磁共振成像的原理及臨床應用課件

磁共振成像的原理及臨床應用廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院影像放射科黃勇廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院磁共振成像的原理及臨床應用廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院WhatisMRI?廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院WhatisMRI?廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院磁共振成像(MagneticResonanceImaging,MRI)，又稱核磁共振成像（NuclearMagneticResonance,NMR），是一種新的、非創(chuàng)傷性的成像方法，它不用電離輻射而可以顯示出人體內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)。利用一定頻率的射頻信號（radiofrequency，RF）在一外加靜磁場內(nèi)，對人體的任何平面，產(chǎn)生高質(zhì)量的切面成像（crosssectionalimaging）。磁共振成像的原理及臨床應用廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院磁共振成像(MagneticResonanceImagi第一節(jié)MRI發(fā)展概況1946年美國斯坦福（Stanford）大學的FelixBloch和哈佛（Harvard）大學的EdwardPurcell各自進行研究，檢測到大塊物質(zhì)內(nèi)核磁共振吸收，更清楚地闡述了原子核自旋(Spin)的存在，幾乎同時發(fā)表他們的研究成果，為此，他們共同獲得了1952年諾貝爾物理學獎。NMR的應用逐漸地從物理和化學領(lǐng)域，擴大到更為廣泛的學科，如考古學直至醫(yī)學。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院第一節(jié)MRI發(fā)展概況1946年美國斯坦福（Stanfor第一節(jié)MRI發(fā)展概況

在醫(yī)學影像學方面，1973年Lauterbur研究出MRI所需要的空間定位方法，也就是利用梯度場。他的研究結(jié)果是獲得水的模型的圖像。在以后的10年中，人們進行了大量的研究工作來制造磁共振掃描機，并產(chǎn)生出人體各部位的高質(zhì)量圖像，先后通過MR掃描，獲得手、胸、頭和腹部的圖像。1980年商品化MRI裝置問世。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院第一節(jié)MRI發(fā)展概況在醫(yī)學影像學方面，1973年Lau第二節(jié)MRI的基本原理本節(jié)介紹核磁共振這一物理現(xiàn)象最基本的理論知識，我們應用一般物理學、力學及磁學的原理闡述。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院第二節(jié)MRI的基本原理本節(jié)介紹核磁共振這一物理現(xiàn)象最基本一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性人體由很多分子組成，分子由原子組成；所有原子的核心都是原子核；帶正電荷和中性粒子的集合體；占原子質(zhì)量的絕大部分；廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性人體由很多分子組成，分子由原子組一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性從理論上講，很多元素都可以用核磁共振來成像。也就是任何一個原子核，只要其所含的質(zhì)子或中子的任何一個為奇數(shù)時，就具備磁性，就可以產(chǎn)生磁共振信號。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性從理論上講，很多元素都可以用核磁一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性MRI主要是應用于氫核的成像，這是出于：一是Ｈ對其磁共振信號的敏感性高；Ｈ的旋磁比最高，因此最敏感，即MR信號被測出的效率，隨共振信號頻率的增加而改善。二是它在自然界含量豐富。氫存于水和脂肪中，因而在人體中極為豐富，每立方毫米軟組織中含有約1019個Ｈ原子，其所產(chǎn)生的磁共振信號要比其他原子強1000倍。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性MRI主要是應用于氫核的成像，這一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性由于1Ｈ只有一個質(zhì)子，沒有中子，所以氫核的成像也稱質(zhì)子成像。氫核有兩個特性：其一是它含有一個不在核中心的正電荷；其二是它有角動量或自旋。Pauli理論，具有奇數(shù)原子質(zhì)量或奇數(shù)原子數(shù)的核均具有角動量及具有特征性的、大于零的自旋量子數(shù)。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性由于1Ｈ只有一個質(zhì)子，沒有中子，一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性自旋的氫核其正電荷沿著一近似圓形路線運動，猶如電流通過環(huán)形線圈一樣，從而在其周圍產(chǎn)生一磁場。此滋場的大小與方向用磁矩來表示，形成一個微觀的磁體偶極子。

