1、磁共振的物理基礎(chǔ),徐州醫(yī)學(xué)院CT.MRI診斷學(xué)教研室 徐州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院CT.MRI室,徐凱,1924年P(guān)auli發(fā)現(xiàn)原子核象帶電自旋的球體具有角動量及磁矩, 1945 年Bloch 和 Purcell 證實了原子核 自旋的確實存在, 他們 為此共同獲得了1952 年諾貝爾物理學(xué) 獎。 五、六十年代磁共振主要為化學(xué)家及物理學(xué)家探測化學(xué)結(jié)構(gòu)構(gòu)型及反應(yīng)過程的分析工具, 1973 年Lauterbur 首次進(jìn)行了兩試管水的磁共振成像1976年P(guān)eter Mansfield 首 次 報 導(dǎo)了 人活體 MR 成像 ，1980年裝備商品。,電磁波譜圖,不同原子核的MRI特性,1.核磁,質(zhì)子、中子或質(zhì)子和中

2、子數(shù)不成對的原子核，高速自旋時產(chǎn)生的磁矩，相當(dāng)于一個微型磁棒。,2.磁化,如將生物組織置于一個大的外加磁場中（又稱主磁場，用矢量表示），則質(zhì)子磁矩方向發(fā)生變化，結(jié)果是較多的質(zhì)子磁矩指向與主磁場方向相同，而較少的質(zhì)子與B0方向相反，與B方向相反的質(zhì)子具有較高的位能。常溫下，順主磁場排列的質(zhì)子數(shù)目較逆主磁場排列的質(zhì)子稍多，因此，出現(xiàn)與主磁場B方向一致的凈宏觀磁矩，如圖所示。,M,3.拉莫爾進(jìn)動,處在外磁場中的核磁矩方向，并不完全朝向主磁場方向，而是象受到地球引力的旋轉(zhuǎn)的陀螺一樣，進(jìn)行著以外磁場的方向為軸的旋進(jìn)和高速自旋的復(fù)雜運(yùn)動。,方程,/ ：進(jìn)動的頻率 ：主磁場強(qiáng)度 ：旋磁比（對于每一種原子核是

3、恒定的常數(shù)）,4.共振,處于平衡狀態(tài)的凈磁矩,并不能在接收線圈中產(chǎn)生信號,該磁矩在具有拉莫爾頻率的90RF脈沖的激勵下旋進(jìn)到XOY平面,也即垂直于主磁場的方向。,5.磁矩的分量,被激勵的質(zhì)子群的宏觀磁矩分別投影在軸和XOY平面上形成兩個分量： z、xy,6.弛豫,射頻脈沖停止后,已吸收能量發(fā)生共振的質(zhì)子群磁矩釋放能量,回到原平衡狀態(tài)的過程稱弛豫過程.分Mz、Mxy的還原為縱向、橫向弛豫，弛豫時間、的定義見圖示,7.人體部分組織、值,8.磁共振信號,90RF脈沖使質(zhì)子凈磁矩旋進(jìn)到XY平面,脈沖停止后,RF線圈將探測到弛豫過程所產(chǎn)生的信號,該信號逐漸減小,稱為自由感應(yīng)衰減(FID),磁共振信號強(qiáng)度

4、,9.信號與頻譜,對于一個單一正弦信號可用其幅度和頻率描述,而對于一個復(fù)雜的信號可用其頻譜來描述,即把信號進(jìn)行分解為各種不同的頻率成份和不同的幅度.也即把隨時間變化的幅度函數(shù)變成隨頻率變化幅度函數(shù)(二維付立葉變換，2DFT),10.自旋回波,由于磁場的不均勻使90脈沖后的宏觀凈磁矩很快相位離散,在TE/2后,施加180RF脈沖使相位重聚,并出現(xiàn)可測量的MR信號.,磁共振成像的基本原理,當(dāng)RF脈沖停止時，MR信號就可接收到了。問題是：接收線圈范圍內(nèi)的所有原子核會以相同的頻率輻射信號，并且不會攜帶任何空間位置信息。 為了重建圖像，必須確定組織間的空間位置，涉及兩個方面： ）層面選擇 ）層面上共振信

