磁共振(MRI)成像原理

目錄CONTENTS01物質基礎02進動和進動頻率04弛豫03磁共振現(xiàn)象05磁共振信號06加權成像物質基礎一、物質基礎：原子的結構原子由原子核及位于其周圍軌道中的電子構成，電子帶有負電荷。原子核中有兩種粒子，即中子和質子，中子不帶電荷，質子帶有正電荷。不同的元素其質子數(shù)不同。但同一種元素可以有不同的原子核，這些原子核中的質子數(shù)是相同的，所不同的是中子數(shù)，這種同一元素的不同原子核被稱為同位素，如元素氫的同位素就有H（氫核）、H（氘核）和H（氚核），一般標為1H（氫核）、H（氘核）和3H（氚核）即可。物質基礎一、物質基礎：自旋和核磁共振原子核具有一定大小和質量，可以視作一個球體，所有磁性原子核都有一個特性，就是總以一定的頻率繞著自己的軸進行高速旋轉，我們把磁性原子核的這一特性稱為自旋。由于原子核表面帶有正電荷，磁性原子核的自旋就形成電流環(huán)路，從而產生具有一定大小和方向的磁化矢量我們把這種由帶有正電荷的磁性原子核自旋產生的磁場稱為核磁。因此以前也把磁共振成像稱為核磁共振成像。物質基礎一、物質基礎：磁性和非磁性原子核并非所有原子核均能自旋而產生核磁，原子核內中子和質子的數(shù)目決定了該原子核是否為磁性原子核。如果原子核內的質子數(shù)和中子數(shù)均為偶數(shù)，則這種原子核不能自旋而產生核磁，我們稱這種原子核為非磁性原子核。反之，我們把能夠自旋而產生核磁的原子核稱為磁性原子核，磁性原子核必須符合以下條件之一：①中子和質子均為奇數(shù)；②中子為奇數(shù)，質子為偶數(shù)；③中子為偶數(shù)，質子為奇數(shù)。簡言之，磁性原子核的中子數(shù)和質子數(shù)至少要有一項是奇數(shù)。物質基礎一、物質基礎：用于人體磁共振成像的原子核選擇1H用于常規(guī)磁共振成像的理由有：①1H是人體中最多的原子核，約占人體中總原子核數(shù)的2/3以上，因此可以產生較強的磁共振信號；②1H的磁化率在人體磁性原子核中是最高的，也可以產生更強的磁共振信號；③從1H存在于人體的各種組織中，因此具有生物代表性。質子的核磁狀態(tài)二、進入主磁場前人體內質子的核磁狀態(tài)A.進入主磁場前，盡管組織中每個質子自旋都產生一個小磁場，但排列雜亂無章，磁化矢量相互抵消，因此沒有宏觀磁化矢量產生；B.進入主磁場后，質子自旋產生的小磁場與主磁場平行排列，平行同向者略多于平行反向者，相互抵消后組織中最后產生一個與主磁場方向一致的宏觀磁化矢量，被稱為宏觀縱向磁化矢量（粗黑箭）。質子的核磁狀態(tài)三、進入主磁場后人體內質子的核磁狀態(tài)進入主磁場后，人體組織中的質子產生的小磁場也不再是雜亂無章，而是呈有規(guī)律排列。進入主磁場后，質子產生的小磁場有兩種排列方式，一種是與主磁場方向平行且方向相同，另一種是與主磁場平行但方向相反，處于平行同向的質子略多于處于平行反向的質子。質子的核磁狀態(tài)三、進入主磁場后人體內質子的核磁狀態(tài)圖像右側粗黑箭代表主磁場方向。進入主磁場后，氫質子的核磁狀態(tài)有兩種形式，處于高能級氫質子（E+）的磁化矢量與主磁場平行但方向相反；而處于低能級氫質子（E-）的磁化矢量與主磁場平行且同方向。處于低能級的氫質子略多于處于高能級的氫質子。質子的核磁狀態(tài)三、進入主磁場后人體內質子的核磁狀態(tài)圖像右側粗黑箭代表主磁場方向。