磁共振成像基本原理概述醫(yī)學(xué)影像科

1、磁共振成像基本原理概述醫(yī)學(xué)影像科MRI基本原理難以理解非常重要非常重要學(xué)習(xí)MRI前應(yīng)該掌握的知識(shí)電學(xué)磁學(xué)量子力學(xué)高等數(shù)學(xué)初中數(shù)學(xué)初中物理加減乘除平方開方磁共振成像基本原理一個(gè)放射科醫(yī)生對(duì)磁共振成像的理解一、MRI掃描儀的基本硬件構(gòu)成一般的MRI儀由以下幾部分組成主磁體梯度線圈脈沖線圈計(jì)算機(jī)系統(tǒng)其他輔助設(shè)備1、主磁體分類磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)均勻度MRI按磁場(chǎng)產(chǎn)生方式分類永磁電磁常導(dǎo)超導(dǎo)主磁體0.35T 永磁磁體1.5T 超導(dǎo)磁體按磁體的外形可分為開放式磁體封閉式磁體特殊外形磁體OpenMark 3000MR按主磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)分類MRI圖像信噪比與主磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)成正比高場(chǎng): 1.0T2.0T（1.0T、1.5T、

2、2.0T）超高場(chǎng)強(qiáng)：大于2.0T（3.0T、4.7T、7T）高斯（gauss, G）。 Gauss (1777-1855)1高斯為距離5安培電流的直導(dǎo)線1厘米處檢測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度德國(guó)著名數(shù)學(xué)家，于1832年首次測(cè)量了地球的磁場(chǎng)。5安培1厘米1高斯地球的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖特斯拉（Tesla,T）Nikola Tesla (1857-1943), 奧地利電器工程師，物理學(xué)家，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理及其應(yīng)用的先驅(qū)者之一。1 T = 10000G 主磁場(chǎng)的均勻度MRI要求磁場(chǎng)高度均勻，?空間定位需要頻譜分析（各種代謝物之間的共振頻率相差極?。┲疽种疲ㄖ竞退肿又械臍滟|(zhì)子共振頻率很接近）50厘米球表面均勻度應(yīng)該控制

3、在3 PPM45厘米球體均勻度可控制在1 PPM磁場(chǎng)均勻度-頻率半高寬2、梯度線圈作用：空間定位產(chǎn)生信號(hào)其他作用梯度線圈性能的提高 磁共振成 像速度加快沒(méi)有梯度磁場(chǎng)的進(jìn)步就沒(méi)有快速、超快速成像技術(shù)梯度、梯度磁場(chǎng)梯度磁場(chǎng)的產(chǎn)生Z軸方向梯度磁場(chǎng)的產(chǎn) 生X、Y、Z軸上梯度磁場(chǎng)的產(chǎn)生梯度線圈性能指標(biāo)梯度場(chǎng)強(qiáng) 25 / 60mT/m有效梯度場(chǎng)長(zhǎng)度50 cm梯度兩端磁場(chǎng)強(qiáng)度差值梯度場(chǎng)中點(diǎn)梯度場(chǎng)強(qiáng)（mT/M）梯度場(chǎng)兩端的磁場(chǎng)強(qiáng)度差值/梯度場(chǎng)的長(zhǎng)度 1000mT1010mT990mT梯度場(chǎng)強(qiáng)（1010mT-990mT）/ 0.5 M= 40 mT/M 1000mT梯度場(chǎng)強(qiáng)爬升時(shí)間切換率梯度場(chǎng)預(yù)定強(qiáng)度/爬升時(shí)間

4、3、脈沖線圈脈沖線圈的作用如同無(wú)線電波的天線激發(fā)人體產(chǎn)生共振（廣播電臺(tái)的發(fā)射天線）采集MR信號(hào)（收音機(jī)的天線）脈沖線圈的分類按作用分兩類激發(fā)并采集MRI信號(hào)（體線圈）僅采集MRI信號(hào)，激發(fā)采用體線圈進(jìn)行（絕大多數(shù)表面線圈）按與檢查部位的關(guān)系分體線圈表面線圈第一代為線性極化表面線圈第二代為圓形極化表面線圈第三代為圓形極化相控陣線圈第四代為一體化全景相控陣線圈接收線圈與MRI圖像SNR密切相關(guān)接收線圈離身體越近，所接收到的信號(hào)越強(qiáng)線圈內(nèi)體積越小，所接收到的噪聲越低3D-FFEMatrix 512512利用4、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及譜儀數(shù)據(jù)的運(yùn)算控制掃描顯示圖像5、其他輔助設(shè)備空調(diào)檢查臺(tái)激光照相機(jī)液氦及水冷卻