具有磁矩的快速自旋核可以看成為極小磁棒廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性自旋的氫核其正電荷沿著一近似圓形一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性共振是一種常見的現(xiàn)象。指南針是我們最熟悉的磁體，地球是一個磁場。指南針在地球表面作定向排列，即在靜止狀態(tài)下指北。如果我們用手指輕擊指南針，使之來回擺動，直到指南針從我們手指上得到的能量全部放出后，又回到原來的位置，指北。這就是共振現(xiàn)象。針擺動的頻率為共振頻率。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性共振是一種常見的現(xiàn)象。指南針是我一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性共振頻率與外磁場強度成正比。地球的兩極場強最強，赤道最弱。在赤道與兩極之間，磁場強度逐漸變化，稱梯度磁場或簡稱梯度。如果指南針在赤道擺動的頻率為１周/秒，越向北其擺動的頻率越快。這是因為北極滋場強度較赤道大2.3倍。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性共振頻率與外磁場強度成正比。地球一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性這個簡單的例子可以幫助我們了解磁共振成像中的基本要點：①指南針置于磁場中與外磁場的方向作定向排列；②指南針的共振頻率與外磁場強度成正比；③當有梯度磁場時，根據(jù)指針擺動頻率的變化可以推斷其在磁場中所處的位置。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性這個簡單的例子可以幫助我們了解磁眾多的氫核（質(zhì)子）就是許多微觀的磁偶極子，在沒有外加磁場影響下，它們的磁矩是任意指向，雜亂無章地排列著。在這種情況的組織標本中，凈磁量為零。一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院眾多的氫核（質(zhì)子）就是許多微觀的磁偶極子，在沒有外加磁場影響將這些指向雜亂無章的質(zhì)于置于強大的靜磁場(B0)中時，質(zhì)于群的磁矩將會沿靜磁場的方向作定向排列。略超過半數(shù)的質(zhì)子與靜磁場B0平行排列，略少于半數(shù)的質(zhì)子則指向相反（與靜磁場呈反平行方向排列)。一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院將這些指向雜亂無章的質(zhì)于置于強大的靜磁場(B0)中時，質(zhì)于當有兩種可能的排列狀態(tài)時，耗能少的、處于低能態(tài)的排列狀態(tài)占優(yōu)勢。一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院當有兩種可能的排列狀態(tài)時，耗能少的、一、原子核及其在磁場內(nèi)的一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性低能量級的、平行于靜磁場方向的質(zhì)子與高能量級的、反平行于靜磁場方向的質(zhì)子來回翻轉(zhuǎn)，相互抵消，而產(chǎn)生平衡的磁化量Ｍ0，也就是在一定量的組織中，所有氫核的磁化量的總和。這一凈平衡磁化量的指向與外加靜磁場是一致的。要使置于外加靜磁場內(nèi)的組織標本達到磁化，需要足夠的時間（約為：5～10秒）。

廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性低能量級的、平行于靜磁場方向的質(zhì)二、磁共振是怎樣發(fā)生的每個質(zhì)子為細小的自旋磁體，當受到外加靜磁場的作用時，靜磁場對質(zhì)子的磁矩產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)作用，這樣就使質(zhì)子順著外加靜磁場的中軸旋轉(zhuǎn)，稱為進動；它如同旋轉(zhuǎn)的陀螺受地心引力一樣。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院二、磁共振是怎樣發(fā)生的每個質(zhì)子為細小的自旋磁體，當受到外加靜二、磁共振是怎樣發(fā)生的以坐標系來表示每個質(zhì)子受到外加靜磁場的作用時的磁力的方向大小。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院二、磁共振是怎樣發(fā)生的以坐標系來表示每個質(zhì)子受到外加靜磁場的平衡狀態(tài)中，凈磁化矢量并不在接受線圈中產(chǎn)生感應電流要獲得自旋信息，凈磁化矢量必須被攪亂或激勵可用射頻脈沖一種短促的無線電波，與感興趣核的拉莫爾頻率一致凈磁化從平衡方向產(chǎn)生不同程度的偏轉(zhuǎn)角度射頻脈沖激勵時，凈磁化以拉莫爾頻率或共振頻率沿主磁場方向進動二、磁共振是怎樣發(fā)生的廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院平衡狀態(tài)中，凈磁化矢量并不在接受線圈中產(chǎn)生感應電流二、磁共振射頻脈沖激勵時，凈磁化以拉莫爾頻率或共振頻率沿主磁場方向進動二、磁共振是怎樣發(fā)生的廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院射頻脈沖激勵時，凈磁化以