第二章磁共振成像原理2．1MRI信號(hào)產(chǎn)生基本原理一、基本概念二、磁共振信號(hào)產(chǎn)生第1頁(yè)一、基本概念原子結(jié)構(gòu)電子：負(fù)電荷中子：無(wú)電荷質(zhì)子：正電荷第2頁(yè)原子核自旋（spin）核磁就是原子核自旋產(chǎn)生磁場(chǎng)第3頁(yè)磁距（Moment）角動(dòng)量（AngularMomentum）磁旋比（Gyromagneticratio）第4頁(yè)無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，質(zhì)子群中各個(gè)質(zhì)子以任意方向自旋，單位體積內(nèi)其宏觀磁距=0。第5頁(yè)原子核能態(tài)：

每個(gè)原子核含有特定能級(jí)，能級(jí)狀態(tài)數(shù)與自旋量子數(shù)S特征相關(guān)。能態(tài)數(shù)=2S+1原子核三個(gè)特征：質(zhì)子數(shù)、核質(zhì)量、自旋量子數(shù)第6頁(yè)人體中一些原子核特征原子核自旋量子數(shù)S磁旋比(MHz/T)含量1H1/242.60.6319F1/240.023Na3/211.30.0004113C1/210.70.009417O5/25.80.2631P1/217.250.0024氫原子能態(tài)數(shù)=2S+1=2第7頁(yè)何種原子核用于人體MR成像？

用于人體MRI為1H（氫質(zhì)子），原因有：1、1H質(zhì)子數(shù)為奇數(shù)；2、1H占人體原子絕大多數(shù),水和脂肪。通常所指MRI為氫質(zhì)子MR圖像通常情況下，盡管每個(gè)質(zhì)子自旋均產(chǎn)生一個(gè)小磁場(chǎng)，但呈隨機(jī)無(wú)序排列，磁化矢量相互抵消，人體并不表現(xiàn)出宏觀磁化矢量。第8頁(yè)StudyQuestions:1.Whatisspinofnucleus?2.WhatistheMagneticMoment?WhatistheAngularMomentum?3.gyromagneticratio?WhyisitimportantforMRI?第9頁(yè)靜磁場(chǎng)中自旋進(jìn)入主磁場(chǎng)后人體被磁化了，不一樣組織因?yàn)闅滟|(zhì)子含量不一樣，磁化程度也不一樣。第10頁(yè)能態(tài)處于高能狀態(tài)太費(fèi)勁，并非人人都能做到處于低能狀態(tài)略多一點(diǎn)第11頁(yè)高能態(tài)低能態(tài)Bo

進(jìn)入磁場(chǎng)質(zhì)子分布在高和低能量水平處于低能態(tài)原子核數(shù)目略多于高能態(tài)原子核數(shù)目。這兩種能態(tài)原子核會(huì)相互跳來(lái)跳去，當(dāng)樣品溫度恒定時(shí)，它們跳來(lái)跳去數(shù)目相等，即兩種能態(tài)原子核數(shù)目差是恒定，這種狀態(tài)稱為熱平衡狀態(tài)。第12頁(yè)低能態(tài)與高能態(tài)原子核數(shù)目之間相對(duì)差與主磁場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)。

盡管二者之間相對(duì)差很小，但因?yàn)槿梭w中H原子核數(shù)目非常巨大，所以絕對(duì)差也是很巨大。如，1立方厘米水在1T場(chǎng)強(qiáng)中二者絕對(duì)差到達(dá):1023X6X10-6=6X1017個(gè)，即60億億個(gè)。第13頁(yè)進(jìn)動(dòng)(precession)例子：陀螺依據(jù)陀螺原理---含有自旋物體受到某個(gè)方向作用力后，此物體將沿著垂直于作用力和自旋軸所形成平面方向運(yùn)動(dòng)，能夠知道原子核自旋在外磁場(chǎng)中將繞主磁場(chǎng)方向作進(jìn)動(dòng)。第14頁(yè)進(jìn)動(dòng)頻率顯著低于質(zhì)子自旋頻率，但比后者更為主要。進(jìn)動(dòng)是核磁（小磁場(chǎng)）與主磁場(chǎng)相互作用結(jié)果第15頁(yè)進(jìn)動(dòng)頻率（LamorFrequency）

