磁共振成像基本原理

关于磁共振成像基本原理MRI基本原理难以理解非常重要非常重要第2页,共145页，2024年2月25日，星期天学习MRI前应该掌握的知识电学磁学量子力学高等数学初中数学初中物理加减乘除平方开方第3页,共145页，2024年2月25日，星期天磁共振成像基本原理一个放射科医生对磁共振成像的理解第4页,共145页，2024年2月25日，星期天

一、MRI扫描仪的基本硬件构成第5页,共145页，2024年2月25日，星期天一般的MRI仪由以下几部分组成主磁体梯度线圈脉冲线圈计算机系统其他辅助设备第6页,共145页，2024年2月25日，星期天1、主磁体分类磁场强度磁场均匀度第7页,共145页，2024年2月25日，星期天MRI按磁场产生方式分类永磁电磁常导超导主磁体0.35T永磁磁体1.5T超导磁体第8页,共145页，2024年2月25日，星期天按磁体的外形可分为开放式磁体封闭式磁体特殊外形磁体OpenMark3000第9页,共145页，2024年2月25日，星期天MR按主磁场的场强分类MRI图像信噪比与主磁场场强成正比低场:小于0.5T中场：0.5T－1.0T高场:1.0T－2.0T（1.0T、1.5T、2.0T）超高场强：大于2.0T（3.0T、4.7T、7T）第10页,共145页，2024年2月25日，星期天高斯（gauss,G）。Gauss(1777-1855)1高斯为距离5安培电流的直导线1厘米处检测到的磁场强度德国著名数学家，于1832年首次测量了地球的磁场。5安培1厘米1高斯第11页,共145页，2024年2月25日，星期天地球的磁场强度分布图第12页,共145页，2024年2月25日，星期天特斯拉（Tesla,T）NikolaTesla(1857-1943),奥地利电器工程师，物理学家，旋转磁场原理及其应用的先驱者之一。1T=10000G

第13页,共145页，2024年2月25日，星期天主磁场的均匀度MRI要求磁场高度均匀，???空间定位需要频谱分析（各种代谢物之间的共振频率相差极小）脂肪抑制（脂肪和水分子中的氢质子共振频率很接近）第14页,共145页，2024年2月25日，星期天50厘米球表面均匀度应该控制在<3PPM45厘米球体均匀度可控制在<1PPM频率半高宽第15页,共145页，2024年2月25日，星期天2、梯度线圈作用：空间定位产生信号其他作用梯度线圈性能的提高

磁共振成速度加快没有梯度磁场的进步就没有快速、超快速成像技术第16页,共145页，2024年2月25日，星期天梯度、梯度磁场第17页,共145页，2024年2月25日，星期天梯度磁场的产生Z轴方向梯度磁场的产生第18页,共145页，2024年2月25日，星期天X、Y、Z轴上梯度磁场的产生第19页,共145页，2024年2月25日，星期天梯度线圈性能指标梯度场强25/60mT/m切换率120/200mT/m.s第20页,共145页，2024年2月25日，星期天有效梯度场长度50cm梯度两端磁场强度差值梯度场中点梯度场强（mT/M）＝梯度场两端的磁场强度差值/梯度场的长度1000mT1010mT990mT梯度场强＝（1010mT-990mT）/0.5M=40mT/M

1000mT第21页,共145页，2024年2月25日，星期天梯度场强爬升时间切换率＝梯度场预定强度/爬升时间第22页,共145页，2024年2月25日，星期天3、脉冲线圈脉冲线圈的作用如同无线电波的天线激发人体产生共振（广播电台的发射天线）采集MR信号（收音机的天线）第23页,共145页，2024年2月25日，星期天脉冲线圈的分类按作用分两类激发并采集MRI信号（体线圈）仅采集MRI信号，激发采用体线圈进行（绝大多数表面线圈）第24页,共145页，2024年2月25日，星期天按与检查部位的关系分体线圈表面线圈第一代为线性极化表面线圈第二代为圆形极化表面线圈第三代为圆形极化相控阵线圈第四代为一体化全景相控阵线圈接收线圈与MRI图像SNR密切相关接收线圈离身体越近，所接收到的信号越强线圈内体积越小，所接收到的噪声越低第25页,共145页，2024年2月25日，星期天3D-FFEMatrix512×512FOV2.5cm利用2.3cm显微线圈采集的指纹MR图像第26页,共145页，2024年2月25日，星期天4、计算机系统及谱仪数据的运算控制扫描显示图像第27页,共145页，2024年2月25日，星期天5、其他辅助设备空调检查台激光照相机液氦及水冷却系统自动洗片机等第28页,共145页，2024年2月25日，星期天二、MRI的物理学原理

