1、MRI基礎(chǔ)原理,MRI發(fā)展重要事件及貢獻(xiàn)者,美國(guó)斯坦福大學(xué)Felix Bloch和哈佛大學(xué)的Edward Purcell在1946年各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象 兩人共同研制出第一臺(tái)NMR譜儀 ，用于物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的研究 為此共同獲得1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),美國(guó)紐約州立大學(xué)Raymond Damadian，一位物理學(xué)家、內(nèi)科醫(yī)生 1970年觀測(cè)到惡性腫瘤的T1時(shí)間延長(zhǎng)，并認(rèn)為NMR信號(hào)可用于診斷疾病 1977發(fā)明了第一臺(tái)磁共振成像儀 掃描采集了第一幅人體圖像，耗時(shí)近5小時(shí),美國(guó)紐約州立大學(xué)Paul Lauterbur 1973創(chuàng)造了梯度磁場(chǎng)用于選擇定位系統(tǒng) 創(chuàng)立了投影重建成像方法 1988年ray

2、mond damadian和Paul lauterbur獲得里根頒發(fā)的國(guó)家技術(shù)勛章,英國(guó)諾丁漢大學(xué)peter mansfield 1973年幾乎與Paul lauterbur同時(shí)撰文提出梯度磁場(chǎng)，用于空間定位 提出具體的理論演算及解決方案 Paul Lauterbur和 peter Mansfield 共同獲得2003年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們?cè)诖殴舱癯上窦夹g(shù)領(lǐng)域的突破性成果,質(zhì)子物理性質(zhì),原子核繞核軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)稱為自旋（spin） 自旋具有方向性，又稱為自旋角動(dòng)量，是矢量，常用矢量表示 其方向與自旋軸一致，大小與原子核及原子的質(zhì)子和中子數(shù)有關(guān)，對(duì)應(yīng)于一個(gè)自旋磁動(dòng)量。,任何原子核都具有自

3、旋特性 自旋是微觀粒子的自然屬性，其來(lái)源尚不清，就像萬(wàn)有引力如何使宇宙中星系旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)一樣 并非所有原子核的自旋運(yùn)動(dòng)均能產(chǎn)生核磁矩 如果原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均為偶數(shù)，則這種原子核的自旋并不產(chǎn)生核磁矩,根據(jù)電磁效應(yīng)，帶電粒子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁場(chǎng) 質(zhì)子帶正電荷，自旋時(shí)能產(chǎn)生磁場(chǎng) 中子呈電中性，但內(nèi)部電荷分布不均，自旋時(shí)也能產(chǎn)生磁場(chǎng) 由于原子核內(nèi)粒子自旋的隨機(jī)性，當(dāng)有偶數(shù)質(zhì)子及中子數(shù)時(shí)，因相互抵銷，原子核不表現(xiàn)有凈自旋磁矩 只有奇數(shù)質(zhì)子和/或奇數(shù)中子時(shí)，原子核才可有凈自旋磁矩 磁矩磁旋比*角動(dòng)量 磁共振成像使用氫原子核，即氫質(zhì)子,選擇氫原子的理由,1H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

4、 1H在人體中的自然豐度高、 摩爾濃度最高、磁化率在磁性原子核中也是最高的 1H僅有一個(gè)質(zhì)子而沒(méi)有中子 人體MR圖像，除非特殊說(shuō)明，一般所指的即為1H的磁共振圖像。,人體進(jìn)入磁場(chǎng)的結(jié)果,人體進(jìn)入磁場(chǎng)前,體內(nèi)各自旋矢量方向是隨機(jī)分布的，所以綜合的凈自旋為0，不顯磁性,人體進(jìn)入磁場(chǎng)后,磁化：進(jìn)入外磁場(chǎng)后，在磁場(chǎng)方向上產(chǎn)生磁性的過(guò)程稱磁化。 樣體在磁場(chǎng)中被磁化產(chǎn)生磁性的能力稱為磁化率x，又稱為磁敏感性。 產(chǎn)生凈磁化矢量M=x*B0(磁場(chǎng)強(qiáng)度),磁化的機(jī)理,各自旋按外磁場(chǎng)方向排列 自旋核在磁場(chǎng)中分為不同能態(tài)，稱為能級(jí)劈裂（塞曼劈裂） 能態(tài)級(jí)別：2I+1 （I為自旋量子數(shù)），氫質(zhì)子自旋量子數(shù)為1/2，所

