1、Imaging Fundamental Principles 四川大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院影像專業(yè)MRI技術(shù)原理部分 -李昌憲（華西醫(yī)院）華西放射-MRI技術(shù)原理部分非離子輻射成像 磁共振成像的物理原理。 基本概念。 Non ionizing Radiation(heating)Electromagnetic RadiationIonizing Radiation (bonds break)Frequency (Hz)RFmicrowaveVisibleUVX- ray10610810101012101410161018電磁波譜（一）磁共振成像的物理原理MRI 的特點(diǎn) ?；靖拍?。NMR 的參數(shù) 。M

2、RI與CT的比較 。成像原理 。MRI的特點(diǎn) MRI與別的影像診斷方法相比有以下優(yōu)點(diǎn)： 1.對(duì)低層次的組織有很好的顯示能力; 2.對(duì)人體無(wú)輻射損傷; 3.直接方位成像; 4.沒(méi)有骨髂或空氣產(chǎn)生偽影; 5.直接測(cè)量流速; 6.完全是非侵害性的； 7.可進(jìn)行器官功能成像。Summary - Current StatusAdvanced neuroimagingA complete clinical application capabilityClinical slice coverage & scan timesComplete regulatory clearance缺點(diǎn)檢查時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。檢查費(fèi)

3、用較貴。基本概念自旋（Spin)。磁矩（Magnetic moment)。進(jìn)動(dòng)（Precession）。共振（Resonance）。核磁共振波譜學(xué)（ Magnetic resonance spectroscopy）。核磁共振（Magnetic resonance ）。自旋（ Spin）所有的基本粒子都擁有固有的特征，質(zhì)子帶正電和中子不帶電，另外一點(diǎn)它們的共性就是自旋。用一句簡(jiǎn)單的話，許多微粒都可以設(shè)想為一些極小的自旋的陀螺，質(zhì)子、中子、電子以及所有原子內(nèi)微粒所擁有的這些性質(zhì)都叫做自旋。自旋是從物理學(xué)的分支量子力學(xué)方面來(lái)描述自然界的特點(diǎn)的結(jié)果。經(jīng)典力學(xué)描述的是大的物體的運(yùn)動(dòng)，而量子力學(xué)描述的是原

4、子及其組成的運(yùn)動(dòng)。就象原子核的質(zhì)子電荷數(shù)等于原子核的電荷數(shù)一樣，自旋的質(zhì)子和中子數(shù)總體上凈等于核自旋的總數(shù)。因此，原子核可以被認(rèn)為是一種帶正電荷的小陀螺 自旋核的磁效應(yīng)和自旋的原子核 每個(gè)原子核都有一定的角動(dòng)量，角動(dòng)量取決于質(zhì)子與中子的循軌道旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量以及不成對(duì)質(zhì)子與中子的自旋角動(dòng)量，稱為核自旋或自旋量子數(shù)，用I 表示,I是原子核的固有特性，由原子核的質(zhì)子和中子數(shù)決定。 當(dāng)質(zhì)子數(shù)是偶數(shù)，中子數(shù)也是偶數(shù)時(shí)，自旋量子數(shù)I 為等于零的整數(shù)，這類核沒(méi)有自旋；當(dāng)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)其中一個(gè)是奇數(shù)，另一個(gè)是偶數(shù)時(shí)，自旋量子數(shù)I 為半整數(shù)，這類核有自旋；當(dāng)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是奇數(shù)時(shí)，自旋量子數(shù)I 為正整數(shù)，這類核也

5、有自旋。凡是自旋量子數(shù)I為奇數(shù)的原子核都擁有一個(gè)I 0特征性的自旋量子數(shù)。凈自旋奇數(shù)質(zhì)子或/和奇數(shù)中子數(shù)的原子核的自旋產(chǎn)生磁矩，如13C，19F， 23Na ，31P 同時(shí)具偶數(shù)質(zhì)子數(shù)及中子數(shù)的原子核無(wú)法產(chǎn)生凈自旋，如16O ， 12CDeuterium atom ( 2H ) Helium核的自旋在自然界和生物中用于MRI研究的核微觀粒子的特性造就了MRI磁矩（Magnetic moment)運(yùn)動(dòng)的電荷會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng) ，因此，我們期望有某種東西，它既帶有電荷，又是旋轉(zhuǎn)的，并且能產(chǎn)生磁場(chǎng)。這種愿望的確成為現(xiàn)實(shí)了?？紤]到氫的原子核結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單 ，帶有電荷和自旋的氫原子核會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。因此在原子核的簡(jiǎn)圖上

6、我們必須增加另外一個(gè)因素，那就是原子核是一個(gè)具有南北極向的小陀螺，像一個(gè)小磁體，這種原子核也叫磁偶極子，通常被稱作磁矩。 在大部份物體中，如軟組織，這些小的磁矩的排列是無(wú)序的，也就是說(shuō)如果一個(gè)自旋質(zhì)子的磁矩方向朝上，那么另外一個(gè)相鄰的磁矩方向就該朝下。別的磁矩的方向可以朝各種方向。這種無(wú)序的排列導(dǎo)致總的自旋和磁矩相互抵消，所以總的磁化強(qiáng)度為零。單位體積內(nèi)核磁矩的強(qiáng)度稱為其矢量和，通常用M 表示。自旋磁矩是一個(gè)矢量，具有方向、大小性，可用箭頭表示： 相同方向 不同方向 不同大小矢量 相同大小矢量在大多數(shù)物體和所有病人中，磁矩的排列是無(wú)序的，因此，總的磁化強(qiáng)度為零。取向磁化矢量（magnetiza