Lamor方程：0=B0或f0=B0/2

0、f0---進(jìn)動(dòng)角頻率、頻率B0---磁場(chǎng)強(qiáng)度

---磁旋比3T場(chǎng)強(qiáng)中氫原子核進(jìn)動(dòng)頻率為（Lamor

頻率）：

42.6X3=127.8MHz不一樣場(chǎng)強(qiáng)、不一樣原子核決定了不一樣進(jìn)動(dòng)頻率。這也是MRI能進(jìn)行多核種成像基礎(chǔ)。第16頁(yè)縱向磁化（Longitudinalmagnetization）與橫向磁化（Transversemagnetization）在外加磁場(chǎng)中質(zhì)子排列方向平行于主磁場(chǎng)Bo，同向?yàn)榈湍芪?；反向?yàn)楦吣芪?；處于低能狀態(tài)質(zhì)子略多于處于高能狀態(tài)質(zhì)子，因而產(chǎn)生縱向宏觀磁化矢量二者之間差產(chǎn)生縱向磁化。第17頁(yè)盡管每個(gè)質(zhì)子進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生了縱向和橫向磁化矢量，但因?yàn)橄辔徊灰粯?，因而只有宏觀縱向磁化矢量產(chǎn)生，并無(wú)宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生。第18頁(yè)StudyQuestions1.Whatisnetmagnetization?Whatisprecession?2.Whatisthedifferencebetweenlongitudinalmagnetizationandtransversemagnetization?第19頁(yè)射頻（RF-radiofrequency）MRI射頻脈沖：

0=B0波段名稱波段（波長(zhǎng)范圍）頻段（頻率范圍）頻段名稱超長(zhǎng)波100km~10km3kHz~30kHz甚低頻VLF長(zhǎng)波10km~1km30kHz~300kHz低頻LF中波1000m~200m0.3MHz~1.5MHz中頻MF短波200m~10m1.5MHz~30MHz高頻HF米波10m~1m30MHz~300MHz甚高頻VHF分米波100cm~10cm0.3GHz~3GHz特高頻UHF厘米波10cm~1cm3GHZ~30GHz超高頻SHF毫米波10mm~1mm30GHz~300GHz極高頻EHF亞毫米波1mm~0.1mm300GHz~3000GHz超級(jí)高頻第20頁(yè)激發(fā)(Excitation)共振：射頻頻率=進(jìn)動(dòng)頻率第21頁(yè)共振：能量從一個(gè)震動(dòng)著物體傳遞到另一個(gè)物體，而后者以前者相同頻率震動(dòng)。共振第22頁(yè)低能氫質(zhì)子能夠經(jīng)過(guò)外來(lái)射頻取得能量，產(chǎn)生共振，進(jìn)入高能狀態(tài)。第23頁(yè)磁共振現(xiàn)象是靠射頻線圈發(fā)射無(wú)線電波（射頻脈沖）激發(fā)人體內(nèi)氫質(zhì)子來(lái)引發(fā)，這種射頻脈沖頻率必須與氫質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率相同，低能質(zhì)子獲能進(jìn)入高能狀態(tài)微觀效應(yīng)第24頁(yè)射頻強(qiáng)度與連續(xù)時(shí)間第25頁(yè)射頻脈沖激發(fā)后效應(yīng)是使宏觀磁化矢量發(fā)生偏轉(zhuǎn)射頻脈沖強(qiáng)度和連續(xù)時(shí)間決定射頻脈沖激發(fā)后效應(yīng)低能量中等能量(90o脈沖)高能量(180o脈沖)宏觀效應(yīng)第26頁(yè)經(jīng)過(guò)外來(lái)射頻給低能氫質(zhì)子能量，氫質(zhì)子取得能量進(jìn)入高能狀態(tài)，即核磁共振。射頻取消，氫質(zhì)子回到低能狀態(tài)。第27頁(yè)馳豫現(xiàn)象與馳豫時(shí)間（Relaxation）射頻脈沖停頓后，在主磁場(chǎng)作用下，橫向宏觀磁化矢量逐步縮小到零，縱向宏觀磁化矢量從零逐步回到平衡狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程稱為核磁弛豫。核磁弛豫又可分解為兩個(gè)部分：橫向弛豫:橫向磁化矢量降低,直至到0狀態(tài)過(guò)程。縱向弛豫:縱向磁化矢量開(kāi)始恢復(fù)，直至恢復(fù)到平衡狀態(tài)過(guò)程。第28頁(yè)Studyquestions:1. Whatisthedifferencebetweenlongitudinalmagnetizationandtransversemagnetization?2. WhatistheLarmorFrequency?Howdoesitrelatetothegyromagneticratio?Howdoesitrelatetomagneticresonance?3. Howdoesthenetmagnetizationofaspinsystem(e.g.,asetofatomicnucleiinavoxel)changeovertimewhenexposedtoastrongmagneticfield?4. Whydoesthenetmagnetizationneedtobetippedfromthelongitudinalplanetothetransverseplane?第29頁(yè)二、磁共振信號(hào)產(chǎn)生第一步：靜磁場(chǎng)

