磁共振成像基本概念

會計學(xué)1磁共振成像基本概念

濮陽市安陽地區(qū)醫(yī)院核磁室

主講人：

華小1頁/共74頁媽，我考上醫(yī)學(xué)院了，學(xué)醫(yī)去了第2頁/共74頁媽，我學(xué)醫(yī)回來了第3頁/共74頁MRI基本概念磁共振現(xiàn)象弛豫梯度場和空間定位K空間的基本概念第4頁/共74頁磁共振現(xiàn)象實現(xiàn)磁共振現(xiàn)象的物質(zhì)基礎(chǔ)（磁性原子核）實現(xiàn)磁共振現(xiàn)象的條件：

（1）具有磁矩的自旋原子核（即磁性原子核）

（2）穩(wěn)定的靜磁場(主磁場)

（3）特定頻率的射頻脈沖

第5頁/共74頁（一）磁共振現(xiàn)象共振的概念和磁共振現(xiàn)象

共振是廣泛存在于日常生活中的物理學(xué)現(xiàn)象。舉個例子，一個人手上拿著一個中號音叉，在臨近的實驗臺上豎放著大號、中號、小號音叉，如果用一個錘子輕輕敲擊手中的音叉，就會發(fā)現(xiàn)實驗臺上的中號音叉振動并發(fā)聲，而大號和小號的音叉，沒有反應(yīng)，這就是典型的共振現(xiàn)象。物理學(xué)上，共振被定義為能量從一個振動著的物體傳遞到另一個物體，而后者以前者相同的頻率振動。第6頁/共74頁

由此得出，共振的條件是相同的頻率，實質(zhì)是能量的傳遞。

如果我們給處于主磁場中的人體組織一個射頻脈沖，這個射頻脈沖的頻率與質(zhì)子的進動頻率相同，射頻脈沖的能量將傳遞給處于低能級的質(zhì)子，處于低能級的質(zhì)子獲得能量后將躍遷到高能級，我們把這種現(xiàn)象稱為磁共振現(xiàn)象。第7頁/共74頁1、實現(xiàn)磁共振的物質(zhì)基礎(chǔ)我們知道原子核有質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子帶正電荷，中子不帶電。即原子核帶正電荷。原子核圍繞著自身的軸進行旋轉(zhuǎn)稱為“自旋”。那么，這種帶有正電荷的原子核自旋就形成電流環(huán)路，從而產(chǎn)生一個具有一定大小和方向的磁化矢量，即產(chǎn)生一個磁場。我們把這種由帶有正電荷的原子核自旋產(chǎn)生的磁場稱為核磁。并非所有原子核的自旋均能產(chǎn)生核磁。（電生磁）第8頁/共74頁磁性原子核自旋運動能產(chǎn)生核磁的原子核。磁性原子核需符合以下條件：（1）中子和質(zhì)子均為奇數(shù)（2）中子為奇數(shù)、質(zhì)子為偶數(shù)（3）中子為偶數(shù)、質(zhì)子為奇數(shù)

綜上所述：有且至少有一個中子或質(zhì)子為奇數(shù)的原子核才能成為磁性原子核。

用于人體磁共振成像的原子核（物質(zhì)基礎(chǔ)）為質(zhì)子（1H）。第9頁/共74頁進入主磁場前人體內(nèi)質(zhì)子的核磁狀態(tài)人體內(nèi)的質(zhì)子不計其數(shù)，每個質(zhì)子都能產(chǎn)生一個小磁場，然而這種小磁場的排列是隨機無序的、雜亂無章的，使每個質(zhì)子產(chǎn)生的磁化矢量相互抵消。（如圖1所示）因此，人體自然狀態(tài)下并無磁性，即沒有宏觀磁化矢量的產(chǎn)生。那么如何產(chǎn)生宏觀磁化矢量呢？那就是把人體放入一個大磁場（即主磁場、B。）中。2、主磁場第10頁/共74頁

