磁共振成像设备MRI-MRI设备之工作原理（医学影像设备）

MRI设备-概述NuclearMagneticResonanceImaging首字母缩写:NMRI为了和原子核及射线的放射性危害区分开来，临床医生建议去掉N，简称为磁共振成像（MRI）MRI的命名1946年美国哈佛大学的E.Purcell及斯坦福大学的F.Bloch领导的两个研究小组各自独立地发现了磁共振现象。Purcell和Bloch共同获得1952年诺贝尔物理学奖；MRI的发展史1968年

Jockson试制全身磁共振；1971年

美国纽约州立大学的达马迪安(RaymondDamadian)对移植入恶性肿瘤的小鼠进行磁共振波谱试验,发现肿瘤组织的T1时间比正常组织的长，并将其研究成果分别以《用NMR信号可以诊断疾病》和《恶性组织中氢的T1时间延长》为题发表在Science杂志上；MRI的发展史1972年

同为美国纽约州立大学的洛特波尔（PaulLauterbur）对传统的核磁共振技术进行了改进，在原空间统一的静磁场上添加一个较弱的可控磁场，通过信号的微弱差别来进行分子位置的定位，从而制出相应的图像；为奖励二者为科学技术做出的卓越贡献，1988年，美国总统里根将象征最高荣誉的国家技术勋章赠给达马迪安和洛特波尔；核磁共振成像技术最初只是一个想法,但随着各种可能性的浮现,这个想法就紧紧吸引了我,使我为之奋斗20多年.我一直相信这项技术可以帮助很多人.MRI的发展史1973年

英国诺丁汉（Nottingham）大学的曼斯菲尔德（PeterMansfield）等认为用线性梯度场来获取磁共振信号的空间定位是一种更有效的成像解决方案，并于1976年使用该方案开发出了一种快速扫描核磁共振成像技术，并获取了第一副人体磁共振断层图像。由此，2003年的诺贝尔医学奖分别颁给了已是古稀老人的洛特波尔和曼斯菲尔德。

MRI最初只是一种想法，但是，一个人一旦产生了某种想法，许多可能性都会凸现出来。在1/4长的时间里，这个想法一直牢牢地抓住我。我想，每个科学家都希望有一天可以被挑选出来获得这一荣誉，。但我必须承认，就个人而言，几年前我就很想得到他了，但总是擦肩而过MRI的发展史诺奖获奖证书MRI的发展史1977年，达马迪安及其同事经过7年的努力，终于建成了人类历史上第一台全身磁共振成像装置（图4-1-1），应用这台装置获取一幅图像，受检者需要被移动106次，采集事件长达4个小时45分钟。

MRI的发展史B:第一幅人体横断面的MR图像;C:同期的CT图像1978年5月28日

马拉德（Mallard）、哈奇森（Hutchison）和洛特波尔用0.04~0.085T的磁共振设备上获得了第一幅人体头部的断层像，其质量已可与同期的CT图像媲美。1980年第一副人体胸腹部MR图像产生，磁共振设备商品化。1982年底

全世界有2000名病例接受MRI检查；1984年

美国FDA批准核磁共振使用于临床；1986年

中国科健公司与美国波士顿的Analogic公司成立合资公司，名位安科公司，开始发展我国的磁共振成像产业，3年后，第一台磁共振成像设备通过鉴定，第二年，第一台国产磁共振落户河北；