5、以有兩種能態(tài) 低能態(tài)多于高能態(tài)，產(chǎn)生凈磁化，與B0方向一致 根據(jù)波爾茲曼公式，T=300K(室溫)，B0=1Tesla，低能態(tài)比高能態(tài)自旋粒子多6.59x10-7倍,影響凈磁化矢量M0的因素,與組織的質(zhì)子密度成正比 與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正相關(guān) 與絕對(duì)溫度成負(fù)相關(guān) 凈磁化矢量是MR信號(hào)產(chǎn)生的基礎(chǔ)。因此場(chǎng)強(qiáng)越高，信噪比越好,自旋：質(zhì)子的自旋運(yùn)功，有時(shí)也指自旋的質(zhì)子 晶格：自旋質(zhì)子的周圍環(huán)境 PPM：parts per million，1x10-6，百萬(wàn)分之一,自旋在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)動(dòng),進(jìn)動(dòng)：進(jìn)入主磁場(chǎng)后，無(wú)論是處于高能級(jí)還是處于低能級(jí)的質(zhì)子，其磁化矢量并非完全與主磁場(chǎng)方向平行，而總是與主磁場(chǎng)有一定的角度,質(zhì)

6、子的運(yùn)動(dòng)：進(jìn)動(dòng)頻率0 = 0,進(jìn)動(dòng)（precession）,正如陀螺在重力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)一樣 自旋磁矩在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)除了自旋運(yùn)動(dòng)外，還繞著主磁場(chǎng)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)擺動(dòng) 是由于磁場(chǎng)對(duì)自旋磁矩的偶合作用所致。 進(jìn)動(dòng)頻率比自旋頻率低的多，但還是很快,進(jìn)動(dòng)頻率-拉莫頻率（Larmor頻率）,自旋磁體繞外加磁場(chǎng)方向旋進(jìn)的特性頻率 拉莫頻率決定于兩個(gè)因素： 原子核的種類 外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度 0 = 0 （為磁旋比常數(shù)， 0為拉莫頻率） 外加磁場(chǎng)越強(qiáng)，拉莫頻率越高,凈宏觀磁化矢量（M0）,存在于Z軸方向 XY平面由于各自旋相位隨機(jī)分布相互抵消，不顯示宏觀磁化矢量,相位：平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的矢量與某一參照軸的夾角稱相位 多個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量在

7、空間中的方向一致時(shí)為同相位，不一致時(shí)為離相位 從同相位到離相位的過(guò)程稱為聚相位，反之為失相位,核磁共振現(xiàn)象,共振是自然界普遍規(guī)律 音叉的共振：一個(gè)振動(dòng)的音叉可以將振動(dòng)能量傳遞給相同振動(dòng)頻率的另一個(gè)音叉 核磁共振：也就是磁化的自旋質(zhì)子接受與其進(jìn)動(dòng)頻率（Larmor頻率）相同的外來(lái)能量，從平衡態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的過(guò)程,磁共振的條件,必須有外加能量源，即射頻脈沖 射頻脈沖頻率須和質(zhì)子Larmor頻率一致 射頻磁場(chǎng)對(duì)自旋系統(tǒng)的作用稱激發(fā)或激勵(lì),為什么需要相同頻率呢？ 相同頻率的脈沖可看作旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，相對(duì)自旋質(zhì)子是靜止的，使質(zhì)子除了繞B0進(jìn)動(dòng)還繞B1進(jìn)動(dòng)，從而誘導(dǎo)MZ轉(zhuǎn)向MXY,磁共振的量子基礎(chǔ),自旋質(zhì)子中的部

