核磁共振成像

1、第四章 磁共振成像 教學(xué)大綱要求 掌握核的自旋磁矩，水分子的磁矩、磁矩與外磁場(chǎng)的相互作用、核磁共振現(xiàn)象的產(chǎn)生、核磁共振的宏觀描述、自旋回波序列。熟悉磁共振成像原理、空間位置編碼。了解磁共振血管造影和磁共振成像質(zhì)量監(jiān)控。 重點(diǎn)和難點(diǎn) 磁矩與外磁場(chǎng)的相互作用、核磁共振的現(xiàn)象、磁共振成像原理、核磁共振的宏觀描述、自旋回波序列、空間位置編碼、磁共振血管造影。 教學(xué)重點(diǎn) 一、原子核的磁矩 1角動(dòng)量與旋進(jìn) （1）角動(dòng)量（angular momentum） 描述質(zhì)點(diǎn)繞參考點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)特性的物理量，又叫動(dòng)量矩（moment of momentum）。 角動(dòng)量的方向用右手螺旋法則判定。 （2）角動(dòng)量定理一具有角動(dòng)量的

2、體系受到力矩的作用，則會(huì)產(chǎn)生角動(dòng)量的增量，角動(dòng)量的增量等于力矩的沖量。角動(dòng)量增量的方向與力矩的方向相同，也就是力矩方向上產(chǎn)生的角動(dòng)量增量。 （3）旋進(jìn)（precession） 也稱進(jìn)動(dòng)，描述的是具有角動(dòng)量L的物體或體系在外力矩T作用下，其角動(dòng)量發(fā)生改變的現(xiàn)象。若作轉(zhuǎn)動(dòng)的體系所受的外力矩與體系的角動(dòng)量始終垂直，體系將發(fā)生純旋進(jìn)（表現(xiàn)為角動(dòng)量矢端沿圓周運(yùn)動(dòng)），即角動(dòng)量的大小不變，而角動(dòng)量的方向連續(xù)發(fā)生改變的現(xiàn)象。 產(chǎn)生純旋進(jìn)條件是，外力矩始終與體系的角動(dòng)量垂直。 重力場(chǎng)中陀螺旋進(jìn)可表示為 旋進(jìn)過(guò)程中因角動(dòng)量的增量的方向與力矩的方向相同，故有。2角動(dòng)量與磁矩 （1）磁矩（magnetic momen

3、t） 電流圈所包圍的面積與電流強(qiáng)度的乘積。方向與電流繞向成右螺旋關(guān)系。 （2）電子的軌道磁矩 式中為軌道旋磁比；為軌道朗德因子；為軌道角動(dòng)量的大小，取向量子化；=；稱為角量子數(shù)，n是主量子數(shù)。 對(duì)不同的帶電粒子、不向的運(yùn)動(dòng)方式取值不同。對(duì)軌道運(yùn)動(dòng)的電子來(lái)說(shuō)，自旋運(yùn)動(dòng)的電子。 （3）電子的自旋磁矩 式中 以為自旋旋磁比；為自旋朗德因子；為自旋角動(dòng)量，由自旋量子數(shù)s=1/2決定，取向量子化s=±1/2。 （4）電子在外磁場(chǎng)中的磁矩 磁場(chǎng)方向?yàn)樽鴺?biāo)軸的z方向，則自旋和軌道角動(dòng)量在z方向的分量為量子化的。即 式中 式中稱為玻爾磁子，用作原子磁矩的單位。3核的自旋磁矩（1）核自旋角動(dòng)量（spi

4、n angular momentum） 式中I為核自旋量子數(shù)，偶偶核自旋量子數(shù)為零，奇奇核自旋量子數(shù)為大予零的整數(shù)，奇偶核自旋量子數(shù)為半整數(shù)。例如H核的自旋為1/2。 （2）原子核的磁矩 式中，稱為核磁子（nuelarmagneton），用作核磁矩的單位。為核的朗德因子。為原子核的旋磁比。 （3）核磁矩的z分量 式中對(duì)于氫核（），自旋，故，的可能取值為號(hào)和。 （4）水分子磁矩 水分子的磁矩相當(dāng)于兩個(gè)“裸露”的氫核。 目前多數(shù)的核都是氫核。但是人體內(nèi)的多數(shù)氫核包含在水分子之中。水分子是十個(gè)核外電子，兩個(gè)氫核，一個(gè)氧核。水分子的磁矩就是這些粒子的軌道磁矩自旋磁矩的矢量和。但是十個(gè)核外電子構(gòu)成滿殼層