第29页,共145页，2024年2月25日，星期天1、人体MR成像的物质基础原子的结构电子：负电荷中子：无电荷质子：正电荷第30页,共145页，2024年2月25日，星期天原子核总是绕着自身的轴旋转－－自旋(Spin)

第31页,共145页，2024年2月25日，星期天地球自转产生磁场原子核总是不停地按一定频率绕着自身的轴发生自旋(Spin)原子核的质子带正电荷，其自旋产生的磁场称为核磁，因而以前把磁共振成像称为核磁共振成像（NMRI）。自旋与核磁第32页,共145页，2024年2月25日，星期天地磁、磁铁、核磁示意图第33页,共145页，2024年2月25日，星期天原子核自旋产生核磁第34页,共145页，2024年2月25日，星期天核磁就是原子核自旋产生的磁场非常重要第35页,共145页，2024年2月25日，星期天所有的原子核都可产生核磁吗？质子为偶数，中子为偶数质子为奇数，中子为奇数质子为奇数，中子为偶数质子为偶数，中子为奇数产生核磁不产生核磁第36页,共145页，2024年2月25日，星期天用于人体MRI的为1H（氢质子），原因有：1、1H的磁化率很高；2、1H占人体原子的绝大多数。通常所指的MRI为氢质子的MR图像。何种原子核用于人体MR成像？第37页,共145页，2024年2月25日，星期天人体元素1H14N31P13C23Na39K17O2H19F摩尔浓度99.01.60.350.10.0780.0450.0310.0150.0066相对磁化率1.00.0830.0660.0160.0930.00050.0290.0960.83第38页,共145页，2024年2月25日，星期天人体内有无数个氢质子（每毫升水含氢质子3×1022）每个氢质子都自旋产生核磁现象人体象一块大磁铁吗？第39页,共145页，2024年2月25日，星期天矢量的合成与分解第40页,共145页，2024年2月25日，星期天通常情况下人体内氢质子的核磁状态通常情况下，尽管每个质子自旋均产生一个小的磁场，但呈随机无序排列，磁化矢量相互抵消，人体并不表现出宏观磁化矢量。第41页,共145页，2024年2月25日，星期天把人体放进大磁场第42页,共145页，2024年2月25日，星期天2、人体进入主磁体发生了什么？没有外加磁场的情况下，质子自旋产生核磁，每个氢质子都是一个“小磁铁”，但由于排列杂乱无章，磁场相互抵消，人体并不表现出宏观的磁场，宏观磁化矢量为0。第43页,共145页，2024年2月25日，星期天指南针与地磁、小磁铁与大磁场第44页,共145页，2024年2月25日，星期天进入主磁场前后人体组织质子的核磁状态第45页,共145页，2024年2月25日，星期天第46页,共145页，2024年2月25日，星期天处于高能状态太费劲，并非人人都能做到处于低能状态的略多一点，007第47页,共145页，2024年2月25日，星期天进入主磁场后磁化矢量的影响因素温度、主磁场强度、质子含量第48页,共145页，2024年2月25日，星期天温度温度升高，磁化率降低主磁场场强场强越高，磁化率越高，场强几乎与磁化率成正比质子含量质子含量越高，与主磁场同向的质子总数增加（磁化率不变）第49页,共145页，2024年2月25日，星期天处于低能状态的质子到底比处于高能状态的质子多多少？？？室温下（300k）0.2T：1.3PPM0.5T：4.1PPM1.0T：7.0PPM1.5T：9.6PPMPPM为百万分之一处于低能状态的氢质子仅略多于处于高能状态的质子第50页,共145页，2024年2月25日，星期天在主磁场中质子的磁化矢量方向是绝对同向平行或逆向平行吗？？？第51页,共145页，2024年2月25日，星期天第52页,共145页，2024年2月25日，星期天Precessing

(进动)第53页,共145页，2024年2月25日，星期天进动是核磁（小磁场）与主磁场相互作用的结果进动的频率明显低于质子的自旋频率，但比后者更为重要。非常重要第54页,共145页，2024年2月25日，星期天

