磁共振成像MRI的基本原理磁共振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及發(fā)展

1924年pauli在進(jìn)行電在子波譜試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了許多原子核象帶電的自旋粒子一樣具有角動(dòng)量和磁動(dòng)量。1946年美國(guó)物理學(xué)家Block和Purcell分別測(cè)出了在均勻物質(zhì)中磁共振的能量吸收，進(jìn)一步證實(shí)了核自旋的存在，并為此獲得了1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2磁共振成像MRI的基本原理NSRFT:F射頻頻率射頻強(qiáng)度磁共振的應(yīng)用物理化學(xué)|：利用磁共振波譜測(cè)定物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。醫(yī)學(xué)影象：磁共振成像及化學(xué)物質(zhì)含量測(cè)定。第一節(jié)：原子及其磁特性原子的構(gòu)成自旋自旋磁矩凈自旋原子的構(gòu)成原子核核外電子質(zhì)子（＋）中子核外電子（－）原子核的運(yùn)動(dòng)特性自旋：物體沿一定方向繞自身某一軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自旋角動(dòng)量I：由于自旋運(yùn)動(dòng)的矢量性，自旋具有一定的角動(dòng)量，自旋角動(dòng)量I通常也稱為自旋I。I為矢量。自旋磁矩自旋粒子的磁性：帶電粒子的自旋都可產(chǎn)生磁矩。原子核運(yùn)動(dòng)的自旋磁矩：每一個(gè)自旋I對(duì)應(yīng)于一個(gè)磁動(dòng)μ，μ=гhI：3凈自旋原子核的運(yùn)動(dòng):自旋凈自旋：具有自旋磁動(dòng)量的自旋。零自旋/非零自旋：凈自旋為零/凈自旋不為零凈自旋產(chǎn)生的條件:奇數(shù)質(zhì)子和/或奇數(shù)中子凈自旋的意義：是磁共振信號(hào)來源的基礎(chǔ)。自旋系統(tǒng)：磁場(chǎng)中所有自旋的集合。1H的原子核結(jié)構(gòu)及特性1H原子核僅有一個(gè)質(zhì)子，無中子。其磁化敏感度高，在人體的自然豐富度很高，是很好的磁共振靶核。13磁共振成像MRI的基本原理第二節(jié)：磁場(chǎng)磁場(chǎng)的概念均勻磁場(chǎng)穩(wěn)定磁場(chǎng)交變磁場(chǎng)磁場(chǎng)物質(zhì)場(chǎng)對(duì)磁性物質(zhì)的力效應(yīng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度均勻磁場(chǎng)大小方向恒定不變的磁場(chǎng).16磁共振成像MRI的基本原理交變磁場(chǎng)大小或方向呈規(guī)律性變化的磁場(chǎng)17磁共振成像MRI的基本原理XYBX=BsinaBY=BcosaaB(RF)第三節(jié)：磁場(chǎng)對(duì)樣體的作用磁化:磁場(chǎng)對(duì)樣體作用的過程。磁化強(qiáng)度m：樣體經(jīng)過磁化而產(chǎn)生的磁矩的大小。磁化率：?jiǎn)挝淮艌?chǎng)強(qiáng)度的磁化強(qiáng)度X=m/B。順磁性物質(zhì)的磁化率為正值，抗磁性物質(zhì)的磁化率為負(fù)值。影響磁化率的因素：1、外層電子；2、原子核結(jié)構(gòu)。NSM:磁場(chǎng)對(duì)磁矩的作用垂直于磁場(chǎng)的磁矩，磁場(chǎng)對(duì)其以磁轉(zhuǎn)矩形式產(chǎn)生作用，即以磁場(chǎng)為軸垂直于磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)。21磁共振成像MRI的基本原理M1M2YM0B1XZ自旋在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)動(dòng)（旋進(jìn)）：自旋軸繞磁場(chǎng)方向的圓周運(yùn)動(dòng)。遵循lamor定理，w=rB0影響進(jìn)動(dòng)頻率的因素：磁場(chǎng)強(qiáng)度。進(jìn)動(dòng)的方向：上旋態(tài)與下旋態(tài)。量子化與平衡態(tài)量子化概念：在磁場(chǎng)的作用下，自旋只能處于兩種能級(jí)狀態(tài)，低能態(tài)（上旋態(tài)）與高能態(tài)（下旋態(tài)）自旋只有吸收或釋放一個(gè)特定能量值（ E）時(shí)才相互轉(zhuǎn)化。量子化遵循波茲定律E(1/2)/E(-1/2)=exp(rhI/kT)平衡態(tài)：在磁場(chǎng)和溫度的作用下，樣體達(dá)到穩(wěn)定磁化的狀態(tài)。是一種動(dòng)態(tài)平衡。剩余自旋與凈磁化剩余自旋：平衡態(tài)時(shí)，上旋態(tài)與下態(tài)自旋差。凈磁化M（宏觀磁化）：自旋系統(tǒng)在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的磁化總量。是所有自旋磁矩的矢量和。M=ΔB0·N/T影響M的因素：靜磁場(chǎng)強(qiáng)度、溫度、自旋密度（單位體積的自旋數(shù)）。縱向磁化：平行于磁場(chǎng)方向的磁化矢量橫向磁化：垂直于磁場(chǎng)方向的磁化矢量磁共振成像中的坐標(biāo)系統(tǒng)XYZ32磁共振成像MRI的基本原理第四節(jié)核磁共振現(xiàn)象單擺共振核磁共振單擺共振的條件系統(tǒng)與激發(fā)源的固有頻率相同系統(tǒng)吸收能量?jī)?nèi)能增加F核磁共振的條件激發(fā)磁場(chǎng)的頻率與自旋系統(tǒng)的進(jìn)動(dòng)頻率相等。自旋系統(tǒng)吸收激發(fā)磁場(chǎng)能量?jī)?nèi)能增加射頻