拉莫爾頻率或共振頻率沿主磁場方向進動射頻激勵脈沖實際上是另一個磁場（B1）B1方向垂直于Bo及作用非常短的時間B1磁場的作用是使磁化沿其進動，從垂直方向轉(zhuǎn)向Mxy平面二、磁共振是怎樣發(fā)生的廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院射頻激勵脈沖實際上是另一個磁場（B1）二、磁共振是怎樣發(fā)生的凈磁化(M)有兩個矢量成分：橫向面的Mxy和縱向面的Mz只有在XY平面的成分能被探測到調(diào)整射頻脈沖強度和時間，使磁化從平衡狀態(tài)翻轉(zhuǎn)90度時，可獲得最大磁共振信號二、磁共振是怎樣發(fā)生的廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院凈磁化(M)有兩個矢量成分：橫向面的Mxy和縱向面的Mz二二、磁共振是怎樣發(fā)生的場強與進動頻率的關(guān)系以Larmor公式表示：ω０＝γＢ０

ω0＝質(zhì)子的共振頻率（MHz）（進動頻率）Ｂ0＝外加靜磁場場強，單位是Tesla，簡稱Ｔγ＝旋磁比，是一個常數(shù)，氫核的旋磁比為42.58MHz/T從上述公式可知，場強為1T時，那么進動頻率（ω0）即等于γ值（旋磁比）。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院二、磁共振是怎樣發(fā)生的場強與進動頻率的關(guān)系以Larmor公式二、磁共振是怎樣發(fā)生的頻率（ω0）非常重要，其原因如下：①在病人作MRI檢查時，必須用這樣頻率的電磁波（RF脈沖），方可激勵原子核；②MR儀的接收器必須調(diào)諧至此頻率，以便接收來自病人的信號。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院二、磁共振是怎樣發(fā)生的頻率（ω0）非常重要，其原因如下：廣州二、磁共振是怎樣發(fā)生的當給一定磁場中含氫的標本以一個與Larmor頻率相匹配的射頻脈沖激發(fā)時，質(zhì)子吸收能量，又將吸收的能量以相同頻率的無線電波形式釋放出來。這一吸收能量的過程稱激勵。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院二、磁共振是怎樣發(fā)生的當給一定磁場中含氫的標本以一個與Lar二、磁共振是怎樣發(fā)生的在Larmor頻率條件下，質(zhì)子吸收及釋放能量的過程稱為核磁共振。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院二、磁共振是怎樣發(fā)生的在Larmor頻率條件下，質(zhì)子吸收及釋二、磁共振是怎樣發(fā)生的核即原子核，磁有兩種含義：①外加靜磁場B0；②由射頻脈沖產(chǎn)生的激勵磁場B1。B0與B1有以下方面的不同：首先，B0的場強大約是B1的10000倍；其次，B0是恒定的，方向與磁體掃描膛平行，B1磁場迅速轉(zhuǎn)動，方向總是與B0垂直。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院二、磁共振是怎樣發(fā)生的核即原子核，磁有兩種含義：廣州中醫(yī)藥大二、磁共振是怎樣發(fā)生的用射頻線圈做天線接收器，將釋放出來的能量轉(zhuǎn)化為信號。在進行人體磁共振成像時，信號的強度取決于質(zhì)于的數(shù)量，也即質(zhì)子的密度。脂肪、肌肉、血液以及骨胳中質(zhì)子含量的不同，決定磁共振圖像中各種組織信號的強弱和對比，這種圖像即稱為質(zhì)于密度像。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院二、磁共振是怎樣發(fā)生的用射頻線圈做天線接收器，將釋放出來的能二、磁共振是怎樣發(fā)生的除了組織中質(zhì)于含量的不同對成像起作用以外，還有其他的組織特性對磁共振圖像的信號有更為重要的影響，這就是組織磁化的弛豫時間。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院二、磁共振是怎樣發(fā)生的除了組織中質(zhì)于含量的不同對成像起作用以三、弛豫時間與X線和CT成像的原理不同，MRI沒有X線輻射，而主要利用質(zhì)子密度與質(zhì)子的弛豫時間（T1與T2）的差異成像，尤其是弛豫時間更為重要。因為質(zhì)子在人體中的差異僅10％，但弛豫時間可相差百分之數(shù)百。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院三、弛豫時間與X線和CT成像的原理不同，MRI沒有X線輻射，三、弛豫時間弛豫時間可反映分子水平上的差別，從而發(fā)現(xiàn)人體生物化學與生理學的早期改變。這樣就不同于過去僅從病理解剖學的基礎(chǔ)上來表達疾病的傳統(tǒng)概念，而是能更早期發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)生理、生化的改變。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院三、弛豫時間弛豫時間可反映分子水平上的差別，從而發(fā)現(xiàn)人體生物三、弛豫時間若要充分認識一幅MRI圖像中強弱信號的意義，必須對射頻脈沖以及射頻脈沖去除后，在靜磁場作用下，從高能狀態(tài)（與磁場垂直的位置）到低能狀態(tài)（與磁場平行的位置）的恢復過程，即弛豫過程，有所認識。