=.B

：进动频率

Larmor频率

：磁旋比

42.5兆赫/TB：主磁场场强第55页,共145页，2024年2月25日，星期天高能与低能状态质子的进动由于在主磁场中质子进动，每个氢质子均产生纵向和横向磁化分矢量，那么人体进入主磁场后到底处于何种核磁状态？第56页,共145页，2024年2月25日，星期天处于低能状态的质子略多于处于高能状态的质子，因而产生纵向宏观磁化矢量第57页,共145页，2024年2月25日，星期天尽管每个质子的进动产生了纵向和横向磁化矢量，但由于相位不同，因而只有宏观纵向磁化矢量产生，并无宏观横向磁化矢量产生第58页,共145页，2024年2月25日，星期天由于相位不同，每个质子的横向磁化分矢量相抵消，因而并无宏观横向磁化矢量产生第59页,共145页，2024年2月25日，星期天进入主磁场后，质子自旋产生的核磁与主磁场相互作用发生进动非常重要进动使每个质子的核磁存在方向稳定的纵向磁化分矢量和旋转的横向磁化分矢量由于相位不同，只有宏观纵向磁化矢量产生，并无宏观横向磁化矢量产生第60页,共145页，2024年2月25日，星期天进入主磁场后人体被磁化了，产生纵向宏观磁化矢量不同的组织由于氢质子含量的不同，宏观磁化矢量也不同磁共振不能检测出纵向磁化矢量？第61页,共145页，2024年2月25日，星期天MR能检测到怎样的磁化矢量呢？？？MR不能检测到纵向磁化矢量，但能检测到旋转的横向磁化矢量NS第62页,共145页，2024年2月25日，星期天如何才能产生横向宏观磁化矢量？？？？第63页,共145页，2024年2月25日，星期天3、什么叫共振，怎样产生磁共振？共振：能量从一个震动着的物体传递到另一个物体，而后者以前者相同的频率震动。第64页,共145页，2024年2月25日，星期天共振条件频率一致实质能量传递第65页,共145页，2024年2月25日，星期天体内进动的氢质子怎样才能发生共振呢？给低能的氢质子能量，氢质子获得能量进入高能状态，即核磁共振。？第66页,共145页，2024年2月25日，星期天怎样才能使低能氢质子获得能量，产生共振，进入高能状态？第67页,共145页，2024年2月25日，星期天磁共振现象是靠射频线圈发射无线电波（射频脉冲）激发人体内的氢质子来引发的，这种射频脉冲的频率必须与氢质子进动频率相同，低能的质子获能进入高能状态微观效应第68页,共145页，2024年2月25日，星期天射频脉冲激发后的效应是使宏观磁化矢量发生偏转射频脉冲的强度和持续时间决定射频脉冲激发后的效应低能量中等能量高能量宏观效应第69页,共145页，2024年2月25日，星期天90度脉冲继发后产生的宏观和微观效应低能的超出部分的氢质子有一半获得能量进入高能状态，高能和低能质子数相等，纵向磁化矢量相互抵消而等于零使质子处于同相位，质子的微观横向磁化矢量相加，产生宏观横向磁化矢量第70页,共145页，2024年2月25日，星期天90度脉冲激发使质子发生共振，产生最大的旋转横向磁化矢量，这种旋转的横向磁化矢量切割接收线圈，MR仪可以检测到。氢质子多氢质子少第71页,共145页，2024年2月25日，星期天无线电波激发后，人体内宏观磁场偏转了90度，MRI可以检测到人体发出的信号氢质子含量高的组织纵向磁化矢量大，90度脉冲后磁化矢量偏转，产生的旋转的宏观横向矢量越大，MR信号强度越高。此时的MR图像可区分质子密度不同的两种组织非常重要第72页,共145页，2024年2月25日，星期天检测到的仅仅是不同组织氢质子含量的差别，对于临床诊断来说是远远不够的。我们总是在90度脉冲关闭后过一定时间才进行MR信号采集。非常重要第73页,共145页，2024年2月25日，星期天？第74页,共145页，2024年2月25日，星期天4、射频线圈关闭后发生了什么？第75页,共145页，2024年2月25日，星期天无线电波激发使磁场偏转90度，关闭无线电波后，磁场又慢慢回到平衡状态（纵向)第76页,共145页，2024年2月25日，星期天Relaxation弛豫放松、休息第77页,共145页，2024年2月25日，星期天4、射频线圈关闭后发生了什么？第78页,共145页，2024年2月25日，星期天无线电波激发使磁场偏转90度，关闭无线电波后，磁场又慢慢回到平衡状态（纵向)第79页,共145页，2024年2月25日，星期天射频脉冲停止后，在主磁场的作用下，横向宏观磁化矢量逐渐缩小到零，纵向宏观磁化矢量从零逐渐回到平衡状态，这个过程称为核磁弛豫。核磁弛豫又可分解为两个部分：横向弛豫

