磁共振成像原理

1、磁共振成像原理磁共振成像原理lMRI簡介簡介 磁共振成像（MRI，magnetic resonance imaging）是根據(jù)生物體磁性核（氫核）在磁場中的表現(xiàn)特性成像的高新技術。二十余年來，隨著超導技術、低溫技術、磁體技術、電子技術、成像技術和計算機等相關技術的進步，MRI技術得到了飛速發(fā)展。如今，它已廣泛應用于臨床，成為現(xiàn)代醫(yī)學影像領域中不可缺少的一員。 磁共振成像的物理基礎為核磁共振（NMR，nuclear magnetic resonance）理論。所謂NMR，是指與物質(zhì)磁性核磁場有關的共振現(xiàn)象，也可以說它是低能量電磁波，即射頻波與既有角動量又有磁矩的核系統(tǒng)在外界磁場中相互作用所表現(xiàn)出

2、來的共振特性。NMR的本質(zhì)為一種能級間躍遷的量子效應。實驗結果表明，利用這一現(xiàn)象可以研究物質(zhì)的微觀結構。據(jù)此，人們以不同的射頻脈沖序列對生物組織進行激勵，并利用線圈檢測組織的弛豫和質(zhì)子密度信息，就出現(xiàn)了MRI技術。正因為這樣，磁共振成像曾被稱為核磁共振成像（NMRI）。單數(shù)質(zhì)子原子核的特點單數(shù)質(zhì)子原子核的特點l原子核質(zhì)子、中子l單數(shù)質(zhì)子的原子核具有自旋特性，即具有磁性l如1H、31P、23Nal只有具有磁性的原子核才能產(chǎn)生磁共振現(xiàn)象l磁性原子核繞著自己的軸進行高速旋轉的特性為自旋，由于質(zhì)子帶有正電荷，隨之旋轉的電荷則產(chǎn)生電流，即質(zhì)子的轉動就相當于一個環(huán)形電流。根據(jù)基礎的電磁理論我們知道，通電的

3、環(huán)形線圈周圍都有磁場存在，相當于一塊磁鐵，所以轉動的質(zhì)子也相當于一個小磁體，具有自身的南北極及磁力，質(zhì)子自身具有磁性，在其周圍產(chǎn)生磁場并具有自身磁矩。l磁矩是矢量，具有方向和大小，我們把這種由帶有正電荷的磁性原子核自旋產(chǎn)生的磁場稱為核磁用于人體磁共振成像的原子核用于人體磁共振成像的原子核l人體內(nèi)有許多磁性原子核，理論上這些原子核均可用于磁共振成像，但一般用于人體磁共振成像的為1H，1H只有一個質(zhì)子而沒有中子，被稱為氫質(zhì)子或質(zhì)子。l氫質(zhì)子的摩爾濃度最高為99，第二位的14N為1.6，1H的磁化率最高，因此：1.1H 是人體內(nèi)最多的原子核，占人體原子核總數(shù)的23，因此可以產(chǎn)生較強的磁共振信號。2.

4、1H的磁化率在人體最高，也可以產(chǎn)生較強的磁共振信號3.1H存在于人體的各種組織中，具有生物代表性。人體組織人體組織MRIMRI信號的主要來源信號的主要來源l并非所有的H都能產(chǎn)生MRI信號，常規(guī)MRI信號來源于水分子中的H，部分來自脂肪l人體組織的水分子分為自由水和結合水，結合水為蛋白質(zhì)大分子周圍水化層的水分子，其粘附在蛋白質(zhì)大分子部分集團上，與蛋白質(zhì)大分子不同程度結合在一起。自由水為未和蛋白質(zhì)大分子粘合在一起，活動充分自由的水分子。l人體的自由水和結合水可以互換，處于平衡狀態(tài)。l不同分子的H進動頻率存在差別，蛋白質(zhì)大分子中H的進動頻率大多偏離MRI的中心頻率，一般情況下不能被射頻脈沖激發(fā)，不產(chǎn)

5、生信號。l對于不含脂肪的組織，其MRI信號直接來源是自由水，結合水和蛋白質(zhì)都不直接產(chǎn)生信號l正常人體內(nèi)由于氫質(zhì)子排列無序，雖然具有若干氫質(zhì)子，人體并無磁場存在。 雜亂無章的氫質(zhì)子凈磁矩為0置入靜磁場內(nèi)的人體磁場置入靜磁場內(nèi)的人體磁場l將人體置入一個強大的靜磁場內(nèi)，人體內(nèi)氫質(zhì)子隨之整齊排列，形成磁矩（有方向有強度的磁場）。l進入主磁場的小磁場有兩種排列方式，一種為與主磁場方向相同（低能級質(zhì)子受主磁場約束），另一種與主磁場方向相反（高能級質(zhì)子可以對抗主磁場的作用）。l與主磁場方向相同的小磁場數(shù)目大于與主磁場方向相反的數(shù)目，所以人體組織內(nèi)產(chǎn)生了一個與主磁場方向一致的宏觀縱向磁化矢量質(zhì)子的運動方式與進

