醫(yī)學影像學-磁共振成像原理

MRI原理

重慶醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院

呂發(fā)金

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應該使事情盡可能簡單——并且不能再簡單

艾伯特.愛因斯坦什么是MRIMRI-MagneticResonanceImaging最初稱為核磁共振成像—NuclearMagneticResonanceImagingNuclear:人體內(nèi)的原子核MagneticField:磁場Resonance:在RadioFrequencypulse（射頻脈沖）作用下引起共振—并因此產(chǎn)生MR信號Imaging:采集MR信號，經(jīng)計算機處理生成醫(yī)學圖像MRI簡介MRMagnetSystem&PatientTableTheOctane&DuplexSystemsTheSystemCabinet磁共振系統(tǒng)

1)主磁體

2)梯度線圈

3)脈沖線圈

4)計算機系統(tǒng)

5)其它輔助設(shè)備MRI簡介永磁磁共振:

磁場持續(xù)存在，場強低，不耗水電，磁場穩(wěn)定，開放式。常導磁共振:

造價高，場強低，耗電，

需水冷機，磁場均勻度受電波動影響超導磁共振:

場強高，消耗液氦耗電，需水冷機、冷頭不易開放式磁共振的分類MRI簡介<0.2T0.2-0.4T0.5-1.4T1.5-3.0T4.0-7.0T超低場低場中場高場超高場

Bo磁體內(nèi)孔<磁體勻場線圈梯度線圈RF線圈

RF線圈<梯度線圈<勻場線圈<磁體接收線圈計算機圖像處理圖像顯示和打印MR成像線條圖MRI簡介MRI工作原理示意圖NorthSouthtransmitreceiveMRI簡介MRI簡介MRI原理MRI物理基礎(chǔ)氫原子1.氫原子在人體內(nèi)的含量最豐富（水占人體成份的60%）2.1H的磁化率在人體磁性原子核中是最高的3.病變可引起水分含量或存在狀態(tài)的改變電子-+原子核質(zhì)子Nuclear---核其它可用于MRI的原子核：31P、19F、13C等MRI物理基礎(chǔ)自旋核磁非磁性原子核：質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均為偶數(shù)磁性原子核：質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)不為偶數(shù)B0:靜磁場---其強度是衡量磁共振性能的重要指標靜磁場的作用是:1.通過改變?nèi)梭w內(nèi)氫原子核的排列方式進而產(chǎn)生一定的靜磁化矢量---M0２.氫原子會以一定的頻率繞著主磁場進行旋轉(zhuǎn)。Magnetic---磁MRI物理基礎(chǔ)靜磁場B0S極N極未進入靜磁場前自旋質(zhì)子的隨機排列無宏觀磁化矢量產(chǎn)生MRI物理基礎(chǔ)S極N極MRI物理基礎(chǔ)進入靜磁場后自旋質(zhì)子的排列順磁場方向排列的質(zhì)子數(shù)與逆磁場方向排列的質(zhì)子數(shù)的差即為靜磁化矢量M0宏觀磁化矢量產(chǎn)生人體進入磁體中，質(zhì)子發(fā)生下列變化：

①質(zhì)子順此磁場縱軸呈有序排列

②質(zhì)子發(fā)生進動（快速的錐形旋轉(zhuǎn)運動）

③人體組織發(fā)生磁化（magnetization）且呈“縱向磁化”personinmagneticfieldmagnetMRI物理基礎(chǔ)

進動頻率低B0*運動軌跡和靜磁場大小相關(guān)高B0在靜磁場內(nèi)自旋質(zhì)子具有兩種運動形式：1.自旋---產(chǎn)生弱磁矩2.進動---因為弱磁矩的存在使得質(zhì)子自旋同時繞著主磁場進行旋轉(zhuǎn)擺動質(zhì)子在靜磁場中沿圓形軌跡自旋MRI物理基礎(chǔ)Larmor公式w=gBo進動頻率系數(shù)，氫質(zhì)子為42.6mHz靜磁場強度Larmor公式是貫穿于磁共振成像的一個最基本的思想！MRI物理基礎(chǔ)進動頻率表同位素0.20.51.01.53.0mHzg1H13C19F31P42.68.521.342.663.910.7140.0417.2416.160.125.95.3520.038.6210.7340.117.262.148.015.05MRI物理基礎(chǔ)S極N極SNMRI物理基礎(chǔ)S極N極SNF