纵向弛豫第80页,共145页，2024年2月25日，星期天横向弛豫也称为T2弛豫，简单地说，T2弛豫就是横向磁化矢量减少的过程。90度脉冲第81页,共145页，2024年2月25日，星期天T2弛豫的原因自旋质子磁场暴露在大磁场与临近自旋质子的小磁场中由于分子的运动，质子周围的小磁场不断波动每个质子感受的磁场不均匀磁场高－质子进动快场强低－质子进动慢同相位进动的质子失相位根据Lamor定律第82页,共145页，2024年2月25日，星期天第83页,共145页，2024年2月25日，星期天第84页,共145页，2024年2月25日，星期天T2弛豫是由于进动质子的失相位用T2值来描述组织T2弛豫的快慢第85页,共145页，2024年2月25日，星期天不同的组织横向弛豫速度不同（T2值不同）第86页,共145页，2024年2月25日，星期天纵向弛豫也称为T1弛豫，是指90度脉冲关闭后，在主磁场的作用下，纵向磁化矢量开始恢复，直至恢复到平衡状态的过程。90度脉冲第87页,共145页，2024年2月25日，星期天纵向弛豫的机理90度激发低能的质子获能进入高能状态纵向弛豫高能的质子释放能量第88页,共145页，2024年2月25日，星期天晶格震动频率低于质子进动频率能量传递慢－－含高浓度大分子蛋白晶格震动频率接近于质子进动频率能量传递快－－脂肪，含中小分子蛋白质高能的质子把能量释放给周围的晶格（分子）晶格震动频率高于质子进动频率能量传递慢－－纯水第89页,共145页，2024年2月25日，星期天T1弛豫是由于高能质子的能量释放回到低能状态用T1值来描述组织T1弛豫的快慢第90页,共145页，2024年2月25日，星期天不同组织有不同的T1弛豫时间第91页,共145页，2024年2月25日，星期天人体各种组织的T2弛豫要比T1弛豫快得多T2<<<T1第92页,共145页，2024年2月25日，星期天重要提示不同组织有着不同质子密度横向(T2)弛豫速度纵向(T1)弛豫速度这是MRI显示解剖结构和病变的基础？第93页,共145页，2024年2月25日，星期天5、磁共振“加权成像”T1WIT2WIPD第94页,共145页，2024年2月25日，星期天所谓的加权就是“重点突出”的意思T1加权成像（T1WI）----突出组织T1弛豫（纵向弛豫）差别T2加权成像（T2WI）----突出组织T2弛豫（横向弛豫）差别质子密度加权成像（PD）－突出组织氢质子含量差别何为加权？？？第95页,共145页，2024年2月25日，星期天MR不能检测到纵向磁化矢量，但能检测到旋转的横向磁化矢量MR只能采集旋转的横向磁化矢量第96页,共145页，2024年2月25日，星期天在任何序列图像上，信号采集时刻旋转横向的磁化矢量越大，MR信号越强第97页,共145页，2024年2月25日，星期天T2加权成像（T2WI)T2值小

横向磁化矢量减少快

残留的横向磁化矢量小

MR信号低（黑）T2值大

横向磁化矢量减少慢

残留的横向磁化矢量大

MR信号高（白）水T2值约为1600毫秒

MR信号高脑T2值约为100毫秒

MR信号低反映组织横向弛豫的快慢！第98页,共145页，2024年2月25日，星期天T2WI平衡状态90度激发后采集信号时刻脑水第99页,共145页，2024年2月25日，星期天T1加权成像(T1WI)T1值越小