5、系統(tǒng)自動(dòng)洗片機(jī)等二、MRI的物理學(xué)原理1、人體MR成像的物質(zhì)基礎(chǔ)原子的結(jié)構(gòu)電子：負(fù)電荷中子：無(wú)電荷質(zhì)子：正電荷原子核總是繞著自身的軸旋轉(zhuǎn)自旋 ( Spin )地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁場(chǎng)原子核總是不停地按一定頻率繞著自身的軸發(fā)生自旋 ( Spin )原子核的質(zhì)子帶正電荷，其自旋產(chǎn)生的磁場(chǎng)稱為核磁，因而以前把磁共振成像稱為核磁共振成像（NMRI）。自旋與核磁地磁、磁鐵、核磁示意圖原子核自旋產(chǎn)生核磁核磁就是原子核自旋產(chǎn)生的磁場(chǎng)非常重要所有的原子核都可產(chǎn)生核磁嗎？質(zhì)子為偶數(shù)，中子為偶數(shù)質(zhì)子為奇數(shù)，中子為奇數(shù)質(zhì)子為奇數(shù)，中子為偶數(shù)質(zhì)子為偶數(shù)，中子為奇數(shù)產(chǎn)生核磁不產(chǎn)生核磁用于人體MRI的為1H（氫質(zhì)子），原因有：1

6、、1H的磁化率很高；2、1H占人體原子的絕大多數(shù)。通常所指的MRI為氫質(zhì)子的MR圖像。何種原子核用于人體MR成像？人體元素1H14N31P13C23Na39K17O2H19F摩爾濃度相對(duì)磁化率人體內(nèi)有無(wú)數(shù)個(gè)氫質(zhì)子（每毫升水含氫質(zhì)子31022）每個(gè)氫質(zhì)子都自旋產(chǎn)生核磁現(xiàn)象人體象一塊大磁鐵嗎？通常情況下人體內(nèi)氫質(zhì)子的核磁狀態(tài)通常情況下，盡管每個(gè)質(zhì)子自旋均產(chǎn)生一個(gè)小的磁場(chǎng)，但呈隨機(jī)無(wú)序排列，磁化矢量相互抵消，人體并不表現(xiàn)出宏觀磁化矢量。把人體放進(jìn)大磁場(chǎng)2、人體進(jìn)入主磁體發(fā)生了什么？沒(méi)有外加磁場(chǎng)的情況下，質(zhì)子自旋產(chǎn)生核磁，每個(gè)氫質(zhì)子都是一個(gè)“小磁鐵”，但由于排列雜亂無(wú)章，磁場(chǎng)相互抵消，人體并不表現(xiàn)出宏

7、觀的磁場(chǎng)，宏觀磁化矢量為0。指南針與地磁、小磁鐵與大磁場(chǎng)進(jìn)入主磁場(chǎng)前后人體組織質(zhì)子的核磁狀態(tài)MZ處于高能狀態(tài)太費(fèi)勁，并非人人都能做到處于低能狀態(tài)的略多一點(diǎn)，007進(jìn)入主磁場(chǎng)后磁化矢量的影響因素溫度、主磁場(chǎng)強(qiáng)度、質(zhì)子含量溫度溫度升高，磁化率降低主磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)越高，磁化率越高，場(chǎng)強(qiáng)幾乎與磁化率成正比質(zhì)子含量質(zhì)子含量越高，與主磁場(chǎng)同向的質(zhì)子總數(shù)增加（磁化率不變）處于低能狀態(tài)的質(zhì)子到底比處于高能狀態(tài)的質(zhì)子多多少？室溫下（300k）0.2T：1.3 PPM0.5T：4.1 PPM1.0T：7.0 PPM1.5T：9.6 PPMPPM為百萬(wàn)分之一處于低能狀態(tài)的氫質(zhì)子僅略多于處于高能狀態(tài)的質(zhì)子在主磁場(chǎng)中質(zhì)子

