磁共振成像设备

关于磁共振成像设备2本章学习提示(direction)参考书(references):《医学影像设备》《磁共振原理》《磁共振成像系统的原理及其应用》《现代生物医学工程》《医学诊断数字影像技术》《数字成像技术》《磁共振成像入门》《医学影像物理学》第2页,共188页，2024年2月25日，星期天3思考题(problem)1共振的本质是什么？2MR医学成像的依据是什么？为什么？3射频的作用是什么？如何发生作用？第3页,共188页，2024年2月25日，星期天4引言磁共振成像技术是根据生物体磁性核(氢核)在磁场中的表现特性成像的高新技术。磁共振成像设备是磁体技术、超导技术、低温技术、电子技术和计算机等相关技术发展的综合体现。第4页,共188页，2024年2月25日，星期天5引言磁共振原理最初主要用于测量物质的物理和化学特性，确定分子结构，进行生化和代谢过程的研究。目前，磁共振成像以其丰富的影像信息、任意的几何参数、灵活的技术参数来满足不同的诊断需要而成为重要的影像检查手段。第5页,共188页，2024年2月25日，星期天6先驱者1905年，爱因斯坦的质能联系定律(E=mc2)说明了质量和能量的同一性。1911年，卢瑟福在

粒子散射实验基础上提出核型结构：原子核集中全部正电荷及大部分质量。汤普森证实了核外电子的存在。1913年，玻尔把量子概念应用于原子系统。斯特恩建立测量磁偶极子运动的装置。第6页,共188页，2024年2月25日，星期天7先驱者1924年，泡利认为原子核中存在着角动量和核磁矩，可能是原子核和核外电子相互耦合的结果，提出核磁共振一词，拉比设计和完成世界上第一个核磁共振实验。1920年，斯特恩和盖拉赫发现，当原子束通过不均匀磁场时，相对于磁场的取向而偏转1930年，该二人观测到十分微弱的核磁矩。1937年，拉瑟里尤和舒伯尼科用传统的方法测出氢的核磁矩值，被认为的最早发现核磁现象的人。第7页,共188页，2024年2月25日，星期天8先驱者Bloch及Purcell分别同时（1946年）检测到大块物质内核磁共振吸收，更清楚地阐述了原子核自旋(Spin)的存在，为此，他们共同获得了1952年诺贝尔物理学奖。FelixBlochandEdwardPurcell,bothofwhomwereawardedtheNobelPrizein1952,discoveredthemagneticresonancephenomenonindependentlyin1946.1946年，布洛赫及其合作者在斯坦福大学做了水的核磁共振实验。第8页,共188页，2024年2月25日，星期天91946年，珀塞尔及其同事在哈佛大学进行了石腊的核磁共振实验。美国纽约州立大学的一位富有想象力的物理学家和内科医生。1988年获里根颁赠的国家技术勋章。1971年，达马迪安(RaymondDamadian)发现正常组织与恶性组织的NMR信号明显不同。In1971RaymondDamadianshowedthatthenuclearmagneticrelaxationtimesoftissuesandtumorsdiffered,thusmotivatingscientiststoconsidermagneticresonanceforthedetectionofdisease.第9页,共188页，2024年2月25日，星期天10美国伊利诺大学的物理学家，1988年和达马迪安一起获里根颁赠的国家技术勋章。1973年，Lauterbur改良了频谱仪，在磁场内形成线性变化的梯度，提供空间编码信号。首次进行了不均匀物体（两试管水）的磁共振成像。MagneticresonanceimagingwasfirstdemonstratedonsmalltesttubesamplesthatsameyearbyPaulLauterbur1973年，与劳特伯几乎同时、但又分别独立地发表磁共振成像论文的还有英国诺丁汉(Nottingham)大学的曼斯菲尔德(PeterMansfield)等学者，均认识到线性梯度场获取核磁共振的空间分辨率是一种有效的解决方案。第10页,共188页，2024年2月25日，星期天11In1975RichardErnstproposedmagneticresonanceimagingusingphaseandfrequencyencoding,andtheFourierTransform.In1991,RichardErnstwasrewardedforhisachievementsinpulsedFourierTransformNMRandMRIwiththeNobelPrizeinChemistry.第11页,共188页，2024年2月25日，星期天12发展及趋势1976年PeterMansfield首次报导了活人体图像；1977年描述了手与胸部图像。第12页,共188页，2024年2月25日，星期天13发展及趋势1978年报导了头和腹部图像超导全身成像仪发明后，迅速认识到MR系统能够产生好的软组织对比，优于其它成像技术第13页,共188页，2024年2月25日，星期天14发展及趋势1983年，MR的硬件及软件的改进，已经可以获得全身成像系统产生小于1mm的空间分辨率，总成像时间仅数分钟的高对比图像第14页,共188页，2024年2月25日，星期天15发展及趋势磁共振显微成像（MRM）磁共振显微成像是利用磁共振现象以产生显微镜观察水平上的MR信号图像的一种专门技术。