圖1進入主磁場前人體內(nèi)質(zhì)子的核磁狀態(tài)第11頁/共74頁進入主磁場后人體內(nèi)質(zhì)子的核磁狀態(tài)進入主磁場后，人體內(nèi)的質(zhì)子產(chǎn)生的小磁場不再是雜亂無章，而是呈有規(guī)律排列。進入主磁場后，質(zhì)子產(chǎn)生的小磁場有兩種排列方式，一種與主磁場方向平行且方向相同，另一種是主磁場平行但方向相反，處于平行同向的質(zhì)子略多于處于平行反向的質(zhì)子。從量子物理學(xué)的角度來說，這兩種核磁狀態(tài)代表了質(zhì)子的能量差別。第12頁/共74頁平行同相的質(zhì)子處于低能級，其磁化矢量的方向與主磁場方向一致；平行反向的質(zhì)子處于高能級，其磁化矢量與主磁場平行但方向相反。由于處于低能級的質(zhì)子略多于處于高能級的質(zhì)子，因此進入主磁場后，人體內(nèi)產(chǎn)生了一個與主磁場方向一致的宏觀縱向磁化矢量。（如圖2所示）第13頁/共74頁進入主磁場后人體內(nèi)質(zhì)子的核磁狀態(tài)NSN宏觀縱向磁化矢量圖2第14頁/共74頁進動頻率處于主磁場中的質(zhì)子，除了自旋運動外，還繞著主磁場軸進行旋轉(zhuǎn)擺動，我們把質(zhì)子的這種旋轉(zhuǎn)擺動稱為進動。就像地球除了自轉(zhuǎn)，還繞著太陽公轉(zhuǎn)。太陽就像主磁場的軸，地球就是自旋運動的質(zhì)子。（課本圖6-9示）

進動是磁性原子核自旋產(chǎn)生的小磁場與主磁場相互作用的結(jié)果，進動頻率明顯低于自旋頻率，但對于磁共振成像來說，進動頻率要比自旋頻率重要得多。第15頁/共74頁進動頻率也稱為Larmor（拉莫爾）頻率，其計算公式為：w=r.B,其中w為Larmor頻率，r為磁旋比（r對于某一種磁性原子核來說是個常數(shù)，質(zhì)子的r約為42.5mHz/T），B為主磁場的場強，單位為特斯拉（T）。從公式中可知，質(zhì)子的進動頻率與主磁場場強成正比。第16頁/共74頁處于低能級和高能級狀態(tài)下的質(zhì)子由于進動產(chǎn)生縱向和旋轉(zhuǎn)的橫向磁化分矢量B。圖3高能級低能級宏觀縱向磁化矢量第17頁/共74頁如圖3所示：由于進動的存在，質(zhì)子自旋產(chǎn)生的小磁場又可以分解成兩個部分，一部分為方向恒定的縱向磁化分矢量，處于高能級者與主磁場方向相反，處于低能級者與主磁場的方向相同；另一部分為以主磁場方向（B。）即Z軸為軸心，在X、Y平面旋轉(zhuǎn)的橫向磁化分矢量（箭頭）。就縱向磁化分矢量來說，由于處于低能級的質(zhì)子略多于處于高能級者，最后將產(chǎn)生一個與主磁場同向的宏觀縱向磁化矢量。第18頁/共74頁各質(zhì)子旋轉(zhuǎn)的橫向磁化分矢量由于相位不同而相互抵消，沒有橫向磁化矢量的產(chǎn)生圖4第19頁/共74頁就橫向磁化分矢量來說，如圖4所示，我們沿Z軸方向看XY平面上的橫向磁化分矢量的分布，圓圈及其箭頭代表質(zhì)子進動產(chǎn)生的橫向磁化分矢量是繞Z軸旋轉(zhuǎn)的，圓圈內(nèi)部箭頭代表各質(zhì)子的橫向磁化分矢量，由于每個旋轉(zhuǎn)的橫向磁化分矢量所處的相位（位置）不同，磁化矢量相互抵消，因而沒有宏觀橫向磁化矢量的產(chǎn)生。第20頁/共74頁因此，人體進入主磁場后被磁化了，但沒有宏觀橫向磁化矢量的產(chǎn)生，僅產(chǎn)生了宏觀的縱向磁化矢量。某一組織產(chǎn)生的宏觀矢量的大小與其質(zhì)子的含量有關(guān)，質(zhì)子含量越高產(chǎn)生的宏觀縱向磁化矢量越大。所以，我們可以認(rèn)為MRI已經(jīng)可以區(qū)分質(zhì)子含量不同的組織了。然而，MRI儀的接收線圈并不能檢測到宏觀的縱向磁化矢量，也就不能檢測到這種宏觀縱向磁化矢量的差別。那么接收線圈可以檢測到怎樣的宏觀磁化矢量呢？接收線圈能夠檢測到的是旋轉(zhuǎn)的宏觀橫向磁化矢量，因為旋轉(zhuǎn)的橫向磁化矢量可以切割接收線圈產(chǎn)生電信號。（磁生電）第21頁/共74頁考眼力第22頁/共74頁

