MRI基础知识交流课件

MRI基础知识交流

2010年6月23交流目标1）了解MRI的基本概念和基本成像原理；2）了解MRI领域的几个图像后处理方向;3）了解MRI的发展趋势;目录基本概念和基本原理后处理方向发展趋势1.磁共振成像原理

1.1MR信号的产生1.1.1自旋

MRI系统的基本原理是基于质子的核磁共振，每个质子都具有自旋和磁矩。像电荷或质量一样，自旋是大自然物质的一种基本属性。质子、中子和电子都具有自旋，单个的质子中子和电子自旋值为1/2。旋转带电的质子就像一个小磁体具有磁矩。如图1所示。外磁场下质子的进动实际表示：当它处于一个均匀稳恒的外磁场B中时，自旋的小磁矩绕B作拉莫尔（Larmor）进动，如图3所示，进动频率

ν=γB1.1.3玻耳兹曼统计

在室温下，较低能级上的自旋数目N＋比较高能级上的数目N－稍微多一些，波耳兹曼统计告诉我们N＋/N－=e－E/kT

E是自旋状态之间的能量差；k为波耳兹曼常数；T为温度。MRI谱中的信号是由从低能状态跃迁到较高状态的自旋吸收的能量差产生的，信号是与状态之间的粒子总数差成比例的。还应注意到影响MRI信号的另外两个因素：同位素的自然丰度和生物学丰度。同位素的自然丰度是具有给定质子和中子数的核子的百分率；生物学丰度是人体中某类原子的百分率。MRI所研究的一些核子的生物学丰度元素生物学丰度氢（H）0.63钠

(Na)

0.00041磷(P)0.0024碳(C)0.049氧(O)0.26钙(Ca)0.0022氮(N)0.0151.1.4宏观磁矩自旋组群(包)上述的微观描述是很麻烦的，而宏观描述是比较方便的。自旋包是经历相同磁场强度的一组自旋，它们共同产生的磁场可以用磁化强度矢量表示，每个矢量的大小正比于（N＋－N－）。净磁化强度

由所有自旋包产生的磁化强度矢量的矢量和为净磁化强度。如果外场Bz沿着实验室坐标系的Z轴,自旋围绕磁场Bz做拉莫进动，其相位是异相的，因此净磁化强度只有Mz。如图5所示1.1.5脉冲射频场当沿X轴加上频率为ν的射频（RF）场B1时，从宏观看，B1对Mz施加的力矩为Mz×B1，它使Mz偏离Z轴。偏离Z轴的Mz又受到力矩Mz×Bz的作用而绕Z轴进动，进动频率为ν

。在B1和Bz共同作用下，在实验室坐标系中，宏观磁矩Mz以螺旋方式倒向X-Y平面，如图6所示。在量子水平上，有的质子会吸收射频场的能量，从低能态跃迁到高能态，这导致Mz分量减小，同时质子进动相位逐渐趋于同相，Mxy分量增大。当Mz减小为零，Mxy达到最大时，所有的质子同相。1.1.6RotatingFrameRotatingFrame:Theviewpointofanobserverridingalongontheproton.theprotonisstationary,Thelaboratoryisrotating.如图7所示BzX’Y’ZMzB1(RF)1.1.8关掉脉冲射频场会发生什么

一旦RF场B1被关掉，质子吸收的能量释放出来，这会产生一个自由感应衰减（NMR）信号。从高能级跳回到低能级时，自旋进动的相位逐渐异相，这导致Mz恢复，Mxy衰减，这个过程称为“核磁弛豫”。核磁弛豫过程用两个时间常数描述，T1和T2.TurnOfftheTransmitter

WhatHappens•RFenergyisretransmitted-Thisisthe“NMR”singnal-Attheresonancefrequency-SignalproportionaltoProtonDensity•Mzbeginstorecover

-ExponentialrecoverofMz-TimeconstantiscalledT1-

LongitudinalorSpin-LattileRelaxation•Spins(Mxy)begintodephase-Exponentialdecayofsignal-TimeconstantiscalledT2orT2*

-TransverseorSpin-SpinRelaxation1.1.9T1过程在热平衡状态下，处于Bz场中的样品净磁化强度Mz是沿着Z轴的。如果施加合适脉冲射频场，可以使Mz倒在XY平面内，同时Mz为零。这时关掉脉冲射频场，受激质子或自旋所吸收的能量释放到周围晶格，通过自旋与晶格弛豫机制重新回复到热平衡态。如图9所示Mz（t）恢复曲线