活体MRM，可用于对小动物的基础生理学、病理生理学及药物的筛检和毒理学研究，MRM在植物生理、病理以及材料科学中的应用也较广泛。通过与组织标本的对照，磁共振组织学成像的一些应用新领域正在不断拓展。第15页,共188页，2024年2月25日，星期天16发展及趋势磁共振实时成像MR实时成像是在MR快速和超快速成像技术基础上发展而来的其发展适应了当今微创外科和要求，便利MR介入成为可能。GE公司开发的双子星结构，其磁体纵向平行排列，中间“裂隙”方便介入操作第16页,共188页，2024年2月25日，星期天17发展及趋势磁共振功能成像磁共振功能成像是随着快速成像技术的发展而兴趣的成像新领域，是相对于形态学诊断而言的。包括弥散、灌注加权成像、皮质功能定位及MR波谱成像等。3DFMRIofAuditoryCortex第17页,共188页，2024年2月25日，星期天18发展及趋势脑磁图脑磁图是通过测定脑血流所产生的磁场变化用以标测皮质脑功能状态的新技术。磁共振淋巴造影磁共振淋巴造影是通过皮下注射超顺磁性造影剂，以产生阴性对比的新技术。第18页,共188页，2024年2月25日，星期天19发展及趋势磁共振氧测量技术磁共振氧测量是运用MRI方法测定氧张力和与氧合作用相关参数的新技术。对脱氧血红蛋白所致磁场不均进行测定，以获得脱氧血红蛋白浓度，从而推算出其氧合状态。第19页,共188页，2024年2月25日，星期天20心脏和血管成像MR血管成像最初是应用流动血液的内在对比，近年提出造影剂增强三维扫描成像技术，目前已能在屏气时完成感兴趣区血管成像，成像时间与造影剂到达感兴趣的血循环时间相吻合。磁共振弹性成像采用相位对比MR成像序列，运用环状运动编码梯度对某物体内不断传播的听力内剪波的空间分布进行成像的技术，可用来评价人体骨骼肌的机械特性及人脑灰、白质的弹性系数。第20页,共188页，2024年2月25日，星期天21发展及趋势超极化气体MR成像是指通过吸入碱性金属粉末与惰性气体的混合物如铷和3He或129Xe以显著地增强磁化，即达到超极化，然后进行MRI检查的新技术。单一的超极化气体3He的密度图像对显示慢性阻塞性肺部疾患特别有效。第21页,共188页，2024年2月25日，星期天22发展及趋势预极化MR成像通常情况下低场阻抗MR能提供的图像信噪比很差，如果自旋极化在瞬间可达到较高值，则可在低场磁体上实现高场磁体所具备的图像信噪比，这种概念命题预极化MRI。由于磁体不需要很均匀，因而可采用便宜的电磁体。第22页,共188页，2024年2月25日，星期天23MRITimeline1946MRphenomenon-Bloch&Purcell1952NobelPrize-Bloch&Purcell1960NMRdevelopedasanalyticaltool1972ComputerizedTomography1973BackprojectionMRI-Lauterbur1975FourierImaging-Ernst1980MRIdemonstrated-Edelstein1986GradientEchoImaging、NMRMicroscope1988Angiography-Dumoulin1989Echo-PlanarImaging1991NobelPrize-Ernst1994Hyperpolarized129XeImaging第23页,共188页，2024年2月25日，星期天24磁共振物理基础核的磁性（nuclearmagnetsm)带有不对称电荷（electriccharge)分布的粒子的自旋(spin)，感应(interaction)产生符合右手螺旋定则的磁场(megneticfield)，第24页,共188页，2024年2月25日，星期天25具有磁矩的快速自旋核可以看成为极小磁棒,图中磁矩(magneticvector,μ)表示其大小及方向Thinkofthespinofthisprotonasamagneticmomentvector,causingtheprotontobehavelikeatinymagnetwithanorthandsouthpole.磁共振物理基础第25页,共188页，2024年2月25日，星期天26磁共振物理基础第26页,共188页，2024年2月25日，星期天27PropertiesofSpinWhenplacedinamagneticfieldofstrengthB,aparticlewithanetspincanabsorbaphotonoffrequencyƒ.Thefrequency

dependsonthegyromagneticratio

,

oftheparticle.ƒ=

BForhydrogen,

=42.58MHz/T.磁共振物理基础第27页,共188页，2024年2月25日，星期天28磁共振物理基础磁化（magnetization)前后的原子核核的磁矩按照布郎运动原理随机取向第28页,共188页，2024年2月25日，星期天29磁共振物理基础静止磁场内，这些磁偶极子倾向于与使用的磁场顺向平行或逆向平行取向排列第29页,共188页，2024年2月25日，星期天30磁共振物理基础低能级(energylevel)方向排列较高能级方向略占优势，产生沿外磁场方向排列的净磁化。ThereisalowenergyconfigurationorstatewherethepolesarealignedN-S-N-S

andahighenergystateN-N-S-S.