從微觀角度講，磁共振現(xiàn)象是低能級的質(zhì)子獲得能量躍遷到高能級。從宏觀角度講，磁共振現(xiàn)象的結(jié)果是使宏觀縱向磁化矢量發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度與射頻脈沖的能量有關(guān)，能量越大偏轉(zhuǎn)角度越大。當(dāng)射頻脈沖的能量正好使宏觀縱向磁化矢量偏轉(zhuǎn)90°，即完全偏轉(zhuǎn)到XY平面，我們稱這種脈沖為90°脈沖。還有小角度脈沖（小于90°）、180°脈沖等。3、射頻脈沖的作用第23頁/共74頁

我們知道，接收線圈僅能接收旋轉(zhuǎn)的宏觀橫向磁化矢量，因此在MR成像中必須有宏觀橫向磁化矢量的產(chǎn)生。在各種角度的射頻脈沖中，90°射頻脈沖產(chǎn)生的宏觀橫向磁化矢量最大。90°脈沖也是MRI序列中最常用的射頻脈沖之一。我們來看看90°射頻脈沖激發(fā)后產(chǎn)生的效應(yīng)。如下圖所示:第24頁/共74頁zYXZYX圖590°脈沖激發(fā)前90°脈沖激發(fā)后第25頁/共74頁