8、的磁化矢量方向是絕對(duì)同向平行或逆向平行嗎？Precessing (進(jìn)動(dòng))-能量差進(jìn)動(dòng)是核磁（小磁場(chǎng)）與主磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果進(jìn)動(dòng)的頻率明顯低于質(zhì)子的自旋頻率，但比后者更為重要。非常重要 = .B：進(jìn)動(dòng)頻率 Larmor 頻率：磁旋比 42.5兆赫 / TB：主磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)矢量的合成與分解高能與低能狀態(tài)質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)由于在主磁場(chǎng)中質(zhì)子進(jìn)動(dòng)，每個(gè)氫質(zhì)子均產(chǎn)生縱向和橫向磁化分矢量，那么人體進(jìn)入主磁場(chǎng)后到底處于何種核磁狀態(tài)？處于低能狀態(tài)的質(zhì)子略多于處于高能狀態(tài)的質(zhì)子，因而產(chǎn)生縱向宏觀磁化矢量盡管每個(gè)質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生了縱向和橫向磁化矢量，但由于相位不同，因而只有宏觀縱向磁化矢量產(chǎn)生，并無(wú)宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生由于相位

9、不同，每個(gè)質(zhì)子的橫向磁化分矢量相抵消，因而并無(wú)宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生進(jìn)入主磁場(chǎng)后，質(zhì)子自旋產(chǎn)生的核磁與主磁場(chǎng)相互作用發(fā)生進(jìn)動(dòng)非常重要進(jìn)動(dòng)使每個(gè)質(zhì)子的核磁存在方向穩(wěn)定的縱向磁化分矢量和旋轉(zhuǎn)的橫向磁化分矢量由于相位不同，只有宏觀縱向磁化矢量產(chǎn)生，并無(wú)宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生進(jìn)入主磁場(chǎng)后人體被磁化了，產(chǎn)生縱向宏觀磁化矢量不同的組織由于氫質(zhì)子含量的不同，宏觀磁化矢量也不同磁共振不能檢測(cè)出縱向磁化矢量？MR能檢測(cè)到怎樣的磁化矢量呢？MR不能檢測(cè)到縱向磁化矢量，但能檢測(cè)到旋轉(zhuǎn)的橫向磁化矢量NS如何才能產(chǎn)生橫向宏觀磁化矢量？3、什么叫共振，怎樣產(chǎn)生磁共振？共振：能量從一個(gè)震動(dòng)著的物體傳遞到另一個(gè)物體，而后者以前者

10、相同的頻率震動(dòng)。共 振條件頻率一致實(shí)質(zhì)能量傳遞體內(nèi)進(jìn)動(dòng)的氫質(zhì)子怎樣才能發(fā)生共振呢？給低能的氫質(zhì)子能量，氫質(zhì)子獲得能量進(jìn)入高能狀態(tài)，即核磁共振。？怎樣才能使低能氫質(zhì)子獲得能量，產(chǎn)生共振，進(jìn)入高能狀態(tài)？磁共振現(xiàn)象是靠射頻線圈發(fā)射無(wú)線電波（射頻脈沖）激發(fā)人體內(nèi)的氫質(zhì)子來(lái)引發(fā)的，這種射頻脈沖的頻率必須與氫質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率相同，低能的質(zhì)子獲能進(jìn)入高能狀態(tài)微觀效應(yīng)射頻脈沖激發(fā)后的效應(yīng)是使宏觀磁化矢量發(fā)生偏轉(zhuǎn)射頻脈沖的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間決定射頻脈沖激發(fā)后的效應(yīng)低能量中等能量高能量宏觀效應(yīng)90度脈沖繼發(fā)后產(chǎn)生的宏觀和微觀效應(yīng)低能的超出部分的氫質(zhì)子有一半獲得能量進(jìn)入高能狀態(tài)，高能和低能質(zhì)子數(shù)相等，縱向磁化矢量相互抵消而