第30页,共188页，2024年2月25日，星期天31磁共振物理基础第31页,共188页，2024年2月25日，星期天32TransitionsThisparticlecanundergoatransitionbetweenthetwoenergystatesbytheabsorptionofaphoton.Theenergyofthisphotonmustexactlymatchtheenergydifferencebetweenthetwostates.Theenergy,E,ofaphotonisrelatedtoitsfrequency,

ƒ,byPlank'sconstant(h=6.626x10-34Js).E=hƒ

InNMRandMRI,thequantity

ƒiscalledtheresonancefrequencyandtheLarmorfrequency.磁共振物理基础第32页,共188页，2024年2月25日，星期天33磁共振物理基础净(net)磁矩的矢量描述：磁矢量的合成：宏观磁化矢量。第33页,共188页，2024年2月25日，星期天34AdaptingtheconventionalNMRcoordinatesystem,theexternalmagneticfieldandthenetmagnetizationvectoratequilibriumarebothalongtheZaxis.第34页,共188页，2024年2月25日，星期天35磁共振物理基础磁矩的分解第35页,共188页，2024年2月25日，星期天36磁共振物理基础静磁场中质子(proton)的状态第36页,共188页，2024年2月25日，星期天37磁共振物理基础第37页,共188页，2024年2月25日，星期天38磁共振物理基础磁矩与外磁场(Bo)方向不完全一致在外加磁场中，核自旋矢量经历转矩作用，又称作耦合,引起自旋以一定频率围绕外磁场轴旋转。类似地球引力场内的一个旋转陀螺运动，称为拉莫尔进动（Larmorprocess)，ω=γBo

第38页,共188页，2024年2月25日，星期天39磁共振物理基础第39页,共188页，2024年2月25日，星期天40磁共振物理基础第40页,共188页，2024年2月25日，星期天41磁共振物理基础射频(radiation

frequency)脉冲形成射频场B1一种短促的无线电波，与感兴趣核的拉莫尔频率一致第41页,共188页，2024年2月25日，星期天42磁共振物理基础共振的本质（吸收能量，产生能级跃迁，使B0方向宏观磁矩变小）第42页,共188页，2024年2月25日，星期天43磁共振物理基础第43页,共188页，2024年2月25日，星期天44第44页,共188页，2024年2月25日，星期天45磁共振物理基础B0方向B1方向B1轨迹运动轨迹的分解XZY第45页,共188页，2024年2月25日，星期天46磁共振物理基础射频激励(excite)脉冲实际上是另一个磁场（B1）B1方向垂直于Bo及作用非常短的时间B1磁场的作用是使磁化沿其进动，从垂直方向转向Mxy平面B1翻转角度与所使用射频脉冲的强度及作用时间相关θ=γB1t第46页,共188页，2024年2月25日，星期天47磁共振物理基础调整射频脉冲强度和时间，可使磁化从平衡状态（equilibriumstate）翻转需要的角度时，称为翻转角。常用的有90度和180度射频脉冲。第47页,共188页，2024年2月25日，星期天48