8、分低能態(tài)者吸收相同頻率射頻脈沖的能量，而躍遷為高能態(tài)的過(guò)程 眾多自旋矢量的綜合表現(xiàn)為宏觀磁化矢量（M0）的轉(zhuǎn)變 平衡態(tài)：在溫度和磁化強(qiáng)度確定后，物體進(jìn)入磁體后按磁體方向排列，形成穩(wěn)定的磁化矢量，稱為平衡態(tài) 平衡態(tài)中低能態(tài)與高能態(tài)自旋質(zhì)子仍在相互轉(zhuǎn)換，但處于平衡中,射頻脈沖,外來(lái)能量源：有大小和持續(xù)時(shí)間 通過(guò)脈沖強(qiáng)度大小和持續(xù)時(shí)間決定宏觀磁化矢量（M0）的翻轉(zhuǎn)角 射頻結(jié)束時(shí)，凈磁化矢量M與Z軸的角度稱為翻轉(zhuǎn)角(Flip angle) 磁共振信號(hào)是檢測(cè)物體的宏觀磁化信號(hào)，所以一般考察宏觀磁化矢量變化 接受射頻脈沖后，M0轉(zhuǎn)向XY平面還與射頻脈沖的聚相位作用有關(guān),弛豫,接受射頻脈沖后，自旋質(zhì)子并不會(huì)

9、維持在激發(fā)態(tài)，會(huì)很快恢復(fù)到平衡態(tài)，這一過(guò)程就是弛豫,縱向弛豫（T1弛豫）,也稱自旋-晶格弛豫 量子基礎(chǔ)：部分自旋質(zhì)子從高能態(tài)恢復(fù)到低能態(tài)的能量釋放過(guò)程，能量需釋放到周圍晶格中，所以也稱為自旋-晶格弛豫 周圍晶格中存在無(wú)數(shù)的隨機(jī)波動(dòng)磁場(chǎng)，只有Larmor頻率的晶格波動(dòng)磁場(chǎng)才能接受自旋質(zhì)子釋放的能量，實(shí)現(xiàn)T1弛豫,T1值：確定為縱向磁化矢量從0恢復(fù)到平衡態(tài)的63的時(shí)間 T1值：是一常數(shù)，各種組織因?yàn)橘|(zhì)子周圍環(huán)境不同而有不同的T1值 5個(gè)T1值的時(shí)間后，縱向磁化矢量基本上完全恢復(fù) 縱向磁化對(duì)比（T1對(duì)比）：反應(yīng)組織T1值不同而產(chǎn)生的對(duì)比為T1對(duì)比 T1WI：T1加權(quán)圖像，通過(guò)不同的掃描參數(shù)組合產(chǎn)生的

10、主要反應(yīng)T1對(duì)比的圖像,影響T1值的因素,組織分子大?。篢1弛豫涉及自旋向晶格的能量傳遞，大分子及小分子運(yùn)動(dòng)頻率明顯小于或大于Larmor頻率，能量傳遞困難，T1值長(zhǎng)；中等分子運(yùn)動(dòng)頻率接近Larmor頻率，T1值短,晶格物理狀態(tài)：通常固體晶格振動(dòng)頻率極高，分子轉(zhuǎn)動(dòng)頻率極低，能量傳遞極為困難，T1值極長(zhǎng)（長(zhǎng)的可達(dá)10幾個(gè)小時(shí)） 大分子的影響：大分子與水分子結(jié)合可降低水分子運(yùn)動(dòng)頻率至Larmor頻率附近，降低其T1值，就是所謂結(jié)合水 溫度：溫度越高，T1值越長(zhǎng)，因?yàn)榫Ц裰蟹肿舆\(yùn)動(dòng)活躍，頻率寬，相對(duì)可傳遞能量的頻率范圍內(nèi)分子少 場(chǎng)強(qiáng)：越強(qiáng)，T1值越長(zhǎng)，所以T1弛豫也稱場(chǎng)強(qiáng)依賴弛豫,飽和,由于在實(shí)際應(yīng)

