磁共振成像（MRI〕原理與磁共振機的主要結(jié)構(gòu)

1、磁共振成像（MRI原理與磁共振機的主要結(jié)構(gòu) 一、磁共振成像磁共振成像：Magnetic Resonance Imaging，MRI是利用人體內(nèi)原子核在磁場內(nèi)與外加射頻磁場發(fā)生共振而產(chǎn)生影像的一種成像技術(shù),它既能顯示形態(tài)學結(jié)構(gòu)，又能顯示原子核水平上的生化信息及某些器官的功能狀況，更有無輻射的優(yōu)點，其發(fā)展?jié)摿薮蟆６?、MRI基本原理MRI影像形成的基本原理(一)、原子核的自旋特性 含單數(shù)質(zhì)子的原子核，例如人體內(nèi)廣泛存在的氫原子核，其質(zhì)子有自旋運動，帶正電，產(chǎn)生磁矩，有如一個小磁體。(一)原子核的自旋特性 在有自旋特性的原子核周圍存在的這個微觀磁場是磁偶極子，就是所謂的原子核的自旋磁矩。 在沒有外加

2、磁場時，各個質(zhì)子由于熱運動而處于雜亂無章的任意排列狀態(tài)，磁矩方向各不相同，相互抵消，所以在宏觀上不顯磁性。(二)外磁場對原子核自旋的影響 當外部施加一個恒定磁場后，則質(zhì)子沿外加磁場方向排列，產(chǎn)生凈磁化。(二)外磁場對原子核自旋的影響 在外磁場作用下，低能級的質(zhì)子數(shù)目要多于高能級的質(zhì)子，在大量原子分布的情況下，原子在不同能級上分布的數(shù)目與溫度與外磁場強度有關(guān)。(二)外磁場對原子核自旋的影響 在一定溫度和磁場條件下，自旋質(zhì)子就產(chǎn)生了一個沿外磁場方向的宏觀磁矩，這樣當原子核圍繞自己的軸作自旋運動時，外加磁場又會產(chǎn)生一個旋力臂作用于自旋質(zhì)子的磁矩上，使得質(zhì)子旋進于一個錐形的磁矩軸上，稱為拉莫進動。(二

3、)外磁場對原子核自旋的影響 質(zhì)子進動的速度用進動頻率來衡量，也就是質(zhì)子每秒進動的次數(shù)，進動頻率與外加磁場的強度成正比，場強越高，進動頻率越高。(二)外磁場對原子核自旋的影響 00：磁旋比常數(shù) 0：外加磁場強度0:質(zhì)子進動頻率拉莫（Larmor)頻率原子核的共振頻率(二)外磁場對原子核自旋的影響 由于有無數(shù)個質(zhì)子在進動，其磁矩在X和Y軸方向上的分量將相互抵消，只有沿Z軸方向的分量疊加起來形成了縱向磁化矢量，它不能被直接測量。（三電磁感應現(xiàn)象電流通過金屬導線可以產(chǎn)生磁場金屬導線切割磁力線產(chǎn)生電流變化磁場強度在金屬導線（線圈內(nèi)可以產(chǎn)生感應電壓和感應電流（四射頻脈沖電場和磁場隨時間而變化稱為電磁輻射。

4、射頻（RF脈沖是一種無線電波，也是電磁波的一種，它的主要作用是擾亂沿外加磁場方向?qū)庫o進動的質(zhì)子的進動。只有RF脈沖與自旋質(zhì)子的進動頻率相同時，才能向質(zhì)子傳遞能量。（五核磁共振現(xiàn)象當RF脈沖頻率與質(zhì)子進動頻率相同時，質(zhì)子就從中吸收能量，這稱為核磁共振現(xiàn)象。此時RF脈沖頻率 00（五核磁共振現(xiàn)象施加RF脈沖后，質(zhì)子吸收了能量，能級就會提高，這會產(chǎn)生兩方面的效應：1、質(zhì)子能級提高，使得縱向磁化矢量減小，最終為零，稱為飽和狀態(tài)。（五核磁共振現(xiàn)象2、進動的質(zhì)子相位一致，做同步同速運動，使得在橫軸方向上的磁化矢量得以疊加，并產(chǎn)生一個新的橫向磁化矢量，RF脈沖的強度越大，持續(xù)時間越長，橫向進動偏轉(zhuǎn)的角度就越

5、大。（六核磁共振弛豫 當質(zhì)子系統(tǒng)達到飽和狀態(tài)后，停止RF磁場后，激勵過程結(jié)束。隨后，吸收能量躍遷到高能級的質(zhì)子將釋放吸收的能量，很快回到外加磁場原先排列的平衡位置，這一過程稱為核磁弛豫。橫向磁化矢量逐漸消失，稱為橫向弛豫縱向磁化矢量恢復原狀，稱為縱向弛豫（六核磁共振弛豫 在磁共振領域中，將質(zhì)子周圍的原子統(tǒng)稱為晶格。縱向弛豫就是質(zhì)子自旋磁矩將能量釋放傳遞給晶格原子的過程，所以也叫自旋-晶格弛豫。 RF脈沖停止后，縱向磁化矢量恢復到原來的數(shù)值所需要的時間稱為縱向弛豫時間，簡稱T1,實際中將縱向磁化矢量從0恢復到最大值的63%所需的時間定義為T1 時間。 T1是一個時間常數(shù)，描述組織的縱向磁化矢量恢