7、tion vector）不管在任何時(shí)候，只要與外加磁場(chǎng)同向的核稍微多于與磁場(chǎng)反向的核的數(shù)量（相差百萬(wàn)分之幾），這個(gè)病人就會(huì)產(chǎn)生磁化強(qiáng)度，這個(gè)病人就變成一個(gè)磁場(chǎng)了 ，這個(gè)很強(qiáng)的外磁場(chǎng)是指B0。習(xí)慣上，磁場(chǎng)B0在在多數(shù)圖像上是被分配在Z軸上。磁場(chǎng)B0、Z軸以及病人的長(zhǎng)軸均允許分布在同一平面上。xy平面各核相位分布是均勻的，因此Mxy= 0?？偞呕噶浚╪et magnetization）磁場(chǎng)中的原子核無(wú)磁場(chǎng)時(shí)氫核的自旋矢量隨機(jī)取向，總的磁化矢量為零。在磁場(chǎng)中在均勻的磁場(chǎng)中，氫核自旋平行或反平行于磁場(chǎng)方向平行和反平行的自旋具有能量差別小結(jié)原子核和自旋原子質(zhì)子 （正電）中子 （不帶電）電子 （負(fù)電）原

8、子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成氫原子核在人體內(nèi)豐富，主要在存在于水和脂肪中氫原子核對(duì)核磁共振最靈敏自旋原子核的重要特性產(chǎn)生磁矩氫原子的來(lái)源1.人體內(nèi)含量豐富 體內(nèi)的自由水，如腦脊液； 大分子的水，如蛋白質(zhì)； 脂肪類組織中的氫質(zhì)子2.磁敏感性最強(qiáng)氫原子1 gram of water contains 10 hydrogen nuclei Has magnetic moment Present in living matter Sufficient quantity to provide strong MR signal1 proton0 neutrons1 gm22進(jìn)動(dòng)（Precession）除了電荷、自

9、旋和磁矩之外，每一個(gè)核在外磁場(chǎng)(B0)的作用下，它的運(yùn)動(dòng)就象一個(gè)小陀螺或一個(gè)陀螺儀。任何人在觀察了陀螺在平地表面旋轉(zhuǎn)時(shí)，它都不會(huì)是在地上垂直地旋轉(zhuǎn)，而是在自旋的同時(shí)以微小的搖擺來(lái)回運(yùn)動(dòng)，這種搖擺叫做進(jìn)動(dòng)。 質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)NucleusMagnetic MomentNSBOw = B If the net magnetization is placed in the XY plane.it will rotate about the Z axis at a frequency equal to the frequency of the photon which would cause a trans

10、ition between the two energy levels of the spin. This frequency is called the Larmor frequency. Precession:磁場(chǎng)對(duì)組織磁化的影響 進(jìn)動(dòng)（Precession)定義：一個(gè)沿自身軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)又沿另一個(gè)軸作回旋的運(yùn)動(dòng)。力學(xué)原理：凈磁場(chǎng)對(duì)每一個(gè)順磁場(chǎng)排列旋轉(zhuǎn)的質(zhì)子的力矩產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)作用。進(jìn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式 圍繞自身軸的旋轉(zhuǎn)； 旋轉(zhuǎn)的自身軸圍繞另外一個(gè)軸作回旋； 受旋轉(zhuǎn)速度的影響，圍繞中心軸旋轉(zhuǎn) 半徑也相應(yīng)改變。物理學(xué)上的定義拉莫頻率自旋磁場(chǎng)繞外加磁場(chǎng)方向旋進(jìn)的速度。=B0為角頻率。為旋磁比常數(shù)。B0為靜磁

11、場(chǎng)強(qiáng)度。磁場(chǎng)對(duì)組織磁化的影響磁旋比 - 不同元素的質(zhì)子在相同的靜磁場(chǎng)強(qiáng)度中的磁旋比不同; - 相同元素的質(zhì)子在不同的靜磁場(chǎng)強(qiáng)度中的共振頻率不同。原子 磁旋比率 1T（MHZT） 靜磁場(chǎng)強(qiáng)度 氫質(zhì)子共振頻率 1H 42.58 0.15 T 6.4 MHZ 13C 10.71 0.3 12.8 MHZ 19F 40.05 0.5 21.3 MHZ 23Na 11.26 1.0 42.6 MHZ 13P 17.23 1.5 63.9 MHZ 磁場(chǎng)對(duì)組織磁化的影響磁場(chǎng)對(duì)組織磁化的影響w = BBONSNet Magnetization現(xiàn)在我們知道在分析樣品中如何應(yīng)用核磁學(xué)的性質(zhì)是非常有用的。假若放一個(gè)