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院三、弛豫時間若要充分認識一幅MRI圖像中強弱信號的意義，必須（一）質(zhì)子（氫核）的T1弛豫質(zhì)于在受到射頻脈沖激勵后，吸收能量；當射頻脈沖一停止，縱向磁化開始恢復，質(zhì)子釋放能量；此時，將在接收線圈中產(chǎn)生RF信號；廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院（一）質(zhì)子（氫核）的T1弛豫質(zhì)于在受到射頻脈沖激勵后，吸收能（一）質(zhì)子（氫核）的T1弛豫縱向磁化的恢復率是以縱向弛豫時間（T1）來表示的；T1就是沿靜磁場方向的縱向磁化恢復約2/3（63％）所需的時間。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院（一）質(zhì)子（氫核）的T1弛豫縱向磁化的恢復率是以縱向弛豫時間（一）質(zhì)子（氫核）的T1弛豫T1是時間常數(shù)，生物組織的T1值從大約50毫秒到幾秒不等

不同的組織具有不同的T1值：脂肪為150～250ms。而腦脊液則為2～3s。T1弛豫又稱縱向弛豫、熱弛豫，自旋-晶格弛豫。它是縱向磁化恢復的過程，在這過程中有能量傳遞，是以熱的形式逸散。它又反映了分子運動頻率與Larmor頻率之間的關(guān)系，如果二者相同，T1弛豫有效，并且迅速，如果不相同，T1弛豫無效。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院（一）質(zhì)子（氫核）的T1弛豫T1是時間常數(shù)，生物組織的T1值（二）質(zhì)子的T2弛豫當射頻脈沖的激勵剛一停止，所有質(zhì)于的進動頻率一致，即相位一致，此時信號最強。由于外加靜磁場強度的不均勻以及存在空間定位的梯度場，從而使質(zhì)子的進動頻率發(fā)生變化，而失去其相位一致性，稱失相位。第三種因素則反映人體組織的固有特性，那就是磁化的質(zhì)子間的相互作用，以及與由于分子和巨分子所建立的磁環(huán)境的相互作用，而引起的相位不一致，這樣產(chǎn)生的相位不一致是不可逆的。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院（二）質(zhì)子的T2弛豫當射頻脈沖的激勵剛一停止，所有質(zhì)于的進動（二）質(zhì)子的T2弛豫相位不一致，一些質(zhì)子進動快，一些則進動慢，這是受局部磁環(huán)境的影響所致，其結(jié)果是凈橫向磁化衰減（decay）。此時，在接收器線圈中所得到的信號減少，以至完全喪失。衰減63％的橫向磁化所需的時問，亦即橫向磁化衰減至其原有值的37％所需時間，即為T2弛豫時間。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院（二）質(zhì)子的T2弛豫相位不一致，一些質(zhì)子進動快，一些則進動慢（二）質(zhì)子的T2弛豫a緊接施加90°RF脈沖后，原子核的磁化偶極子均相位一致地進動，橫向磁向量Mxy為最大值。b隨時間進展，磁化偶極子失相位，有些進動較快，有些則進動較慢，這是由于局部磁環(huán)境所致。這種失相位導致了凈橫向磁化量衰減。c接收線圈中所記錄的信號逐漸衰減，T2為橫向磁化衰減至原有值的37％所需的時間。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院（二）質(zhì)子的T2弛豫a緊接施加90°RF脈沖后，原子核的磁化（二）質(zhì)子的T2弛豫T2弛豫時間又稱橫向弛豫時間，又稱自旋-自旋弛豫時間。自旋一詞取自核的自旋；T2總是比T１短約為T１的10％－20％。

廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院（二）質(zhì)子的T2弛豫T2弛豫時間又稱橫向弛豫時間，又稱自旋-三、弛豫時間應用一空間坐標系X-，Y-，Z-軸加以敘述，磁矢量Ｍ，代表一個小范圍組織內(nèi)也即一個體積元（體素）內(nèi)所有質(zhì)子的磁化強度及方向。橫向及縱向成分的弛豫過程a90°脈沖；b90°脈沖剛停止，橫向成分最大；c,d弛豫過程：橫向成分迅速衰減，縱向成分緩慢增長；e縱向成分最大。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院三、弛豫時間應用一空間坐標系X-，Y-，Z-軸加以敘述，磁矢三、弛豫時間當人體被置于一外加靜磁場中，磁矢量Ｍ沿Z軸取向，與靜磁場方一致.以箭頭Ｍ為標志，箭頭長短與體素內(nèi)所含氫質(zhì)子數(shù)成正比。加一個90°脈沖，Ｍ就偏離Z，轉(zhuǎn)90°至與靜磁場垂直的位置，在X-Ｙ平面遂產(chǎn)生一個橫向磁矢量Ｍ。此時在接收線圈內(nèi)產(chǎn)生感應，因而可以用電流表測得此信號。當90°脈沖停止后，在弛豫過程中，磁矢量Ｍ分離成縱向成分Ｍz，與橫向成分Ｍxy。由于靜磁場并非均勻一致，而且分子間、分子與原子間又存在的內(nèi)磁場，因此橫向成分Ｍxy從最強很快衰減至零，即T2弛豫。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院三、弛豫時間當人體被置于一外加靜磁場中，磁矢量Ｍ沿Z軸取向，三、弛豫時間控制射頻脈沖的強度與時間，可得到90°或180°等不同的脈沖，從而可控制磁矢量偏離Z軸的夾角。使磁矢量Ｍ偏離90°與180°的射頻脈沖分別稱90°與180°脈沖，180°脈沖使磁矢量Ｍ轉(zhuǎn)180°，從正Z軸轉(zhuǎn)到負Z軸，它不產(chǎn)生橫向磁矢量，因此不能產(chǎn)生信號。同樣360°脈沖也不能產(chǎn)生信號。只是有了橫向磁矢量，才能產(chǎn)生信號。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院三、弛豫時間控制射頻脈沖的強度與時間，可得到90°或180°四、自由感應衰減自由感應衰減是表示90°脈沖激勵以后立即產(chǎn)生的信號。