11、等于零使質(zhì)子處于同相位，質(zhì)子的微觀橫向磁化矢量相加，產(chǎn)生宏觀橫向磁化矢量90度脈沖激發(fā)使質(zhì)子發(fā)生共振，產(chǎn)生最大的旋轉(zhuǎn)橫向磁化矢量，這種旋轉(zhuǎn)的橫向磁化矢量切割接收線圈，MR儀可以檢測(cè)到。氫質(zhì)子多氫質(zhì)子少無(wú)線電波激發(fā)后，人體內(nèi)宏觀磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)了90度，MRI可以檢測(cè)到人體發(fā)出的信號(hào)氫質(zhì)子含量高的組織縱向磁化矢量大，90度脈沖后磁化矢量偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)的宏觀橫向矢量越大，MR信號(hào)強(qiáng)度越高。此時(shí)的MR圖像可區(qū)分質(zhì)子密度不同的兩種組織非常重要檢測(cè)到的僅僅是不同組織氫質(zhì)子含量的差別，對(duì)于臨床診斷來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。我們總是在90度脈沖關(guān)閉后過(guò)一定時(shí)間才進(jìn)行MR信號(hào)采集。非常重要？4、射頻線圈關(guān)閉后發(fā)生了什么？無(wú)

12、線電波激發(fā)使磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)90度，關(guān)閉無(wú)線電波后，磁場(chǎng)又慢慢回到平衡狀態(tài)（縱向)Relaxation弛豫放松、休息無(wú)線電波激發(fā)使磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)90度，關(guān)閉無(wú)線電波后，磁場(chǎng)又慢慢回到平衡狀態(tài)（縱向)射頻脈沖停止后，在主磁場(chǎng)的作用下，橫向宏觀磁化矢量逐漸縮小到零，縱向宏觀磁化矢量從零逐漸回到平衡狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程稱為核磁弛豫。核磁弛豫又可分解為兩個(gè)部分：橫向弛豫 縱向弛豫橫向弛豫也稱為T2弛豫，簡(jiǎn)單地說(shuō)，T2弛豫就是橫向磁化矢量減少的過(guò)程。90度脈沖T2弛豫的原因自旋質(zhì)子磁場(chǎng)暴露在大磁場(chǎng)與臨近自旋質(zhì)子的小磁場(chǎng)中由于分子的運(yùn)動(dòng)，質(zhì)子周圍的小磁場(chǎng)不斷波動(dòng)每個(gè)質(zhì)子感受的磁場(chǎng)不均勻磁場(chǎng)高質(zhì)子進(jìn)動(dòng)快場(chǎng)強(qiáng)低質(zhì)子進(jìn)動(dòng)慢同相位進(jìn)

13、動(dòng)的質(zhì)子失相位根據(jù)Lamor定律T2弛豫是由于進(jìn)動(dòng)質(zhì)子的失相位用T2值來(lái)描述組織T2弛豫的快慢不同的組織橫向弛豫速度不同（T2值不同）縱向弛豫也稱為T1弛豫，是指90度脈沖關(guān)閉后，在主磁場(chǎng)的作用下，縱向磁化矢量開始恢復(fù)，直至恢復(fù)到平衡狀態(tài)的過(guò)程。90度脈沖縱向弛豫的機(jī)理90度激發(fā)低能的質(zhì)子獲能進(jìn)入高能狀態(tài)縱向弛豫高能的質(zhì)子釋放能量晶格震動(dòng)頻率低于質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率能量傳遞慢含高濃度大分子蛋白晶格震動(dòng)頻率接近于質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率能量傳遞快脂肪，含中小分子蛋白質(zhì)高能的質(zhì)子把能量釋放給周圍的晶格（分子）晶格震動(dòng)頻率高于質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率 能量傳遞慢純水T1弛豫是由于高能質(zhì)子的能量釋放回到低能狀態(tài)用T1值來(lái)描述組織T1

14、弛豫的快慢不同組織有不同的T1弛豫時(shí)間人體各種組織的T2弛豫要比T1弛豫快得多T2 T1重要提示不同組織有著不同質(zhì)子密度橫向(T2)弛豫速度縱向(T1)弛豫速度這是MRI顯示解剖結(jié)構(gòu)和病變的基礎(chǔ)？讀后感：T2（橫向-質(zhì)子失相位）T1（縱向-高能質(zhì)子放出能量成為低能質(zhì)子），不同組織有不同的T2，T1值相同組織的T2遠(yuǎn)小于T15、磁共振“加權(quán)成像”T1WIT2WIPD所謂的加權(quán)就是“重點(diǎn)突出”的意思T1加權(quán)成像（T1WI）-突出組織T1弛豫（縱向弛豫）差別T2加權(quán)成像（T2WI）-突出組織T2弛豫（橫向弛豫）差別質(zhì)子密度加權(quán)成像（PD）突出組織氫質(zhì)子含量差別何為加權(quán)？MR不能檢測(cè)到縱向磁化矢量，但

