簡易磁共振成像原理

1、 磁共振成像原理 一、概論二、核磁共振原理三、弛豫四、磁共振信號五、圖像的重建磁共振成像原理現代醫(yī)學影像學現代醫(yī)學影像學X線、CTX射線經人體組織吸收后記錄衰減信息密度成像 （密度）超聲 高頻超聲波達到人體反射經傳感器探測的回聲像 （回聲）磁共振在磁場內人體氫原子核經射頻激勵后形成自由感應 衰減信號成像 （信號）核醫(yī)學人體組織內積蓄的放射性同位素發(fā)射的伽瑪輻射像 （濃聚） MRI的優(yōu)勢的優(yōu)勢 1.無線損傷 2.軟組織對比度分辨率高 3.任意方位、多序列、多參數成像 4.無顱底骨偽影干擾 5.不用造影劑可特殊成像如MRA、MRM 、MRCP、 MRU等， 6.增強掃描時造影劑用量比CT少并且安全

2、 7.可提供人體生理、生化及功能方面信息 8.開放式MR機減少幽閉恐懼癥 成像速度慢對鈣化灶不夠敏感、對骨骼系統(tǒng)及胃腸道方面有一定的限度、呼吸系統(tǒng)遠不如CT檢查檢查費用較昂貴禁忌癥多：體內有鐵磁性植入物、心臟起搏器、幽閉恐懼癥、早孕三個月的婦女等磁共振成像的局限性磁共振成像的局限性 磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是利用射頻（radio frequency，RF）電磁波對置于磁場中的含有自旋原子核的物質進行激發(fā)，發(fā)生核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR），用感應線圈采集磁共振信號，按一定數學方法進行處理而重建的一種數字

3、圖像。磁共振成像的定義磁共振成像的定義磁共振成像的基本過程磁共振成像的基本過程 人體進入靜磁場前，體內氫質子群磁矩自然無規(guī)律排列；2. 進入靜磁場后，所有自旋的氫質子重新定向排列，磁矩與主磁場方向平行3. 通過施加射頻脈沖，使受檢部位氫質子吸收能量并向一個方向偏轉和自旋；4. 射頻脈沖停止，核磁弛豫開始，氫質子釋放吸收的能量重新回 到原來自旋的方向；5. 釋放的電磁能轉化為磁共振信號；6. 經梯度磁場做層面選擇和相位編碼及頻率編碼；7. 經傅立葉轉換和計算機處理形成MRI圖像。 RFTransceiverperson in magnetic fieldmagnet人體磁化人體磁化 before

4、 transmitting RFperson in magnetic fieldRFTransceiverRF Pulsetransmitting RF核磁共振核磁共振person in magnetic fieldRFTransceiverMR Signal after transmitting RF一、概論二、核磁共振原理三、弛豫四、磁共振信號五、圖像的重建磁共振成像原理原子核由質子和中子組成，統(tǒng)稱為核子，具有自旋的特性。根據經典電磁學理論： 旋轉的電荷可視為環(huán)路上的 運動電荷，自旋的運動電荷 應具有磁矩，產生一個小磁 場。無外加磁場時，小磁場方向 是隨機的，磁矩相互抵消， 凈磁矩為0原子

5、核自旋原子核自旋 無外加磁場無外加磁場B0有外加磁場有外加磁場B0低能態(tài)，數目多低能態(tài)，數目多高能態(tài)，數目少高能態(tài)，數目少方向隨機方向隨機無磁化矢量無磁化矢量拉莫爾進動處于強磁場內的質子并非靜止地向兩個方向平行排列，進行陀螺式的搖擺樣運動，質子磁矩矢量這種圍繞主磁場旋轉運動稱為進動（Precession），其旋轉頻率稱共振頻率（larmor頻率）。磁化矢量磁化矢量MDirectionof nuclearmagneticmomentDirection of appliedmagnetic fieldB0Larmor頻率磁共振現象在垂直于磁場B0方向施加與質子進動頻率相同的射頻脈沖，射頻脈沖的能量

6、將傳遞給低能級的質子，低能級的質子將躍遷到高能級。這個過程成為磁共振。共振條件為：射頻脈沖頻率與質子進動頻率相等 0=B0宏觀上講，磁共振現象的結果是使宏觀磁化矢量方向發(fā)生偏轉。偏轉的角度與射頻脈沖的能量有關，能量越大，偏轉角度越大。 氫原子核在不同場強中的共振頻率靜磁場強度（T） 共振頻率（MHz） 0.15 6.4 0.2 8.5 0.3 12.8 0.5 21.3 0.6 25.5 1.0 42.6 1.5 63.9 2.0 85.3 3.0 127.8翻轉角FA射頻脈沖時間的長短、強度的大小決定了進動角度射頻脈沖時間的長短、強度的大小決定了進動角度的大小。的大小。FA=B1t射頻脈沖強