進入主磁場后，氫質子的核磁狀態(tài)有兩種形式，處于高能級氫質子（E+）的磁化矢量與主磁場平行但方向相反；而處于低能級氫質子（E-）的磁化矢量與主磁場平行且同方向。處于低能級的氫質子略多于處于高能級的氫質子。進動和進動頻率四、進動和進動頻率進入主磁場后，無論是處于高能級還是處于低能級的質子，其磁化矢量并非完全與主磁場方向平行，而總是與主磁場有一定的角度。如圖2-2-4A所示，陀螺在旋轉力與地球引力的相互作用下，不僅存在旋轉運動，而且還出現(xiàn)以地球引力為軸的旋轉擺動，這種旋轉擺動的頻率遠低于旋轉運動。處于主磁場的氫質子也是一樣，除了自旋運動外，其小核磁還繞著主磁場軸進行旋轉擺動（圖2-2-4B），我們把氫質子的這種旋轉擺動稱為進動。進動和進動頻率四、進動和進動頻率進動是磁性原子核自旋產生的小磁場與主磁場相互作用的結果，進動頻率明顯低于自旋頻率，但對于磁共振成像的來說，進動頻率比自旋頻率重要得多。進動頻率也稱Larmor頻率，其計算公式為：ω=γ·B，式中ω為Larmor頻率，γ為磁旋比（γ對于某一種磁性原子核來說是個常數(shù)，氫質子的Y約為42.5MHz/T），B為主磁場的場強，單位為特斯拉（T）。從式中可以看出，質子的進動頻率與主磁場場強成正比。進動和進動頻率四、進動和進動頻率進動是磁性原子核自旋產生的小磁場與主磁場相互作用的結果，進動頻率明顯低于自旋頻率，但對于磁共振成像的來說，進動頻率比自旋頻率重要得多。進動頻率也稱Larmor頻率，其計算公式為：ω=γ·B，式中ω為Larmor頻率，γ為磁旋比（γ對于某一種磁性原子核來說是個常數(shù)，氫質子的Y約為42.5MHz/T），B為主磁場的場強，單位為特斯拉（T）。從式中可以看出，質子的進動頻率與主磁場場強成正比。無論是處于低能級的質子還是處于高能級的氫質子都存在進動。由于進動的存在，質子自旋產生小磁場又可以分解成兩個部分，即縱向磁化分矢量和橫向磁化分矢量。進動和進動頻率四、進動和進動頻率：縱向磁化與橫向磁化矢量質子的縱向磁化分矢量的方向是不變的，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，由于處于低能級的質子略多于處于高能級者，最后會產生一個與主磁場同向的宏觀縱向磁化矢量。由于質子在進動，其橫向磁化分矢量則以主磁場方向為軸（Z軸），就像時鐘的指針在XY平面作旋轉運動，因此其方向處于不斷的動態(tài)變化中。盡管每個氫質子的小核磁都有橫向磁化分矢量，但各個氫質子的橫向磁化分矢量在360°圓周中所處的位置不同，即相位不同，橫向磁化分矢量相互抵消，因此沒有宏觀橫向磁化矢量產生。進動和進動頻率四、進動和進動頻率：縱向磁化與橫向磁化矢量A.左側的空白箭代表主磁場方向，無論是處于低能級和高能級狀態(tài)下的質子都發(fā)生進動，每個質子都產生縱向磁化分矢量（縱向虛線黑箭）和橫向磁化分矢量（橫向實線黑箭）。高能級質子的縱向磁化分矢量與主磁場方向相反，而低能級質子的縱向磁化分矢量與主磁場方向相同。由于質子進動，各個質子的橫向磁化分矢量以主磁場方向為軸作旋轉運動，旋轉方向與質子進動的方向一致（虛線圓圈箭頭）；B.示沿主磁場方向觀察XY平面上的質子橫向磁化分矢量（虛線黑箭）的分布，各質子橫向磁化分矢量繞著Z軸像時鐘指針一樣作旋轉運動（圓圈黑箭）。各質子（圖中為8個質子）旋轉的橫向磁化分矢量由于在圓圈中所處的位置不同（相位不同）而相互抵消，因此沒有宏觀橫向磁化矢量產生。