磁共振成像基本原理

1、關(guān)于磁共振成像基本原理第一張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月MRI基本原理難以理解非常重要非常重要第二張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月學(xué)習(xí)MRI前應(yīng)該掌握的知識電學(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第三張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月磁共振成像基本原理一個放射科醫(yī)生對磁共振成像的理解第四張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月一、MRI掃描儀的基本硬件構(gòu)成第五張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月一般的MRI儀由以下幾部分組成主磁體梯度線圈脈沖線圈計算機(jī)系統(tǒng)其他輔助設(shè)備第六張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1、

2、主磁體分類磁場強(qiáng)度磁場均勻度第七張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月MRI按磁場產(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)磁體第八張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月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 3000第九張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月MR按主磁場的場強(qiáng)分類MRI圖像信噪比與主磁場場強(qiáng)成正比低場: 小于0.5T中場：0.5T1.0T高場: 1.0T2.0T（1.0T、1.5T、2.0T）超高場強(qiáng)：大于2.0T（3.0T、4.7T、7T）第十張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月高斯（g

3、auss, G）。 Gauss (1777-1855)1高斯為距離5安培電流的直導(dǎo)線1厘米處檢測到的磁場強(qiáng)度德國著名數(shù)學(xué)家，于1832年首次測量了地球的磁場。5安培1厘米1高斯第十一張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月地球的磁場強(qiáng)度分布圖第十二張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月特斯拉（Tesla,T）Nikola Tesla (1857-1943), 奧地利電器工程師，物理學(xué)家，旋轉(zhuǎn)磁場原理及其應(yīng)用的先驅(qū)者之一。1 T = 10000G 第十三張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月主磁場的均勻度MRI要求磁場高度均勻，?空間定位需要頻譜分析（各種代謝物之間的共振頻

4、率相差極小）脂肪抑制（脂肪和水分子中的氫質(zhì)子共振頻率很接近）第十四張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月50厘米球表面均勻度應(yīng)該控制在3 PPM45厘米球體均勻度可控制在1 PPM頻率半高寬第十五張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2、梯度線圈作用：空間定位產(chǎn)生信號其他作用梯度線圈性能的提高 磁共振成速度加快沒有梯度磁場的進(jìn)步就沒有快速、超快速成像技術(shù)第十六張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月梯度、梯度磁場第十七張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月梯度磁場的產(chǎn)生Z軸方向梯度磁場的產(chǎn) 生第十八張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月X、Y、Z軸上梯度磁

5、場的產(chǎn)生第十九張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月梯度線圈性能指標(biāo)梯度場強(qiáng) 25 / 60mT/m切換率 120 / 200mT/m.s第二十張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月有效梯度場長度50 cm梯度兩端磁場強(qiáng)度差值梯度場中點(diǎn)梯度場強(qiáng)（mT/M）梯度場兩端的磁場強(qiáng)度差值/梯度場的長度 1000mT1010mT990mT梯度場強(qiáng)（1010mT-990mT）/ 0.5 M= 40 mT/M 1000mT第二十一張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月梯度場強(qiáng)爬升時間切換率梯度場預(yù)定強(qiáng)度/爬升時間第二十二張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月3、脈沖線圈脈沖線

6、圈的作用如同無線電波的天線激發(fā)人體產(chǎn)生共振（廣播電臺的發(fā)射天線）采集MR信號（收音機(jī)的天線）第二十三張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月脈沖線圈的分類按作用分兩類激發(fā)并采集MRI信號（體線圈）僅采集MRI信號，激發(fā)采用體線圈進(jìn)行（絕大多數(shù)表面線圈）第二十四張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月按與檢查部位的關(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，所接收到的信號越強(qiáng)線圈內(nèi)體積越小，所接收到的噪聲越低第二十五張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于202

7、2年6月3D-FFEMatrix 512512FOV 2.5cm利用2.3cm顯微線圈采集的指紋MR圖像第二十六張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月4、計算機(jī)系統(tǒng)及譜儀數(shù)據(jù)的運(yùn)算控制掃描顯示圖像第二十七張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月5、其他輔助設(shè)備空調(diào)檢查臺激光照相機(jī)液氦及水冷卻系統(tǒng)自動洗片機(jī)等第二十八張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二、MRI的物理學(xué)原理第二十九張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月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：無電荷質(zhì)子：正電荷第三十張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月原子核總是繞著自身的軸旋

