磁共振成像基本原理-2010-8-27培训

AURORA磁共振项目培训磁共振成像基本原理MRI设备MRI基本原理及相关概念MRI发展史1磁共振成像的基本硬件组成2磁共振现象的基本原理3磁共振成像原理4影响MR信号强度的因素5一、MRI发展历史磁共振成像概述

一种生物磁自旋成像技术，利用原子核（氢核）自旋运动的特点，在外加磁场内，经射频脉冲激后产生信号，用探测器（接收线圈）检测并输入计算机，经过处理转换在屏幕上显示图像。英文简称MRI(magneticresonanceimaging)MRI发展历史1930年代，物理学家伊西多•拉比发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列，而施加无线电波之后，原子核的自旋方向发生翻转。1946年两位美国科学家布洛赫和珀塞尔发现，将具有奇数个核子（包括质子和中子）的原子核置于磁场中，再施加以特定频率的射频场，就会发生原子核吸收射频场能量的现象，这就是人们最初对磁共振现象的认识。1946年，美国哈佛大学的珀塞尔和斯坦福大学的布洛赫宣布，他们发现了磁共振NMR。两人因此获得了1952年诺贝尔奖。MRI发展历史1973年Lauterbur研究出MRI所需要的空间定位方法，也就是利用梯度场。他的研究结果是获得水的模型的图像。在以后的10年中，人们进行了大量的研究工作来制造磁共振扫描机，并产生出人体各部位的高质量图像，先后通过MR扫描，获得手、胸、头和腹部的图像。1980年商品化MRI装置问世。二、磁共振成像的基本硬件组成主磁体梯度系统射频系统计算机系统屏蔽系统其他辅助系统主磁体主磁体是MRI仪最基本的构件，是产生磁场的装置，主要作用是产生稳定均匀的静磁场使组织产生磁化。根据磁场产生的方式可将主磁体分为永磁型和电磁型，根据导线材料不同又可将电磁型主磁体分为常导磁体和超导磁体。 （一）常导型磁体 （二）永磁型磁体 （三）超导型磁体主磁体主磁体最重要的技术指标包括场强、磁场均匀度、磁场稳定性、磁体的有效孔径、边缘场空间范围及主磁体长度。

场强：描述主磁体产生的静磁场的强度和方向，采用高斯（Gauss，G）或特斯拉（Tesla，T）作单位，特斯拉是目前磁场强度的法定单位。规定距离5安培电流通过的直导线1cm处检测到的磁场强度被定义为1高斯。特斯拉与高斯的换算关系为：1T=10000G。

低场机：磁场强度0.5T以下

中场机：磁场强度0.5T到1.0T

高场机：磁场强度1.0T到2.0之间

超高场机：磁场强度大于2.0T

主磁体磁场均匀度：指在一定的容积范围内磁场强度的均一性，也即单位面积内通过磁力线数目的一致性。作为MRI设备的一个很重要的指标，在很大程度上决定着MRI设备的图像质量好坏。1、高均匀度的场强有助于提高图像信噪比；2、场强均匀是保证MR信号空间定位准确性的前提；3、场强均匀可减少伪影（特别是磁化率伪影）；4、高度均匀度磁场有利于进行大视野扫描，尤其肩关节等偏中心部位的MRI；5、只有高度均匀度磁场才能充分利用脂肪饱和技术进行脂肪抑制扫描；6、高度均匀度磁场才能有效区分MRS的不同代谢产物。主磁体如何提高磁场均匀度？

主动匀场（activeshimming）又称为有源匀场，是指利用匀场线圈通以电流，产生小磁场，并通过适当调整匀场线圈阵列中各线圈的电流强度，使其周围的局部磁场发生变化来调节改善静磁场的不均匀性，以提高静磁场整体均匀性的过程。 被动匀场（passiveshiming）是指在磁体孔洞内壁上贴补一定形状和尺寸、专用小铁片（又称为匀场片），用以提高磁场均匀性的方法。这种方法在匀场过程中使用的是无源器件，因而也称为无源匀场。

主磁体磁场稳定性：受各种客观因素影响，磁场的均匀性和/或磁场强度值会发生变化，这就是磁场漂移。磁场稳定性就是定量评价、衡量这种漂移变化的技术指标。稳定性下降，意味着单位时间内磁场的变化率增高，如果在一次磁共振扫描检查时间段内，磁场强度值和/或磁场均匀性发生了漂移，就会影响到图像质量。时间稳定性：磁体所建立的静磁场B0随时间而变化的程度。热稳定性：磁场强度值随温度变化而漂移的程度。主磁体磁体有效孔径是指梯度线圈、匀场线圈、射频体线圈、衬垫、内护板、隔音腔、和外壳等部件均在磁体检查孔道内安装完毕后，所剩余柱形空间的有效内径。孔径大小限制着被检查者的体型尺寸大小，延伸到磁体外部的磁场的范围亦与孔径大小及磁场强度有关。