12、不知名的樣品在一個(gè)已知磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁體中，如果我們以某種方法測(cè)出進(jìn)動(dòng)頻率，那么由拉莫爾公式我們就能算出這種樣品的旋磁比，因?yàn)槊糠N類型的樣品的核具有自己唯一的旋磁比，這就能告訴我們現(xiàn)在是哪種物質(zhì)。每個(gè)強(qiáng)信號(hào)將表示與含有豐富的某種核素有關(guān)。另外，如果我們以某種方法測(cè)出樣品每一點(diǎn)的信號(hào)，我們就能產(chǎn)生該樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像。這整個(gè)過(guò)程隨我們以某種方法測(cè)量進(jìn)動(dòng)頻率而定。共振（Resonance）決定拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率是利用一種叫共振的運(yùn)動(dòng)來(lái)執(zhí)行的。每一類物體都能被振動(dòng)，而每一個(gè)物質(zhì)都有一個(gè)固有的振動(dòng)頻率，這種固有的頻率叫共振頻率 。大部份物質(zhì)間有效能量的傳播都產(chǎn)生于共振。一臺(tái)豎琴和一個(gè)小提琴，豎琴的每根弦的音調(diào)

13、是由它的長(zhǎng)度和張力產(chǎn)生不同的音符或頻率。如果小提琴手拔一下一根弦，它的振動(dòng)頻率正好等于豎琴中的某一根，那這根豎琴的弦在沒(méi)有人撥動(dòng)的情況下會(huì)發(fā)出聲音，這叫做共振。另外，生活中每天都有共振的例子，其中包括收音機(jī)和電視的發(fā)射和接收，小孩玩的秋千和 a Narrows大橋。在1940年的風(fēng)暴中，共振導(dǎo)致大橋倒塌。 共振與共振現(xiàn)象 共振音叉的共振 共振的基本條件主動(dòng)振動(dòng)頻率 主動(dòng)振動(dòng)頻率與被動(dòng)振動(dòng)物體固有頻率相同主動(dòng)振動(dòng)物體應(yīng)與被振動(dòng)物體保持一定距離當(dāng)一個(gè)人悅耳地振動(dòng)一物體與另外一個(gè)具有相同振動(dòng)頻率的物體相互作用時(shí)共振產(chǎn)生了。核磁共振波譜學(xué)（ Magnetic resonance spectroscop

14、y）在呈述MRI之前，有必要介紹一下它的祖先-NMR波譜學(xué)。MRI的信號(hào)隨患者馳豫期間即自由感應(yīng)衰減的發(fā)生而衰減的，如下圖所示，這些說(shuō)明了信號(hào)的強(qiáng)度是如何隨時(shí)間的改變而變化的。如果有人利用這種關(guān)系并且進(jìn)行一種嚴(yán)密的數(shù)學(xué)運(yùn)算（叫做傅立葉變換），就能得到NMR的波譜。傅立葉變換就能把信號(hào)的強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系轉(zhuǎn)換成信號(hào)的強(qiáng)弱與時(shí)間成反比或與頻率（Hz）成反比 。磁共振信號(hào)產(chǎn)生過(guò)程和自由衰減信號(hào)這是一個(gè)最簡(jiǎn)單的分子，如水（H2O）的NMR波譜，如下圖，縱軸表示信號(hào)的強(qiáng)度，橫軸代表頻率，這個(gè)單個(gè)的波峰叫共振波峰，水分子中進(jìn)動(dòng)的氫核的拉莫爾頻率集中于波峰之中。因此，在一個(gè)NMR波譜中，靠仔細(xì)地分析共振波峰的

15、位置，人們就能獲得關(guān)于化合物分子的結(jié)構(gòu)，這些在科學(xué)領(lǐng)域中的術(shù)語(yǔ)叫NMR波譜學(xué)，并且它是用許多復(fù)雜步驟獲取MR圖像的前提。NMR SignalIntensityFrequencyNMR Spectrum核磁共振（Magneticresonance ）如果人們利用FID并對(duì)它提供一個(gè)傅立葉變換，就能獲得一個(gè)NMR波譜。至于如何進(jìn)行傅立葉變換的細(xì)節(jié)這時(shí)并不重要。人們只需知道如何從分析FID能產(chǎn)生NMR波譜就知道了。理論上講，人們用一定范圍的RF帶寬對(duì)患者進(jìn)行掃描，同收音機(jī)的調(diào)諧一樣，同時(shí)產(chǎn)生許多核的NMR波譜。因?yàn)闅湓春茇S富而旋頻率又高，所以它的NMR具有很高的靈敏度。因此以氫的拉莫爾頻率為射頻脈沖