角脉冲=1t=B1t第48页,共188页，2024年2月25日，星期天49磁共振物理基础90度射频脉冲作用的宏观表现第49页,共188页，2024年2月25日，星期天50思考题(problem)4纵向弛豫的机制是什么？5横向弛豫的机制是什么？6磁共振信号是如何产生的？第50页,共188页，2024年2月25日，星期天51磁共振物理基础MR信息载体－－RF。MR信号的实质是变化的电磁波第51页,共188页，2024年2月25日，星期天52第52页,共188页，2024年2月25日，星期天53磁共振物理基础电磁波谱(electromagneticspectrum)第53页,共188页，2024年2月25日，星期天54Magneticresonanceimagingisbasedontheabsorptionandemissionofenergyintheradiofrequencyrangeoftheelectromagneticspectrum.MRIgetsaroundthislimitationbyproducingimagesbasedonspatialvariationsinthephaseandfrequencyoftheradiofrequencyenergybeingabsorbedandemittedbytheimagedobject.第54页,共188页，2024年2月25日，星期天55磁共振物理基础MR信号的产生弛豫（relaxation）过程：射频脉冲激励结束时即开始释放电磁辐射并将能量转移到晶格（lattice）或其自身之间而回到平衡状态，这一过程被称为弛豫。第55页,共188页，2024年2月25日，星期天56弛豫过程期间，净磁矩的纵向（longitudinal，Mz）和横向（transverse，Mxy）成分均呈指数形式，恢复到它们的平衡值－－横向弛豫、纵向弛豫第56页,共188页，2024年2月25日，星期天57磁共振物理基础纵向（自旋晶格）弛豫（spinlatticerelaxation）分子晶格为激励核与晶格间能量交换提供了机会，激励的核与邻近晶格的相互影响提供了纵向弛豫的机制第57页,共188页，2024年2月25日，星期天58磁共振物理基础在单纯的水分子内，一个质子的磁偶极子场产生晶格场，它影响邻近核的弛豫第58页,共188页，2024年2月25日，星期天59磁共振物理基础能量以离散量子数方式从激励核转移出去，结果净磁化矢量以指数函数恢复到初始值。ThetimeconstantwhichdescribeshowMZreturnstoitsequilibriumvalueiscalledthespinlatticerelaxationtime(T1).Theequationgoverningthisbehaviorasafunctionofthetimetafteritsdisplacementis:Mz=Mo(1-e-t/T1)

第59页,共188页，2024年2月25日，星期天60磁共振物理基础Ifthenetmagnetizationisplacedalongthe-Zaxis,itwillgraduallyreturntoitsequilibriumpositionalongthe+ZaxisatarategovernedbyT1.

Theequationgoverningthisbehaviorasafunctionofthetimetafteritsdisplacementis:Mz=Mo(1-2e-t/T1)

第60页,共188页，2024年2月25日，星期天61磁共振物理基础用T1值表示纵向弛豫时间，T1是时间常数，表示纵向磁化矢量恢复到它的初始值的63％所需要的时间生物组织的T1值从大约50毫秒到几秒不等。第61页,共188页，2024年2月25日，星期天62磁共振物理基础横向（自旋—自旋）弛豫（spin－spinrelaxation）激励后，自旋磁矩以相同相位进动，产生较大磁化横向成分，单个自旋磁矩间相互作用引起局部随机性磁场的变化，使得单个核的进动频率波动，相互分散，出现自旋磁矩逐渐的、随机的相位异步（dephase），引起净磁化横向成分呈指数形式衰减（reduce)Twofactorscontributetothedecayoftransversemagnetization.

1)molecularinteractions(saidtoleadtoapureT2moleculareffect)

2)variationsinBo(saidtoleadtoaninhomogeneousT2effect第62页,共188页，2024年2月25日，星期天63磁共振物理基础IfthenetmagnetizationisplacedintheXYplane

itwillrotateabouttheZaxisatafrequencyequaltothefrequencyofthephotonwhichwouldcauseatransitionbetweenthetwoenergylevelsofthespin.第63页,共188页，2024年2月25日，星期天64磁共振物理基础Inadditiontotherotation,thenetmagnetizationstartstodephasebecauseeachofthespinpacketsmakingitupisexperiencingaslightlydifferentmagneticfieldandrotatesatitsownLarmorfrequency.Thelongertheelapsedtime,thegreaterthephasedifference.Herethenetmagnetizationvectorisinitiallyalong+Y.第64页,共188页，2024年2月25日，星期天65磁共振物理基础相位异步第65页,共188页，2024年2月25日，星期天66Thetimeconstantwhichdescribesthereturntoequilibriumofthetransversemagnetization,MXY,iscalledthespin-spinrelaxationtime,T2.MXY=MXYoe-t/T2

指数衰减第66页,共188页，2024年2月25日，星期天67磁共振物理基础用T2值表示横向弛豫时间，T2是时间常数，表示横向磁化矢量恢复到它的初始值的37％所需要的时间横向磁化在纵向磁化恢复以前很久就消失了，因此生物组织的横向弛豫时间要短于纵向弛豫时间第67页,共188页，2024年2月25日，星期天68磁共振物理基础人体部分组织Ｔ１、Ｔ２值第68页,共188页，2024年2月25日，星期天69磁共振物理基础MR信号的探测第69页,共188页，2024年2月25日，星期天70磁共振物理基础只有在XY平面的成分能被探测到第70页,共188页，2024年2月25日，星期天71第71页,共188页，2024年2月25日，星期天72MR信号波形自由感应衰减（FID）第72页,共188页，2024年2月25日，星期天73磁共振物理基础信号与频谱（spectrum）信号包括时间、强度、相位、频率等成分（A）是单一频率正弦波。其谱线是频谱某点的竖线，高度取决于信号强度。第73页,共188页，2024年2月25日，星期天74（B）是二个频率正弦波，每个成分具有相等的强度第74页,共188页，2024年2月25日，星期天75磁共振物理基础复杂信号的频谱付立叶变换下时间有关的信号可以通过付立叶变换生成相应的频谱，及反之亦然第75页,共188页，2024年2月25日，星期天76第76页,共188页，2024年2月25日，星期天77磁共振物理基础第77页,共188页，2024年2月25日，星期天78磁共振物理基础第78页,共188页，2024年2月25日，星期天79思考题(problem)7如何确定磁共振信号的空间位置？