射頻及磁特性射頻的空間效應(yīng)射頻激發(fā)與核磁共振章動(dòng)與翻轉(zhuǎn)角θ=rB1t90°、180°脈沖，α脈沖射頻對(duì)自旋磁矩的相位相干效應(yīng)XYBX=BsinaBY=BcosaaB(RF)XYZM0B1射頻磁場(chǎng)對(duì)磁矩的激發(fā)射頻激發(fā)使自旋的橫向磁矩相位一致（相位相干），產(chǎn)生一個(gè)大的橫向磁化矢量MXY。相位是矢量與參照軸間的夾角MXY橫向磁化的相位相干進(jìn)動(dòng)橫向磁矩的相位XYm1m3m2MXYa41磁共振成像MRI的基本原理XYM0B1橫向磁化的檢測(cè)MXY自旋弛豫自旋弛豫：自旋系統(tǒng)由激發(fā)態(tài)恢復(fù)到其平衡態(tài)的過程?？煞譃榭v向弛豫和橫向弛豫兩個(gè)過程?？v向弛豫（自旋晶格弛豫、T1弛豫）：縱向磁化逐漸恢復(fù)的過程。橫向弛豫（自旋自旋弛豫、T2弛豫）：橫向磁化逐漸消失的過程縱向弛豫的機(jī)理波動(dòng)的晶格磁場(chǎng)是一個(gè)連續(xù)頻率的波動(dòng)磁場(chǎng)，Lamor頻率的晶格磁場(chǎng)可以吸收激發(fā)態(tài)自旋所釋放的量子化能量，恢復(fù)其平衡態(tài)。晶格磁場(chǎng)的頻率越接近Lamor頻率，縱向弛豫的速度越快。人體各種不同類型組織的晶格磁場(chǎng)頻率有差異。縱向弛豫速度不同。45磁共振成像MRI的基本原理影響縱向弛豫的因素組織特異性：中等大小分子快，小分子及大分子慢晶格的物理狀態(tài)：液態(tài)快、固態(tài)慢。晶格的溫度：低快，高慢。周圍大分子結(jié)構(gòu)：加快。磁場(chǎng)強(qiáng)度：低場(chǎng)快，高強(qiáng)慢縱向弛豫特征時(shí)間常數(shù)T1T1：射頻激發(fā)停止后，縱向磁化弛豫至其平衡態(tài)值的63%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。MZ=M0(1－e-t/T1)T1的物理學(xué)意義：弛豫周期?？v向磁化對(duì)比由于各種組織的T1不同，在縱向弛豫過程中，不同時(shí)刻各種組織在縱向磁化中的比例不同，因而產(chǎn)生了不同組織間的縱向磁化對(duì)比。也稱為T1對(duì)比。48磁共振成像MRI的基本原理T1加權(quán)圖像圖像的對(duì)比主要依賴T1對(duì)比稱為T1加權(quán)（權(quán)重）圖像。T1weightedimage49磁共振成像MRI的基本原理T1圖像