16、通常被用于核磁共振成像。 磁共振是指原子核在進(jìn)動(dòng)中吸收外界能量產(chǎn)生的一種能量躍遷現(xiàn)象，從低能態(tài)向高能態(tài)的躍遷，這種躍遷只出現(xiàn)在相鄰兩個(gè)能量級(jí)之間，而外界能量是指一個(gè)激勵(lì)電磁場(chǎng)（射頻磁場(chǎng)）。 磁共振成像的條件 磁共振須具備的三種磁場(chǎng) 靜磁場(chǎng) 梯度磁場(chǎng) 射頻脈沖磁場(chǎng)靜磁場(chǎng) 為磁共振系統(tǒng)中最強(qiáng)大的磁場(chǎng)，產(chǎn)生磁化矢量M，滿足質(zhì)子的取向要求。磁共振設(shè)備的大小就是指靜磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度，單位用特斯拉（Tesla簡(jiǎn)稱T）或高斯（Gauss），其之間的關(guān)系為1T=10000高斯。靜磁場(chǎng)除場(chǎng)強(qiáng)外是對(duì)其均勻度的要求。 靜磁場(chǎng)的類型永久型磁體（Permanent Magnet）。 常導(dǎo)型磁體（Resistive Mag

17、net） 。超導(dǎo)型磁體（Superconducting Magnet） 。梯度磁場(chǎng)（Magnetic Gradient） 簡(jiǎn)稱梯度場(chǎng)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度按其位置（距離）的變化而變化，梯度場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)變化呈非常有規(guī)律的線形改變，用于層面的選擇和平面內(nèi)信號(hào)的編碼。Gradient Coilsconsists of three sets of X, Y, and Z Coilslocated within the magnetprovides a means to spatially encode the image and locate the sliceproduces small changes in t

18、he main magnetic fieldX CoilsY CoilsZ Coils射頻脈沖磁場(chǎng) （Radio Frequency RF） 由射頻線圈和RF放大器組成。產(chǎn)生的射頻磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)垂直，用于激勵(lì)質(zhì)子和/或接受信號(hào)。 B1交變磁場(chǎng)90o脈沖與180o脈沖90o脈沖 縱向磁化矢量被轉(zhuǎn)向?yàn)闄M向磁化矢 量平面。180o脈沖 縱向磁化矢量被轉(zhuǎn)向至M0的反方向； 失相質(zhì)子在xy平面內(nèi)翻轉(zhuǎn)180o。A 90o pulse rotates the equilibrium magnetization down to the Y axis.A 180o pulse rotates the equili

19、brium magnetization down to along the -Z axis.相位平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的矢量與參照軸的夾角。同相位 (in phase)多個(gè)矢量相位方向一致時(shí) 。 離相位(out of phase)多個(gè)矢量相位方向不一致時(shí)。相位重聚 (rephase)由不同相位達(dá)到同相位的過(guò)程去相位 (dephase)由同相位變成不同相位的過(guò)程The 90o degree pulse rotates the magnetization down into the XY plane. The transverse magnetization begins to dephase. At som

20、e point in time after the 90o pulse, a 180o pulse is applied. This pulse rotates the magnetization by 180o about the X axis. The 180o pulse causes the magnetization to at least partially rephase and to produce a signal called an echo. 核磁共振實(shí)驗(yàn)NMR信號(hào)（FID）均勻的主磁場(chǎng)，1T水模發(fā)射頻率42.577MHz接收信號(hào)FIDFID 自由感應(yīng)衰減Free Ind

21、uction Decay對(duì)一個(gè)相對(duì)強(qiáng)的磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)，大部份感興趣的核的進(jìn)動(dòng)頻率介于電磁波譜的射頻帶區(qū)域內(nèi)。如果我們用一個(gè)隨機(jī)選擇的頻率的RF波來(lái)照射一個(gè)含有進(jìn)動(dòng)核的患者那么要產(chǎn)生好的結(jié)果的機(jī)會(huì)幾乎是沒(méi)有的。相反，如果用一個(gè)RF的頻率完全相同于氫核的拉莫爾頻率，那么共振將會(huì)發(fā)生，并且按照我們的樣品模型，這些氫核將會(huì)轉(zhuǎn)向下方或偏轉(zhuǎn)。從RF中吸收能量后，這些帶有能量的核的排向與外磁場(chǎng)的方向相反。 RF ExcitationRF TransmitterRF ReceiverMagnetic FieldRF PulseNSSaturation（飽和現(xiàn)象）It is possible to change th

22、e net magnetization by exposing the nuclear spin system to energy of a frequency equal to the energy difference between the spin states. If enough energy is put into the system, it is possible to saturate the spin system and make MZ=0. 在射頻磁場(chǎng)的作用下，低能的核吸收能量后躍遷到高能級(jí)，高能態(tài)上的核不及時(shí)回到低能態(tài)，那么這時(shí)高低能態(tài)的核數(shù)目相等，自旋核系統(tǒng)對(duì)射頻

23、能量的吸收就要減少或者完全不能吸收，導(dǎo)致MR信號(hào)減少或消失。Received SignalRF TransmitterRF ReceiverMagnetic FieldRF PulseNSNMR SignalNMR SignalIntensityFrequencyNMR SpectrumFourierTransformationFID(Free Induction Decay)在RF發(fā)射前，這些核在靜磁場(chǎng)中可以說(shuō)是處于平衡狀態(tài)中。RF 發(fā)射之后，他們就獲得了能量或者說(shuō)被激活了?？偞呕噶康恼穹谄胶鉅顟B(tài)下是指M0。因此，M0就是靜磁化矢量，它的振幅是由幾個(gè)因素決定的，其中包括現(xiàn)存的核的數(shù)量，也