以足够容纳受检者人体或受检部位为宜幽闭恐惧症磁场均匀性的破坏和失衡主磁体边缘场：磁体产生的静磁场向空间各个方向散布，发散到磁体周围的空间中，称为边缘场。它的强弱与空间位置有关，随着空间点与磁体距离的增大，边缘场的场强逐渐降低。边缘场会对候诊的受检者、工作人员、路过附近的人员、分布在磁体周围空间的电子设备造成可能的伤害和损坏。因此需要采取措施抑制、屏蔽磁体的边缘场，缩小边缘场的空间范围，保证周围环境的安全。无源屏蔽法——给磁体披上非常厚的软铁 特种硅钢材料包绕覆盖磁屏蔽法，将边缘场空间范围强制压缩在磁屏蔽空间之内有源屏蔽法——使用一组或者几组有源线圈，仔细计算和测量边缘场的分布后，设计成与边缘场大小相等、方向相反的电磁场分布，从而抵消和反射磁体引起的向外发散的磁力线，以此达到缩小边缘场空间范围的目的。梯度系统梯度系统是指与梯度磁场相关的电路单元和相关系统，由梯度线圈、梯度控制器、数模转换器（DAC）、梯度放大器（梯度电源）和梯度冷却系统等部分组成。梯度系统主要作用包括：（1）对MRI信号进行空间编码，以确定成像层面的位置和厚度；（2）产生MR回波（梯度回波）；（3）施加扩散加权梯度场；（4）进行流动补偿；（5）进行流动液体的流速相位编码。梯度系统梯度线圈与梯度磁场的组成 梯度线圈绕在主磁体和匀场补偿线圈内，它由三组线圈组成，梯度场的方向按三个基本轴线X、Y、Z轴方向设计。Z向梯度线圈（Gz）：产生Z向梯度磁场。X向和Y向梯度线圈（Gx和Gy）：产生与Z向梯度场正交垂直的X向、Y向梯度磁场，形成与Z轴方向垂直的XY平面。梯度放大器：在梯度控制器的计算机控制下随时开关，精确调节供应给梯度线圈的电源，以便获得精确的梯度磁场。 三个相互正交（X、Y、Z方向）的梯度磁场作为图像重建的空间定位和层面选择的依据，三个场中的任何一个均可提供层面选择梯度、相位编码梯度、频率编码梯度三项作用之一，而这三个方向的梯度场的联合使用可获得任意斜面的MR图像。梯度系统梯度磁场性能指标有效容积梯度场线性梯度场强度梯度场切换率和梯度上升时间梯度系统有效容积是指梯度线圈所包容的、其梯度场能够满足一定线性要求的空间区域，又叫均匀容积，也可称为有效作用范围。只有有效容积这一区域能够稳定用于MR成像，它一般位于磁体中心，并与主磁场的有效容积同心，因此该参数通常以磁体中心为原点，以X、Y、Z三轴方向的数值来表示梯度场的有效作用范围。梯度线圈通常采用鞍形线圈设计，其有效容积仅能达到总容积的60%左右，因此如何提高梯度线圈均匀容积范围及其工作效率是梯度线圈设计中追求的目标。因为梯度线圈的均匀容积越大，则其在Ｘ、Ｙ、Ｚ三轴方向上不失真成像区的视野范围（FieldOfView，FOV）相应地就越大。

梯度系统梯度场线性是衡量梯度场动态地、依次平稳递增性能的指标。线性越好，表明梯度场越精确，空间定位、选层、翻转激发也就越精确，图像的质量就越好。一般来说，梯度场的非线性不能超过2%。梯度系统梯度场强度是指梯度磁场强度能够达到的最大值，一般采用单位长度内梯度磁场强度的最大差别来表示，即使用每米长度内梯度磁场强度差别的毫特斯拉量（mT/M）来表示，如下公式：梯度场强（mT/M）＝梯度场两端的磁场强度差值/梯度场的有效作用长度 在线圈确定时，梯度场强度由梯度电流强度所决定，而梯度电流强度又受梯度放大器的最高输出功率限制。改变梯度场强和射频脉冲的带宽，就可选择层面厚度。梯度场强度越高，就可以选择越薄的扫描层厚，体素就越小，影像的空间分辨率就越高。