當90°脈沖終止后，橫向磁矢量開始消失，縱向磁矢量重新出現(xiàn)，由于質(zhì)子失去相位一致性，橫向磁矢量這一信號很快衰減，在MRI不能被直接利用，因為必須有足夠的時間來使梯度場起作用，以獲取空間定位的信號。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院四、自由感應衰減自由感應衰減是表示90°脈沖激勵以后立即產(chǎn)生四、自由感應衰減為了要取得MR成像中有用的信號，必須在一定間隔時間再給一個180°RF脈沖，以取得一個自由感應衰減的回波信號，即自旋回波信號。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院四、自由感應衰減為了要取得MR成像中有用的信號，必須在一定間四、自由感應衰減這個可以用淺顯的比喻來理解：此180°RF脈沖的作用，就像一堵墻和一座山那樣將信號碰回，如同在回音壁或山谷中聽到的回聲一樣。這就是我們?yōu)槭裁捶Q由此所形成的更強一些的信號為回波或自旋回波的道理。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院四、自由感應衰減這個可以用淺顯的比喻來理解：此180°RF脈四、自由感應衰減假設一只兔于與一只烏龜從同一起跑線上賽跑，在某一時間（TE/2）后，兔子跑在烏龜?shù)那懊?。當讓它們在同一時間向相反方向跑來，則兩者會同時回到起點(假設速度不變）。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院四、自由感應衰減假設一只兔于與一只烏龜從同一起跑線上賽跑，在四、自由感應衰減在得到信號自旋回波后，質(zhì)于再次失去相位一致性。正如前面所說的，較快的質(zhì)子位于前面?？梢杂昧硪粋€180゜脈沖再行實驗，并且再一個、再一個……如果繪制時間與信號強度曲線，就會得到一條曲線。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院四、自由感應衰減在得到信號自旋回波后，質(zhì)于再次失去相位一致性休息廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院休息廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院磁共振成像的原理及臨床應用廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院影像放射科黃勇廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院磁共振成像的原理及臨床應用廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院WhatisMRI?廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院WhatisMRI?廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院磁共振成像(MagneticResonanceImaging,MRI)，又稱核磁共振成像（NuclearMagneticResonance,NMR），是一種新的、非創(chuàng)傷性的成像方法，它不用電離輻射而可以顯示出人體內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)。利用一定頻率的射頻信號（radiofrequency，RF）在一外加靜磁場內(nèi)，對人體的任何平面，產(chǎn)生高質(zhì)量的切面成像（crosssectionalimaging）。磁共振成像的原理及臨床應用廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院磁共振成像(MagneticResonanceImagi第一節(jié)MRI發(fā)展概況1946年美國斯坦福（Stanford）大學的FelixBloch和哈佛（Harvard）大學的EdwardPurcell各自進行研究，檢測到大塊物質(zhì)內(nèi)核磁共振吸收，更清楚地闡述了原子核自旋(Spin)的存在，幾乎同時發(fā)表他們的研究成果，為此，他們共同獲得了1952年諾貝爾物理學獎。NMR的應用逐漸地從物理和化學領(lǐng)域，擴大到更為廣泛的學科，如考古學直至醫(yī)學。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院第一節(jié)MRI發(fā)展概況1946年美國斯坦福（Stanfor第一節(jié)MRI發(fā)展概況

在醫(yī)學影像學方面，1973年Lauterbur研究出MRI所需要的空間定位方法，也就是利用梯度場。他的研究結(jié)果是獲得水的模型的圖像。在以后的10年中，人們進行了大量的研究工作來制造磁共振掃描機，并產(chǎn)生出人體各部位的高質(zhì)量圖像，先后通過MR掃描，獲得手、胸、頭和腹部的圖像。1980年商品化MRI裝置問世。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院第一節(jié)MRI發(fā)展概況在醫(yī)學影像學方面，1973年Lau第二節(jié)MRI的基本原理本節(jié)介紹核磁共振這一物理現(xiàn)象最基本的理論知識，我們應用一般物理學、力學及磁學的原理闡述。