磁共振成像的原理

1、核磁共振成像（nuclear） magnetic resonance imaging：（ N）MRI 一、磁共振成像基本原理        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）。在很强的外磁场中，具有核磁矩的原子核产生磁能级分裂，分裂成两个或更多的量子化能级。用一个能量恰好等于分裂后相邻能级差的电磁波

2、照射，该核就可以吸收此频率的波，发生能级跃迁，从而产生特征的NMR 吸收，这就是核磁共振的基本原理。拉莫尔进动：磁矩绕着静磁场B0并保持一定的角度,沿着一个固定的锥面轨迹转动方式。拉莫尔频率/进动频率 0= rB0 r = 磁旋比，常数B0 =静磁场中的场强 0 =质子的共振频率人体含有占比重70%以上的水，如上表所示，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

3、为轴发生偏转，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

4、，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脉冲引起质子进动角度改变得要快。核磁共振产生的条件： 核有自旋(I不为零) 有外磁场,能级裂分; 辐射频率与能级差相等。n0 = B0 g / (2p )        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

5、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

6、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，散相效果越好，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平行，其工作频率都需要尽量接近拉摩尔频率。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，

7、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(free 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 3 自由感应哀减信号及其产生  &#

8、160;     4空间定位 根据临床检查需要，将受检部位分成若干个薄层，这些薄层称为层面，这个过程称为选片。每个层面可分为由许多被称为体素的小体积组成，然后，对每一个体素标定一个记号，这个过程称为编码或者空间定位。然后对某一层面施加射频脉冲以后，接收该层面的MR信号，进行解码，得到该层面各个体素MR信号的大小，最后根据与层面各体素编码的对应关系，把体素信号的大小显示在荧光屏对应像素上，这样就得到一幅反映层面各体素的MR信号大小图像，即MRI图像。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

9、别称为选层梯度场(Gs)、频率编码梯度场（Gx）和相位编码梯度场（Gy），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) 选层梯度:在主磁体中加一个梯度磁场,则被检体各部位质子群的进动频率可因磁场强度不同而有所区别，这样可对被检体某一部位进行MR成像,MR的空间定位靠的是梯度磁场,通过梯度磁场达到选层的目的。（图4）图4射频带宽与选层梯度场共同决定层厚       (2)频率编码：在相位编码结束后，沿X轴方向加一梯度磁场GX，从而使不同X坐标的自

10、旋磁矩的进动频率不一样，进而依据这种进动频率的差异来确定X坐标。称为频率编码。（图5）(3)相位编码：在射频脉冲结束后,在沿层面的Y轴方向加一短时间的梯度磁场GY,由于不同Y坐标的自旋磁矩的进动频率不一样,从而在磁场GY撤除后,磁矩的位相不一样.依据位相的不同可以区分Y坐标,这称为相位编码. 通过空间编码以后，不同体素发射的MR信号频率、相位、相位变化率不同，依据这些信息和信号强度可正确地重建图像。 （图6） 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。       

11、 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。        (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。      

12、0; (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。        (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。 二、MRI的基本结构n 1、MRI分类成像范围：实验用MRI、局部MRI、全身MRI主磁场的产生方法：永磁型、常导型、混合型、超导型用途：介入型、通用型n 2、磁共振系统：主磁体系统、梯度磁场系统、射频发射与接收系统、计算机系统、屏蔽系统、其他辅助系统（1） 主磁体系统MRI磁体有三种类型：永磁型 电阻型 超导型MRI磁体的作用是：产生静态主磁场B0，使人体内的氢质子在磁场内形成进动，产生静态磁化量。（2） 梯度磁场系统梯度系统：是指与梯度磁场有关的电