质子沿Y向所受磁场线性向所受磁场线性,进动频率线性进动频率线性,相相位线性位线性Gp结束后结束后,Y向磁场均向磁场均匀匀,质子进动频率一致质子进动频率一致,但线性相位保留下来但线性相位保留下来,并与并与Y向位置一一对向位置一一对应应Gp施加之前施加之前,质质子沿子沿Y向进动频向进动频率相位均相同率相位均相同91频率编码：频率编码：利用梯度磁场造成相关方向上个磁化

27、矢量进利用梯度磁场造成相关方向上个磁化矢量进动频率的不同，并以此为根据来标记体素的空间位置动频率的不同，并以此为根据来标记体素的空间位置。0()xBxG x与与y轴平行的各列体素的进动频率轴平行的各列体素的进动频率 为为：x频率编码频率编码92v频率编码梯度频率编码梯度(Gro)使沿使沿X向质子所处磁场线性变化向质子所处磁场线性变化,从而共振频率线性从而共振频率线性变化变化,将采集信号经傅立叶变换后即可得到将采集信号经傅立叶变换后即可得到频率与频率与X方向位置的线方向位置的线性一一对应关系。性一一对应关系。成像层面的成像层面的X向位置向位置采集信号经傅立叶采集信号经傅立叶变换后的频谱变换后的频

28、谱二者一一对应二者一一对应9394体素空间编码v傅立叶变换可将一个混合FID信号的频率和相位成份区别开95四、小结四、小结MRI线圈中接收到的信号是受激层面内个体素所产生的线圈中接收到的信号是受激层面内个体素所产生的NMR信号的总和。信号的总和。在二维成像技术中，由于相位编码梯度和频率编码梯度共在二维成像技术中，由于相位编码梯度和频率编码梯度共同作用，各相邻体素产生的信号在频率和相位上均存在细微同作用，各相邻体素产生的信号在频率和相位上均存在细微的差别。的差别。这种差别表现在相位编码方向上就是进动相位的不同，表这种差别表现在相位编码方向上就是进动相位的不同，表现在频率编码方向上就是进动频率的不

29、同。现在频率编码方向上就是进动频率的不同。通过二维傅里叶变换，就可使以频率和相位表示的差别转通过二维傅里叶变换，就可使以频率和相位表示的差别转换为体素空间位置的差别。换为体素空间位置的差别。96第五节 序列参数对图像权重的影响TR对T1权重的影响TE对T2权重的影响TR越长,T1权重越小; TR越短,T1权重越大TE越长,T2权重越大; TE越短,T2权重越小97T2加权像(T2WI)v主要由T2差别形成的图像，主要反映组织间T2的不同v长TR，长TE。一般TR1000mSec，TE80mSecv长TR抑制T1；长TE增加T2对比98T1加权像(T1WI)v主要由T1差别形成的图像，主要反映组

30、织间T1的不同v短TR、短TE。一般TR500mSec，TE50mSecv短TR抑制T2；短TE提高信噪比99质子加权像（PdWI)v主要由质子密度差别形成的图像，反映组织间质子密度的不同v长TR、短TE。一般TR1000mSec，TE50mSecv长TR抑制T1；短TE抑制T21002、水成像v采用极长TR和TE技术，获得重T2WI，突出水的信号v主要有：MRCP、MRU、MRM101MRCP102103v(1)临床疑有胆道结石需要进一步明确诊断，并判断结石的位置、大小、数量及形成，以便为治疗方法的选择提供依据。v(2)各种检查无法区分是阻塞性黄疸还是内科黄疸的病人。v(3)胆囊切除术后仍有症状者，为进一步分析其发生的原因。v(4)疑有先天性胆道异常者。v(5疑有胆道良性狭窄，需要进一步明确诊