進動和進動頻率四、進動和進動頻率：縱向磁化與橫向磁化矢量磁共振信號的探測就猶如一個發(fā)電機。進入主磁場后，人體組織中產生的宏觀縱向磁化矢量保持穩(wěn)定，其方向不發(fā)生變化，將不會切割接收線圈而產生電信號，因此接收線圈探測不到組織中的宏觀縱向磁化矢量。而如果組織中有一個旋轉的宏觀橫向磁化矢量，它將切割接收線圈而產生電信號，因此接收線圈能夠探測到的是旋轉的宏觀橫向磁化矢量。磁共振現(xiàn)象五、磁共振現(xiàn)象磁共振現(xiàn)象五、磁共振現(xiàn)象如果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子，處于低能級的質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。磁共振現(xiàn)象五、磁共振現(xiàn)象從微觀角度來說，磁共振現(xiàn)象是低能級的質子獲得能量躍遷到高能級。從宏觀的角度來說，磁共振現(xiàn)象的結果是使宏觀縱向磁化矢量發(fā)生偏轉，偏轉的角度與射頻脈沖的能量有關，能量越大偏轉角度越大。磁共振現(xiàn)象五、磁共振現(xiàn)象A.組織進入主磁場后，在沒有施加射頻脈沖激發(fā)之前，組織中只有一個與主磁場方向（Z軸）一致的宏觀縱向磁化矢量（向上空白粗箭），這種狀態(tài)被稱為平衡狀態(tài)；B.當給予組織一個能量較低的射頻脈沖，宏觀縱向磁化矢量偏轉較小的角度（a角），這種脈沖被稱為小角度脈沖。這時組織中產生一個較小的旋轉（帶箭頭圓圈）宏觀橫向磁化矢量（向右實心黑箭）；C.當射頻脈沖給予組織的能量恰好使宏觀縱向磁化矢量偏轉90°，形成一個最大的旋轉（帶箭頭圓圈）宏觀橫向磁化矢量（向右空白粗箭），這種脈沖被稱為90°脈沖；D.當射頻脈沖的能量足夠大，使組織中低能級超出高能級的那部分氫質子全部獲得能量躍遷到高能級狀態(tài)，這時組織將產生一個與主磁場方向相反的縱向宏觀磁化矢量（向下空白粗箭），即組織中原有的宏觀縱向磁化矢量偏轉了180°，這種脈沖被稱為180°反轉脈沖。弛豫六、核磁弛豫90°射頻脈沖激發(fā)后的瞬間，組織中沒有宏觀縱向磁化矢量，而產生了最大的旋轉宏觀橫向磁化矢量；當90°脈沖關閉，我們可以注意到組織中的宏觀橫向磁化矢量從最大逐漸縮小直至完全衰減，而宏觀縱向磁化矢量從零逐漸恢復直至最大即平衡狀態(tài)，我們把這個過程或現(xiàn)象稱為核磁弛豫。核磁弛豫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直至最大值（平衡狀態(tài)），稱為縱向弛豫。弛豫六、核磁弛豫A.在激發(fā)前平衡狀態(tài)下，組織中只有宏觀縱向磁化矢量（向上空白粗箭）；B.90°脈沖激發(fā)后即刻，組織中宏觀縱向磁化矢量消失，產生一個旋轉（帶箭頭圓圈）的宏觀橫向磁化矢量（水平空白粗箭）；C.等待一段時間后，組織中的宏觀橫向磁化矢量有所縮小，宏觀縱向磁化矢量有所恢復；D.再等待一段時間后，組織中的宏觀橫向磁化矢量進一步縮小，宏觀縱向磁化矢量恢復更多；E.再過一段時間，組織中的宏觀橫向磁化矢量已經完全衰減，而宏觀縱向磁化矢量進一步恢復；F.到最后，組織中的宏觀縱向磁化矢量已經完全恢復到平衡狀態(tài)。橫向弛豫七、橫向弛豫90°脈沖關閉后，組織中的宏觀橫向磁化矢量將逐漸減小，最后將衰減到零。