如圖5所示為90°脈沖產(chǎn)生的效應(yīng)。實際上，90°脈沖的效應(yīng)可以分解成兩個部分來理解：（1）90°脈沖使處于低能級多處于高能級的那部分質(zhì)子有一半獲得能量進入高能級狀態(tài)，這就使處于低能級和高能級的質(zhì)子數(shù)目完全相同，兩個方向的縱向磁化矢量相互抵消，因此宏觀縱向磁化矢量等于零。（2）90°脈沖前，質(zhì)子的橫向磁化分矢量相位不同，90°脈沖可以使質(zhì)子的橫向磁化分矢量處于同一相位（聚相位），因而產(chǎn)生了一個最大的旋轉(zhuǎn)的宏觀橫向磁化矢量。第26頁/共74頁90°脈沖激發(fā)后所產(chǎn)生的橫向宏觀磁化矢量的大小與脈沖激發(fā)前（即平衡狀態(tài)下）的宏觀縱向磁化矢量的大小有關(guān)。宏觀縱向磁化矢量越大，90°脈沖激發(fā)后產(chǎn)生的宏觀橫向磁化矢量越大，MR信號越強；宏觀縱向磁化矢量越小，90°脈沖激發(fā)后產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)宏觀橫向磁化矢量越小，MR信號越弱。平衡狀態(tài)下宏觀縱向磁化矢量的大小與組織的質(zhì)子含量有關(guān)，由于90°脈沖能夠使宏觀縱向磁化矢量偏轉(zhuǎn)到XY平面，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的宏觀橫向磁化矢量，這樣MRI就能區(qū)分質(zhì)子密度不同的人體組織了。第27頁/共74頁王力宏音樂才子第28頁/共74頁執(zhí)子之手與之偕老第29頁/共74頁（二）核磁弛豫90°脈沖關(guān)閉后，組織的宏觀磁化矢量逐漸又回到平衡狀態(tài)，我們把這個過程稱為核磁弛豫。核磁弛豫可以分解成兩個相對獨立的部分：（1）橫向磁化矢量逐漸減小直至消失，稱為橫向弛豫（2）縱向磁化矢量逐漸恢復(fù)直至最大值（平衡狀態(tài)），稱為縱向弛豫。第30頁/共74頁1、橫向弛豫90°脈沖關(guān)閉后，橫向磁化矢量將逐漸減小，最后將衰減為零。我們知道90°脈沖產(chǎn)生宏觀磁化矢量的原因是使質(zhì)子小磁場的橫向磁化分矢量聚相位。90°脈沖關(guān)閉后，宏觀橫向磁化矢量衰減的原因與之相反，即處于同相位的質(zhì)子發(fā)生相位的離散（失相位），其橫向磁化分矢量相互抵消，因此宏觀橫向磁化矢量衰減直至為零。致使質(zhì)子失相位的原因有兩個：第31頁/共74頁（1）質(zhì)子周圍磁環(huán)境隨機波動。每個質(zhì)子都暴露在周圍無數(shù)個其他原子核和電子的磁環(huán)境中，而周圍這些帶電粒子一直處于熱運動狀態(tài)，這樣質(zhì)子感受到的磁場就會有輕微波動，且這種波動是隨機的，由于質(zhì)子周圍磁環(huán)境的這種隨機的輕微波動，各個質(zhì)子感受到的磁場就會有差別，也就造成了質(zhì)子之間進動頻率的差別，其結(jié)果引起質(zhì)子的逐漸失相位，宏觀橫向磁化矢量逐漸衰減；第32頁/共74頁（2）主磁場的不均勻。盡管我們追求主磁場的絕對均勻，但實際上這是不可能的，主磁場總是存在一定程度的不均勻，這種不均勻一般認(rèn)為是恒定的，也就是說某處一直輕微偏高，而另一處一直輕微偏低，主磁場的這種不均勻同樣會造成質(zhì)子失相位，引起宏觀橫向磁化矢量的衰減。第33頁/共74頁由于受上述兩個方面磁場不均勻的影響，實際上90°脈沖關(guān)閉后，宏觀橫向磁化矢量將呈指數(shù)式衰減，我們把宏觀橫向磁化矢量的這種衰減稱為自由感應(yīng)衰減（freeinductiondeeay，F(xiàn)ID），也稱T2*弛豫。剔除了主磁場不均勻的影響，質(zhì)子周圍其他磁性原子核的隨機運動引起的宏觀橫向磁化矢量的衰減才是真正的橫向弛豫，即T2弛豫。我們用T2值來描述組織橫向弛豫的快慢。（課本圖6-23）第34頁/共74頁T2=橫向磁化矢量衰減至最大值的37%的時間。不同的組織由于質(zhì)子周圍微觀磁環(huán)境不同，T2弛豫速度也存在差別，即T2值存在差別。但是，即便是同一組織，在不同的主磁場場強下，T2值也會發(fā)生改變。一般場強越高，組織的T2值越短。第35頁/共74頁2、縱向弛豫如前所述，射頻脈沖給予低能級質(zhì)子能量，后者獲能后躍遷到高能級。根據(jù)射頻脈沖的能量大小，宏觀縱向磁化矢量發(fā)生不同的變化。但是無論射頻脈沖的能量是多少，射頻脈沖關(guān)閉后，在主磁場的作用下，宏觀縱向磁化矢量將逐漸恢復(fù)到平衡狀態(tài)，我們把這一過程稱為縱向弛豫，即T1弛豫。我們用T1值來描述組織縱向弛豫的快慢。（課本圖6-19）第36頁/共74頁T1=縱向磁化矢量從最小恢復(fù)到平衡態(tài)磁化矢量的63%的時間射頻脈沖的作用是使低能級的質(zhì)子獲能后躍遷到高能級，即發(fā)生磁共振現(xiàn)象?？v向弛豫為其反過程，即獲能后處于高能級的質(zhì)子釋放出能量回到低能級。不同的組織其縱向弛豫速度也存在差別，即T1值不同。人體組織的T1值受主磁場場強的影響較大，一般場強越大，組織的T1值越長。第37頁/共74頁考眼力第38頁/共74頁3、磁共振加權(quán)成像

加權(quán)就是“突出重點”的意思，也即重點突出某方面特性。之所以要加權(quán)是因為在一般的成像過程中，組織的各方面特性（例如：質(zhì)子密度（PD）、T1值、T2值）均對MR信號有貢獻，幾乎不可能得到僅純粹反映組織一個特性的MR圖像。我們可以利用成像參數(shù)的調(diào)整，使圖像主要反映組織某方面特性，而盡量抑制組織其他特性對MR信號的影響，這就是”加權(quán)”。第39頁/共74頁