8选层梯度如何实现其功能？9梯度磁场及射频如何影响层厚？10MR图像上的点与K空间上的点是对应的吗？为什么？第79页,共188页，2024年2月25日，星期天80磁共振成像原理组织的空间定位当RF脉冲停止时，MR信号就可接收到了，此时接收线圈范围内的所有原子核会以相同的频率辐射信号，并不携带任何空间位置信息。第80页,共188页，2024年2月25日，星期天81投影（project）磁共振成像原理第81页,共188页，2024年2月25日，星期天82梯度磁场

（MagneticFieldGradient）磁共振成像原理第82页,共188页，2024年2月25日，星期天83梯度场的作用（effect)磁共振成像原理第83页,共188页，2024年2月25日，星期天84空间定位需要解决的问题为了重建图像，必须确定组织间的空间位置，涉及两个方面：１）层面选择２）层面上共振信号的空间编码第84页,共188页，2024年2月25日，星期天85磁共振成像原理选层梯度(SliceSelection)由于共振频率是磁场强度的函数，在人体长轴方向上附加一梯度磁场ＧZ，则每一横断面的共振频率均不一样，只有那些与射频脉冲频率相同的扫描层面内的核才会吸收射频脉冲能量。Z=Z=△f/gGs

第85页,共188页，2024年2月25日，星期天86第86页,共188页，2024年2月25日，星期天87磁共振成像原理选层梯度与层厚层面厚度取决于磁场梯度和射频带宽及形状第87页,共188页，2024年2月25日，星期天88磁共振成像原理被选层面内质子的频差及校正螺旋阶梯样散开施加自旋复相位梯度第88页,共188页，2024年2月25日，星期天89磁共振成像原理选定层面的空间编码使用读识梯度(频率编码FrequencyEncoding)接受信号时，使用与层面选择梯度Gz垂直的第二个磁场梯度，散发出来的信号频率与沿Ｇx梯度轴位置不同而不同。信号经付立叶转换为Ｘ轴上的频谱。每个频率成分的振幅，即沿Ｘ轴每个位置上的强度，与Ｘ轴位置上Ｙ方向信号总和成正比第89页,共188页，2024年2月25日，星期天90磁共振成像原理频率编码（读识梯度）第90页,共188页，2024年2月25日，星期天91f=γ(Bo+xGx)=fo+γxGxx=(f-fo)/(γGx)