5、，滿殼層電子的總軌道角動(dòng)量為零，總的磁矩為零，總自旋磁矩也就為零。氧是偶偶核，自旋為零。所以水分子的磁矩就相當(dāng)于兩個(gè)“裸露”的氫核。實(shí)際的中共振頻率的計(jì)算就是按氫核計(jì)算的，組織、器官內(nèi)水的多少就表示氫核的多少。 二、磁共振的基本原理 1磁矩與磁場(chǎng)的相互作用 自旋不為零的原子核置于磁場(chǎng)中，會(huì)發(fā)生力及能量?jī)煞矫娴淖饔谩?（1）磁場(chǎng)對(duì)核磁矩的作用力矩 （2）原子能級(jí)“劈裂” 為核磁量子數(shù)，共有（2I+1）個(gè)可能值。 2磁矩在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) （1）拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率 在外磁場(chǎng)中，氫核磁矩受到外磁場(chǎng)的作用，在自身旋轉(zhuǎn)的同時(shí)又以為軸旋進(jìn)，如同陀螺在重力場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)一樣，當(dāng)其轉(zhuǎn)軸偏離垂直方向時(shí)，就會(huì)一邊自轉(zhuǎn)，一邊又繞

6、自身垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)。陀螺旋進(jìn)是受地球重力場(chǎng)的作用，而磁矩旋進(jìn)是受外磁場(chǎng)的作用，其旋進(jìn)角頻率，稱為拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率?？杀硎緸椤?（2）在射頻場(chǎng)作用下的能級(jí)躍遷 當(dāng)外加射頻場(chǎng)的能量等于“劈裂”的能級(jí)間隔時(shí)，原子核強(qiáng)烈地吸收電磁波的能量，從分裂后的低能級(jí)向相鄰的高能級(jí)躍遷，發(fā)生共振吸收，即。 （3）共振條件 當(dāng)射頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的角頻率與核磁矩繞的旋進(jìn)角頻率相等時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振吸收現(xiàn)象。可表示為。 3核磁共振現(xiàn)象 處于外磁場(chǎng)中的氫核系統(tǒng)，若在垂直于外磁場(chǎng)方向施加一射頻電磁場(chǎng)RF，當(dāng)RF的角頻率等于核磁矩的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率時(shí)，氫核磁矩將有可能吸收電磁波的能量，使部分氫核激發(fā)，稱為共振吸收。去掉RF，氫核磁矩又會(huì)把吸

7、收能量中的一部分以RF的形式發(fā)射出來(lái)，叫共振發(fā)射。大量氫核磁矩吸收和發(fā)射能量都會(huì)在環(huán)繞氫核系統(tǒng)的接收線圈上產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，這就是磁共振信號(hào)。 三、核磁共振的宏觀描述 1原子核的磁化強(qiáng)度矢量 （1）磁化強(qiáng)度矢量的定義 單位體積中所有原子核磁矩的矢量和，即 具有磁矩的本質(zhì)。 （2）磁化強(qiáng)度矢量受磁場(chǎng)影響 1）無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)，核系統(tǒng)中各個(gè)核磁矩的空間取向雜亂無(wú)章，。 2）有外磁場(chǎng)作用時(shí)，對(duì)于氫核，其磁矩分別在上、下兩個(gè)圓錐上旋進(jìn)，所有處于低能級(jí)的核磁矩均勻分布在上方圓錐面上，其合矢量與z軸同向，高能級(jí)。的核磁矩均勻分布在下方圓錐面上，其合矢量與z軸反向，根據(jù)玻爾茲曼分布定律，處于低能級(jí)的

8、核數(shù)多于高能級(jí)的核數(shù)，所以，故平衡狀態(tài)時(shí)合矢量為，等于其縱向分量，方向同外磁場(chǎng)。 （3）磁化強(qiáng)度矢量隨時(shí)問(wèn)的變化 2射頻電磁波的作用 （1）射頻電磁波對(duì)樣品起激勵(lì)作用 MR信號(hào)的檢測(cè)是在XY平面內(nèi)進(jìn)行的，必須設(shè)法將磁場(chǎng)中樣品的到XY平面上。故此，沿x方向加入一磁場(chǎng)，使，則繞旋進(jìn)，旋進(jìn)結(jié)果使偏離了的方向，與的夾角不斷增加，要使繞旋進(jìn)能穩(wěn)定進(jìn)行，則要求與的相對(duì)位置關(guān)系不變。但偏離了的以角速度繞旋進(jìn)，則加入的必須是以同樣的角速度繞方向旋轉(zhuǎn)，這樣，才能保證在不斷偏離的方向，與方向夾角逐漸增大的過(guò)程中與的相對(duì)位置關(guān)系保持不變，從而才能使在繞旋進(jìn)的同時(shí)又能穩(wěn)定地繞旋進(jìn)，兩個(gè)穩(wěn)定旋進(jìn)同時(shí)進(jìn)行，所以要引入旋轉(zhuǎn)