梯度系统梯度场切换率是指单位时间及单位长度内的梯度磁场强度变化量，常用每秒每米长度内梯度磁场强度变化的毫特斯拉量（mT/m/s）来表示。梯度上升时间也称梯度爬升时间，是指梯度线圈通电接通电流后梯度磁场达到预设值所需时间。 梯度场切换率（mT/m/s）＝梯度磁场预定强度/t

切换率越高表明梯度磁场变化越快，爬升越快，所需梯度上升时间越短，这样就可以进一步提高扫描时间。梯度系统

梯度系统作为MRI设备的核心和关键部件，其性能高低直接决定着MRI设备的扫描速度（时间分辨率）、最小扫描层厚（空间分辨率）、XYZ三轴有效扫描范围、影像的几何保真度。同时，它的性能还同扫描脉冲序列中梯度脉冲波形的设计有关，即一些复杂序列还要依赖梯度系统来实现。MRI设备对梯度系统的要求就是梯度场强高、梯度上升速度快、梯度切换率高、梯度线性度、梯度输出波形的准确度高及其可重复性好、梯度效率和利用率高。

射频系统组成：主要由射频脉冲发射单元和射频脉冲接收单元两部分组成，其中包括射频发射器、射频功率放大器、射频发射线圈、射频接收线圈、以及低噪声射频信号放大器等关键部件。作用：负责实施射频（RadioFrequency，RF）激励并接收和处理射频信号，即MR信号。射频系统射频线圈——既是激励源，又是探测器。按功能分类发射/接收两用线圈、接收线圈按适用范围分类全容积线圈、部分容积线圈、表面线圈、 体腔内线圈、相控阵线圈按极化方式分类线（性）极化、圆（形）极化按主磁场方向分类螺线管线圈、鞍形线圈按绕组形式分类亥姆霍兹线圈、螺线管线圈、四线结构线圈、

STR（管状谐振器）线圈、鸟笼式线圈射频系统均匀发射射频脉冲，提高成像质量。采用高功率射频放大器供能，射频脉冲强度增大，射频持续时间缩短，加快采集速度。接收线圈尽可能接近检查部位，信号增强，线圈内体积减小，噪声降低，信噪比提高。利用相控阵线圈可明显提高MR图像的信噪比，有助于改善薄层扫描、高分辨扫描及低场机的图像质量。相控阵线圈与平行采集技术相配合，可以进一步提高MRI的信号采集速度。计算机系统

计算机系统控制着MRI仪的脉冲激发、信号采集以及实现图像处理、显示、传输、存储等功能。屏蔽系统干扰磁屏蔽

磁屏蔽不仅可防止外部铁磁性物质对磁体内部磁场均匀性的影响，还能大大削减磁体外部杂散磁场的空间分布范围。有源屏蔽：外线圈通以反向电流无源屏蔽：铁磁性屏蔽体其他辅助系统检查床液氦及水冷却系统空调系统胶片处理系统三、磁共振现象的基本原理磁共振成像的物质基础进入主磁场前后质子核磁状态对比磁共振现象磁共振现象的物质基础原子结构：

原子由原子核和绕核运动的电子组成，原子核由质子和中子组成。电子带负电荷，质子带正电荷，中子不带电。质子和中子如果不成对，将使质子在旋转中产生角动量，磁共振就是要利用这个角动量的物理特性来实现激发、信号采集和成像的。

磁共振现象的物质基础自旋：质子以一定的频率绕轴高速旋转。高速旋转带正电荷的质子电流环路核磁并非所有原子核的自旋运动都能产生核磁根据原子核内中子和质子的数目不同，不同的原子核产生不同的核磁效应。非磁性原子核：质子数和中子数均为偶数磁性原子核：中子数和质子数至少一个为奇数磁共振现象的物质基础用于人体磁共振成像的原子核为质（H1），选择（H1）的理由有：（H1）是人体中最多的原子核，约占人体中总原子核数的2/3以上；（H1）的磁化率在人体磁性原子核中是最高的。进入主磁场前后质子核磁状态对比一、进入主磁场前质子核磁状态