1998年

世界磁共振成像年；MRI的发展史对核磁共振技术做出过贡献的17位诺贝尔奖金获得者姓名英文名国籍获奖类别年份获奖原因塞曼PieterZeeman荷兰物理学奖1902光谱在磁场中的能级分裂现象，即塞曼效应昂尼斯HeikeKamerlinghOnnes荷兰物理学奖1913低温物理，特别是超导现象的发现拉比IsidorIsaacRabi美国物理学奖1944测量原子核的磁性，探讨核力的性质、核模型的建立等方面的贡献柏塞尔EdwardPurcell美国物理学奖1952发现核磁共振现象（能量吸收观点）布洛克FelixBlock美国物理学奖1952发现核磁共振现象（磁化进动的观点）兰姆WillisEugeneLamb美国物理学奖1955光谱结构的研究，兰姆移动定律库什PolykarpKusch美国物理学奖1955电子磁矩的精确测量汤斯CharlesHardTownes美国物理学奖1964指出了金属磁共振中的奈特位移机制卡斯特勒AlfredKastler法国物理学奖1966光磁双共振技术及其实验方法MRI的发展史姓名英文名国籍获奖类别年份获奖原因范弗莱克VanVleck美国物理学奖1977阐明了固体磁学性能，“现代磁学之父“布洛姆伯根Bloembergen美国物理学家1981高分辨率光谱学陶布HenryTaube美国化学家1983金属配位化合物电子转移机理研究方面拉姆塞NormanRamsey美国物理学家1989化学位移理论以及交变场的方法的提出厄恩斯特RichardErnst美国化学家1991傅立叶变换磁共振及二维高分辨率共振波谱的重大贡献维特里希KurtWuthrich瑞士化学家、生物物理学家2002发明了生物大分子的质谱分析法洛特波尔PaulLauterbur美国化学家，物理学家2003生理医学奖，梯度场的应用及二维成像法曼斯菲尔德PeterMansfield英国物理学家2003生理及医学奖，磁共振成像方面的开拓性研究及其快速回波平面成像序列的开发具体可访问：Http://www.nobel.se/nobel/index.htmlMRI的发展史利用人体氢质子的MR信号成像，从分子水平提供诊断信息；任意截面成像；软组织图象更出色；不受骨伪影的影响；无电离辐射,一定条件下可进行介入MRI治疗组织对比灵活MRI的优点任意界面成像MRI的优点软组织图象更为出色MRI的优点T2组织对比度灵活MRI的优点成像速度慢（相对于X-CT而言）对钙化灶和骨皮质灶不敏感图像易受多种伪影影响禁忌症：心脏起搏器及铁磁性植入者等定量诊断困难MRI的局限性与其他方式比较与其他方式比较与其他方式比较与其他方式比较与其他方式比较与其他方式比较发展目的：缩短成像时间提高图像质量降低成像费用更舒适、人性化的受检环境MRI的发展方向设备方面的发展1、主磁体方面：超高场磁体迅速进入临床短磁体突破长度极限（Philips的Intera3.0的长度仅1.57米）开放型磁体向高场发展超导磁体整体性能进一步提高高温超导磁体的应用2、高性能的梯度子系统梯度场的开关速度继续提高双梯度场和梯度线圈的多样化梯度线圈的低涡流设计梯度线圈的低噪声设计MRI的发展方向3、高效线圈、信号采集的数字化和多通道化全景相控阵线圈肢体血管成像的多通道相控阵线圈带有光刺激装置的功能成像线圈腔内线圈多单元相控阵心脏专用线圈全数字化和多通道化4、从四肢和乳腺专用机到头和心脏专用系统的实现5、移动床的MRI6、MRI系统的环保理念7、MRI系统的人性化设计8、对计算机的要求及其网络化趋势MRI的发展方向设备方面的发展成像技术方面的进展1、心脏检查的若干进展2、血管成像3、功能成像4、水成像5、介入治疗中的MRI6、实时交互式成像MRI的发展方向快速和超快速序列的开发和设计，包括1、缩短TR的快速扫描技术2、减少激发次数的快速扫描技术3、减少采集次数的快速扫描技术4、并行成像技术序列软件方面的发展MRI的发展方向磁共振成像的展望1、系统的价格将大幅度下降：得益于高温超导材料的应用；2、MRI的市场将持续增长：全世界3万台，我国2000台；发达国家25台/百万人；我国为1.3台/百万人；3、高场和超高场系统将占市场主流4、低场永磁系统也会继续发挥临床作用；5、设备的专用化和多样化；6、人性化的外观和结构设计；7、新型造影剂将发挥更大作用；8、不同影象模式的融合9、MRI的临床应用将更加扩大（每年的临床应用比例提高10%~15%）MRI的发展方向发展热点：fMRI:功能磁共振成像，主要指脑功能磁共振成像MRS:磁共振波谱分析，化学位移、核磁矩、元素确定、体内化学成分分析新的成像核素的开发，如31P专用小型磁共振的开发，如关节磁共振站立式磁共振（STAND-UPMRI）MRI的发展方向MRI设备-成像原理MRI基本原理当处于静磁场中的物质受到电磁波的激励时，如果射频电磁波的频率与静磁场强度的关系满足拉莫尔方程，则组成物质的一些原子核会发生共振，即所谓核磁共振。这里，原子核吸收射频电磁波的能量，当射频电磁波撤掉后，吸收了能量的原子核又会把这部份能量释放出来，即发射所谓核磁共振信号。通过测量和分析这种共振信号，可以得到物质结构中的许多化学和物理信息。能够产生共振跃迁的原子核恒定的静磁场一定频率的交变磁场MRI产生条件原子核及磁特性原子核的一般特性同位素：质子数相同，中子数不同的核构成的元素