進(jìn)入主磁場(chǎng)后，質(zhì)子自旋產(chǎn)生核磁與主磁場(chǎng)相互作用發(fā)生進(jìn)動(dòng)進(jìn)動(dòng)使每個(gè)質(zhì)子核磁存在方向穩(wěn)定縱向磁化分矢量和旋轉(zhuǎn)橫向磁化分矢量因?yàn)橄辔徊灰粯?，只有宏觀縱向磁化矢量產(chǎn)生，并無(wú)宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生第30頁(yè)第二步：靜磁場(chǎng)+射頻射頻激發(fā)后，人體內(nèi)宏觀磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)了90度，MR能夠檢測(cè)到人體發(fā)出信號(hào)氫質(zhì)子含量高組織縱向磁化矢量大，90度脈沖后偏轉(zhuǎn)到橫向磁場(chǎng)越強(qiáng)，MR信號(hào)強(qiáng)度越高。此時(shí)MR圖像可區(qū)分質(zhì)子密度不一樣兩種組織第31頁(yè)第32頁(yè)第三步：射頻消失無(wú)線電波激發(fā)使磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)90度，關(guān)閉無(wú)線電波后，磁場(chǎng)又慢慢回到平衡狀態(tài)（縱向)第33頁(yè)縱向弛豫時(shí)間T1

指90度脈沖關(guān)閉后，在主磁場(chǎng)作用下，縱向磁化矢量開(kāi)始恢復(fù)，直至恢復(fù)到平衡狀態(tài)縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度63%所需時(shí)間，反應(yīng)組織T1弛豫快慢。第34頁(yè)不一樣組織有不一樣T1弛豫時(shí)間第35頁(yè)橫向弛豫時(shí)間T2

指90度脈沖關(guān)閉后，橫向最大磁化矢量降低了63%所需時(shí)間，反應(yīng)組織T2弛豫快慢。第36頁(yè)第37頁(yè)不一樣組織橫向弛豫速度不一樣（T2值不一樣）第38頁(yè)人體各種組織T2弛豫要比T1弛豫快得多T2<<T1第39頁(yè)主要提醒不一樣組織有著不一樣質(zhì)子密度(如:氫)橫向(T2)弛豫速度30-150ms縱向(T1)弛豫速度300-ms這是MRI顯示解剖結(jié)構(gòu)和病變基礎(chǔ)第40頁(yè)第四步：MR信號(hào)接收第41頁(yè)磁共振“加權(quán)成像”所謂加權(quán)就是“重點(diǎn)突出”意思T1加權(quán)成像（T1WI）----突出組織T1弛豫（縱向弛豫）差異T2加權(quán)成像（T2WI）----突出組織T2弛豫（橫向弛豫）差異質(zhì)子密度加權(quán)成像（PD）－突出組織氫質(zhì)子含量差異T1WIT2WIPD第42頁(yè)在任何序列圖像上，信號(hào)采集時(shí)刻旋轉(zhuǎn)橫向磁化矢量越大，MR信號(hào)越強(qiáng)第43頁(yè)T1加權(quán)成像(T1WI)T1值越小

縱向磁化矢量恢復(fù)越快

MR信號(hào)強(qiáng)度越高（白）T1值越大

縱向磁化矢量恢復(fù)越慢

MR信號(hào)強(qiáng)度越低（黑）脂肪T1值約為250毫秒

MR信號(hào)高（白）水T1值約為3000毫秒

MR信號(hào)低（黑）反應(yīng)組織縱向弛豫快慢！第44頁(yè)T1WI腦水平衡狀態(tài)90縱向弛豫90第45頁(yè)T2加權(quán)成像（T2WI)T2值小

橫向磁化矢量降低快

MR信號(hào)低（黑）T2值大

橫向磁化矢量降低慢

MR信號(hào)高（白）水T2值約為3000毫秒

MR信號(hào)高腦T2值約為100毫秒

MR信號(hào)低反應(yīng)組織橫向弛豫快慢！第46頁(yè)T2WI平衡狀態(tài)90度激發(fā)后采集信號(hào)時(shí)刻腦水第47頁(yè)人體大多數(shù)病變T1值、T2值均較對(duì)應(yīng)正常組織大，因而在T1WI上比正常組織“黑”，在T2WI上比正常組織“白”。第48頁(yè)普通說(shuō)來(lái)，一個(gè)組織T2值小于其T1值。T1值較大組織，其T2值普通也較大；即T1值與T2值有某種程度上相關(guān)性。

T1Whitematter390Graymatter520CSFSkeletalMuscle600