纵向磁化矢量恢复越快

已经恢复的纵向磁化矢量大

MR信号强度越高（白）T1值越大

纵向磁化矢量恢复越慢

已经恢复的纵向磁化矢量小MR信号强度越低（黑）脂肪的T1值约为250毫秒

MR信号高（白）水的T1值约为3000毫秒

MR信号低（黑）反映组织纵向弛豫的快慢！？第100页,共145页，2024年2月25日，星期天T1WI脂水平衡状态90纵向弛豫90第101页,共145页，2024年2月25日，星期天重要提示!!!人体大多数病变的T1值、T2值均较相应的正常组织大，因而在T1WI上比正常组织“黑”，在T2WI上比正常组织“白”。第102页,共145页，2024年2月25日，星期天6、MRI的空间定位第103页,共145页，2024年2月25日，星期天MRI空间定位X轴、Y轴、Z轴三维空间定位层面层厚选择频率编码相位编码第104页,共145页，2024年2月25日，星期天由于地球磁场存在从赤道到南北极逐渐减弱的梯度在地球上可根据所处位置的磁场强度来确定其位置MRI的三维空间定位也通过三个梯度场强来实现第105页,共145页，2024年2月25日，星期天层面层厚选择发射的射频脉冲不可能是单一频率我们可以控制和调整射频脉冲的带宽射频脉冲有一定的频率范围（带宽）CT的层面选择和层厚控制靠床位和准直器第106页,共145页，2024年2月25日，星期天层面层厚选择第一个梯度场第107页,共145页，2024年2月25日，星期天1mHZ/cm64－65mHZ层厚1cm1mHZ/cm64－64.5mHZ层厚0.5cm2mHZ/cm64－65mHZ层厚0.5cm第108页,共145页，2024年2月25日，星期天射频脉冲63.5-64.5MHZG0射频脉冲64.5-65.5MHZG0射频脉冲63.75-64.25MHZG0射频脉冲63.5-64.5MHZG0第109页,共145页，2024年2月25日，星期天梯度场强不变

射频带宽越宽层厚越厚射频带宽不变

梯度场强越高层厚越薄决定层厚的因素梯度场强射频带宽第110页,共145页，2024年2月25日，星期天调整射频脉冲的带宽、梯度场强的强度和位置，即可随意选择层面的位置和层厚第111页,共145页，2024年2月25日，星期天层面内的空间定位体素（Voxel）－像素（Pixel）MR？第112页,共145页，2024年2月25日，星期天MR采集到的每一个信号均含有全层信息必须进行层面内的空间定位编码才能把整个信息分配到各个像素空间定位编码包括频率编码和相位编码第113页,共145页，2024年2月25日，星期天频率编码第114页,共145页，2024年2月25日，星期天频率编码依靠梯度磁场带有不同频率的MR信号，通过付立叶转换可以区分64mHZ64mHZ64mHZ第二个梯度场第115页,共145页，2024年2月25日，星期天相位编码相位编码还是依靠梯度磁场第三个梯度场第116页,共145页，2024年2月25日，星期天相位编码付立叶转换可区分不同相位的MR信号付立叶转换只能区分相位相差180度的MR信号第117页,共145页，2024年2月25日，星期天付立叶转换只能区分相位相差180度的MR信号矩阵为256*256的图像需要进行256次相位编码，也即采集256条相位编码线K空间第118页,共145页，2024年2月25日，星期天7、K空间及其特性K空间为MR图像原始数据的填充储存空间格式，填充后的资料经傅立叶转换，重建出MR图像。第119页,共145页，2024年2月25日，星期天SE序列常规K空间的填充形式（对称、循序填充）第120页,共145页，2024年2月25日，星期天K空间的特性矩阵为256*256的图像需要采集256条相位编码线来完成K空间的填充，K空间的数据点阵与图像的点阵不是一一对应的,K空间中每一个点具有全层信息第121页,共145页，2024年2月25日，星期天K空间的特性K空间具有对称性相位编码方向的镜像对称频率编码方向的对称第122页,共145页，2024年2月25日，星期天K空间特性填充K空间中央区域的相位编码线决定图像的对比填充K空间周边区域的相位编码线决定图像的解剖细节第123页,共145页，2024年2月25日，星期天K空间的其他填充方式螺旋式填充放射状填充第124页,共145页，2024年2月25日，星期天激发编码信号采集K空间填充付立叶转换图像显示第125页,共145页，2024年2月25日，星期天8、自旋回波序列第126页,共145页，2024年2月25日，星期天自旋回波（spinecho，SE）序列结构图激发脉冲层面选择梯度频率编码梯度相位编码梯度MR信号第127页,共145页，2024年2月25日，星期天90度脉冲激发组织产生横向磁化矢量SE序列图180度脉冲的作用？？？第128页,共145页，2024年2月25日，星期天90度激发脉冲关闭后，所产生的横向磁化矢量很快衰减－－自由感应衰减（FID）第129页,共145页，2024年2月25日，星期天横向磁化矢量的衰减是由于质子失相位第130页,共145页，2024年2月25日，星期天质子失相位的原因质子小磁场的相互作用造成磁场不均匀（随机）－－真正的T2弛豫主磁场的不均匀（恒定），后者是造成质子失相位的主要原因1+2产生的横向磁化矢量衰减实际上为T2*弛豫180度复相脉冲可以抵消主磁场恒定不均匀造成的信号衰减，从而获得真正的T2弛豫图像第131页,共145页，2024年2月25日，星期天180度脉冲可使因主磁场恒定不均匀造成失相质子的相位重聚，产生自旋回波第132页,共145页，2024年2月25