90°脈沖使組織中原來相位不一致的質子群處于同相位進動，質子小磁場的橫向磁化分矢量相互疊加，從而產生旋轉的宏觀橫向磁化矢量。90°脈沖關閉后，宏觀橫向磁化矢量衰減的原因與之相反，同相位進動的質子群逐漸失去了相位的一致，其橫向磁化分矢量的疊加作用逐漸減弱，因此宏觀橫向磁化矢量逐漸減小直至完全衰減。橫向弛豫七、橫向弛豫橫向弛豫七、橫向弛豫由于受磁場不均勻的影響，實際上90°射頻脈沖關閉后，宏觀橫向磁化矢量將呈指數(shù)式的快速衰減，我們把宏觀橫向磁化矢量的這種衰減稱為自由感應衰減也稱T2※弛豫。利用180°聚焦脈沖可以剔除主磁場不均勻造成的宏觀橫向磁化矢量衰減，組織由于質子群周圍磁場微環(huán)境隨機波動造成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。T2弛豫的能量傳遞發(fā)生于質子群內部，即質子與質子之間，因此T2弛豫也稱自旋一自旋弛豫（spin-spin弛豫）。橫向弛豫七、橫向弛豫90°射頻脈沖的施加，使某組織宏觀橫向磁化矢量達到最大值，以此時刻為起點，以T2弛豫造成的橫向磁化矢量衰減到最大值的37%為終點，起點與終點之間的時間間隔即為該組織的T2值橫向弛豫七、橫向弛豫不同的組織由于組織結構的不同，質子群周圍其他帶電粒子自由運動造成磁場微環(huán)境隨機波動程度就存在差別，組織內質子群失相位的速度將存在差別，其宏觀磁化矢量衰減速度即T2弛豫速度存在差別，因此不同組織之間的T2值將存在差別。正因為不同的組織之間存在的T2值的不同，磁共振的T2加權成像（T2WI)方能區(qū)分不同的解剖結構，并能區(qū)分正常組織與病變組織?？v向弛豫八、縱向弛豫當射頻脈沖關閉后，在主磁場的作用下，組織中的宏觀縱向磁化矢量將逐漸恢復到激發(fā)前的狀態(tài)即平衡狀態(tài)，我們把這一過程稱為縱向弛豫，即T1弛豫。以90°脈沖關閉后某組織的宏觀縱向磁化矢量為零，以此為起點，以宏觀縱向磁化矢量恢復到最大值的63%為終點，起點和終點的時間間隔即該組織的T1值?？v向弛豫八、縱向弛豫磁共振物理學中，通常把質子周圍的分子稱為晶格，因此也把縱向弛豫稱為自旋-晶格弛豫。不同的組織由于質子周圍的分子自由運動頻率不同，其縱向弛豫速度存在差別，即T1值不同。各種組織的T1弛豫差別也是MRI之所以能夠區(qū)分不同組織的基礎。磁共振信號的產生九、自由感應衰減信號接受射頻脈沖如90°脈沖的激發(fā)，組織中將產生宏觀橫向磁化矢量，射頻脈沖關閉后組織中的宏觀橫向磁化矢量由于受T2弛豫和主磁場不均勻雙重因素的影響，而指數(shù)形式較快衰減，即自由感應衰減。如果利用磁共振接收線圈直接記錄橫向磁化矢量的這種自由感應衰減，則得到的磁共振信號就是自由感應衰減信號。自由感應衰減信號受90°脈沖的激發(fā)，組織中將產生宏觀橫向磁化矢量，射頻脈沖關閉后，組織中的宏觀橫向磁化矢量將以指數(shù)形式快速衰減，利用接收線圈采集記錄這種衰減得到的就是自由感應衰減信號。圖中從左到右代表時間，可見圖下方的波形幅度（代表磁共振信號的強弱）很快衰減。磁共振信號的產生十、自旋回波信號180°脈沖后組織中的宏觀橫向磁化矢量經歷了逐漸增大，到了最大值后又逐漸衰減的過程，利用接收線圈記錄這一變化過程將得到一個回波，所產生的回波稱為自旋回波(SE)。自旋回波信號90°脈沖產生了宏觀橫向磁化矢量，90°脈沖關閉后，由于主磁場的不均勻造成了質子群失相位，組織中的宏觀橫向磁化矢量逐漸衰減，即發(fā)生自由感應衰減。