11、用中，射頻重復(fù)時(shí)間（TR）幾乎總是小于T1弛豫完全的時(shí)間 多個(gè)TR后，縱向磁化矢量會(huì)逐漸較少，并達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值，稱為部分飽和,橫向弛豫（T2弛豫）,也稱自旋-自旋弛豫 量子基礎(chǔ)：由于各個(gè)自旋質(zhì)子的相互干擾，分子隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)，造成局部磁場(chǎng)波動(dòng)，從而各個(gè)局部自旋的進(jìn)動(dòng)頻率不一致，造成失相位，所以也稱為自旋-自旋弛豫,T2值：確定為橫向磁化矢量從由最大衰減至37%的時(shí)間 T2值也是一常數(shù)，不同組織有不同的T2值 橫向弛豫對(duì)比（T2對(duì)比）：反應(yīng)組織T2值不同而產(chǎn)生的對(duì)比為T2對(duì)比 T2WI，T2加權(quán)圖像，通過(guò)不同的掃描參數(shù)組合產(chǎn)生的主要反應(yīng)T2對(duì)比的圖像,影響T2值的因素,分子大?。捍蠓肿游镔|(zhì)移

12、動(dòng)慢，自旋干擾及熱運(yùn)動(dòng)所致的局部磁場(chǎng)不均勻性容易產(chǎn)生，T2值短；小分子物質(zhì)移動(dòng)快，容易均勻，T2值長(zhǎng) 物理狀態(tài)：固體晶格固定，局部磁場(chǎng)不均勻性穩(wěn)定存在，致T2值極短。液體分子布朗運(yùn)動(dòng)活躍，局部磁場(chǎng)不均勻性能很快得到平衡，T2值很長(zhǎng) 場(chǎng)強(qiáng)、溫度：一般認(rèn)為很少有影響,T2*弛豫，也稱有效橫向弛豫,T2弛豫磁場(chǎng)不均勻所致失相位 磁場(chǎng)不均勻致各部位質(zhì)子進(jìn)動(dòng)Larmor頻率不一，致失相位，所以T2*T2 T2*衰減就是自由感應(yīng)衰減 T2*衰減過(guò)程中接收的MR信號(hào)就是自由感應(yīng)信號(hào),磁場(chǎng)不均勻的因素,主磁場(chǎng)（B0）不均勻 組織磁化的不均勻性，如骨、空氣、金屬異物等與軟組織的磁化率差異很大，破壞磁場(chǎng)均勻度 梯

13、度場(chǎng)的施加 磁場(chǎng)不均勻因素可被SE序列180度脈沖消除,T1弛豫與T2弛豫機(jī)理不同，T1值T2值 一般：T1值T2值，但純水T2值可接近T1值 任何組織T2值不會(huì)T1值 T1弛豫一定程度上影響T2弛豫，T2弛豫不影響T1弛豫,磁共振信號(hào),外來(lái)射頻脈沖停止后，出現(xiàn)弛豫，橫向磁化矢量消失，縱向磁化矢量恢復(fù) 弛豫同時(shí)以射頻信號(hào)的形式放出能量 發(fā)出的射頻信號(hào)被體外線圈接受 經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后重建成圖像,MR信號(hào),磁共振成像設(shè)備,磁體 梯度線圈 射頻發(fā)射器，發(fā)射線圈，一般也兼有接收線圈功能 MR信號(hào)接受器，接收線圈 計(jì)算機(jī) 圖像顯示和儲(chǔ)存裝置,磁體,MR核心和基礎(chǔ) MR造價(jià)一半以上 最主要指標(biāo)：磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁

14、場(chǎng)均勻度 磁體強(qiáng)度：tesla=10000gauss,高場(chǎng)強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),主磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)高提高質(zhì)子的磁化率，增強(qiáng)MR信號(hào)，增加圖像的信噪比 在保證信噪比的前提下，可縮短MRI信號(hào)采集時(shí)間 增加化學(xué)位移使磁共振頻譜（MRS）對(duì)代謝產(chǎn)物的分辨力提高 增加化學(xué)位移使脂肪飽和技術(shù)更加容易實(shí)現(xiàn) 磁敏感效應(yīng)增強(qiáng)，從而增加血氧飽和度依賴（BOLD）效應(yīng)，使腦功能成像的信號(hào)變化更為明顯 SWI圖像質(zhì)量更佳,高場(chǎng)強(qiáng)的缺點(diǎn),設(shè)備生產(chǎn)成本增加，價(jià)格提高 噪音增加 SAR值問(wèn)題：因?yàn)樯漕l特殊吸收率（SAR）與主磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的平方成正比，高場(chǎng)強(qiáng)下射頻脈沖的能量在人體內(nèi)累積明顯增大，在3.0T的超高場(chǎng)強(qiáng)機(jī)上表現(xiàn)得尤為突出 各種偽影增加