Thisprocedureiscalledfrequencyencodingandcausestheresonancefrequencytobeproportionaltothepositionofthespin.第91页,共188页，2024年2月25日，星期天92磁共振成像原理相位编码梯度(PhaseEncodingGradient)在读识梯度前施加，与读识梯度方向垂直层面选择梯度与90度射频激励脉冲后，所选择层面内所有自旋同频同相进动；相位编码梯度打开后，自旋将受该梯度影响以不同频率进动，相位编码梯度关闭时，所有自旋又同频进动，而位置各异，每个核有各自的相位，依Ｙ梯度位置而定，这种改变称为“相位记忆”第92页,共188页，2024年2月25日，星期天93磁共振成像原理相位编码梯度相位记忆PhaseEncodingGradient第93页,共188页，2024年2月25日，星期天94第94页,共188页，2024年2月25日，星期天95第95页,共188页，2024年2月25日，星期天96磁共振成像原理第96页,共188页，2024年2月25日，星期天97磁共振成像原理图像细节的获得过程：在相位编码梯度方向，图像的空间分辨力在相位编码梯度的升高过程中被逐渐获得，系统所能识别的最小两点间相位差别是有一定限度的(即空间分辨力)，比如是180度，这样随着梯度场强的升高，相差180度相位的两点间距离逐渐变小，图像的细节在相位编码的过程中被获得。第97页,共188页，2024年2月25日，星期天98GradientSlicePlaneSlicePhaseFrequencyXYZXorYYorXXZYXorZZorXYZXYorZZorY磁共振成像原理第98页,共188页，2024年2月25日，星期天99磁共振成像原理空间编码及Ｋ空间MR扫描期间，采集的数据并不分别对每个相位编码步的数据进行付里叶变换，来产生图像灰度，而是按照相位编码顺序，暂存在一个地方----即K空间，K空间是一个抽象空间或平面，每幅影像都有它自己的K空间数据阵列。K空间水平方向的Kx值对应于测量梯度的时间(积分)，垂直方向的Ky值正比于相位编码梯度的强度，每一相位编码步由一个Ky值表示。第99页,共188页，2024年2月25日，星期天100磁共振成像原理K空间、数据矩阵与相位编码步第100页,共188页，2024年2月25日，星期天101磁共振成像原理K空间实际由数据采集获取的全部回波数据或投影一行一行叠排起来组成。Ky=0的投影是相位编码梯度为零的条件下测量的回波的数据。K空间数据阵列垂直方向具有共轭对称性。因为两端的相位编码梯度幅度相等极性相反第101页,共188页，2024年2月25日，星期天102磁共振成像原理K空间数据模型K空间中心有最大信号第102页,共188页，2024年2月25日，星期天103磁共振成像原理K空间数据获取过程第103页,共188页，2024年2月25日，星期天104磁共振成像原理第104页,共188页，2024年2月25日，星期天105当一个扫描序列完成后，系统会对该序列中所有予设层面的K空间的数据进行付里叶变换，最终得到对应层面具有相应灰度等级的亮度图像。在MR图像中，图像上每一点与K空间内每一点不是一一对应关系，图像上每一点的信号都来源于K空间所有点，K空间内每一点都参与图像上所有点信号的形成。磁共振成像原理第105页,共188页，2024年2月25日，星期天106磁共振成像原理图像转换第106页,共188页，2024年2月25日，星期天107磁共振成像原理采样时序第107页,共188页，2024年2月25日，星期天108磁共振成像原理全回波与部分回波80%60%第108页,共188页，2024年2月25日，星期天109磁共振成像原理扫描时间=ＮYxTRxNSA第109页,共188页，2024年2月25日，星期天110磁共振成像原理K空间轨迹类型KyKxoKyKxo第110页,共188页，2024年2月25日，星期天111磁共振成像原理第111页,共188页，2024年2月25日，星期天112磁共振成像原理第112页,共188页，2024年2月25日，星期天113二维付里叶变换接收线圈所探测到的电流，实际上是频率和相位的函数，如果假设扫描层面中某一体素所对应的频率和相位是单一的，则每一体素所产生的电流df(t)可用下式来表示:df(t)=A(,)cos(t+)dd磁共振成像原理第113页,共188页，2024年2月25日，星期天114每进行一次采样，在扫描脉冲序列作用下，扫描平面内所有体素发出的信号总和为f1(t)=

A(,1)cos(t+1)dd1磁共振成像原理第114页,共188页，2024年2月25日，星期天115

上式和f(t)的傅里叶变换式很相似，差别在于增加了相位分布的积分，加第二个脉冲序列时，相位编码梯度的功率增加到使所有体素再多产生相位增量

，第三个脉冲序列则使相位增量为2

，因此所得的各级数据可以用下面一组式子来表示：磁共振成像原理第115页,共188页，2024年2月25日，星期天116f1(t)=

A(,1)cos(t+1)dd1f2(t)=

A[,1(1+)]cos[t,1(1+)]dd1

fn(t)=

A{,1[1+(n-1)]}cos{t,1[1+(n-1)]}dd1磁共振成像原理第116页,共188页，2024年2月25日，星期天117这一系列等式可用以下等式来代表：当我们采用256个相位编码步时，增量

＝360/256＝1.4f

(s,t)=

A{,1[1+(s-1)]}cos{t,1[1+(s-1)]}dd1磁共振成像原理第117页,共188页，2024年2月25日，星期天118 MR图像究竟是如何得到的？第118页,共188页，2024年2月25日，星期天119思考题(problem)11请画出自旋回波序列的时序图。12请画出FLAIR序列的时序图。13IR序列为什么可以选择性地抑制某些组织信号？14EPI序列的时序图第119页,共188页，2024年2月25日，星期天120磁共振成像方法射频脉冲和自由感应衰减的检测是连续进行的，然而并不是RF停止后立即进行自由感应衰减取样，而是检测自由感应衰减消失后一定时间重新出现回波信号磁共振测量使用两种方法产生回波信号自旋回波（Spin-Echo）