到Ti時刻，施加了一個180°聚焦脈沖，質子群逐漸聚相位，組織中宏觀橫向磁化矢量逐漸增大；到了2倍Ti時刻，質子群得以最大程度聚相位，組織中的宏觀橫向磁化矢量達到最大值；從此時刻開始，質子群又逐漸失相位，組織中的宏觀橫向磁化矢量又逐漸衰減。利用接收線圈記錄這種宏觀橫向磁化矢量的變化過程，將得到自旋回波（SE）。把90°脈沖中點到回波中點的時間間隔稱為回波時間（TE）。磁共振信號的產生十一、梯度回波信號小角度脈沖激發(fā)后，施加離相位梯度場，加速組織T2弛豫，當組織弛豫為零后，立即施加方向相反強度相同的梯度場，也就是聚相位梯度場，此時發(fā)生類似龜兔往返跑的現(xiàn)象，在原本離相位梯度場中進動頻率快的質子此時進動頻率被減慢，進動頻率慢的質子此時進動頻率被加快，經過離相位梯度場相同時間后，因離相位梯度場引起的質子失相位得到糾正，此時繼續(xù)施加聚相位梯度場，質子會往反方向發(fā)生失相位，直至橫向磁化矢量衰減為零。在施加聚相位梯度場的同時采集信號，會產生信號幅度從零到大再到零的完整回波，由于這種回波的產生是利用梯度場的反復切換，因此被稱為梯度回波序列。梯度回波信號十一、梯度回波信號磁共振的加權成像所謂加權是“突出重點”的意思，也即重點突出組織某方面特性的意思。通過成像脈沖序列的選擇及成像參數(shù)的調整，使MR圖像主要反映組織某方面特性，而盡量抑制組織的其他特性對MR信號強度的影響，這就是“加權”成像。T1加權成像（T1WI）指圖像中組織信號強度的高低主要反映的是組織的縱向弛豫差別；T2加權成像（T2WI）重點突出的是不同組織之間的橫向弛豫差別；質子密度加權成像（PDWI)則主要反映單位體積的不同組織之間的質子含量差別。磁共振的加權成像一、質子密度加權成像質子密度加權成像主要反映單位體積不同組織間質子含量的差別。以甲、乙兩種組織為例，甲組織質子含量高于乙質子，進入主磁場后，質子含量高的甲組織產生的宏觀縱向磁化矢量大于乙組織；射頻脈沖如90°脈沖激發(fā)后甲組織產生的旋轉宏觀橫向磁化矢量就大于乙組織，這時馬上檢測MR信號，甲組織產生的MR信號將高于乙組織，即質子密度越高，像MR信號強度越大，這就是質子密度加權成像。磁共振的加權成像一、質子密度加權成像在人體MRI中，蛋白質等大分子物質的氫質子由于T2值很短，幾乎不能產生MR信號，因此一般組織的MR信號主要來自組織中水分子和（或）脂肪中的氫質子，在一般的非脂肪組織中主要是指水分子中的氫質子，因此實際上一般組織中，質子密度加權成像主要反映的是組織中水分子的多少。人體中如腦脊液、膽汁、尿液等水樣結構的水分子含量最高，因此在質子密度加權像上這些結構的信號強度最高。磁共振的加權成像二、T2加權成像和T2*加權成像T2WI主要反映不同組織間橫向弛豫的差別。必須用聚焦脈沖采集自旋回波方可獲得組織真正T2弛豫的信息。以甲、乙兩種組織為例，假設這兩種組織質子密度相同，但甲組織的橫向弛豫比乙組織慢（即甲組織的T2值長于乙組織）。進入主磁場后由于質子密度一樣，甲乙兩種組織產生的宏觀縱向磁化矢量大小相同，一個射頻脈沖如90°脈沖激發(fā)后，兩種組織產生的旋轉宏觀橫向磁化矢量的大小也相同，我們不馬上檢測MR信號；90°脈沖關閉后，甲乙兩種組織的質子將發(fā)生橫向弛豫，由于甲組織橫向弛豫比乙組織慢，到一定時刻，甲組織衰減掉的宏觀橫向磁化矢量少于乙組織，其殘留的宏觀橫向磁化矢量將大于乙組織，這時檢測MR信