8、轉(zhuǎn)自旋 ( Spin )第三十一張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁場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）。自旋與核磁第三十二張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月地磁、磁鐵、核磁示意圖第三十三張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月原子核自旋產(chǎn)生核磁第三十四張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月核磁就是原子核自旋產(chǎn)生的磁場非常重要第三十五張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月所有的原子核都可產(chǎn)生核磁嗎？質(zhì)子為偶數(shù)，中

9、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)生核磁第三十六張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月用于人體MRI的為1H（氫質(zhì)子），原因有：1、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？第三十七張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月人體元素1H14N31P13C23Na39K17O2H19F摩爾濃度99.01.60.350.10.0780.0450.0310.0150.0066相對磁化率1.00.0830.0660.0160.0930.00050.0290.0960.8

10、3第三十八張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月人體內(nèi)有無數(shù)個氫質(zhì)子（每毫升水含氫質(zhì)子31022）每個氫質(zhì)子都自旋產(chǎn)生核磁現(xiàn)象人體象一塊大磁鐵嗎？第三十九張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月矢量的合成與分解第四十張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月通常情況下人體內(nèi)氫質(zhì)子的核磁狀態(tài)通常情況下，盡管每個質(zhì)子自旋均產(chǎn)生一個小的磁場，但呈隨機(jī)無序排列，磁化矢量相互抵消，人體并不表現(xiàn)出宏觀磁化矢量。第四十一張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月把人體放進(jìn)大磁場第四十二張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2、人體進(jìn)入主磁體發(fā)生了什么？沒有外加磁場的情況下，質(zhì)子

11、自旋產(chǎn)生核磁，每個氫質(zhì)子都是一個“小磁鐵”，但由于排列雜亂無章，磁場相互抵消，人體并不表現(xiàn)出宏觀的磁場，宏觀磁化矢量為0。第四十三張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月指南針與地磁、小磁鐵與大磁場第四十四張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月進(jìn)入主磁場前后人體組織質(zhì)子的核磁狀態(tài)第四十五張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十六張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月處于高能狀態(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第四十七張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月進(jìn)入主磁場后磁化矢量的影響因素溫度、主磁場強(qiáng)度、質(zhì)子含量第四十八張，PPT共一

12、百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月溫度溫度升高，磁化率降低主磁場場強(qiáng)場強(qiáng)越高，磁化率越高，場強(qiáng)幾乎與磁化率成正比質(zhì)子含量質(zhì)子含量越高，與主磁場同向的質(zhì)子總數(shù)增加（磁化率不變）第四十九張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月處于低能狀態(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)子第五十張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月在主磁場中質(zhì)子的磁化矢量方向是絕對同向平行或逆向平行嗎？第五十一張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作

13、于2022年6月第五十二張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月Precessing (進(jìn)動)第五十三張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月進(jìn)動是核磁（小磁場）與主磁場相互作用的結(jié)果進(jìn)動的頻率明顯低于質(zhì)子的自旋頻率，但比后者更為重要。非常重要第五十四張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 = .B：進(jìn)動頻率 Larmor 頻率：磁旋比 42.5兆赫 / TB：主磁場場強(qiáng)第五十五張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月高能與低能狀態(tài)質(zhì)子的進(jìn)動由于在主磁場中質(zhì)子進(jìn)動，每個氫質(zhì)子均產(chǎn)生縱向和橫向磁化分矢量，那么人體進(jìn)入主磁場后到底處于何種核磁狀態(tài)？第五十六張，PPT共一百

14、四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月處于低能狀態(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第五十七張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月盡管每個質(zhì)子的進(jìn)動產(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，并無宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生第五十八張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月由于相位不同，每個質(zhì)子的橫向磁化分矢量相抵消，因而并無宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生第五十九張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月進(jìn)入主磁場后，質(zhì)子自旋產(chǎn)生的核磁與主磁場相互作用發(fā)生進(jìn)動非常重要進(jìn)動使每個質(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