7、度越大，翻轉角度改變越快。射頻脈沖強度越大，翻轉角度改變越快。射頻脈沖施加時間越長，翻轉角度越大。射頻脈沖施加時間越長，翻轉角度越大。常見反轉角如常見反轉角如90、180脈沖脈沖一、概論二、核磁共振原理三、弛豫四、磁共振信號五、圖像的重建磁共振成像原理弛豫射頻脈沖一停止，組織磁化射頻脈沖一停止，組織磁化恢復原來的狀態(tài)恢復原來的狀態(tài)，即，即發(fā)生弛豫（發(fā)生弛豫（Relaxation）。）。磁共振成像時受檢臟器的每一個質子都要經過反磁共振成像時受檢臟器的每一個質子都要經過反復的復的RF激發(fā)和弛豫過程。激發(fā)和弛豫過程。弛豫有弛豫有縱向弛豫縱向弛豫和和橫向弛豫橫向弛豫。縱向弛豫縱向弛豫縱向弛豫射頻脈沖停

8、止，縱向弛豫恢復到原來大小平衡的狀態(tài)，射頻脈沖停止，縱向弛豫恢復到原來大小平衡的狀態(tài)，縱向弛豫是能量變化的過程?？v向弛豫是能量變化的過程。 縱向弛豫是一個從零狀態(tài)恢復到最大值的過程。縱向弛豫是一個從零狀態(tài)恢復到最大值的過程?？v向磁化向量恢復原來數值所經歷的時間過程稱縱向弛縱向磁化向量恢復原來數值所經歷的時間過程稱縱向弛豫時間（豫時間（T1）。）?？v向弛豫過程表現為一種指數遞增曲線?？v向弛豫過程表現為一種指數遞增曲線。T1值被定義為從零恢復到原來縱向磁化向量值被定義為從零恢復到原來縱向磁化向量63%的時間的時間。4-5倍的倍的T1值時間才能達到完全恢復。值時間才能達到完全恢復。人體各種組織因組成

9、成份不同而具有不同的人體各種組織因組成成份不同而具有不同的T1值。值。影響T1的因素不同組織分子結構不同組織分子結構T1弛豫時間不同，由它們本弛豫時間不同，由它們本身進動頻率不同所決定。大部分組織身進動頻率不同所決定。大部分組織T1值在值在200-300msec之間，（如：脂肪質子的弛豫比水之間，（如：脂肪質子的弛豫比水分子要快，分子要快，T1時間就短，脂肪時間就短，脂肪T1為為100-200ms。純水為純水為3000ms，組織含水越多，組織含水越多，T1時間越長。時間越長。磁場強度影響。磁場強度增大使共振頻率增大磁場強度影響。磁場強度增大使共振頻率增大，T1弛豫時間隨之延長。弛豫時間隨之延長

10、。橫向弛豫橫向弛豫射頻脈沖停止，橫向磁化向量開始逐漸消失的過程。橫射頻脈沖停止，橫向磁化向量開始逐漸消失的過程。橫向弛豫不是能量變化的過程，是進動相位失去的過程。向弛豫不是能量變化的過程，是進動相位失去的過程。橫向磁化向量逐漸消失的過程稱橫向弛豫時間（橫向磁化向量逐漸消失的過程稱橫向弛豫時間（T2）。）。其衰減過程也表現為一個指數曲線，與其衰減過程也表現為一個指數曲線，與 T1 不同的是遞不同的是遞減曲線。減曲線。T2值被定義為橫向磁化向量從最大到其原來值被定義為橫向磁化向量從最大到其原來 37% 的時的時間。間。4-5倍倍T2值時間完全消失。值時間完全消失。T2弛豫時間內氫質子將吸收的弛豫時

11、間內氫質子將吸收的RF能量以電磁波形式的能量以電磁波形式的信號釋放出來（信號釋放出來（FID）。）。 橫向弛豫影響T2因素主磁場主磁場T2弛豫時間比弛豫時間比 T1 要短許多。人體組織中要短許多。人體組織中T2 值的值的范圍大約在范圍大約在 50-100 ms之間。（腦脊液較為特殊，具有之間。（腦脊液較為特殊，具有 2000 ms 的的 T2 值）。值）。 在含水多的組織中也有較長的在含水多的組織中也有較長的 T2 弛豫時間（如：炎癥，水腫，惡性腫瘤等）。弛豫時間（如：炎癥，水腫，惡性腫瘤等）。與與 T1 相比，相比，T2對主磁場強度不敏感，但是對磁場均勻對主磁場強度不敏感，但是對磁場均勻度敏