人体的质子不计其数，产生无数个小磁场，尽管每个质子均能产生一个小磁场，这种小磁场的排列是随机无序（即杂乱无章）的，使每个质子产生的磁化矢量相互抵消。因此，人体自然状态下并无磁性，即没有宏观磁化矢量的产生。进入主磁场前后质子核磁状态对比二、进入主磁场后质子核磁状态进入主磁场后，人体内的质子产生的小磁场不再是杂乱无章，呈有规律排列。一种是与主磁场方向平行且方向相同，另一种是与主磁场平行但方向相反，处于平行同向的质子略多于处于平行反向的质子。从量子物理学的角度来说，这两种核磁状态代表质子的能量差别。平行同向的质子处于低能级，因此受主磁场的束缚，其磁化矢量的方向与主磁场的方向一致；平行反向的质子处于高能级，因此能够对抗主磁场的作用，其磁化矢量尽管与主磁场平行但方向相反。由于处于低能级的质子略多于处于高能级的质子，因此进入主磁场后，人体内产生了一个与主磁场方向一致的宏观纵向磁化矢量。进入主磁场前后质子核磁状态对比图a为进入主磁场前，尽管每个质子自旋都产生一个小磁场，但排列杂乱无章，磁化矢量相互抵消，因此没有宏观磁化矢量产生。图b示进入主磁场后，质子自旋产生的小磁场与主磁场平行排列，平行同向者略多于平行反向者，最后产生一个与主磁场方向一致的宏观纵向磁化矢量。

进入主磁场前后质子核磁状态对比三、进动和进动频率进入主磁场后，无论是处于高能级还是处于低能级的质子，其磁化矢量并非完全与主磁场方向平行，而总是与主磁场有一定的角度。质子除了自旋运动外，还绕着主磁场轴进行旋转摆动，我们把质子的这种旋转摆动称为进动。进动是磁性原子核自旋产生的小磁场与主磁场相互作用的结果。进入主磁场前后质子核磁状态对比进动频率也称Larmor频率，其计算公式为：

ω＝γ·B

式中ω为Larmor频率，γ为磁旋比（γ对于某一种磁性原子核来说是个常数，质子的γ约为42.5mHz/T），B为主磁场的场强，单位为特斯拉（T）。从式中可以看出，质子的进动频率与主磁场场强成正比。进动频率明显低于自旋频率，但对于磁共振成像的来说，进动频率比自旋频率重要。质子的进动频率与主磁场场强成正比。进入主磁场前后质子核磁状态对比

由于进动的存在，质子自旋产生小磁场可以分解成两个部分：（1）方向恒定的纵向磁化分矢量（沿主磁场方向）；（2）以主磁场方向即Z轴为轴心，在X、Y平面旋转的横向磁化分矢量。纵向磁化分矢量产生一个与主磁场同向的宏观纵向磁化矢量。横向磁化分矢量相互抵消，因而没有宏观横向磁化矢量产生。进入主磁场前后质子核磁状态对比磁共振现象磁共振现象：给处于主磁场中的人体组织一个射频脉冲，射频脉冲的频率与质子的进动频率相同，射频脉冲的能量将传递给处于低能级的质子，处于低能级的质子获得能量后将跃迁到高能级。从微观角度来说，磁共振现象是低能级的质子获得能量跃迁到高能级。从宏观的角度来说，磁共振现象的结果是使宏观纵向磁化矢量发生偏转。偏转的角度与射频脉冲的能量有关，能量越大偏转角度越大；而射频脉冲能量的大小与脉冲强度及持续时间有关共振：能量从一个振动着的物体传递到另一个物体，后者以与前者相同的频率振动。共振的条件是相同的频率，实质是能量的传递。磁共振现象90°射频脉冲

当射频脉冲的能量正好使宏观纵向磁化矢量偏转90°，即完全偏转到X、Y平面，我们称这种脉冲为90°脉冲，其产生的横向宏观磁化矢量在各种角度的射频脉冲中是最大的。磁共振现象从微观上讲，90°脉冲的效应可以分解成两个部分来理解：（1）90°脉冲使处于低能级多出处于高能级的那部分质子，有一半获得能量进入高能级状态，这就使处于低能级和高能级的质子数目完全相同，两个方向的纵向磁化分矢量相互抵消，因此宏观纵向磁化矢量等于零。（2）90°脉冲前，质子的横向磁化分矢量相位不同，90°脉冲可使质子的横向磁化分矢量处于同一相位，因而产生了一个最大旋转宏观横向磁化矢量。磁共振现象四、磁共振成像原理核磁驰豫磁共振加权成像磁共振信号的空间定位K空间的基本概念核磁驰豫