T1Image每一個(gè)像素的亮度表示其所對(duì)應(yīng)的構(gòu)成體素的組織的T1值,這種圖像稱為T1圖像。人體正常組織的T1值52磁共振成像MRI的基本原理由于磁場(chǎng)的不均勻性，自旋的進(jìn)動(dòng)頻率不同，當(dāng)RF停止后，橫向磁矩間很快出現(xiàn)相位彌散（相位不相干、去相位）進(jìn)動(dòng)，使橫向磁化矢量逐漸消失。橫向弛豫的機(jī)理橫向弛豫特征時(shí)間常數(shù)T2T2：射頻激發(fā)停止后，橫向磁化弛豫至其平衡態(tài)值的37%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。MXY=M0e-t/T2T2的物理學(xué)意義：弛豫周期。影響橫向弛豫的因素組織特異性：大小分子快，小分子慢。晶格的物理狀態(tài)：液態(tài)慢、固態(tài)快。晶格的溫度：低快，高慢。周圍大分子結(jié)構(gòu)：加快。無磁場(chǎng)強(qiáng)度依賴性。橫向磁化對(duì)比由于各種組織的T2不同，在橫向弛豫過程中，不同時(shí)刻各種組織在橫向磁化中的比例不同，因而產(chǎn)生了不同組織間的橫向磁化對(duì)比。也稱為T2對(duì)比。58磁共振成像MRI的基本原理T2弛豫圖T2加權(quán)圖像圖像的對(duì)比主要依賴T2對(duì)比稱為T2加權(quán)（權(quán)重）圖像。T2weightedimage60磁共振成像MRI的基本原理T2圖像

T2Image每個(gè)像素的亮度對(duì)應(yīng)于其所代表的構(gòu)成體素的組織的T2值，這種圖像稱為T2圖像。人體正常組織的T2值T2′弛豫：由于磁體磁場(chǎng)本身的不均勻性而產(chǎn)生的橫向磁化的快速衰減。T2*弛豫：由于T2′和T2共同作用而產(chǎn)生的橫向弛豫，也稱為有效T2弛豫時(shí)間。1/T2*=1/T2′＋1/T2T2*加權(quán)圖像：圖像的對(duì)比主要依賴于T2*對(duì)比第六節(jié):MR信號(hào)的產(chǎn)生及種類FID信號(hào)產(chǎn)生SE信號(hào)產(chǎn)生方法及原理刺激回波產(chǎn)生及性質(zhì)梯度回波產(chǎn)生及原理FID信號(hào)電磁感應(yīng)原理橫向磁化的感應(yīng)信號(hào)V=Mxy·cos·ωt激發(fā)角度為θ,則Mxy=M0·sinθ·e-t/T2*VFID∝M0sinθ·cosωt·e-t/T2*FID信號(hào)的衰變:自旋相位相干、重聚、去相位自由感應(yīng)衰減信號(hào)(FID)SE信號(hào)產(chǎn)生方法及原理回波180°脈沖的去T2′效應(yīng)及SESE的特性自旋回波信號(hào)（SE）SE信號(hào)的特點(diǎn)消除了T2’效應(yīng)信號(hào)幅度大可用于T1、T2加權(quán)成像信號(hào)幅度隨T2衰減梯度回波及原理梯度磁場(chǎng)的去相位效應(yīng)反相梯度磁場(chǎng)的聚相位效應(yīng)梯度回波GETG梯度回波信號(hào)GRE刺激回波及性質(zhì)連續(xù)α脈沖的作用:相位累積效應(yīng)。刺激回波的性質(zhì)：自旋回波。900900aaa第七節(jié)MR圖像重建原理一維傅立葉變換重建(反投影)二維傅立葉變換重建(K-空間數(shù)據(jù)重建)傅立葉變換將時(shí)間——強(qiáng)度的信號(hào)關(guān)系變換為頻率——強(qiáng)度的信號(hào)關(guān)系。這種數(shù)學(xué)變換模式稱為傅立葉（Fouriertransform)變換。1DFT重建梯度與梯度磁場(chǎng)層面選擇及相關(guān)因素Δω=γGz·ΔD體素的頻率編碼及投影123456789空間頻率與K-空間

空間頻率：是指波動(dòng)性信號(hào)在一定方向上單位距離的波動(dòng)周期數(shù)，單位是:周/m。和時(shí)間頻率（Hz、周/s)有本質(zhì)的區(qū)別為一個(gè)空間矢量，通常以Kx、Ky、Kz分別表示其在X、Y、Z三個(gè)互相垂直方向上的空間頻率分量。其總量等于三個(gè)分量的矢量和。K-空間（K-space）：以空間頻率Kx、Ky、Kz為單位的空間坐標(biāo)系所對(duì)應(yīng)的一個(gè)頻率空間。二維K-空間為一個(gè)平面?？臻g頻率與K-空間的關(guān)系任何一個(gè)具有空間頻率的信號(hào)都對(duì)應(yīng)于K-空間內(nèi)一個(gè)點(diǎn)；反之，K-空間內(nèi)的任何一點(diǎn)代表且只代表一個(gè)空間頻率。K=Kx+ky+kzK2=Kx2+Ky2+Kz2K2=Kx2+Ky2(二維、方向由Kx、Ky決定)梯度磁場(chǎng)與磁共振信號(hào)的空間頻率的關(guān)系梯度磁場(chǎng)強(qiáng)度與時(shí)間的累積效應(yīng)稱為梯度動(dòng)量（GradientMoment），在梯度動(dòng)量的作用下，沿著梯度方向的自旋之間的相位成規(guī)律的波動(dòng)，其波動(dòng)的周期數(shù)對(duì)應(yīng)于梯度方向的一定距離，即空間頻率。所以在梯度磁場(chǎng)的作用下，磁共振信號(hào)便可以具有空間頻率。因此，可以將其寫入K-空間內(nèi)某一坐標(biāo)位置。一維梯度動(dòng)量效應(yīng)