24、叫自旋密度（SD），磁旋比即；還有靜磁場(chǎng)的強(qiáng)度，用B0表示。M0越大，MRI的信號(hào)就越強(qiáng)，MR圖像就越亮。 N spins aligned N spins aligned 小結(jié)總之，我們利用所提供的射頻波譜依靠共振就能檢測(cè)到靜磁場(chǎng)中進(jìn)動(dòng)的核。核磁共振這個(gè)術(shù)語(yǔ)因此是概括整個(gè)過(guò)程的最好的縮影。 生物學(xué)上許多重要的核都能顯示核磁共振，對(duì)成像來(lái)說(shuō)，它們中除了氫之外，其它核的含量不是太低就是MRI的信號(hào)太弱。人體中氫的含量是最豐富的元素，大約占所有氫原子的60%，而且它們大部分都含在水分子里，僅管將來(lái)用別的核可以成像，但現(xiàn)在所有的成像都是以氫來(lái)完成的。 NMR 的參數(shù) MRI 信號(hào)包含的信息，不是由一個(gè)

25、單獨(dú)的參數(shù)決定的，而是由三個(gè)單獨(dú)的參數(shù)決定的。它們是SD、T1和T2。 SD自旋密度SD是這些參數(shù)中最簡(jiǎn)單易懂的。與人們料想的一樣，從進(jìn)動(dòng)的核中接收到的信號(hào)強(qiáng)度與在MR儀所檢測(cè)的容積中的核的數(shù)目成比例。那就是，如果對(duì)兩個(gè)樣品進(jìn)行完全相同的實(shí)驗(yàn)，其中一個(gè)含有的氫的數(shù)量是另一個(gè)的兩倍，從第一個(gè)樣品接收到的信號(hào)強(qiáng)度是第二個(gè)樣品的兩倍大。另外，一個(gè)樣品的自旋質(zhì)子密度是另一個(gè)樣品的兩倍。同樣第 二個(gè)樣品中檢測(cè)到的自旋體數(shù)目是第二個(gè)的兩倍。因此，SD是衡量氫的濃度大小的重要指標(biāo)。 如果只向患者發(fā)射一個(gè)RF脈沖，核的激活狀態(tài)只能短暫存在。核一個(gè)接一個(gè)回旋到靜磁場(chǎng)B0的排列方向上。與此同時(shí)因RF脈沖的消失而引

26、起的核的相位離散也產(chǎn)生了。這種回到平衡狀態(tài)的復(fù)雜的方式叫馳豫，所需的時(shí)間叫馳豫時(shí)間。在馳豫過(guò)程中RF信號(hào)慢慢衰減的,并且這一作用與用MR成像的MRI信號(hào)有關(guān)。 弛豫（Relaxation）:是指磁化矢量恢復(fù)到平衡狀態(tài)的過(guò)程（即失去能量的過(guò)程），弛豫過(guò)程包括著時(shí)間概念，同時(shí)也包含了磁化矢量在縱軸方向的恢復(fù)和磁化矢量在橫軸方向的衰減的過(guò)程，縱軸方向的恢復(fù)過(guò)程稱為縱向弛豫、橫軸方向的衰減稱為橫向弛豫。橫向磁化矢量的衰減和縱向磁化矢量的恢復(fù)縱向弛豫(Spin-lattice relaxation) 縱向磁化恢復(fù)（自旋-晶格或T1弛豫）90o射頻脈沖終止后，激發(fā)態(tài)自旋釋放能量至周?chē)h(huán)境中，縱向磁化逐漸恢

27、復(fù)至平衡態(tài)的過(guò)程。自旋-晶格作用使激發(fā)態(tài)自旋釋放能量至周?chē)h(huán)境（晶格）中，恢復(fù)其平衡態(tài)的過(guò)程。 當(dāng)900RF作用后，凈磁化矢量處于XY平面（橫軸）縱向磁化矢量為零。然后縱向磁化矢量由零向最大值恢復(fù)，這個(gè)過(guò)程被稱為縱向弛豫。實(shí)際上T2和T1從時(shí)間上看是一個(gè)連續(xù)過(guò)程，即當(dāng)橫向磁化矢量按指數(shù)減少時(shí)，而縱向磁化矢量正在按指數(shù)增加。我們規(guī)定T1時(shí)間為在縱軸的磁化矢量由0增至63時(shí)為T(mén)1弛豫時(shí)間。1800RF橫向弛豫（Spin-Spin relaxation） 橫向磁化衰減（自旋-自旋或T2弛豫） 當(dāng)氫質(zhì)子在900RF的激勵(lì)后它的磁化矢量在進(jìn)動(dòng)中以螺旋運(yùn)動(dòng)的形式傾向XY平面，使在XY平面（橫向）的氫質(zhì)子磁