12、感。度敏感。磁場不均勻時，磁場不均勻時，1/T2*= 1/T2+ BT1、T2對磁共振信號的影響磁共振信號與T1、T2關系一、概論二、核磁共振原理三、弛豫四、磁共振信號五、圖像的重建磁共振成像原理自由感應衰減信號FID90RF脈沖之后，核自旋開始自由進動和弛豫，這時產生的共振信號叫自由感應衰減（Free Induction Decay）信號，簡稱FID信號自旋回波信號在90RF脈沖之后，經時間后再加180脈沖，再經過時間會出現一個回波信號，稱為自旋回波信號。回波形狀：兩個FID信號背對背對接起來。t=0到t=，為散相運動，My衰減；t=到t=2，聚相運動；在t=2時刻，達到相位完全相干，形成回

13、波峰值T2之后，又是散相。自旋回波回波峰值：因為有弛豫，橫向磁化強度有衰減回波信號的優(yōu)勢： 90脈沖關閉時，基線有跳動，此時采集FID信號比較麻煩，采回波信號更可靠回波時間（Echo Time）TE:自旋回波達到峰值的時間 TE=22/20TyeMM回波信號的衰減一、概論二、核磁共振原理三、弛豫四、磁共振信號五、圖像的重建磁共振成像原理采集數據脈沖序列 RFGsSGpGrTE/2 TE/2 TRFIDEcho90 090 0180 0MRI數據采集方法激勵激勵 射頻脈沖激勵做射頻脈沖激勵做 Gz 層面選擇。層面選擇。相位編碼相位編碼 在在Y軸增加梯度磁場軸增加梯度磁場 Gy，使，使Y坐標上坐標

14、上 質子處于不同相位。質子處于不同相位。頻率編碼頻率編碼 Gy 關閉后，立即加上關閉后，立即加上Gx 頻率編碼梯頻率編碼梯 度，自旋質子進動，含有頻率和相位度，自旋質子進動，含有頻率和相位 編碼的混合編碼的混合MR 信號經二維傅立葉轉信號經二維傅立葉轉 換，分出每個體素在矩陣中的位置和換，分出每個體素在矩陣中的位置和 信號強度，最后重建成圖像。信號強度，最后重建成圖像。層面選擇梯度層面選擇梯度Gz相位編碼梯度相位編碼梯度Gy頻率編碼梯度頻率編碼梯度Gx增加梯度磁場的目的從接受線圈接收人體質子群發(fā)出的磁共振信號是從接受線圈接收人體質子群發(fā)出的磁共振信號是成千上萬的雜亂無章的信息，這些信號群成千上

15、萬的雜亂無章的信息，這些信號群只有強只有強度和頻率度和頻率，無空間和方位的信息無空間和方位的信息。應用梯度磁場。應用梯度磁場的目的，是提供磁共振成像的空間定位信息，解的目的，是提供磁共振成像的空間定位信息，解決圖像重建和層面選擇及空間定位的難題。決圖像重建和層面選擇及空間定位的難題。磁共振的拉莫爾（磁共振的拉莫爾（Larmor）定律，人體組織在不）定律，人體組織在不同的磁場強度下，其共振頻率就會不同，這就形同的磁場強度下，其共振頻率就會不同，這就形成了根據梯度磁場的變化達到空間定位的理論和成了根據梯度磁場的變化達到空間定位的理論和實際應用基礎。實際應用基礎。 選層Gz層厚=（B0+Gz Z）=

16、Gz Z頻率越寬，層面越厚頻率越寬，層面越厚梯度越大，層面越薄梯度越大，層面越薄平面信號空間編碼梯度場應用解決了從一個層面采集信號和選擇梯度場應用解決了從一個層面采集信號和選擇層面厚度問題。但層面厚度問題。但不能分辨該層面內信號來自不能分辨該層面內信號來自什么位置什么位置。為確定層面內信號的坐標，進行另。為確定層面內信號的坐標，進行另外的空間編碼技術即選用兩種不同梯度磁場進外的空間編碼技術即選用兩種不同梯度磁場進行編碼：行編碼：頻率編碼梯度頻率編碼梯度相位編碼梯度相位編碼梯度空間編碼前相位編碼相位編碼頻率編碼頻率編碼K空間按按相位和頻率相位和頻率兩種坐標組成了另一種兩種坐標組成了另一種虛擬的空間位置虛擬的空間位置排列矩陣，這個位置排列矩陣，這個位置不是實際的空間位置，只是計算機根據相位和頻率不同而給予的暫時識別不是實際的空間位置，只是計算機根據相位和頻率不同而給予的暫時識別定位，這就是定位，這就是“K空間空間”。K空間每一點包含了所有體素的信號，但空間每一點包含了所有體素的信號，但不能區(qū)分各個體素的信號不能區(qū)分各個