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院第二節(jié)MRI的基本原理本節(jié)介紹核磁共振這一物理現(xiàn)象最基本一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性人體由很多分子組成，分子由原子組成；所有原子的核心都是原子核；帶正電荷和中性粒子的集合體；占原子質(zhì)量的絕大部分；廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性人體由很多分子組成，分子由原子組一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性從理論上講，很多元素都可以用核磁共振來成像。也就是任何一個原子核，只要其所含的質(zhì)子或中子的任何一個為奇數(shù)時，就具備磁性，就可以產(chǎn)生磁共振信號。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性從理論上講，很多元素都可以用核磁一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性MRI主要是應用于氫核的成像，這是出于：一是Ｈ對其磁共振信號的敏感性高；Ｈ的旋磁比最高，因此最敏感，即MR信號被測出的效率，隨共振信號頻率的增加而改善。二是它在自然界含量豐富。氫存于水和脂肪中，因而在人體中極為豐富，每立方毫米軟組織中含有約1019個Ｈ原子，其所產(chǎn)生的磁共振信號要比其他原子強1000倍。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性MRI主要是應用于氫核的成像，這一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性由于1Ｈ只有一個質(zhì)子，沒有中子，所以氫核的成像也稱質(zhì)子成像。氫核有兩個特性：其一是它含有一個不在核中心的正電荷；其二是它有角動量或自旋。Pauli理論，具有奇數(shù)原子質(zhì)量或奇數(shù)原子數(shù)的核均具有角動量及具有特征性的、大于零的自旋量子數(shù)。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性由于1Ｈ只有一個質(zhì)子，沒有中子，一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性自旋的氫核其正電荷沿著一近似圓形路線運動，猶如電流通過環(huán)形線圈一樣，從而在其周圍產(chǎn)生一磁場。此滋場的大小與方向用磁矩來表示，形成一個微觀的磁體偶極子。

具有磁矩的快速自旋核可以看成為極小磁棒廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性自旋的氫核其正電荷沿著一近似圓形一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性共振是一種常見的現(xiàn)象。指南針是我們最熟悉的磁體，地球是一個磁場。指南針在地球表面作定向排列，即在靜止狀態(tài)下指北。如果我們用手指輕擊指南針，使之來回擺動，直到指南針從我們手指上得到的能量全部放出后，又回到原來的位置，指北。這就是共振現(xiàn)象。針擺動的頻率為共振頻率。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性共振是一種常見的現(xiàn)象。指南針是我一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性共振頻率與外磁場強度成正比。地球的兩極場強最強，赤道最弱。在赤道與兩極之間，磁場強度逐漸變化，稱梯度磁場或簡稱梯度。如果指南針在赤道擺動的頻率為１周/秒，越向北其擺動的頻率越快。這是因為北極滋場強度較赤道大2.3倍。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性共振頻率與外磁場強度成正比。地球一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性這個簡單的例子可以幫助我們了解磁共振成像中的基本要點：①指南針置于磁場中與外磁場的方向作定向排列；②指南針的共振頻率與外磁場強度成正比；③當有梯度磁場時，根據(jù)指針擺動頻率的變化可以推斷其在磁場中所處的位置。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性這個簡單的例子可以幫助我們了解磁眾多的氫核（質(zhì)子）就是許多微觀的磁偶極子，在沒有外加磁場影響下，它們的磁矩是任意指向，雜亂無章地排列著。在這種情況的組織標本中，凈磁量為零。一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院眾多的氫核（質(zhì)子）就是許多微觀的磁偶極子，在沒有外加磁場影響將這些指向雜亂無章的質(zhì)于置于強大的靜磁場(B0)中時，質(zhì)于群的磁矩將會沿靜磁場的方向作定向排列。略超過半數(shù)的質(zhì)子與靜磁場B0平行排列，略少于半數(shù)的質(zhì)子則指向相反（與靜磁場呈反平行方向排列)。一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院將這些指向雜亂無章的質(zhì)于置于強大的靜磁場(B0)中時，質(zhì)于當有兩種可能的排列狀態(tài)時，耗能少的、處于低能態(tài)的排列狀態(tài)占優(yōu)勢。一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院當有兩種可能的排列狀態(tài)時，耗能少的、一、原子核及其在磁場內(nèi)的一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性低能量級的、平行于靜磁場方向的質(zhì)子與高能量級的、反平行于靜磁場方向的質(zhì)子來回翻轉(zhuǎn)，相互抵消，而產(chǎn)生平衡的磁化量Ｍ0，也就是在一定量的組織中，所有氫核的磁化量的總和。這一凈平衡磁化量的指向與外加靜磁場是一致的。要使置于外加靜磁場內(nèi)的組織標本達到磁化，需要足夠的時間（約為：5～10秒）。

廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性低能量級的、平行于靜磁場方向的質(zhì)二、磁共振是怎樣發(fā)生的每個質(zhì)子為細小的自旋磁體，當受到外加靜磁場的作用時，靜磁場對質(zhì)子的磁矩產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)作用，這樣就使質(zhì)子順著外加靜磁場的中軸旋轉(zhuǎn)，稱為進動；它如同旋轉(zhuǎn)的陀螺受地心引力一樣。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院二、磁共振是怎樣發(fā)生的每個質(zhì)子為細小的自旋磁體，當受到外加靜二、磁共振是怎樣發(fā)生的以坐標系來表示每個質(zhì)子受到外加靜磁場的作用時的磁力的方向大小。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院二、磁共振是怎樣發(fā)生的以坐標系來表示每個質(zhì)子受到外加靜磁場的平衡狀態(tài)中，凈磁化矢量并不在接受線圈中產(chǎn)生感應電流要獲得自旋信息，凈磁化矢量必須被攪亂或激勵可用射頻脈沖一種短促的無線電波，與感興趣核的拉莫爾頻率一致凈磁化從平衡方向產(chǎn)生不同程度的偏轉(zhuǎn)角度射頻脈沖激勵時，凈磁化以拉莫爾頻率或共振頻率沿主磁場方向進動二、磁共振是怎樣發(fā)生的廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院平衡狀態(tài)中，凈磁化矢量并不在接受線圈中產(chǎn)生感應電流二、磁共振射頻脈沖激勵時，凈磁化以拉莫爾頻率或共振頻率沿主磁場方向進動二、磁共振是怎樣發(fā)生的廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院射頻脈沖激勵時，凈磁化以拉莫爾頻率或共振頻率沿主磁場方向進動射頻激勵脈沖實際上是另一個磁場（B1）B1方向垂直于Bo及作用非常短的時間B1磁場的作用是使磁化沿其進動，從垂直方向轉(zhuǎn)向Mxy平面二、磁共振是怎樣發(fā)生的廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院射頻激勵脈沖實際上是另一個磁場（B1）二、磁共振是怎樣發(fā)生的凈磁化(M)有兩個矢量成分：橫向面的Mxy和縱向面的Mz只有在XY平面的成分能被探測到調(diào)整射頻脈沖強度和時間，使磁化從平衡狀態(tài)翻轉(zhuǎn)90度時，可獲得最大磁共振信號二、磁共振是怎樣發(fā)生的廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院凈磁化(M)有兩個矢量成分：橫向面的Mxy和縱向面的Mz二二、磁共振是怎樣發(fā)生的場強與進動頻率的關(guān)系以Larmor公式表示：ω０＝γＢ０

ω0＝質(zhì)子的共振頻率（MHz）（進動頻率）Ｂ0＝外加靜磁場場強，單位是Tesla，簡稱Ｔγ＝旋磁比，是一個常數(shù)，氫核的旋磁比為42.58MHz/T從上述公式可知，場強為1T時，那么進動頻率（ω0）即等于γ值（旋磁比）。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院二、磁共振是怎樣發(fā)生的場強與進動頻率的關(guān)系以Larmor公式二、磁共振是怎樣發(fā)生的頻率（ω0）非常重要，其原因如下：①在病人作MRI檢查時，必須用這樣頻率的電磁波（RF脈沖），方可激勵原子核；②MR儀的接收器必須調(diào)諧至此頻率，以便接收來自病人的信號。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院二、磁共振是怎樣發(fā)生的頻率（ω0）非常重要，其原因如下：廣州二、磁共振是怎樣發(fā)生的當給一定磁場中含氫的標本以一個與Larmor頻率相匹配的射頻脈沖激發(fā)時，質(zhì)子吸收能量，又將吸收的能量以相同頻率的無線電波形式釋放出來。這一吸收能量的過程稱激勵。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院二、磁共振是怎樣發(fā)生的當給一定磁場中含氫的標本以一個與Lar二、磁共振是怎樣發(fā)生的在Larmor頻率條件下，質(zhì)子吸收及釋放能量的過程稱為核磁共振。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院二、磁共振是怎樣發(fā)生的在Larmor頻率條件下，質(zhì)子吸收及釋二、磁共振是怎樣發(fā)生的核即原子核，磁有兩種含義：①外加靜磁場B0；②由射頻脈沖產(chǎn)生的激勵磁場B1。B0與B1有以下方面的不同：首先，B0的場強大約是B1的10000倍；其次，B0是恒定的，方向與磁體掃描膛平行，B1磁場迅速轉(zhuǎn)動，方向總是與B0垂直。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院二、磁共振是怎樣發(fā)生的核即原子核，磁有兩種含義：廣州中醫(yī)藥大二、磁共振是怎樣發(fā)生的用射頻線圈做天線接收器，將釋放出來的能量轉(zhuǎn)化為信號。