28、化矢量達(dá)到最大值。900RF停止后質(zhì)子發(fā)出自由感應(yīng)衰減信號(hào)，同時(shí)以進(jìn)動(dòng)的螺旋運(yùn)動(dòng)形式向靜磁場(chǎng)B0靠近過(guò)程。 橫向磁化矢量是以指數(shù)衰減曲線進(jìn)行，而導(dǎo)致橫向磁化矢量衰減的原因主要由于相位的離散（dephasing）所致,其原因有： 自旋自旋的相互作用； 外部磁場(chǎng)的不均勻性。 散相的過(guò)程 T2弛豫的過(guò)程中氫質(zhì)子將吸收的RF能量以電磁波的信號(hào)釋放出來(lái)， MR成像過(guò)程中只能取一個(gè)時(shí)間采集信號(hào)，規(guī)定T2的時(shí)間為橫向磁化矢量強(qiáng)度由最大值衰減達(dá)37所需的時(shí)間。T2 is always less than or equal to T1. The net magnetization in the XY plane

29、 goes to zero and then the longitudinal magnetization grows in until we have Mo along Z. MRI的基本參數(shù)：自旋密度T1馳豫時(shí)間T2馳豫時(shí)間質(zhì)子密度自旋晶格馳豫時(shí)間自旋自旋馳豫時(shí)間氫核密度縱向馳豫時(shí)間橫向馳豫間盡管是獨(dú)立的兩個(gè)參數(shù)，T1和T2馳豫時(shí)間有一個(gè)重要的范圍條件，表示:T2T1 。 通常組織上的T2馳豫時(shí)間小于或等于T1；T2時(shí)間是以數(shù)10毫秒來(lái)計(jì)算的，而T1時(shí)間是以數(shù)100毫秒來(lái)計(jì)算。 小結(jié)SD是指一定的體單元里對(duì)MRI信號(hào)起作用的而且是可用的氫核的數(shù)量。T1和T2與經(jīng)RF能量激勵(lì)后的自旋體的組織

30、的反應(yīng)有關(guān)。T1馳豫時(shí)間代表的是總磁化矢量沿Z軸方向恢復(fù)到其平衡狀態(tài)，并產(chǎn)生自旋晶格相互作用的特征。T2馳豫時(shí)間代表的是由于核之間的自旋自旋相互作用導(dǎo)致自旋體在XY平面上失相而產(chǎn)生的信號(hào)衰減的指數(shù)特性 。MRI與CT的比較總之，在一幅磁共振圖像里，我們可以用三種MRI參數(shù)來(lái)表示組織的特征 ;磁共振圖像通常是三種混和參數(shù)的結(jié)果。通過(guò)各種成像技術(shù)，在一幅圖像里我們可以著重選擇三種參數(shù)中的任何一種來(lái)突出影像的重點(diǎn)。因此我們可以產(chǎn)生所謂的T1加權(quán)圖像（T1W），每個(gè)像素是引起亮度的主要原因，但不是唯一的，它還會(huì)受T1的影響而變化。同樣地，用不同成像技術(shù)可以獲得T2加權(quán)（T2W）和SD加權(quán)（SDW）圖像

31、 ；一幅MRI圖像是由組織的三種不同特性決定的。而一幅CT圖像只由一種參數(shù)決定，即X線的衰減系數(shù)。因此，MRI圖像對(duì)大部份組織比CT 圖像具有更好的對(duì)比度。此外，在成像時(shí)可獲得核磁共振波譜，它可提供有關(guān)組織的生物化學(xué)信息。 性能特點(diǎn) MRI CT信息載體 MR信號(hào) 衰減X線信息源 質(zhì)子密度、T1、T2等 衰減X線的強(qiáng)度分布電磁波頻率 小于100MHZ 3X1010- 1014MHZ探測(cè)器 接收線圈 碘化納等斷層方向 任意 橫軸掃描機(jī)構(gòu) 電子 機(jī)械電力輻射 無(wú) 有分辨率 較高 高層面厚度 1mm 0.5mm成像時(shí)間 毫秒級(jí) 毫秒級(jí) 成像原理迄今為止，我們已在總的方面對(duì)MRI進(jìn)行論述。MR成像技術(shù)

32、是傳統(tǒng)的NMR光譜學(xué)和CT掃描的延伸。在核磁共振波譜運(yùn)用上，要求主磁場(chǎng)有很高的均勻度。磁場(chǎng)的均勻度通常用百萬(wàn)分之一來(lái)表示。磁場(chǎng)均勻度太差，波譜線會(huì)變得很寬以至于會(huì)覆蓋另外一種波譜線，所需信息也許就會(huì)丟失。從某種意義上講，MRI使用的是相反于經(jīng)典的NMR波譜學(xué)的技術(shù) ；許多技術(shù)方法都能從NMR信號(hào)重建出MR圖像，最早的而且最易懂的就是背投影重建技術(shù)；這個(gè)投影與CT掃描儀獲得的投影數(shù)據(jù)非常相似，的確，靠控制梯度磁場(chǎng)的方向，通過(guò)病人以連續(xù)的角度產(chǎn)生的連續(xù)的投影會(huì)被采集到 。三百六十度旋轉(zhuǎn)梯度背投影重建技術(shù)真空。液氦。液氮。容器及支撐。超導(dǎo)線圈。In early magnet designs, thi