在MRI成像中，無論MR是什么序列，什么加權(quán)成像（如PDWI、T1WI、T2WI）等，在MR信號采集時刻，組織的宏觀橫向磁化矢量越大，MR信號越強。第40頁/共74頁總結(jié)實現(xiàn)磁共振成像的物質(zhì)基礎(chǔ)主磁場的作用：產(chǎn)生宏觀縱向磁化矢量射頻脈沖的作用：（1）翻轉(zhuǎn)縱向磁化矢量（2）產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的宏觀橫向磁化矢量弛豫（1）橫向弛豫（2）縱向弛豫加權(quán)的含義

第41頁/共74頁下次課內(nèi)容梯度場和空間定位K空間的基本概念第42頁/共74頁謝謝大家，明天見咖啡一杯第43頁/共74頁路漫漫其修遠(yuǎn)兮吾將上下而求索學(xué)醫(yī)路上與君共勉第44頁/共74頁（三）磁共振信號的空間定位

對于二維MR成像來說，接收線圈采集的MR信號包含有全層的信息，我們必須對MR信號進行空間定位編碼，讓采集到的MR信號中帶有空間定位信息，通過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化解碼，就可以將MR信號分配到各個像素中。為了獲取信號的空間定位信息，在MRI中采用了梯度磁場的方法。第45頁/共74頁1、梯度磁場梯度磁場是一個隨位置、以線性方式變化的磁場，與主磁場（B。）疊加后，可以暫時造成磁場的不均勻，使沿梯度方向的自旋質(zhì)子具有不同的磁場強度，產(chǎn)生不同的共振頻率，因此獲得關(guān)于位置的信息。梯度磁場是由置于磁體內(nèi)的梯度線圈產(chǎn)生的。MR信號的空間定位包括層面和層厚的選擇、頻率編碼、相位編碼。（課本圖6-26）第46頁/共74頁為獲得各個方向的空間位置信息，需要在X、Y、Z方向上分別施加一個梯度磁場，根據(jù)它們的功能，這些梯度磁場被稱為：（1）層面選擇梯度（Gz）；(2)頻率編碼或讀出梯度（Gx）；相位編碼梯度（Gy）。實際上，X、Y、Z軸的方向可以改變。ZXY第47頁/共74頁2、層面的選擇和層厚的決定

我們通過控制層面選擇梯度場和射頻脈沖來完成MR圖像層面和層厚的選擇。以1.5T磁共振儀為例，在1.5T的場強下，質(zhì)子的進動頻率為64MHZ。如圖所示為人頭正面像，我們進行橫斷面掃描，要先進行層面的選擇，那么就要在上下方向（即Z軸方向、人體長軸方向）上施加一個梯度磁場，Z軸梯度線圈中點位置（G。）由于梯度場強仍為1.5T，因此該水平質(zhì)子的進動頻率仍保持在64MHZ。第48頁/共74頁從G。向頭側(cè)磁場強度逐漸降低，因而質(zhì)子的進動頻率逐漸變慢，頭頂部組織內(nèi)質(zhì)子的進動頻率最低；從G。向足側(cè)磁場強度逐漸增高，因而質(zhì)子進動頻率逐漸加快，下頜部最高。單位長度內(nèi)質(zhì)子進動頻率差別的大小與施加的梯度場強度有關(guān)，施加梯度場強越大，單位長度內(nèi)質(zhì)子進動頻率的差別越大。第49頁/共74頁如果我們施加的梯度場造成質(zhì)子進動頻率的差別是1MHZ/cm，而所用的射頻脈沖的頻率為63.5—64.5MHZ，那么被激發(fā)的層面的位置（層中心）就在Z軸梯度線圈中點（G。），層厚為1cm，即層厚范圍包括了Z軸梯度線圈中點（G）上下各0.5cm的范圍。下圖為層面和層厚選擇示意圖。圖中橫實線表示層中心位置；兩條帶箭頭橫線之間距離表示層厚。第50頁/共74頁abcdG。G。G。G。63.5—64.564.5—65.563.75—64.2563.5—64.5第51頁/共74頁