15、能檢測(cè)到旋轉(zhuǎn)的橫向磁化矢量MR只能采集旋轉(zhuǎn)的橫向磁化矢量在任何序列圖像上，信號(hào)采集時(shí)刻旋轉(zhuǎn)橫向的磁化矢量越大，MR信號(hào)越強(qiáng)T2加權(quán)成像（T2WI)T2值小 橫向磁化矢量減少快 殘留的橫向磁化矢量小 MR信號(hào)低（黑）T2值大 橫向磁化矢量減少慢 殘留的橫向磁化矢量大 MR信號(hào)高（白）水T2值約為1600毫秒 MR信號(hào)高腦T2值約為100毫秒 MR信號(hào)低反映組織橫向弛豫的快慢！T2WI平衡狀態(tài)90度激發(fā)后采集信號(hào)時(shí)刻腦水T1加權(quán)成像(T1WI)T1值越小 縱向磁化矢量恢復(fù)越快 已經(jīng)恢復(fù)的縱向磁化矢量大 MR信號(hào)強(qiáng)度越高（白）T1值越大 縱向磁化矢量恢復(fù)越慢 已經(jīng)恢復(fù)的縱向磁化矢量小MR信號(hào)強(qiáng)度越低

16、（黑）脂肪的T1值約為250毫秒 MR信號(hào)高（白）水的T1值約為3000毫秒 MR信號(hào)低（黑）反映組織縱向弛豫的快慢??？T1WI脂水平衡狀態(tài)90縱向弛豫90重要提示!人體大多數(shù)病變的T1值、T2值均較相應(yīng)的正常組織大，因而在T1WI上比正常組織“黑”，在T2WI上比正常組織“白”。6、MRI的空間定位MRI空間定位X軸、Y軸、Z軸三維空間定位層面層厚選擇頻率編碼相位編碼由于地球磁場(chǎng)存在從赤道到南北極逐漸減弱的梯度在地球上可根據(jù)所處位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)確定其位置MRI的三維空間定位也通過(guò)三個(gè)梯度場(chǎng)強(qiáng)來(lái)實(shí)現(xiàn)層面層厚選擇發(fā)射的射頻脈沖不可能是單一頻率我們可以控制和調(diào)整射頻脈沖的帶寬射頻脈沖有一定的頻率范

17、圍（帶寬）CT的層面選擇和層厚控制靠床位和準(zhǔn)直器層面層厚選擇第一個(gè)梯度場(chǎng)1mHZ / cm 6465mHZ層厚1cm1mHZ / cm 6464.5mHZ層厚0.5cm2mHZ / cm 6465mHZ層厚0.5cm射頻脈沖63.5-64.5 MHZG0射頻脈沖64.5-65.5 MHZG0射頻脈沖 63.75-64.25 MHZG0射頻脈沖63.5-64.5 MHZG0梯度場(chǎng)強(qiáng)不變 射頻帶寬越寬層厚越厚射頻帶寬不變 梯度場(chǎng)強(qiáng)越高層厚越薄決定層厚的因素梯度場(chǎng)強(qiáng)射頻帶寬調(diào)整射頻脈沖的帶寬、梯度場(chǎng)強(qiáng)的強(qiáng)度和位置，即可隨意選擇層面的位置和層厚層面內(nèi)的空間定位體素（Voxel）像素（Pixel）MR？MR采集到的每一個(gè)信號(hào)均含有全層信息必須進(jìn)行層面內(nèi)的空間定位編碼才能把整個(gè)信息分配到各個(gè)像素空間定位編碼包括頻率編碼和相位編碼頻率編碼頻率編碼依靠梯度磁場(chǎng)帶有不同頻率的MR信號(hào)，通過(guò)付立葉轉(zhuǎn)換可以區(qū)分64mHZ64mHZ64mHZ第二個(gè)梯度場(chǎng)相位編碼相位編碼還是依靠梯度磁場(chǎng)第三個(gè)梯度場(chǎng)相位編碼付立葉轉(zhuǎn)換可區(qū)分不同相位的MR信號(hào)付立葉轉(zhuǎn)換只能區(qū)分相位相差180度的MR信號(hào)付立葉轉(zhuǎn)換只能區(qū)分相位相差180度的MR信號(hào)矩陣為256*256的圖像需要進(jìn)行256次相位編碼，也即采集256條相位編碼線K空間