梯度回波（Gradient-Echo）

第120页,共188页，2024年2月25日，星期天121磁共振成像方法脉冲序列的构成自旋准备准备脉冲组织预饱和信号产生自由感应衰减自旋回波梯度回波付氏变换亮度转换图像第121页,共188页，2024年2月25日，星期天122磁共振成像方法脉冲序列的表达时序图表达射频、选层梯度、相位编码梯度、频率编码梯度、回波、采样等过程的波形叙述流程图表达用数字或数学符号表达第122页,共188页，2024年2月25日，星期天123磁共振成像方法脉冲序列分类：按信号：FID、SPIN

ECHO、GRADIENTECHO、EPIECHO按用途：通用：常规检查序列专用：心脏、脂肪抑制、伪影抑制等按成像速度：普通、快速第123页,共188页，2024年2月25日，星期天124磁共振成像方法被激励核经历两个根本不同的失相位过程自旋——自旋相互作用，该作用是随机的，随时间而变化，是不可逆的过程磁场的不均匀，产生对自旋系统的恒定的影响，需采用一定的方法纠正净磁场不均匀性的影响第124页,共188页，2024年2月25日，星期天125磁共振成像方法自旋回波磁场不均匀的静态作用，可以在90度RF脉冲之后一段时间使用180度RF重聚相脉冲消除第125页,共188页，2024年2月25日，星期天126磁共振成像方法A180opulsewillrotatethemagnetizationvectorby180degrees.A180opulserotatestheequilibriummagnetizationdowntoalongthe-Zaxis.

第126页,共188页，2024年2月25日，星期天127磁共振成像方法Thenetmagnetizationatanyorientationwillbehaveaccordingtotherotationequation.Forexample,anetmagnetizationvectoralongtheY'axiswillendupalongthe-Y'axiswhenacteduponbya180opulseofB1alongtheX'axis.第127页,共188页，2024年2月25日，星期天128磁共振成像方法在旋转坐标系中，相位调制后，180度脉冲可加在X轴上，使得质子群绕X轴折叠第128页,共188页，2024年2月25日，星期天129磁共振成像方法自旋回波的形成第129页,共188页，2024年2月25日，星期天130磁共振成像方法AnetmagnetizationvectorbetweenX'andY'willendupbetweenX'andY'aftertheapplicationofa180opulseofB1appliedalongtheX'axis.第130页,共188页，2024年2月25日，星期天131磁共振成像方法自旋回波脉冲序列自旋回波（SE，spinecho)脉冲序列是指以90度脉冲开始，后续以180度相位重聚焦脉冲，以获得有用信号的脉冲序列。并且可以多次施加180度脉冲，以获得多次回波信号。SE序列是目前临床磁共振成像中最基本、最常用的脉冲序列。第131页,共188页，2024年2月25日，星期天132磁共振成像方法180°180°90°TE1TE2第132页,共188页，2024年2月25日，星期天133磁共振成像方法时序与信号幅度变化趋势第133页,共188页，2024年2月25日，星期天134磁共振成像方法几个重要参数反转时间TI回波时间TE重复时间TR静息时间Tdead（TR、TE之差)SE序列的执行过程分为激发、编码、相位重聚和信号读出四个阶段第134页,共188页，2024年2月25日，星期天135磁共振成像方法180°RFGpc90°next90°TITE/2TETRGssEchoGroTdead第135页,共188页，2024年2月25日，星期天136磁共振成像方法2DFT&3DFT第136页,共188页，2024年2月25日，星期天137磁共振成像方法第137页,共188页，2024年2月25日，星期天138磁共振成像方法自旋回波信号的应用测量组织T2：由外磁场不均匀引起的失相位的可逆的，组织本身横向弛豫引起的、由其表征的信号衰减是不可逆的。

1/T2第138页,共188页，2024年2月25日，星期天139磁共振成像方法多次回波信号的最大幅度正比于组织的本征弛豫时间T2：

Sm(n)e-n/T2

根据此式可获得比较准确的T2值。第139页,共188页，2024年2月25日，星期天140磁共振成像方法自旋回波序列的图像特征SE序列的信号强度至少取决于氢质子密度、T1和T2弛豫时间、TR及TE等5个因素，当组织一定时，改变序列参数TR和TE就可改变质子密度、T1及T2对图像的影响程度或加权权重。第140页,共188页，2024年2月25日，星期天141磁共振成像方法自旋回波序列信号强度的近似表达：

S＝

·

r(1－e-TR/T1)e-TE/T2在式中，当取TR＞＞T1时信号强度与T1几乎无关系；当TR一定时，如果TE＜＜T2，信号强度受T2影响减少。因此，TR和TE是自旋回波序列的重要操作参数。可以通过调节TR和TE来灵活地实施所谓加权成像：T1加权像，T2加权像及质子密度加权像。第141页,共188页，2024年2月25日，星期天142磁共振成像方法图像亮度与信号强度的关系线性关系：