MRI物理基礎(chǔ)S極N極SNMRI物理基礎(chǔ)Resonance---共振

射頻脈沖提供能量來源

射頻脈沖:加在垂直于靜磁場(B0)方向上的電磁波射頻脈沖的作用是促使處于低能級狀態(tài)的氫原子核的電子躍遷到高能級狀態(tài)在MRI中，射頻脈沖由特定射頻頻率的電磁波產(chǎn)生（射頻脈沖是短暫的電磁脈沖，頻率位于無線電頻率范圍（MHz）:3-100MHz，波長6-60mMRI物理基礎(chǔ)UUUUUU發(fā)生共振的條件是射頻脈沖的頻率必須與氫原子核的進動頻率一致MRI物理基礎(chǔ)UUUUUUMRI物理基礎(chǔ)射頻脈沖的分類：1)90°脈沖：宏觀縱向磁化矢量偏轉(zhuǎn)90°2)180°脈沖：宏觀縱向磁化矢量偏轉(zhuǎn)180°3)小角度脈沖：宏觀縱向磁化矢量偏轉(zhuǎn)小于90°射頻頻率共振發(fā)生需要兩個條件：1.RF的方向垂直于靜磁場B02.RF的頻率必須和質(zhì)子的自旋頻率一致B0MRI物理基礎(chǔ)S極N極MRI物理基礎(chǔ)S極N極MRI物理基礎(chǔ)S極N極MRI物理基礎(chǔ)磁共振信號---共振后弛豫的產(chǎn)物射頻結(jié)束時的三個現(xiàn)象：1.質(zhì)子釋放能量，從高能狀態(tài)回到低能狀態(tài)2.磁化矢量從橫向恢復到縱向3.橫向磁化矢量衰減時,質(zhì)子間相互失相位三種因素協(xié)同作用—產(chǎn)生MR信號施加RF時RF結(jié)束后B0MRI物理基礎(chǔ)射頻脈沖停止，由RF脈沖引起的變化很快恢復原狀，稱為弛豫（relaxation）。弛豫是指磁化矢量恢復到平衡態(tài)的過程

橫向弛豫：橫向磁化矢量漸減小至消失

縱向弛豫：縱向磁化矢量漸恢復到最大值MRI物理基礎(chǔ)縱向弛豫：質(zhì)子能量釋放，快速，時間短

縱向磁化恢復，其過程為縱向弛豫（自旋-晶格弛豫），縱向磁化由零恢復到原來數(shù)值的63%所需的時間，稱為縱向弛豫時間，簡稱T1時間

T1值與主磁場呈正比MRI物理基礎(chǔ)T1橫向磁化：質(zhì)子失相位，緩慢，時間長

橫向磁化消失，其過程則為橫向弛豫（自旋-自旋弛豫），橫向磁化由最大減小到最大值的37%所需的時間，稱為橫向弛豫時間，簡稱T2時間。去相位（dephasing）導致橫向磁化矢量減?。ㄋp）

質(zhì)子失相位原因：①質(zhì)子周圍磁環(huán)境隨機波動；②主磁場不均勻MRI物理基礎(chǔ)T2兩種弛豫小結(jié)：T1弛豫快，T2弛豫慢T1T2MRI物理基礎(chǔ)MRI物理基礎(chǔ)

施加的射頻頻率必須和共振（進動）頻率相符

停止射頻脈沖的發(fā)射

由于磁化矢量變化導致線圈產(chǎn)生感應電信號

TRTEShortLongShortT1-WeightedPD-WeightedLongNotUsedT2-WeightedMRI物理基礎(chǔ)

Imaging---Gradient(梯度)：空間定位使磁共振成像成為可能

梯度由梯度線圈產(chǎn)生，梯度線圈是一組帶電線圈(Gx、Gy、Gz)，用來產(chǎn)生在某方向上變化的磁場梯度通過輕微改變磁場強度來加快或減慢質(zhì)子的進動頻率用來選擇掃描范圍和對接收到的信號進行空間編碼定位B0梯度34012-1-2記住:磁場強度改變導致進動頻率改變。當發(fā)射共振頻率射頻脈沖時，將產(chǎn)生橫向磁化向量。MRI物理基礎(chǔ)梯度在磁共振成像中的作用1.進行層面選定---針對某一層面進行成像2.對層面內(nèi)的像素進行空間標記---實現(xiàn)像素與相應組織體素間點對點對應無論是選層還是對層面內(nèi)像素進行空間標記，其理論基礎(chǔ)均是基于Larmor公式！MRI物理基礎(chǔ)KzKyKxZXY梯度線圈的空間分布磁共振信號空間定位Z-梯度場選擇層面Y-梯度場在層面內(nèi)產(chǎn)生相位編碼X-梯度場在層面內(nèi)產(chǎn)生頻率編碼

編碼順序立MRI物理基礎(chǔ)層面和層厚選擇層面和層厚受梯度和射頻脈沖影響：梯度場不變，頻率增加，層面向梯度場高的一側(cè)移動梯度場不變，帶寬加寬，層厚增厚帶寬不變，梯度場強增加，層厚變薄MRI物理基礎(chǔ)重建圖像傅立葉轉(zhuǎn)換(FT):將時間轉(zhuǎn)換成頻率2D-傅立葉轉(zhuǎn)換應用在MR系統(tǒng)：頻率和相位方向K-空間是磁共振原始數(shù)據(jù)儲存的地方，數(shù)據(jù)按頻率和相位進行編碼存儲

MRI物理基礎(chǔ)K空間MR灰階圖矩陣圖頻率方向相位方向MRI物理基礎(chǔ)0-64+64像素高振幅梯度低振幅梯度K空間外圍

邊緣細節(jié)K空間中心高SNR

K-空間/梯度振幅MRI物理基礎(chǔ)K空間是個復雜的數(shù)學概念，是傅立葉變換的頻率空間常規(guī)K空間填充方式傅立葉轉(zhuǎn)換MRI圖像頻率編碼相位編碼一般頻率編碼方向為掃描線的長軸方向相位編碼方向與頻率編碼方向垂直，相位的大小影響掃描時間的長短

弛豫過程中組織產(chǎn)生不同的對比，線圈采集信號。信號經(jīng)采集、檢測、計算、空間定位等程序，最后形成MR圖像。personinmagneticfieldmagnetMRSignalRFTransceiverMRI物理基礎(chǔ)MRI圖像：多平面多序列的顯示方式MRI物理基礎(chǔ)影響M