在進行人體磁共振成像時，信號的強度取決于質(zhì)于的數(shù)量，也即質(zhì)子的密度。脂肪、肌肉、血液以及骨胳中質(zhì)子含量的不同，決定磁共振圖像中各種組織信號的強弱和對比，這種圖像即稱為質(zhì)于密度像。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院二、磁共振是怎樣發(fā)生的用射頻線圈做天線接收器，將釋放出來的能二、磁共振是怎樣發(fā)生的除了組織中質(zhì)于含量的不同對成像起作用以外，還有其他的組織特性對磁共振圖像的信號有更為重要的影響，這就是組織磁化的弛豫時間。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院二、磁共振是怎樣發(fā)生的除了組織中質(zhì)于含量的不同對成像起作用以三、弛豫時間與X線和CT成像的原理不同，MRI沒有X線輻射，而主要利用質(zhì)子密度與質(zhì)子的弛豫時間（T1與T2）的差異成像，尤其是弛豫時間更為重要。因為質(zhì)子在人體中的差異僅10％，但弛豫時間可相差百分之數(shù)百。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院三、弛豫時間與X線和CT成像的原理不同，MRI沒有X線輻射，三、弛豫時間弛豫時間可反映分子水平上的差別，從而發(fā)現(xiàn)人體生物化學與生理學的早期改變。這樣就不同于過去僅從病理解剖學的基礎(chǔ)上來表達疾病的傳統(tǒng)概念，而是能更早期發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)生理、生化的改變。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院三、弛豫時間弛豫時間可反映分子水平上的差別，從而發(fā)現(xiàn)人體生物三、弛豫時間若要充分認識一幅MRI圖像中強弱信號的意義，必須對射頻脈沖以及射頻脈沖去除后，在靜磁場作用下，從高能狀態(tài)（與磁場垂直的位置）到低能狀態(tài)（與磁場平行的位置）的恢復過程，即弛豫過程，有所認識。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院三、弛豫時間若要充分認識一幅MRI圖像中強弱信號的意義，必須（一）質(zhì)子（氫核）的T1弛豫質(zhì)于在受到射頻脈沖激勵后，吸收能量；當射頻脈沖一停止，縱向磁化開始恢復，質(zhì)子釋放能量；此時，將在接收線圈中產(chǎn)生RF信號；廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院（一）質(zhì)子（氫核）的T1弛豫質(zhì)于在受到射頻脈沖激勵后，吸收能（一）質(zhì)子（氫核）的T1弛豫縱向磁化的恢復率是以縱向弛豫時間（T1）來表示的；T1就是沿靜磁場方向的縱向磁化恢復約2/3（63％）所需的時間。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院（一）質(zhì)子（氫核）的T1弛豫縱向磁化的恢復率是以縱向弛豫時間（一）質(zhì)子（氫核）的T1弛豫T1是時間常數(shù)，生物組織的T1值從大約50毫秒到幾秒不等

不同的組織具有不同的T1值：脂肪為150～250ms。而腦脊液則為2～3s。T1弛豫又稱縱向弛豫、熱弛豫，自旋-晶格弛豫。它是縱向磁化恢復的過程，在這過程中有能量傳遞，是以熱的形式逸散。它又反映了分子運動頻率與Larmor頻率之間的關(guān)系，如果二者相同，T1弛豫有效，并且迅速，如果不相同，T1弛豫無效。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院（一）質(zhì)子（氫核）的T1弛豫T1是時間常數(shù)，生物組織的T1值（二）質(zhì)子的T2弛豫當射頻脈沖的激勵剛一停止，所有質(zhì)于的進動頻率一致，即相位一致，此時信號最強。由于外加靜磁場強度的不均勻以及存在空間定位的梯度場，從而使質(zhì)子的進動頻率發(fā)生變化，而失去其相位一致性，稱失相位。第三種因素則反映人體組織的固有特性，那就是磁化的質(zhì)子間的相互作用，以及與由于分子和巨分子所建立的磁環(huán)境的相互作用，而引起的相位不一致，這樣產(chǎn)生的相位不一致是不可逆的。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院（二）質(zhì)子的T2弛豫當射頻脈沖的激勵剛一停止，所有質(zhì)于的進動（二）質(zhì)子的T2弛豫相位不一致，一些質(zhì)子進動快，一些則進動慢，這是受局部磁環(huán)境的影響所致，其結(jié)果是凈橫向磁化衰減（decay）。此時，在接收器線圈中所得到的信號減少，以至完全喪失。衰減63％的橫向磁化所需的時問，亦即橫向磁化衰減至其原有值的37％所需時間，即為T2弛豫時間。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院（二）質(zhì)子的T2弛豫相位不一致，一些質(zhì)子進動快，一些則進動慢（二）質(zhì)子的T2弛豫a緊接施加90°RF脈沖后，原子核的磁化偶極子均相位一致地進動，橫向磁向量Mxy為最大值。b隨時間進展，磁化偶極子失相位，有些進動較快，有些則進動較慢，這是由于局部磁環(huán)境所致。這種失相位導致了凈橫向磁化量衰減。c接收線圈中所記錄的信號逐漸衰減，T2為橫向磁化衰減至原有值的37％所需的時間。廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院（二）質(zhì)子的T2弛豫a緊接施加90°RF脈沖