33、s dewar was typically surrounded by a liquid nitrogen (77.4K) dewar which acts as a thermal buffer between the room temperature (293K) and the liquid helium. In later magnet designs, the liquid nitrogen region was replaced by a dewar cooled by a cryocooler or refrigerator. This design eliminates the

34、 need to add liquid nitrogen to the magnet.磁體類型 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 永磁低造價(jià)，低運(yùn)行成本，幾乎沒(méi)有干擾磁場(chǎng)。磁場(chǎng)強(qiáng)度有限，固定的場(chǎng)強(qiáng)，很笨重。 常導(dǎo)低造價(jià)，線圈容易維護(hù)，幾乎沒(méi)有干擾磁場(chǎng) 。高耗電，需水冷，磁場(chǎng)干擾重 。 超導(dǎo)高場(chǎng)強(qiáng)，高均勻度，耗電低 。造價(jià)高，制冷劑貴，強(qiáng)烈的磁場(chǎng)干擾 。三種磁體的比較 0.2T0.5T0.7T1.0T 1.5T 磁體永磁 超導(dǎo)型梯度線圈 （Gradient Coils ） 同前面提及的一樣，為了從發(fā)射的MRI信號(hào)中獲得組織的空間信息，有必要用一個(gè)梯度磁場(chǎng)來(lái)輕微地改變一下主磁場(chǎng)。這種梯度磁場(chǎng)是由一組叫梯度線圈的電子線圈

35、產(chǎn)生的。要獲得一個(gè)改變了方向的投影，人們必須能夠確定梯度磁場(chǎng)或沿X、Y和Z軸的方向，或沿任一斜面的方向。 梯度磁場(chǎng)梯度場(chǎng)質(zhì)子在靜磁場(chǎng)中的進(jìn)動(dòng)頻率公式為：(進(jìn)動(dòng)頻率) = r (磁旋比) BO (靜磁場(chǎng)強(qiáng)度) 梯度場(chǎng)的距離變化是每厘米1高斯場(chǎng)強(qiáng)為1.0T的磁共振大約每厘米變化0.10。在z、x、y方向施加線性的梯度磁場(chǎng)，使其不同位置上組織的進(jìn)動(dòng)頻率不同。梯度磁場(chǎng)梯度磁場(chǎng)的三個(gè)主要作用： 層面選擇 頻率編碼 相位編碼通常情況下，Z梯度線圈是用來(lái)選擇每一橫斷層面。當(dāng)Z梯度磁場(chǎng)開(kāi)啟時(shí)，RF脈沖調(diào)諧到如此的精確以至于在所選擇的患者的層面中只有氫核獲得了能量。梯度磁場(chǎng)的強(qiáng)度和RF脈沖的形狀決定了所選層面的

36、厚度。 （一）梯度磁場(chǎng)梯度磁場(chǎng)z梯度場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)和進(jìn)動(dòng)頻率變化是沿磁體的z軸方向改變的，因此作為橫軸位的選層x梯度場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)和進(jìn)動(dòng)頻率變化是沿磁體的x軸方向改變的，因此作為矢狀位的選層y梯度場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)和進(jìn)動(dòng)頻率變化是沿磁體的y軸方向改變的，因此作為冠狀位的選層斜層面的選擇要依靠?jī)蓚€(gè)梯度場(chǎng)的配合使用梯度磁場(chǎng)掃描方位與梯度場(chǎng)的關(guān)系（二）如果選擇了冠狀層面，X梯度線圈將會(huì)獲得能量；使Y梯度線圈獲得能量并產(chǎn)生一個(gè)矢狀層面，如果三組線圈都獲得能量，那就產(chǎn)生一個(gè)斜狀層面。 在所選層平面的垂直方向加上一個(gè)梯度場(chǎng)，沿該軸方向的自旋共振頻率有了一個(gè)線性變化，使沿此軸的每一點(diǎn)的層面都有一特定的進(jìn)動(dòng)頻率。當(dāng)與RF頻率一致時(shí)

37、，質(zhì)子才能引起共振 。 層面的選擇層面的選擇相位編碼（Phaseencoding) 為了確定層面內(nèi)信號(hào)的坐標(biāo)必須進(jìn)行另外的空間編碼技術(shù),在質(zhì)子群在橫向平面進(jìn)動(dòng)弛豫期間開(kāi)通一梯度場(chǎng)，引起xy平面的質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率發(fā)生了改變， 造成不同位置矢量的相位差，而相位差的大小正比于梯度場(chǎng)的幅度。頻率編碼（Frequencyencoding） 在質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)相位產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)期間開(kāi)通另一梯度場(chǎng)，這個(gè)梯度場(chǎng)與相位梯度場(chǎng)的方向垂直。造成層面的質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率由相同轉(zhuǎn)變?yōu)檠靥荻葓?chǎng)強(qiáng)改變的頻率，形成一個(gè)按梯度場(chǎng)強(qiáng)弱變化的線性改變，高場(chǎng)強(qiáng)端頻率高，低場(chǎng)強(qiáng)端頻率低，此梯度場(chǎng)被稱為讀出梯度場(chǎng) 。例如二維傅立葉變換的橫斷面解剖成像，在激勵(lì)