I=

·S第142页,共188页，2024年2月25日，星期天143磁共振成像方法梯度回波脉冲序列梯度回波（GRE，gradientecho），是一种采用小角度RF波替代SE中的90度RF脉冲，通过有关梯度场方向的翻转替代自旋回波中180度脉冲而产生回波信号的成像技术，该技术扫描时间大大短于SE序列成像时间。第143页,共188页，2024年2月25日，星期天144磁共振成像方法梯度回波的原理：相位回聚Gyφ无梯度正梯度负梯度翻转梯度第144页,共188页，2024年2月25日，星期天145磁共振成像方法第145页,共188页，2024年2月25日，星期天146时序图：RFGpcα°α°GssEchoGronextφssφroφpe第146页,共188页，2024年2月25日，星期天147磁共振成像方法梯度回波信号强度：S=kr(1-exp(-TR/T1))Sin

exp(-TE/T2*)/(1-Cos

exp(-TR/T1))GRE序列只能获得T2＊加权的图像给定T1和TR时，信号的幅度与

角相关：1arccosTTRErnste-=q第147页,共188页，2024年2月25日，星期天148磁共振成像方法扰相梯度：减少剩余磁化采用的手段。使梯度回波序列在较短的TR下获得更大的权重。将加大梯度系统的负担。第148页,共188页，2024年2月25日，星期天149磁共振成像方法横向残余磁化矢量破坏序列第149页,共188页，2024年2月25日，星期天150磁共振成像方法TSE&GRE序列RF后多次进行梯度翻转：两种回波成分第150页,共188页，2024年2月25日，星期天151磁共振成像方法GRE-EPI(Gx翻转)第151页,共188页，2024年2月25日，星期天152磁共振成像方法GRE-spiral螺旋磁共振第152页,共188页，2024年2月25日，星期天153第153页,共188页，2024年2月25日，星期天154磁共振成像方法其他序列：饱和恢复序列（saturationrecovery,SR)部分饱和序列（partialsaturation,PS)反转恢复序列（inversionrecovery,IR)STIR（shorttimeinversionrecovery)SPIR(spectralpresaturationwithinversionrecovery)FLAIR(fluidattenuatedinversionrecovery)IRSE(inversionrecoveryspinecho)回波平面成像序列（echoplanarimage,EPI)第154页,共188页，2024年2月25日，星期天155磁共振成像方法饱和恢复序列使用长TR，纵向弛豫最大，质子密度加权像第155页,共188页，2024年2月25日，星期天156磁共振成像方法部分饱和序列（可测T1）90°RFFID90°90°90°TR第156页,共188页，2024年2月25日，星期天157磁共振成像方法部分饱和恢复序列TR短，得到T1W第157页,共188页，2024年2月25日，星期天158磁共振成像方法翻转序列（抑制某种组织）FIDRF90°180°180°TI第158页,共188页，2024年2月25日，星期天159第159页,共188页，2024年2月25日，星期天160磁共振成像方法IR序列时序图第160页,共188页，2024年2月25日，星期天161磁共振成像方法EPI序列恒定相位编码第161页,共188页，2024年2月25日，星期天162磁共振成像方法EPI序列脉冲式相位编码第162页,共188页，2024年2月25日，星期天163信号强度公式小结Spin-EchoS=kr(1-exp(-TR/T1))exp(-TE/T2)InversionRecovery(180-90)S=kr(1-2exp(-TI/T1)+exp(-TR/T1))InversionRecovery(180-90-180)S=kr(1-2exp(-TI/T1)+exp(-TR/T1))exp(-TE/T2)GradientRecalledEchoS=kr(1-exp(-TR/T1))Sin

exp(-TE/T2*)/(1-Cos

exp(-TR/T1))第163页,共188页，2024年2月25日，星期天164决定信号强度的参量RepetitionTime,TR

EchoTime,TEInversionTime,TIRotationAngle,

T2*第164页,共188页，2024年2月25日，星期天165图像对比与加权T1值和T1图像对比度组织的T1值越短，纵向磁矩分量恢复越快，在测量T1的序列中，呈高信号，图像中相应像素较亮。第165页,共188页，2024年2月25日，星期天166图像对比与加权第166页,共188页，2024年2月25日，星期天167图像对比与加权T2值与T2图像对比度弛豫缓慢（T2长）的组织将保持较高的剩余横向磁化第167页,共188页，2024年2月25日，星期天168图像对比与加权第168页,共188页，2024年2月25日，星期天169图像对比与加权质子密度图像对比度第169页,共188页，2024年2月25日，星期天170图像对比与加权图像的加权调节TR，TE，TI或翻转角等脉冲序列参数，就可达到在图像中突出某一对比度的目的。常将这样获取的图像称为加权像(WI，we