9、磁場(chǎng)，實(shí)際采用射頻電磁場(chǎng)RF代替。 （2）角脈沖 做成脈沖形式的射頻電磁波稱角脈沖。使磁化強(qiáng)度矢量從熱平衡偏離主磁場(chǎng)90°角的稱為90°脈沖；使磁化強(qiáng)度矢量而從熱平衡態(tài)偏離主磁場(chǎng)180°角的稱為180°脈沖。3馳豫過(guò)程 當(dāng)射頻脈沖作用停止作用后，而自動(dòng)由不平衡態(tài)恢復(fù)到平衡態(tài)，并將從射頻磁場(chǎng)中吸收的能量釋放出來(lái)，這一過(guò)程稱為馳豫過(guò)程（relaxation process）。其中順磁場(chǎng)方向恢復(fù)為縱向，垂直于磁場(chǎng)方向恢復(fù)為橫向。 縱向分量恢復(fù)到平衡最大值的過(guò)程 橫向分量到最小值零的過(guò)程 （1）縱向馳豫和橫向馳豫 氫核系統(tǒng)吸收能量，偏離磁場(chǎng)方向，其宏觀磁矩的縱向

10、分量，由小到大，最后達(dá)到未偏離磁場(chǎng)方向以前宏觀磁矩的大小，所以這個(gè)過(guò)程叫縱向馳豫，由于這個(gè)過(guò)程是氫核與周圍物質(zhì)進(jìn)行熱交換，最后到達(dá)熱平衡，故又稱為自旋晶格馳豫。 氫核磁矩從不平衡態(tài)到平衡態(tài)的變化過(guò)程，此時(shí)各磁矩在水平方向的磁性將互相抵消，其宏觀磁矩的水平分量，由大到小，最后趨近于零，所以稱為橫向弛豫過(guò)程。由于這個(gè)過(guò)程是同種核相互交換能量的過(guò)程，所以又叫自旋自旋馳豫過(guò)程。（2）馳豫時(shí)間、及物理意義1）縱向馳豫時(shí)間：磁化矢量在90°RF脈沖作用下偏離z軸，停止RF照射后，在z軸方向恢復(fù)到原來(lái)最大值的63時(shí)所需時(shí)間。表示馳豫過(guò)程為熱馳豫。2）橫向馳豫時(shí)間：磁化矢量在90°RF脈沖

11、作用下，倒向xy平面，并在xy平面散開(kāi)，停止RF照射后，其宏觀磁矩水平分量減小63時(shí)所需的時(shí)間。表示以最大值衰減到零的變化快慢，其本質(zhì)是自旋核的磁矩由相對(duì)有序狀態(tài)向相對(duì)無(wú)序狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程。（3）自由感應(yīng)衰減信號(hào)（free induced decay）射頻脈沖停止后，在接收中，磁化強(qiáng)度矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡“盤旋”向上，隨著橫向馳豫分量的衰減，在接收馳豫過(guò)程線圈中接收的角頻率為感生電動(dòng)勢(shì)的幅值也逐漸衰減，這一信號(hào)由于是在自由旋進(jìn)過(guò)程中感生的，故稱為自由感應(yīng)衰減信號(hào)，簡(jiǎn)稱FID。由于FID信號(hào)所包含的生物組織信息，比在射頻場(chǎng)作用下檢測(cè)得的MR信號(hào)中所含的信息多，故FID信號(hào)通常就指MR信號(hào)。4自旋回波序列

12、（1）自旋回波序列（spin echo，SE）由90°、180°脈沖組成的脈沖序列稱為自旋回波序列。（2）180度脈沖的作用90°脈沖之后加入180°脈沖，使處于去位相狀態(tài)的自旋質(zhì)子重新變?yōu)槲幌酄顟B(tài)（inphase），使分散的核磁矩重新會(huì)聚起來(lái)，抵消了磁場(chǎng)不均勻性造成的不利影響。FID和SE信號(hào)幅值之間以時(shí)間常數(shù)衰減，180°脈沖的這種作用稱為相位回歸（rephrasing）。（3）自旋回波信號(hào)的幅值自旋回波信號(hào)的幅值可用下式表示 上式中K是與主磁場(chǎng)、自旋核種類有關(guān)的常數(shù)；為序列重復(fù)時(shí)間；為回波時(shí)間；為縱向馳豫時(shí)間；為橫向馳豫時(shí)間；自旋核密度。