5、號的空間編碼,.層面選擇,由于共振頻率是磁場強(qiáng)度的函數(shù)，在人體長軸方向上附加一梯度磁場，則每一橫斷面的共振頻率均不一樣，層面厚度取決于磁場梯度和射頻帶寬。,2.相位離散與相位重聚,由，被選層面的自旋磁矩的旋進(jìn)頻率將有微小差異，并呈螺旋樓梯的臺階狀散開，為了獲得最大信號強(qiáng)度，采用一相反極性的梯度磁場，使該層自旋磁矩相位重聚。,.頻率編碼,垂直于梯度的頻率編碼梯度使得信號共振頻率沿軸增加，經(jīng)，各點(diǎn)的信號強(qiáng)度描點(diǎn)連線成沿軸方向的一維輪廓線，也稱讀出梯度。如果旋轉(zhuǎn)并不斷重復(fù)這一過程，就可通過大家熟知的成像的方法，來投影重建圖像。不用此法。,.相位編碼,施加垂直于的相位編碼梯度，停止時，所有核磁處于同一

6、相位及頻率旋進(jìn)，此時施加，軸上，不同位置的核磁旋進(jìn)頻率各異，關(guān)閉，各核磁又以同頻旋進(jìn)，然而，位置卻發(fā)生了變化，并記憶了此時的位置。,.付里葉變換,脈沖后，施加頻率編碼梯度和相位編碼梯度，即可完成被選層面的空間編碼，和是付里葉變換的基礎(chǔ)。,6.成像過程,由A原始數(shù)據(jù)(正弦信號)經(jīng)過2DFT后成為B-2D頻譜，最終圖像C是B的亮度灰階描述。,.空間,伴隨數(shù)據(jù)區(qū)域的空間編碼，必須有一個解碼方法來獲得具有一定空間分辨率的圖像。不同的編碼方法，圖像品質(zhì)有很大差異。,.空間（續(xù)）,空間是在信號采集期間收集的原始數(shù)據(jù)所組成，此時并不重建解剖圖像。每一圖像都有其自己的空間。水平軸代表頻率編碼方向，縱軸均勻刻度

7、，每一刻度代表一值，成比例對應(yīng)于相位編碼的梯度磁場?？臻g實際是由各回波信號組成。,.空間（續(xù)）,空間可以模擬圖像，另外，空間可以對不同梯度的影響、弛豫現(xiàn)象及變換采集方案提供定量評價。不管如何采集，只要能確定空間的映射圖，就能準(zhǔn)確構(gòu)造用來進(jìn)行的數(shù)據(jù)。,8.自旋回波（）圖像,自旋回波序列為最常用的脈沖序列。先發(fā)射90脈沖，隔/2后再發(fā)射180脈沖，至?xí)r間測量回波信號，重復(fù)這一過程，完成所有采集。兩脈沖間的時間為重復(fù)時間。,9.梯度回波圖像,梯度回波與自旋回波的區(qū)別是采用90的脈沖及不采用180脈沖，而是施加強(qiáng)度相同、方向相反的讀出梯度磁場，使相位回歸出現(xiàn)回波。既保持了較好的圖像信噪比，又縮短檢查時

8、間。,磁共振成像采用靜磁場使該磁場的局部變化，磁場梯度對組織樣本的原子核進(jìn)行空間信息編碼，射頻脈沖發(fā)生器發(fā)出的射頻脈沖與其共同作用來產(chǎn)生信號，然后射頻接收系統(tǒng)探測出這些重新發(fā)射出來的射頻能量信號 ，并將這些信號傳輸給計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化處理和影像顯示。,1. 磁體：產(chǎn)生靜磁場 2. 磁場梯度系統(tǒng)：由梯度放大器和梯度線圈所組成用于空間選擇和空間編碼 3. 射頻放大器和射頻發(fā)射線圈：產(chǎn)生測量脈沖，激勵原子核 4. 射頻接收線圈和放大器：探測來自原子核的信號 5. 采集和控制系統(tǒng)：進(jìn)行數(shù)字化信號處理影像處理及數(shù)據(jù)采集、控制 6. 生理學(xué)硬件：用來獲得病人的心電圖、呼吸周期波,7. 重建系統(tǒng) 8. 操作/顯示控制臺以顯示圖像和操作者輸入控制參數(shù) 9. 存檔系統(tǒng) 10.磁屏蔽：減少磁共振成像儀周圍雜散磁場的影響 11. 射頻屏敝：使系統(tǒng)免受外部射頻的相互干擾 12. 掃描床檢查時在磁體內(nèi)擺放病人 13. 病人監(jiān)視設(shè)備以便檢查時觀察病人,磁共振造影劑 能引起質(zhì)子弛豫時間縮短的離子或小分子稱為順