6、動頻率質(zhì)子的運動方式與進動頻率l運動方式：自旋、進動l進動頻率取決于：元素種類、外加磁場強度l進入主磁場后無論是處于低能級還是處于高能級的質(zhì)子，其磁化矢量并非完全與主磁場方向平行，而總是與主磁場有一定的角度。陀螺在旋轉力與地球引力的相互作用下，不僅存在旋轉運動，還出現(xiàn)以地球引力為軸的旋轉擺動，這種旋轉擺動的頻率遠低于旋轉運動。處于主磁場的氫質(zhì)子也一樣，除了自旋運動外，其小核磁還繞著主磁場軸進行旋轉擺動，我們把氫質(zhì)子的這種旋轉擺動稱為進動。 由于進動的存在，質(zhì)子自旋產(chǎn)生的小磁場又可以分解成兩個部分，即縱向磁化分矢量和橫向磁化分矢量。l質(zhì)子的縱向磁化分矢量的方向是不變的，最后會產(chǎn)生一個與主磁場同向

7、的宏觀縱向磁化矢量。l由于質(zhì)子在進動，其橫向磁化矢量在XY平面作旋轉，因此方向處于不斷的動態(tài)變化中，盡管每個氫質(zhì)子的小核磁都有橫向磁化分矢量，但各個氫質(zhì)子的橫向磁化分矢量在360圓周中所處的位置不同，即相位不同，橫向磁化分矢量相互抵消，因此沒有宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生。l人體組織進入主磁場后被磁化了，產(chǎn)生了宏觀的縱向磁化矢量，某一組織（或體素）產(chǎn)生的宏觀縱向矢量的大小與其含有的質(zhì)子數(shù)有關，質(zhì)子含量越高產(chǎn)生宏觀縱向磁化矢量越大。但是相對強度很大的主磁場來說組織產(chǎn)生的宏觀縱向磁化矢量是非常微小的，MR接收線圈不能檢測到宏觀縱向磁化矢量，也就不能區(qū)分不同組織之間因質(zhì)子含量差別而產(chǎn)生的宏觀縱向磁化矢量的差

8、別。l磁共振信號的探測，利用發(fā)電機的原理，磁力線切割線圈，產(chǎn)生電流，把動能轉化為電能。l但是進入主磁場后人體組織產(chǎn)生的宏觀縱向磁化矢量保持穩(wěn)定，其方向不發(fā)生變化，不會切割接收線圈而產(chǎn)生電信號，而如果組織中有一個旋轉的宏觀橫向磁化矢量，它切割線圈而產(chǎn)生電信號，因此接收線圈能夠探測到的是旋轉的宏觀橫向磁化矢量。l如何讓人體組織產(chǎn)生一個接收線圈能夠探測到的旋轉宏觀橫向磁化矢量呢？磁共振現(xiàn)象磁共振現(xiàn)象l如果給處于主磁場中的人體組織一個射頻脈沖，這個射頻脈沖的頻率與質(zhì)子的進動頻率相同，射頻脈沖的能量將傳遞給處于低能級的質(zhì)子，其獲得能量后將躍遷至高能級，我們把這種現(xiàn)象稱為磁共振現(xiàn)象（微觀角度）。l從宏觀角

9、度來說，磁共振現(xiàn)象的結果是使宏觀縱向磁化矢量發(fā)生偏轉，偏轉角度與射頻脈沖能量有關，能量越大偏轉角度越大。如果射頻脈沖使宏觀縱向磁化矢量偏轉的角度小于90，稱這種脈沖為小角度脈沖。當射頻脈沖的能量剛好可以使宏觀縱向磁化矢量偏轉90，即完全偏轉到X、Y平面并產(chǎn)生一個最大的旋轉宏觀橫向磁化矢量，我們稱該脈沖為90脈沖。射頻脈沖最大可發(fā)射180，將磁化矢量偏轉至反向。射頻磁場的作用射頻磁場的作用l向外磁場內(nèi)的氫質(zhì)子施加具有Larmor頻率的RF脈沖發(fā)生磁共振后，產(chǎn)生兩個同時發(fā)生的作用：l1.低能級的質(zhì)子吸收RF脈沖的能量躍遷到高能級，使之在外磁場中排列方向由同向平行變?yōu)榉聪蚱叫?，進而抵消了相同數(shù)目低能