----產(chǎn)生一為維空間頻率信號(hào)GyΔtKy=1/fov88磁共振成像MRI的基本原理一維梯度動(dòng)量產(chǎn)生的具有一維空間頻率的磁共振信號(hào)GytKy信號(hào)區(qū)無信號(hào)區(qū)二維梯度動(dòng)量產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)（二維）空間頻率信號(hào)GytGxtK=Kx+Ky二維梯度動(dòng)量效應(yīng)

---產(chǎn)生二維空間頻率信號(hào)由K2=Kx2+Ky2(二維-空間)可見：在二維K-空間內(nèi)，隨著Kx、Ky的變化，空間頻率大小相等但方向不同的一系列空間頻率,在同一個(gè)圓軌跡上；反之，在同一圓軌跡上的所有K-空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于一系列空間頻率大小相等、方向連續(xù)變化的空間頻率信號(hào)。即相當(dāng)于一個(gè)大小不變、方向繞K-空間中心旋轉(zhuǎn)的空間頻率信號(hào)。2DFT重建黑白圖像的產(chǎn)生K-空間的概念空間頻率的概念空間頻率的產(chǎn)生K-空間數(shù)據(jù)的填寫逆向FT及MR圖像MRI基本序列自旋回波采集（SpinEcho）梯度回波采集(GradientEcho)反轉(zhuǎn)恢復(fù)采集(Inversionrecovery)部分飽和采集(PartialSaturation)刺激回波采集(Steam)磁共振各種特殊成像技術(shù)磁共振血管造影技術(shù)(MRA)時(shí)間飛躍法(Timeofflight)相位對(duì)比法(Phasecontrast)幅度對(duì)比法(Magnitudecontrast)對(duì)比劑增強(qiáng)法(Contrastenhance)MRI心電門控技術(shù)心電門控觸發(fā)肢端脈搏觸發(fā)回顧性心電門控磁共振水成像技術(shù)MRCPMRUMRMMRDMRSMRI造影劑T1造影劑—GD-DTPA（二乙烯三廠五乙-酸釓）T2造影劑---SPIO(超順磁氧化鐵)MRI呼吸觸發(fā)技術(shù)呼吸門控呼吸補(bǔ)償磁共振飽和成像技術(shù)頻率飽和幅度飽和化學(xué)位移飽和磁化傳遞飽和磁共振電影心臟運(yùn)動(dòng)電影關(guān)節(jié)活動(dòng)電影三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)顯示電影功能成像技術(shù)彌散成像灌注成像腦活動(dòng)功能成像第八節(jié)：磁共振系統(tǒng)的構(gòu)成磁體及主磁場(chǎng)梯度系統(tǒng)射頻系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)磁體永磁體超導(dǎo)磁體常導(dǎo)磁體梯度梯度系統(tǒng)構(gòu)成梯度系統(tǒng)的作用射頻系統(tǒng)RF線圈RF放大器RF接受放大器屏蔽計(jì)算機(jī)系統(tǒng)A-D轉(zhuǎn)換器陣列處理機(jī)用戶計(jì)算機(jī)MRI的圖像質(zhì)量參數(shù)108磁共振成像MRI的基本原理MR圖像特征指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法SNRC/CNRR、RsA(artifact)影響SNR因素設(shè)備因素（B0、線圈、梯度）選擇序列及參數(shù)技術(shù)影像參數(shù)SNR=ρΔVC對(duì)比度對(duì)比度的概念C的評(píng)價(jià)C=│S1－S2│/│S1+S2│影響C的因素組織類型脈沖序列序列參數(shù)對(duì)比劑CNRCNR概念CNR評(píng)價(jià)CNR=SNRA－SNRBR、RsR、Rs的概念R、Rs的評(píng)價(jià)Rs∝1/體素體積影響R、Rs的因素FOV（Lx、Ly、Lz)Nx、Ny、NzK-空間方式特殊技術(shù)對(duì)圖像質(zhì)量的影響半傅立葉技術(shù)半回波技術(shù)三維部分K-空間超頻帶采樣MT壓脂技術(shù)內(nèi)插技術(shù)MRI偽影邊緣偽影幾何變形回卷偽影流動(dòng)偽影技術(shù)性偽影邊緣性偽影運(yùn)動(dòng)