15、，運(yùn)動(dòng)偽影、化學(xué)位移偽影及磁化率偽影等在3.0T超高場(chǎng)機(jī)上更為明顯,磁場(chǎng)均勻度,高均勻度的場(chǎng)強(qiáng)有助于提高圖像信噪比 場(chǎng)強(qiáng)均勻是保證MR信號(hào)空間定位準(zhǔn)確性的前提 場(chǎng)強(qiáng)均勻可減少偽影，特別是磁化率偽影 高度均勻度磁場(chǎng)有利于進(jìn)行大視野掃描，尤其肩關(guān)節(jié)等偏中心部位的MRI檢查 只有高度均勻度磁場(chǎng)才能充分利用脂肪飽和技術(shù)進(jìn)行脂肪抑制掃描 高度均勻磁場(chǎng)才能有效準(zhǔn)確區(qū)分MRS的不同代謝產(chǎn)物,梯度線圈,主要指標(biāo)：梯度場(chǎng)強(qiáng)、梯度切換率 梯度場(chǎng)強(qiáng)（mT/M）：梯度場(chǎng)兩端的磁場(chǎng)強(qiáng)度差值/梯度場(chǎng)的長(zhǎng)度 切換率（slewrat）：是指單位時(shí)間及單位長(zhǎng)度內(nèi)的梯度磁場(chǎng)強(qiáng)度變化量，常用每秒每米長(zhǎng)度內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的毫特斯拉量（

16、mT/M.S）來(lái)表示 切換率越高表明梯度磁場(chǎng)變化越快，也即梯度線圈通電后梯度磁場(chǎng)達(dá)到預(yù)設(shè)值所需要時(shí)間（爬升時(shí)間）越短,梯度線圈性能的提高對(duì)于MR超快速成像至關(guān)重要，可以說(shuō)沒(méi)有梯度線圈的進(jìn)步就不可能有超快速序列 SS-RARE、Turbo-GRE及EPI等超快速序列以及水分子擴(kuò)散加權(quán)成像對(duì)梯度場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)及切換率都有很高的要求 高梯度場(chǎng)及高切換率不僅可以縮短回波間隙加快信號(hào)采集速度，還有利于提高圖像的SNR 因而近幾年快速或超快速成像技術(shù)的發(fā)展可以說(shuō)是直接得益于梯度線圈性能的改進(jìn)。,梯度線圈的作用,進(jìn)行MRI信號(hào)的空間定位編碼 產(chǎn)生MR回波（梯度回波） 施加擴(kuò)散加權(quán)梯度場(chǎng) 進(jìn)行流動(dòng)補(bǔ)償 進(jìn)行流動(dòng)液體的流速相位編碼。 梯度線圈由X、Y、Z軸三個(gè)線圈構(gòu)成 把主磁場(chǎng)方向定義為Z軸方向，與Z軸方向垂直的平面為XY平面,發(fā)射線圈：發(fā)射射頻脈沖（無(wú)線電波）激發(fā)人體內(nèi)的質(zhì)子發(fā)生共振，就如同電臺(tái)的發(fā)射天線 接收線圈：接收人體內(nèi)發(fā)出的MR信號(hào)（無(wú)線電波），就如同收音機(jī)的天線 有的線圈可同時(shí)作為發(fā)射線圈和接受線圈，如裝在掃描架內(nèi)的體線圈和頭顱正交線圈 大部分表面線圈只能作為接受線圈，而由體線圈來(lái)承擔(dān)發(fā)射線圈的功