13、 5加權(quán)圖像（imaging weight，IW） 使MRI的斷面圖像主要由一個(gè)成像參數(shù)決定，這就是加權(quán)圖像。 （1） 加權(quán)（IW） 當(dāng)時(shí)，選，則，僅由決定，稱加權(quán)圖像。 （2） 加權(quán)（IW） 當(dāng)時(shí)，取中等大小，則，I僅由、決定，稱加權(quán)圖像。 （3） 加權(quán)（IW） 當(dāng)時(shí)，取適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)，則，I僅由、決定，稱加權(quán)圖像。 6其它幾種回波脈沖序列測(cè)量、 （1）多回波脈沖序列（Carr-Purcell）在90°脈沖之后連續(xù)施加180°脈沖，在每個(gè)180°脈沖之后都可以獲得SE信號(hào)，延長(zhǎng)了時(shí)間，加強(qiáng)了的加權(quán)作用。（2）部分飽和序列（partial saturation，PS）又

14、稱飽和恢復(fù)序列，它由兩個(gè)一定時(shí)間間隔的90°脈沖組成。FID信號(hào)與和有關(guān)，當(dāng)較大于時(shí)，信號(hào)對(duì)的權(quán)重增加；當(dāng)較小于時(shí)，信號(hào)對(duì)的權(quán)重增加。（3）反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列（inversion-recovery，IR） 180°脈沖為激勵(lì)脈沖，相隔50 ms后施加90°脈沖。一種常用的測(cè)量的序列，可以刪除對(duì)的相關(guān)性，精度高，測(cè)量范圍大。（4）梯度回波序列（gradient echo，GE）縮短成像時(shí)間的脈沖序列，主要通過(guò)縮短。采用小角度激勵(lì)法，大大縮短了成像時(shí)間。（5）EPI序列是目前最快速的MR成像法。它通常可以在30 ms之內(nèi)采集一幅完整的圖像，EPI在頻率編碼方向上采用一系列反

15、向梯度，可在單個(gè)TR間期內(nèi)產(chǎn)生一系列的回波信號(hào)，并對(duì)每個(gè)回波信號(hào)進(jìn)行相位編碼，填充到相應(yīng)的K空間，用于圖像重建?？梢栽谝淮渭ぐl(fā)中以多條線的形式同時(shí)填滿整個(gè)K空間，可以高速地獲取加權(quán)像。 （6）CPMG法將Cart-Purcell法中在軸方向所加的全部序列改為加到軸上，但90°脈沖仍然加到軸上。四、磁共振成像的基本方法1磁共振成像原理它是利用光的強(qiáng)度來(lái)顯示自旋核所在空間各點(diǎn)磁共振參數(shù)的分布。它是基于用磁場(chǎng)值來(lái)標(biāo)記自旋核所在空間的位置，即在均勻恒定主磁場(chǎng)上疊加3個(gè)互相垂直的線性梯度磁場(chǎng)，由于空間各點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度不同，由共振條件知各處核的共振頻率也不同，所以共振頻率可作為自旋核所在空間的“地址

16、”標(biāo)記，建立起不同點(diǎn)的共振信號(hào)與空間位置一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)需要解決兩個(gè)問(wèn)題，一是MR信號(hào)的采集，把研究對(duì)象簡(jiǎn)化為由若干個(gè)體素所組成，然后依次測(cè)量各體素的成像參數(shù)，并用以控制對(duì)應(yīng)像素的灰度，二是空間位置編碼，即獲得層面體素的空間位置，把觀測(cè)對(duì)象進(jìn)行空間編碼，再根據(jù)各體素的編碼與空間位置一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)圖像的重建。其過(guò)程是先選片，再進(jìn)行相位和頻率編碼，在圖像重建時(shí)再解碼，最后得到具有相位和頻率特征的MR信號(hào)，根據(jù)層面各體素的對(duì)應(yīng)關(guān)系，把各體素的信號(hào)大小依次顯示在熒光屏上，最后得到一幅反映層面各體素MR信號(hào)大小的圖像。2層面的選擇 將成像物體置于均勻主磁場(chǎng)中，設(shè)磁場(chǎng)方向?yàn)閦軸方向，在主磁場(chǎng)的