核磁弛豫：

90°脉冲关闭后，组织的宏观磁化矢量逐渐恢复到平衡状态的过程。 核磁弛豫又可分解成两个相对独立的部分：（1）横向磁化矢量逐渐减小直至消失，称为横向弛豫；（2）纵向磁化矢量逐渐恢复直至最大（平衡状态），称为纵向弛豫。核磁驰豫90°脉冲关闭后，处于同相位的质子发生了相位的离散（失相位），其横向磁化分矢量逐渐相互抵消，因此宏观横向磁化矢量衰减直至到零。致使质子失相位的原因有两个：（1）质子周围磁环境随机波动（2）主磁场的不均匀核磁驰豫核磁驰豫90°脉冲关闭后，宏观横向磁化矢量将呈指数式衰减，我们把宏观横向磁化矢量的这种衰减称为自由感应衰减（freeinductiondecay，FID），也称T2*弛豫。核磁驰豫自由感应衰减（FID）和T2弛豫的差别受横向弛豫和主磁场不均匀的双重影响，横向磁化矢量很快衰减，称为FID；剔除主磁场不均匀造成的质子失相位，得到的横向磁化矢量衰减为真正的横向弛豫，即T2弛豫；同一组织的T2弛豫要远远慢于FID；T2值：横向磁化矢量衰减到最大值的37%所用的时间；不同组织由于质子受周围微观磁环境影响不同，T2值不同，即T2弛豫速度不一样；不同的场强下，T2值也会发生变化。核磁驰豫

纵向弛豫

射频脉冲关闭后，在主磁场的作用下，宏观纵向磁化矢量将逐渐恢复到平衡状态，这一过程称为纵向弛豫，即T1弛豫。T1值：宏观纵向磁化矢量恢复到最大值的63%所用的时间。不同的组织由于质子周围的分子自由运动频率不同，其纵向弛豫速度存在差别，即T1值不同。人体组织的T1值受主磁场场强的影响较大，一般随场强的增高，组织的T1值延长。磁共振加权成像加权突出重点一般的成像过程中，组织的各方面特性（例如：质子密度、T1值、T2值）均对MR信号有贡献，几乎不可能得到仅纯粹反映组织一个特性的MR图像，我们可以利用成像参数的调整，使图像主要反映组织某方面特性，而尽量抑制组织其他特性对MR信号的影响，这就是“加权”。磁共振加权成像T1加权成像（T1WI）：重点突出组织纵向弛豫差别；T2加权成像（T2WI）：重点突出组织横向弛豫差别；质子密度图像（PD）：主要反映组织质子含量差别。

质子密度加权成像的实现

以甲、乙两种组织为例，甲组织质子含量高于乙质子：（1）进入主磁场后，甲组织产生的宏观纵向磁化矢量大于乙组织；（2）90°脉冲后甲组织产生的旋转宏观横向磁化矢量就大于乙组织；（3）马上检测MR信号，甲组织产生的MR信号将高于乙组织。

质子密度越高，MR信号强度越大，这就是质子密度加权成像。T2加权成像的实现假设甲、乙两种组织质子密度相同，但甲组织的横向弛豫比乙组织慢（即甲组织的T2值长于乙组织）：（1）进入主磁场后由于质子密度一样，甲乙两种组织产生的宏观纵向磁化矢量大小相同（图a）；（2）90°脉冲后产生的宏观横向磁化矢量的大小也相同（图b）：（3）由于甲组织横向弛豫比乙组织慢，到一定时刻，甲组织衰减掉的宏观横向磁化矢量少于乙组织，其残留的宏观横向磁化矢量将大于乙组织（图c）；（4）这时检测MR信号，甲组织的MR信号强度将高于乙组织（图d），这样就实现了T2WI。在T2WI上，组织的T2值越大，其MR信号强度越大。T1加权成像的实现假设甲、乙两种组织质子密度相同，但甲组织的纵向弛豫比乙组织快（即甲组织的T1值短于乙组织）：（1）进入主磁场后由于质子密度一样，甲乙两种组织产生的纵向磁化矢量大小相同；（2）90°脉冲后产生的宏观横向磁化矢量的大小也相同；（3）射频脉冲关闭后，甲乙两种组织将发生纵向弛豫，由于甲组织的纵向弛豫比乙组织快，过一定时间以后，甲组织已经恢复的宏观纵向磁化矢量将大于乙组织；（4）由于接收线圈不能检测到这种纵向磁化矢量的差别，必须使用第二个90°脉