H有三种同位素：只有质子，没有中子临床MRI主要原子核自旋（spin)——MRI基础原子核及磁特性自旋磁矩原子核自旋运动产生的微观磁场：

—磁旋比，磁矩与角动量之比

—约化普朗克常数：净自旋只有奇数质子或奇数中子数的原子核产生的自旋磁矩泡利不相容原理：原子核内成对质子或中子的自旋相互抵消原子核及磁特性原子核及磁特性临床MRI主要原子核人体组织中氢核多于任何元素氢质子容易产生磁化原子核及磁特性自旋核磁矩在外加磁场中能量磁化：磁场中样体在外磁场作用下，在磁场方向上产生磁性的过程。大小用磁化强度m表示磁化率：样体在磁场中被磁化产生磁化的能力。（磁敏感性）磁化强度来源：原子核自旋磁矩核外电子分布*

自旋在磁场中的运动---进动原子核及磁特性原子核及磁特性剩余自旋与净磁化剩余自旋：平衡磁场中上旋态核磁矩与下旋态核磁矩之差净磁化：平行于磁场方向由剩余自旋产生的磁化矢量（宏观磁化矢量）净磁化的产生原子核及磁特性共振的条件：

原子核在进动中吸收外界能量产生能级跃迁现象

外界能量：短射频脉冲激发源、射频磁场RF

自旋磁矩在主磁场中进动.射频脉冲频率必须与磁场中自旋磁矩的旋进频率相同，与宏观磁化M的固有频率相同，与质子的拉莫频率相同。射频对自旋系统做功，系统内能增加，在RF激发下，宏观磁化矢量产生共振—NMR。RF脉冲的作用原子核及磁特性RF脉冲的作用激发—射频磁场对自旋系统的作用过程核磁共振——原子核自旋系统吸收相同频率的射频磁场能量而从平衡态变为激发态的过程系统激发后特征：MZ<M0；MXY0MRI中的弛豫原子核系统从受激的不平衡态向衡态恢复的过程包括两方面:

纵向磁化分量MZ的恢复横向磁化分量MXY的衰减磁化强度矢量的弛豫过程原子核及磁特性a.横向弛豫：在垂直于主磁场的横向磁化矢量由初始值逐渐复零的过程。满足下式，T2称为横向弛豫时间，经过T2，Mxy减少63%。由于磁矩之间的相互作用，各磁矩的旋进速度不一样，从而使基本一致的取向逐渐消失，变为在横向杂乱无章的排列，从而使横向磁化矢量减小至最后为零。又称自旋——自旋弛豫。主要反应样品磁环境的不均匀性。b.纵向弛豫：和主磁场方向平行的磁化矢量由零逐渐恢复最大值的过程。满足下式，T1称为纵向弛豫时间，经过T1，Mz恢复63%。这是由于热辐射的存在，从低能态跃迁至高能态的磁矩逐渐跃迁至低能态，恢复平衡态。这一驰豫过程常又称热弛豫或自旋——晶格弛豫。主要反映局部的能量交换信息。一般说来，纵向弛豫时间远大于横向弛豫时间。而且，不同的组织与器官的弛豫时间显著不同，从而对软组织及器官有特殊的分辨能力。在主磁场为0.4~2T时，人体组织T1~103ms，T2~102ms。空间定位空间定位