17、基礎(chǔ)上疊加一同方向的線性梯度場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度沿z軸方向由小到大均勻變化，則垂直于z軸方向同一層面上的磁場(chǎng)強(qiáng)度相同，不同層面上的磁場(chǎng)強(qiáng)度不同，用不同頻率的射頻脈沖RF照射不同層面，會(huì)得到不同的共振頻率。不同的共振頻率表示自旋核所在的層面位置。此過(guò)程稱為層面的選擇或選片。3相位編碼在垂直于z軸的y方向疊加一梯度很小的線性梯度場(chǎng)，磁場(chǎng)沿y軸由小到大逐漸增大，則垂直于y軸方向的同一層面上的磁場(chǎng)均相同，不同層面磁場(chǎng)略有差異：磁矩的旋進(jìn)速度也不一樣，于是相位發(fā)生變化，用這種相位差作標(biāo)記，可識(shí)別y軸方向的每一條直線各體素的MR信號(hào)，這一過(guò)程稱為相位編碼。相位編碼和頻率編碼可以互換坐標(biāo)軸，即和可以互換。4頻率編碼

18、 在垂直于z軸的x方向疊加一梯度很小的線性梯度場(chǎng)，磁場(chǎng)沿z軸由小到大逐漸增大，則垂直于x軸方向的同一層面上的磁場(chǎng)均相同，不同層面磁場(chǎng)略有差異，磁矩的旋進(jìn)頻率也不一樣，于是頻率發(fā)生變化，用這種磁矩旋進(jìn)頻率的差異作標(biāo)記，可識(shí)別沿x軸方向的每一條直線各體素的MR信號(hào)，這一過(guò)程稱為頻率編碼。5圖像重建通過(guò)選片、相編碼和頻率編碼，把整個(gè)層面的體素一一進(jìn)行標(biāo)定；用射頻場(chǎng)RF對(duì)各體素進(jìn)行激勵(lì)；停止RF激勵(lì)，測(cè)量感應(yīng)信號(hào)采集數(shù)據(jù)信息；對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行二維傅立葉變換處理，得到具有相位和頻率特征的MR信號(hào)大?。桓鶕?jù)與層面各體素編碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系，把體素的信號(hào)大小用灰度等級(jí)顯示在熒光屏上。 （1）2D-FT法 2D-FT

19、二維傅立葉變換重建法是磁共振系統(tǒng)中常用的斷面成像法，基本思想是用MR信號(hào)的頻率存儲(chǔ)成像斷面空間的一維信息，用MR信號(hào)的相位存儲(chǔ)斷面的另一維空間信息。對(duì)采集的MR信號(hào)進(jìn)行二維傅立葉變換后，可得幅度及頻率、相位信號(hào)。計(jì)算上獲得的傅氏函數(shù)即代表重建的圖像，此函數(shù)的實(shí)部為幅度頻譜，虛部為相位頻譜。 （2）體層圖像重建成像時(shí)間的估測(cè) 式中了是脈沖重復(fù)時(shí)間，n是重復(fù)測(cè)量次數(shù)。五、人體的磁共振成像1氫核是人體磁共振成像的首選核種水分子磁矩可以等效為兩個(gè)裸露的氫核，人體中各種組織含有大量的水和碳?xì)浠衔?，因此氫核的磁共振靈敏度高，信號(hào)強(qiáng)，這就是將氫核作為人體成像元素的原因。2人體不同組織及器官的含水比例不同人

20、體不同的組織和器官的含水比例是不同的，標(biāo)志著人體不同組織和器官含氫核的數(shù)目不同，由于MR信號(hào)的強(qiáng)度與氫核密度有關(guān)，所以不同組織和器官的MR信號(hào)強(qiáng)度有差異，用這種差異作為特征量就可以將各種組織和器官區(qū)分開(kāi)來(lái)，這就是氫核密度的MR圖像。3人體不同組織的、值不同人體不同組織以及正常組織和病變組織的、值不相同，故此我們可以通過(guò)、的值來(lái)建立人體組織的分布圖像，而且人體正常組織和病變組織的含水量及丁、值均不相同，所以從圖像中可以將病變組織識(shí)別出來(lái)，并且可以判斷出病變的不同發(fā)展階段。 六、磁共振血管造影 1磁共振血管造影（magnetic resonance allgiography，MRA）MRA是用流動(dòng)血液的MR信號(hào)與周圍靜止組織的MR信號(hào)差異建立圖像對(duì)比度，利用信號(hào)差異也可以用來(lái)測(cè)量血流速度、觀察血流狀態(tài)的特征。目前，MRA方法可分兩類，一種是磁共振流入血管造影（inflow angiography，IA）；另一種是基于位相的MRA，它實(shí)際上是一種減影的方法。2相位效應(yīng)在流動(dòng)的血液中，由于自旋核與磁場(chǎng)的相對(duì)