38、了的RF脈沖用來(lái)選擇適當(dāng)?shù)膶用嫫陂g，Z梯度是開(kāi)啟的。當(dāng)接收MRI信號(hào)時(shí)，Y和X梯度線圈將依次地開(kāi)啟。X梯度通常叫做頻率編碼梯度，Y梯度叫做相位編碼梯度。梯度周期與成像時(shí)序圖相位編碼步，對(duì)于128256的圖像來(lái)說(shuō)，需要重復(fù)128次相位編碼才能完成。Gs開(kāi)啟，同時(shí)完成RF激勵(lì)；Gs關(guān)閉，G開(kāi)啟；G關(guān)閉，Gf開(kāi)啟，信號(hào)開(kāi)始采集。圖像加權(quán)和對(duì)比度重復(fù)時(shí)間(The repetition time 簡(jiǎn)稱TR) 指前一脈沖序列與相鄰的后一脈沖序列之間的時(shí)間，以毫安秒為單位。TR決定了一個(gè)RF脈沖與下一個(gè)RF脈沖之間的時(shí)間。因此TR決定了T1弛豫時(shí)間的量。圖像加權(quán)和對(duì)比度回波時(shí)間（The echo time

39、簡(jiǎn)稱TE） 指900RF脈沖至采集信號(hào)峰值之間的時(shí)間。TE決定了在信號(hào)讀出前橫向弛豫矢量所允許的衰減量，因此TE控制了T2的弛豫矢量。 加權(quán)圖像 T1加權(quán)像 在900RF脈沖發(fā)射后一定時(shí)間內(nèi),長(zhǎng)T1組織縱向磁化矢量恢復(fù)的小,其失去的能量少,短T1組織縱向磁化矢量恢復(fù)的大,共失去的能量多,下一個(gè)900RF脈沖到來(lái)時(shí)，失去能量少的長(zhǎng)T1組織由于體內(nèi)仍存留大部分能量，故質(zhì)子吸收新的RF能量少、回波幅度下降、信號(hào)強(qiáng)度低，而短T1組織由于失去能量多，所以吸收新RF的能量也多，而回波幅度大、信號(hào)強(qiáng)度高。加權(quán)圖像 T1加權(quán)像 -TR控制T1的加權(quán)程度； -T1加權(quán)圖脈沖TR必須短。T1加權(quán)圖像 加權(quán)圖像T2

40、加權(quán)像： 因?yàn)門(mén)E控制了在采集信號(hào)前T2的衰減， 即橫向磁化矢量的相位離散程度，所以要獲得T2加權(quán)像，其TE必須長(zhǎng)得使組織能完全失相，以增強(qiáng)各組織之間T2信號(hào)的對(duì)比度，另外采用長(zhǎng)的TR時(shí)間以減少T1的影響。加權(quán)圖像 T2加權(quán)像 -TE控制了T2的加權(quán)程度； -T2加權(quán)像中TE必須長(zhǎng)。 T2加權(quán)像T2加權(quán)圖像加權(quán)圖像質(zhì)子密度加權(quán)像 利用長(zhǎng)TR和短TE來(lái)抑制組織的T1和T2效應(yīng)從而獲得與組織質(zhì)子密度有關(guān)的圖像 。質(zhì)子加權(quán)像加權(quán)圖像T1加權(quán)像 短TR， 短TET2加權(quán)像 長(zhǎng)TR， 長(zhǎng)TE質(zhì)子密度加權(quán)像 長(zhǎng)TR， 短TE長(zhǎng)TR 2000ms+ 長(zhǎng)TE 60ms+短TR 250700ms 短TE 102

41、5ms K空間和成像時(shí)間 以空間頻率為單位的空間坐標(biāo)系所對(duì)應(yīng)的抽象的頻率空間?？臻g頻率 空間一定方向上的單位距離波動(dòng)的周期數(shù) 與時(shí)間頻率的區(qū)別單位為Hz/cm方向性K空間K空間K空間K-空間數(shù)據(jù)的填寫(xiě)列方向的空間頻率分布為高低 0（中心） 低高。行方向值可直接填寫(xiě)。High amplitudegradientLow amplitudegradientEdge detailOuter edges ofk-spaceHighest SNRMiddle ofk-space K-space / Gradient amplitudeK空間K空間的充填受以下因素影響： 矩陣 FOV 抗卷褶 超快速脈沖序列 呼吸補(bǔ)償 EPIK空間 K空間某一位置的信息并不簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)圖像的這一位置，它的每一行都包含了整個(gè)圖像的信息。 K空間須充填到一定程度才有足夠的信息重建有用的圖像， 當(dāng)所有K空間都被充填后為一次累加或?yàn)椤?NEX”， 部分K空間被充填，稱為“部分NEX”。 傅立葉變換： 是處理分析頻率信號(hào)的數(shù)學(xué)模式，將信號(hào)從時(shí)間域值轉(zhuǎn)換成頻率域值。 MR圖像重建