6、復的快慢程度。其長短依賴于組織成分、結(jié)構(gòu)和環(huán)境，如水為長T1，脂肪為短T1 。（六核磁共振弛豫（六核磁共振弛豫 RF脈沖停止后，質(zhì)子很快失去相位一致性,這是由于原子核之間的相互作用，而沒有能量從原子核向周圍晶格中的轉(zhuǎn)移，所以也成為自旋-自旋弛豫。 此過程中，橫向磁化矢量逐步抵消而變小直至為零。實際中把橫向磁化矢量衰減至其最大值的37%的時間定義為橫向弛豫時間，簡稱T2 。 T2與人體組織的固有小磁場有關(guān),如大分子比小分子快,結(jié)合水比游離水快。（六核磁共振弛豫（六核磁共振弛豫（六核磁共振弛豫小結(jié)： 這種組織間弛豫時間上的差別，是MRI的成像基礎。有如CT時，組織間吸收系數(shù)（CT值）差別是CT成像

7、基礎的道理。但MRI不像CT只有一個參數(shù)，即吸收系數(shù)，而是有T1、T2等幾個參數(shù)。因此，獲得選定層面中各種組織的T1（或T2）值，就可獲得該層面中包括各種組織影像的圖像。（七自由感應衰減 磁共振設備中，接收信號用的線圈平面與主磁場平行，工作頻率接近拉莫頻率。 當質(zhì)子磁化矢量只受主磁場作用時，由于自由進動與主磁場方向一致，所以無法測量。而當RF脈沖對組織激勵又停止后，組織出現(xiàn)了弛豫過程，橫向磁化矢量的變化能使位于被檢體周圍的接收線圈產(chǎn)生隨時間變化的感應電流，其大小與橫向磁化矢量成正比，將這個電流信號放大后即為MR信號，它是一個隨時間周期性不斷衰減的電流，又因為它是由自由進動感應產(chǎn)生的，所以叫自由

8、感應衰減。（七自由感應衰減（八MR信號的空間編碼 一幅MR影像由垂直方向的象素行和水平方向的象素列共同組成，同時又對應著一定層厚的體素組成的一個層面，稱為MR信號的空間位置。 采集MR信號空間位置信息的方法稱為空間編碼，拉莫方程，00是空間編碼技術(shù)的基礎。（九原理總結(jié) 綜上所述，磁共振成像主要包括三方面的內(nèi)容：1、激發(fā)產(chǎn)生磁共振現(xiàn)象并測量磁共振信號的RF脈沖序列；2、確定信號位置的空間編碼；3、將所測量的磁共振信號及其位置信息重建成磁共振影像。三、MRI系統(tǒng)的組成與功能MRI系統(tǒng)主要由以下五部分構(gòu)成：1、主磁體系統(tǒng)2、梯度磁場系統(tǒng)3、射頻（RF）系統(tǒng)4、計算機處理系統(tǒng)5、輔助設備MRI掃描機基

9、本結(jié)構(gòu)示意圖（一）主磁體系統(tǒng) 主磁體是MRI系統(tǒng)的核心部分之一，其功能是提供使原子核定向所必須的靜磁場。 應用于臨床醫(yī)療的MRIT(特斯拉)。1、磁體主要性能指標磁場強度： 場強越高，MR信號越強，影像信噪比越大磁場均勻度： 決定了圖像的空間分辨率和信噪比磁場穩(wěn)定性： 是衡量場強隨時間而飄移程度的指標磁體孔腔： 孔腔大小限制了被檢者的體型大小2、磁體類型（1）永磁型磁體： 磁體由具有鐵磁性的永磁材料構(gòu)成，其場強相當穩(wěn)定，維護簡單，線圈效率高。T。磁體龐大、笨重，磁場均勻度受室溫影響較大，穩(wěn)定性差。2、磁體類型國產(chǎn)安科公司第二代開放式永磁型磁共振成像系統(tǒng) 2、磁體類型（2）常導型（阻抗型）磁體：

10、 由電流通過導線產(chǎn)生磁場，其磁力線與受檢人體長軸平行。 安裝容易，造價低。但磁場均勻度和穩(wěn)定性較差，受室溫影響大。T。2、磁體類型（3）超導型磁體： 由電流通過導線產(chǎn)生磁場，但導線為超導材料，置于液氦之中，溫度為-273，此時線圈電阻為零。 在勵磁以后，電流可以無衰減地循環(huán)流動，產(chǎn)生穩(wěn)定、均勻、高場強的磁場，且不受室溫影響大。場強最高可達8T，醫(yī)用一般小于2T。 由于需液氦，運行維護費用較高。2、磁體類型GE Signa CV/i 1.5T 超導型MR機2、磁體類型勻場線圈： 任何磁體都不會產(chǎn)生絕對均勻的磁場，所以還要加上一組勻場線圈，一般由鈮鈦合金制成，置于磁體中心，梯度線圈外,在安裝時由工

