磁共振成像的原理

关于磁共振成像的原理

利用生物内特定原子磁性核(多为氢核)在磁场中表现出磁共振作用而产生信号，经计算机空间编码，重建而获得图像的一种技术。磁共振成像(MRI)第2页,共63页，2024年2月25日，星期天人体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3页,共63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4页,共63页，2024年2月25日，星期天地磁、磁铁、核磁示意图第5页,共63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6页,共63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。第7页,共63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8页,共63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9页,共63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，人体组织标本并不表现出宏观磁化矢量。第10页,共63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11页,共63页，2024年2月25日，星期天在外磁场(B0)的作用下，则核磁矩沿着外磁场方向排列.B0位能高，逆磁场方向位能低，顺磁场方向，稳定进入静磁场后，氢核磁矩发生规律性排列（正负方向）,正负方向的磁矢量相互抵消后，少数正向排列（低能态）的氢核合成总磁化矢量M，即为MR信号基础.第12页,共63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13页,共63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？？？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。第14页,共63页，2024年2月25日，星期天进入主磁场前后质子核磁状态对比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，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。第15页,共63页，2024年2月25日，星期天进动进入磁体后，质子在自旋的同时还沿主磁场方向作圆周运动这种复合运动被称为“进动”第16页,共63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17页,共63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18页,共63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19页,共63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20页,共63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21页,共63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小结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22页,共63页，2024年2月25日，星期天某一组织（或体素）产生的宏观矢量的大小与其含有的质子数有关，质子含量越高则产生宏观纵向磁化矢量越大。我们可能认为MRI已经可以区分质子含量不同的组织了。然而遗憾的是MRI仪的接收线圈并不能检测到宏观纵向磁化矢量，也就不能检测到这种宏观纵向磁化矢量的差别。

接受线圈能够检测到的是旋转的宏观横向磁化矢量，因为旋转的宏观横向磁化矢量可以切割接收线圈产生电信号。第23页,共63页，2024年2月25日，星期天MR只能采集旋转的横向磁化矢量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24页,共63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25页,共63页，2024年2月25日，星期天共振共振：能量从一个震动着的物体传递到另一个物体，而后者与前者具有相同的频率震动。第26页,共63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27页,共63页，2024年2月25日，星期天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第28页,共63页，2024年2月25日，星期天磁共振成像过程人体→进入磁场→磁化→施加射频脉冲→氢核磁矩发生90。偏转，产生能量→射频脉冲停止、弛豫过程开始，释放所产生的能量（形成MR信号）→信号接收系统→计算机系统。第29页,共63页，2024年2月25日，星期天磁共振现象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，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。第30页,共63页，2024年2月25日，星期天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。第31页,共63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32页,共63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33页,共63页，2024年2月25日，星期天弛豫过程射频脉冲停止后,已吸收能量发生共振的质子群磁矩释放能量,回到原平衡状态的过程称核磁弛豫。弛豫过程用两个时间来表示：纵向弛豫Ｔ1、横向弛豫Ｔ２。第34页,共63页，2024年2月25日，星期天核磁驰豫

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。第35页,共63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第36页,共63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37页,共63页，2024年2月25日，星期天T2时间T2时间：测量横向驰豫的时间定义：横向磁化矢量从由最大衰减至37%所经历的驰豫时间。第38页,共63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第39页,共63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40页,共63页，2024年2月25日，星期天T1时间T1时间：测量纵向驰豫的时间定义：纵向磁化矢量从最小恢复至平衡态的63%所经历的驰豫时间第41页,共63页，2024年2月25日，星期天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”。第42页,共63页，2024年2月25日，星期天磁共振加权成像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。

第43页,共63页，2024年2月25日，星期天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。第44页,共63页，2024年2月25日，星期天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。第45页,共63页，2024年2月25日，星期天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°脉冲。第二个90°脉冲后，甲、乙两组织的宏观纵向磁化矢量将发生偏转，产生宏观横向磁化矢量，因为这时甲组织的纵向磁化矢量大于乙组织，其产生的横向磁化矢量将大于乙组织，马上检测MR信号，甲组织产生的MR信号将高于乙组织，这样就实现了T1WI。在T1WI上，组织的T1值越小，其MR信号强度越大。

第46页,共63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47页,共63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48页,共63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49页,共63页，2024年2月25日，星期天总结一下MR成像的过程把病人放进磁场

人体被磁化产生纵向磁化矢量发射射频脉冲

人体内氢质子发生共振从而产生横向磁化矢量关掉射频脉冲

质子发生T1、T2弛豫（同时进行空间定位编码）

线圈采集人体发出的MR信号

计算机处理（付立叶转换）

显示图像第50页,共63页，2024年2月25日，星期天脉冲序列自旋回波序列（SE）快速自旋回波序列(FSE)部分饱和序列（SR）反转恢复序列（IR）梯度回波序列（GE/GRE）回波平面成像序列（EPI

）第51页,共63页，2024年2月25日，星期天扫描参数重复时间（TR）:为两次RF激发间隔的时间回波时间（TE）：为激发后到测量回波的时间翻转角（FA）：RF的角度第52页,共63页，2024年2月25日，星期天自旋回波序列－ＳＥ自旋回波序列为最常用的脉冲序列。先发射90º脉冲，隔TE/2后再发射180º脉冲，至ＴＥ时间测量回波信号，重复这一过程，完成所有采集。两90º脉冲间的时间为重复时间TR。第53页,共63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54页,共63页，2024年2月25日，星期天自旋回波序列－ＳＥ

90180回波回波90180TETRTE：回波时间TR：重复时间第55页,共63页，2024年2月25日，星期天影响MR信号强度的因素

组织的MR信号强度可用下式来表示：

SI=K.N(H).e(-TE/T2).[1-e(-TR/T1)]SI为信号强度；K为常数；N(H)是质子密度；e为自然常数，等于2.71828182845904；TE为回波时间；TR为重复时间；T2为组织的T2值；T1为组织的T1值。第56页,共63页，2024年2月25日，星期天影响MR信号强度的因素当TE很短（<<T2），则e(-TE/T2)≈1，这时组织信号强度不受T2值的影响，即基本剔除了T2效应，到的将是T1WI或PD；当TR很长（>>T1），则e(-TR/T1)≈0，[1-e(-TR/T1)]≈1，这时组织信号强度几乎不受T1值的影响，即基本剔除了T1效应；到的将是T2WI或PD如果TR很长（>>T1），同时很短（<<T2），则组织信号强度既不受T1值影响，也不受T2值影像，而仅与N(H)有关，得到将只能是PD。第5