Mz（t）

=Mz（

1－e－t/T1）

T1为Mz（t）

恢复到0.63Mz的时间。如图10所示Mxy衰减曲线如下图，Mxy遵从指数衰减规律

Mxy（t）

=Mz·e－t/T2

T2为Mxy（t）衰减到0.37Mz的时间。如图12所示

两个因素对横向磁化强度的衰减有贡献：

1、自旋相互作用导致称为纯T2的分子效应：

2、Bz的变化导致称为非均匀的T2inhomo效应。

实际上横向磁化强度的衰减是有这两个因素共同作用的结果，联合作用的时间常数叫做T2星，用T2＊表示。T2、T2inhomo和T2＊三者之间的关系由下式决定：

1/T2＊=1/T2＋1/T2inhomo1.1.11在旋转坐标系中的磁化强度Mz和Mxy定义一个绕Z轴以拉莫尔频率旋转的参照系是很方便的，用X和Y上加撇号将旋转系和固定系区分开。在旋转系中Mz弛豫到它的平衡值看起来与在固定系中的弛豫是相同的，从最大变到0，再从0变到最大。绕Z轴以旋转系相同速度旋转的Mxy在旋转系中看起来是固定的。比旋转系移动快的磁化强度矢量绕Z轴顺时针方向旋转，比旋转系移动慢的磁化强度矢量绕Z轴逆时针方向旋转。在一个样品种，有比旋转系移动快的和慢的一些自旋包，作为结果Mx’y’的失相（移相）看起来如图13所示。FreeInductionDecayFID:AnNMRSignalintheabsenceofanymagneticgradients.AnFIDdecaysexponentiallyAtt=T2,63.2%ofsignalhasbeenlost.Thedecaycurveisthesignalenvelope.TheactualsignalisoscillatingattheresonancefrequencyintheMHzrange.

1.1.13MR信号的产生

现在，以自旋回波为例，让我们看一看磁共振（MR）信号是如何获得的。（a）加上一个90○RF脉冲后的t=0时刻，在与Mz一同旋转的坐标系（X´-Y´-Z´）中，Mz指向Y´轴，所有自旋（小磁矩）同相。如果我们在垂直于Y（固定坐标系）放置一个接受线圈，随着时间的推移我们会受到一个自由感应衰减（FID）信号。（b）通过T2＊机制自旋异相，经过一个TE/2时间，在t=TE/2时刻，沿X´方向加180○RF脉冲，使异相的矢量关于X´轴反转同时相异变号。（c）由于磁场均匀性不变，进动速度不变，经过TE/2时间后，小磁矩逐渐同相.(d)在t=TE时，所有小磁矩同相，则在－Y方向获得自旋回波。

图1.16自旋回波的形成1.2空间编码

如何确定MR信号来自哪里？这就需要利用空间编码技术，包括：

•层片选择；

•频率编码；和

•相位编码。几个基本概念梯度场:(1)叠加在主磁场B0方向，零点是磁体（主磁场）的物理中心；(2)在三个方向上（X，Y，Z）分别存在空间线性变化；(3)其表达式为G(x)=ax,G(y)=by,G(z)=cz;(4)加梯度场之后，空间磁场是B=B0(x,y,z)+G(x)+G(y)+G(z)频率：由ν=γB决定；相位：等于频率乘以作用时间；TR：TimeRepetition,对于扫描层的一次射频激发和下一次射频激发之间的时间间隔；TE：TimeofEcho:射频激发中心到回波采集中心的时间长度；1.2.1层片选择•定位

如果在静磁场Bz方向上叠加一个线性梯度场Gz(图1.10)。共振频率与坐标z就有一一对应关系了，Gz称为选片梯度。如果我们要选择某特定层片，那么我们就发射一个具有对应中心频率的窄带RF脉冲，而且选片梯度Gz只在RF脉冲发射期间打开。图1.17层片选择·层片厚度---ΔzBandwidth（BW）：TherangeoffrequencyinanRfpulseBWisinHzGradientGz：GzisinmT/cm

ν=γBΔν=γΔBΔB=GzΔz

BW=Δν=γΔB=γGzΔzΔz=BW/γGz·RFPeriodandBandwidth/SliceProfile理想的层片形状：希望带宽内每一个频率都存在并且强度相等，而带宽外面的频率立刻降到零。频率为νo的Rf的包洛为Sinc脉冲，Sinc脉冲的周期数越多，层片形状越接近矩形。Sinc（t）=Sin（t）/tSliceDephasing在有梯度场Gz情况下，加上90度RF脉冲，所有自旋都倒向XY平面同时是异相的。±250Hz=±250cycle/sec=±250cycle/1000msec=±1cycle/4msecGz加上4msec，异相的情况如左图1.19下部时钟所示。SliceRephasing加上负半叶梯度；条件是面积相等Howtogetgoodsliceselection?goodsliceselectionpulse(SliceproonpulseshapefromRFsystem,RFamplifier,andRFcoil(Transmittingandreceiving)goodlineargradient:Dependongradientshapefromgradientgenerator;Gradientamplifier;gradientcoil;andeddycurrentfrommagnet;1.2.2频率编码