11、程師設定調(diào)整，可將磁場均勻性提高100倍以上。MRI掃描機基本結(jié)構(gòu)示意圖MRI掃描機（二）梯度磁場系統(tǒng) 梯度磁場系統(tǒng)也是MRI系統(tǒng)的核心部分之一，它利用梯度線圈產(chǎn)生相對主磁場來說較微弱的在空間位置上變化的磁場，并疊加在主磁場上，其功能是對MRI信號進行空間編碼，以確定成像層面的位置和厚度。 （二）梯度磁場系統(tǒng) 梯度磁場包括梯度線圈和梯度電源兩部分。梯度線圈有三組，分別按相互垂直的X、Y、Z三個方向設計，任何一組梯度場都可起到層面選擇、相位編碼、頻率編碼三項作用之一，因此可對人體的橫斷位、冠狀位、矢狀位甚至任意斜位進行成像。 （二）梯度磁場系統(tǒng)梯度磁場三維方向示意圖 成像層面選擇 梯度磁場疊加在

12、主磁場上，使得場強隨著位置呈線形分布，即每一層面的場強都是不相同的。 RF脈沖并非只包含一種頻率，而是有一定頻率范圍（帶寬）的脈沖，所以它能激勵的質(zhì)子的拉莫頻率也是一個范圍，這樣產(chǎn)生共振的質(zhì)子的層面就可以確定了。成像層面選擇 當磁場梯度一定時，RF脈沖的頻帶越寬，則層面越厚； 當頻帶寬一定時，磁場梯度越大，則層面厚度越薄。 一般是將RF脈沖的中心頻率固定，通過改變磁場的強度和梯度的大小來實現(xiàn)成像層面的選擇的。頻率編碼 在已確定的成像層面的水平軸（X軸）方向上，施加頻率編碼梯度磁場，使得沿X軸不同位置的每一列質(zhì)子都具有不同的進動頻率，同一列上的質(zhì)子則進動頻率相同。相位編碼 要確定Y軸每一列上平行

13、于X軸方向上的每一行質(zhì)子的位置，就需進行相位編碼。 在Y軸方向上施加另一梯度場，使得不同位置的質(zhì)子處于不同相位，即進動角度不同，并由此進行識別。 進動的質(zhì)子相位一致，做同步同速運動，使得在橫軸方向上的磁化矢量得以疊加，并產(chǎn)生一個新的橫向磁化矢量，RF脈沖的強度越大，持續(xù)時間越長，橫向進動偏轉(zhuǎn)的角度就越大。MR圖像的重建 f(t)=A0+Asin(t+) 在進行頻率編碼和相位編碼后，利用傅立葉變換就可將檢測到的數(shù)據(jù)信號分離，確定每一個體素的MR信號的值，形成圖像。（三）射頻系統(tǒng) 射頻系統(tǒng)的作用是發(fā)射射頻(RF)脈沖,使磁化的質(zhì)子吸收能量產(chǎn)生共振,并接收質(zhì)子在弛豫過程中釋放的能量而產(chǎn)生MR信號，其

14、頻率在拉莫頻率附近。 發(fā)射器功率放大器發(fā)射線圈人體組織接受線圈接收器RFMR射頻（RF）線圈 射頻線圈的作用是發(fā)射RF脈沖,對被檢體質(zhì)子進行激勵，并檢測被檢體的MR信號。 用于發(fā)射射頻建立射頻磁場的射頻線圈叫發(fā)射線圈，用于檢測MR信號的射頻線圈叫接收線圈。 有的線圈可在不同的時期分別完成發(fā)射和接收任務，如體線圈；而有的只能用于接收信號，如大部分表面線圈。射頻（RF）線圈 射頻線圈的敏感容積越小，則信噪比越高；線圈與人體檢查部位的距離越近，則信號越強，信噪比越高。這兩者直接決定著圖像的質(zhì)量，所以需根據(jù)人體各個部位的不同形狀、大小，制成不同尺寸和類型的線圈，以取得最佳圖像質(zhì)量。 射頻線圈主要有兩類：1、體積線圈：大容積，如頭線圈、體線圈2、表面線圈：小容積，如乳腺線圈等射頻（RF）線圈頭顱線圈（鳥籠狀） 射頻（RF）線圈神經(jīng)血管線圈 射頻（RF）線圈頸椎線圈 射頻（RF）線圈胸腰椎線圈 射頻（RF）線圈軀體線圈射頻（RF）線圈乳腺線圈 射頻（RF）線圈通用柔軟線圈 （四）計算機處理系統(tǒng)1、主機2、存儲器3、輸入、輸出設備4、系統(tǒng)軟件5、應用軟件（五）輔助設備1、磁屏蔽2、射頻