圖a示梯度場強造成的質(zhì)子進動頻率差別為1MHZ/cm，射頻脈沖的頻率范圍為63.5—64.5MHZ，則層中心在梯度場中點（G。），層厚為1cm；圖b示梯度場保持不變，射頻脈沖的頻率范圍為64.5—65.5MHZ，則層厚為1cm，層中心向足側(cè)移1cm；圖c示梯度場保持不變，射頻脈沖的頻率范圍為63.75—64.25MHZ，則層中心保持不變，層厚為0.5cm；圖d示射頻脈沖的頻率范圍保持不變，梯度場強增加一倍，即造成質(zhì)子進動頻率的差別為2MHZ/cm，則層中心保持不變，層厚變?yōu)?.5cm。第52頁/共74頁由此得出，層面和層厚受梯度場和射頻脈沖影響的規(guī)律如下：（1）梯度場不變，射頻脈沖的頻率（中心頻率）增加，則層面的位置向梯度場高的一側(cè)移動2）梯度場不變，射頻脈沖的帶寬（頻率范圍）加寬，層厚增厚3）射頻脈沖的帶寬不變，梯度場的場強增加，層厚變薄第53頁/共74頁

前面的層面選擇僅僅確定了被激發(fā)和采集的層面和層厚，可是這時采集的MR信號包含有全層的信息，我們必須把采集的MR信號分配到層面內(nèi)不同的空間位置上（即各個像素中），才能顯示層面內(nèi)的不同結(jié)構(gòu)。因此在完成了層面選擇后我們還必須進行層面的空間定位編碼。層面內(nèi)的空間定位編碼包括頻率編碼和相位編碼。第54頁/共74頁舉個例子，看似無色的太陽光經(jīng)過三棱鏡的折射后分解出7種顏色。這7種顏色的光線實際上代表了7種不同的頻率，紅色頻率最低，紫色頻率最高。其實三棱鏡之所以能從無色的太陽光中分解出7中有色的光線，是因為無色的太陽光中本身就帶有這7種頻率的光線。只是各種頻率的光線混雜在一起無法分辨而已，而通過三棱鏡的折射則能分辨出這7種不同頻率的光線。第55頁/共74頁

其實頻率編碼的原理與此類似，傅里葉變換（三棱鏡）可以區(qū)分不同頻率的MR信號。但首先必須讓采集到的MR信號包含有不同的頻率，這樣通過傅里葉變換才能解碼出不同頻率的MR信號。而不同的頻率代表了不同的位置，這樣就可以根據(jù)頻率的不同來確定位置的不同了。第56頁/共74頁以頭顱的橫斷面為例，一般以前后方向為頻率編碼方向，我們在MR信號采集時刻在前后方向施加一個前高后低的梯度場，這樣在前后方向上質(zhì)子所感受到的磁場強度就不同，其進動頻率就存在差別，前部的質(zhì)子進動頻率高，后部的質(zhì)子進動頻率低。這樣采集到的MR信號中就包含有不同頻率的空間信息（即不同位置），經(jīng)傅里葉變換后不同頻率的MR信號就被區(qū)分出來，分配到前后方向各自的位置上。（如圖所示）第57頁/共74頁前左后右G。前后656463G。第58頁/共74頁3、相位編碼在前后方向上施加了頻率編碼梯度場后，經(jīng)傅里葉變換的MR信號僅僅完成了前后方向的空間信息編碼，而左右方向上的空間定位編碼并未實現(xiàn)。那么我們必須對左右方向的空間信息進行編碼，才能完成層面內(nèi)的二維定位。第59頁/共74頁我們知道，90°射頻脈沖后，選定層面內(nèi)所有自旋質(zhì)子均以相同的頻率進動，并且在任一時刻都指向同一個方向，即90°射頻脈沖后，所有自旋質(zhì)子的進動頻率均為64MHZ，相位也一致。（如圖a所示）前后左右646464第60頁/共74頁

還是以頭顱的橫斷面為例，我們在垂直于頻率編碼梯度場的方向上（即左右方向上）施加一個左高右低的相位編碼梯度場，這樣在左右方向上質(zhì)子所感受到的磁場強度就不同，就會出現(xiàn)左快右慢的進動頻率。這個梯度場在施加一段時間后，