10、級質(zhì)子的磁力，縱向磁化矢量Mz變小l2.受射頻脈沖磁場磁化作用，進動的質(zhì)子趨向射頻脈沖磁場方向而變?yōu)橥酵龠\動，即處于同相位核磁弛豫核磁弛豫l以90射頻脈沖為例，當90脈沖關閉，組織的宏觀橫向磁化矢量從最大逐漸縮小至完全衰減，而縱向宏觀磁化矢量從零逐漸恢復至最大即平衡狀態(tài)。l核磁弛豫分解成兩個相對獨立的部分：l1.橫向磁化矢量逐漸減小至消失，稱為橫向弛豫l2.縱向磁化矢量逐漸恢復至最大（平衡狀態(tài)）稱為縱向弛豫l一般用T1值描述組織的縱向弛豫的快慢。90射頻脈沖關閉后某組織宏觀縱向磁化矢量為零時刻為起點，至其恢復至最大值63為終點，這之間的時間間隔即為該組織的T1值。l一般用T2值來，描述組織

11、橫向弛豫的快慢。以宏觀橫向磁化矢量最大時刻為起點，至其衰減至最大值37為終點，這之間的間隔時間即為該組織的T2值。磁共振加權成像磁共振加權成像l加權就是“重點突出”的意思，就是重點突出組織某方面特性的意思。lT1加權成像（T1WI)是指圖像中組織信號強度的高低主要反映組織的縱向弛豫差別。lT2加權成像（T2WI）是重點突出不同組織之間的橫向弛豫差別。l質(zhì)子密度加權成像（PDWI）主要反映單位體積不同組織之間質(zhì)子含量差別。磁共振信號的空間定位磁共振信號的空間定位l如果能在被檢體所在空間內(nèi)隨意改變各點的場強，就可使該空間內(nèi)各點的共振頻率發(fā)生變化，從而得到空間信息。通過在靜磁場B0上疊加梯度磁場而得

12、以實現(xiàn)。l梯度磁場指在一定方向上磁場強度的變化情況。通常為線性梯度，即在一定方向上場強與位置成正比。l解剖學中定義了三個標準斷面，所以用三個梯度場可以定位。lX梯度場建立在主磁場X軸方向上，形成從病人右側到左側，強度由低到高呈線性變化的梯度場。lY梯度場建立在磁場Y軸方向上，形成從病人上到下的線性變化梯度磁場。lZ梯度場以人體長軸自下而上設計，作用是一端削弱主磁場強度，一端加強其強度。l一個梯度場完成層面定位和選擇，另外兩個完成圖像的空間編碼。l層面選擇和層厚選擇層面選擇和層厚選擇頻率編碼頻率編碼l前面的層面選擇僅確定了被激發(fā)采集二維層面的中心位置及其厚度，這時采集的MR信號包含有全層的信息，

13、我們必須把采集的MR信號分配到層面內(nèi)不同的空間位置上（即各個像素中），才能顯示層面內(nèi)的不同結構。所以必須進行層面內(nèi)的空間定位編碼，頻率編碼和相位編碼。l一般以前后方向為頻率編碼方向，所以在MR信號采集時刻在前后方向施加一個前高后低的梯度場，這樣前后方向上的質(zhì)子因感受到的磁場強度不同，因而進動頻率產(chǎn)生差別，我們就可以采集到包含不同頻率的空間信息，經(jīng)傅里葉變換后不同頻率的MR信號就被區(qū)分出來，分配到前后方向各自的位置上。相位編碼相位編碼l經(jīng)傅里葉變換后MR信號僅完成前后方向的空間信息編碼，而左右方向上并未實現(xiàn)。l和頻率編碼一樣相位編碼也使用梯度場，不同的是（1）梯度場施加方向是在頻率編碼的垂直方向上，在臨床上根據(jù)需要相位編碼方向和頻率編碼方向是可以互換的。（2）施加時刻不同，頻率編碼必須在信號采集過程中同時施加，而相位編碼必須在信號采集前施加，信號采集過程中相位編碼梯度場必須關閉。（3）一幅圖像的每個MR信號的頻率編碼梯度場方向和大小都是一樣的，而各個MR信號的相位編碼梯度場強度和（或）方向是不同的。l我們在左右方向上施加一個左高右低的相位編碼梯度場，這樣左右方向上的質(zhì)子因感