15、宏觀縱向磁化矢量產(chǎn)生，并無宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生第六十張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月進(jìn)入主磁場后人體被磁化了，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出縱向磁化矢量？第六十一張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月MR能檢測到怎樣的磁化矢量呢？MR不能檢測到縱向磁化矢量，但能檢測到旋轉(zhuǎn)的橫向磁化矢量NS第六十二張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月如何才能產(chǎn)生橫向宏觀磁化矢量？第六十三張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月3、什么叫共振，怎樣產(chǎn)生磁共振？共振：能量從一個震動著的物體傳遞到另一個物體，而后者以前者相同

16、的頻率震動。第六十四張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月共 振條件頻率一致實(shí)質(zhì)能量傳遞第六十五張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月體內(nèi)進(jìn)動的氫質(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。？第六十六張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月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)？第六十七張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月磁共振現(xiàn)象是靠射頻線圈發(fā)射無線電波（射頻脈沖）激發(fā)人體內(nèi)的氫質(zhì)子來引發(fā)的，這種射頻脈沖的頻率必須與氫質(zhì)子進(jìn)動頻率相同，低能的質(zhì)子獲能進(jìn)入高能狀態(tài)微觀效應(yīng)第六十八張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作

17、于2022年6月射頻脈沖激發(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)第六十九張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月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第七十張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月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儀可以檢測到。氫質(zhì)子多氫質(zhì)子少第七十一張，PPT共一百四十

18、五頁，創(chuàng)作于2022年6月無線電波激發(fā)后，人體內(nèi)宏觀磁場偏轉(zhuǎn)了90度，MRI可以檢測到人體發(fā)出的信號氫質(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信號強(qiáng)度越高。此時的MR圖像可區(qū)分質(zhì)子密度不同的兩種組織非常重要第七十二張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月檢測到的僅僅是不同組織氫質(zhì)子含量的差別，對于臨床診斷來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。我們總是在90度脈沖關(guān)閉后過一定時間才進(jìn)行MR信號采集。非常重要第七十三張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月？第七十四張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月4、射頻線圈關(guān)閉后發(fā)生了什么？第七十五張，P

19、PT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月無線電波激發(fā)使磁場偏轉(zhuǎn)90度，關(guān)閉無線電波后，磁場又慢慢回到平衡狀態(tài)（縱向)第七十六張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月Relaxation弛豫放松、休息第七十七張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月4、射頻線圈關(guān)閉后發(fā)生了什么？第七十八張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月無線電波激發(fā)使磁場偏轉(zhuǎn)90度，關(guān)閉無線電波后，磁場又慢慢回到平衡狀態(tài)（縱向)第七十九張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月射頻脈沖停止后，在主磁場的作用下，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)，這個過程稱為核磁弛豫。核磁

20、弛豫又可分解為兩個部分：橫向弛豫 縱向弛豫第八十張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月橫向弛豫也稱為T2弛豫，簡單地說，T2弛豫就是橫向磁化矢量減少的過程。90度脈沖第八十一張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月T2弛豫的原因自旋質(zhì)子磁場暴露在大磁場與臨近自旋質(zhì)子的小磁場中由于分子的運(yùn)動，質(zhì)子周圍的小磁場不斷波動每個質(zhì)子感受的磁場不均勻磁場高質(zhì)子進(jìn)動快場強(qiáng)低質(zhì)子進(jìn)動慢同相位進(jìn)動的質(zhì)子失相位根據(jù)Lamor定律第八十二張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第八十三張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第八十四張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月T2弛豫是由

21、于進(jìn)動質(zhì)子的失相位用T2值來描述組織T2弛豫的快慢第八十五張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月不同的組織橫向弛豫速度不同（T2值不同）第八十六張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月縱向弛豫也稱為T1弛豫，是指90度脈沖關(guān)閉后，在主磁場的作用下，縱向磁化矢量開始恢復(fù)，直至恢復(fù)到平衡狀態(tài)的過程。90度脈沖第八十七張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月縱向弛豫的機(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)子釋放能量第八十八張，PPT共一百四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月晶格震動頻率低于質(zhì)子進(jìn)動頻率能量傳遞慢含高濃度大分子蛋白晶格震動頻率接近于質(zhì)子進(jìn)動頻率能量傳遞快脂肪，含中小分子蛋白質(zhì)高能