ThefourierTransform图1.21时域信号；频域信号；傅立叶变换。Theory:Basedondifferentmagneticfieldhasdifferentresonancefrequency.FTcanfinishthefrequencydifferentiation又如何产生所选层片的二维图像呢？如图1.22所示

图1.9

在采集MR信号期间，如果我们在X方向上加上频率编码梯度（读出梯度）Gx，那么质子将以依赖于沿Gx的位置的频率进动。收到的信号是来自于各种频率的质子信号的和，较大的小瓶其中有较多的质子，所以它对全信号的贡献较大。然后用付立叶变换把合成信号分为它的单独的频率分量。每个位置的信号通过其特征的频率对应来识别。Memorizethis:TheMRIsignalisalwaysacquiredinthepresenceofareadoutGradient.Thefouriertransformisusedtodeterminethestrengthofthesignalateachfrequency.Samplerate&Bandwidth1.ReceiverBandwidth=SampleRate=1/(Sampleonepointtime)=1/(Dwelltime)2.NyquistsamplingTheorem:SamplingratemustbeatleasttwiceasfastasthehighestfrequencyinthesignalFOV：不引起图像失真的有效成像范围FOV,ReadoutGradient&Bandwidth=γGxSmallerFOVLargerGradientsLowSNRandHighresolution orSmallerFOVLongersamplingTimesLongscantime1.2.3相位编码沿着Y方向施加一个相位编码梯度，让我们想象有3×3个横向磁化矢量以由下述共振方程决定的频率进动：

ν=γ（B0+yGy）=ν0+γyGy关断相位编码梯度，每个横向磁化矢量的相位角是不一致的(图1.23)。

相位角小

相位角中等

相位角大

一旦关断相位编码梯度，一个处于X方向的频率编码梯度脉冲被打开，频率编码梯度引起横向磁化矢量以与X位置有关的速度进动，现在上图中的九个净磁化矢量每一个由唯一的相角和进动频率表征。如果我们有办法确定每一个产生信号的相位和频率，我们就能安置它们在XY平面内的位置。一个简单的FT只能完成单个净磁化矢量定位在3×3空间内的定位任务。例如，对于处在（X,Y）=2,2的一个净磁化矢量，它的FID应当包括一个频率2和相位2的正弦波，这个信号的FT应当产生在频率2和相位2处的一个峰。但是，一个一维FT不能完成上述三个不同相位编码方向定位，而需要三个唯一的相位编码梯度振幅和三个唯一的FID。如果我们希望决定在相位编码方向上的256个位置，我们将需要256个不同的相位编码梯度振幅和记录256个不同的自有衰减。Frequencyencoding&FOVrevisitedFOV=BW/Gradient(Hz/(Hz/cm)=cm)AndBW=thesamplingrate=1/(t)Heret=thetimetosampleonepoint.SoFOV=1/(tGradient)=1/(tHz/cm) =1/(t(Cycle/Sec)/cm) =1/(Cycle/cm) =cm/CyclePhaseencoding&FOVfrequencyencoding&FOVFOVfrequency=1/(tGradient)=1/(GradientAreaIncrement)theareaofthesmallestPEgradient“Step”isthesameastheareaofreadoutgradientduringonetFOVPhase=1/(AreaofsmallestPEView)1.3成像序列

首先，让我们把到目前已经讨论过的内容作个小结。在空间定位中，我们单独地查看了每个轴。在这节里，脉冲序列图将给出所有三个轴的联合，成像的脉冲序列图就是记录射频、磁场梯度和接收信号的时间分配图。

1.3.1梯度回波脉冲序列

图1.24图解出了梯度回波脉冲序列的摘要。下边是脉冲事件的摘要。图1.24梯度回波脉冲序列图、K空间和图像成像序列1.

首先加上900和层选择梯度Gz，进行选择层；2.然后加相位编码梯度Gy和读出散相梯度Gxdephasing；3.

然后再加一个同相读出梯度，经过TE时间，获得一个梯度回波；4.再接下去TR循环里，除了这次的相位编码使用变化的场梯度外，其他的事完全相同。T1weighting：主要由组织的T1差别引起对比度的像叫做T1加权像

InordertodifferentiatethetissuewithdifferentT1,thebestdifferentiationissetTRT1,andTEassmalleraspossible.取TR近似于T1量级，Mz已恢复到足够大，不同组织可区分开。因总是收集Mxy信号，取TE尽可能小，能尽量避免信号的损失。T2weighting主要由组织的T2差别引起对比度的像叫做T2加权像

InordertodifferentiatethetissuewithdifferentT2,thebestdifferentiationissetTR>=5T1,andTEislongerInordertodifferentiatethe