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1、磁共振成像原理第一节第一节 概述概述n1946年，美国哈佛大学的E.Purcell及斯坦福大学的F.Bloch领导的两个研究小组各自独立地发现了核磁共振现象，Purcell和Bloch两人共同获得1952年的诺贝尔物理奖。核磁共振主要用于磁共振波谱，研究物质的分子结构。n1971年美国纽约州立大学的R.damadian用MRS仪对鼠的正常组织和癌变组织样品研究发现，癌变组织T1、T2弛豫时间值比正常组织长。第一节第一节 概述概述n1973年美国纽约州立大学的Lauterbur利用梯度磁场进行空间定位，用两个充水试管获得了第一幅核磁共振图像。n1974年1980年MRI得到不断发展，研究出梯度选
2、层方法、相位编码成像方法、自旋回波成像方法以及二维傅里叶变换的成像方法。n1978年在英国取得了第一幅人体头部的磁共振图像。同一年，又取得了人体的第一幅胸、腹部图像。n1980年磁共振机开始应用于临床。(一)MRI的特点 n1.以射频脉冲作为成像的能量源以射频脉冲作为成像的能量源 不使用电离辐射(X线)，对人体安全、无创；n2.具有较高的组织对比度和分辩力具有较高的组织对比度和分辩力 能清楚地显示脑灰质、脑白质、肌肉、肌健、脂肪等软组织以及软骨结构，解剖结构和病变形态显示清楚、逼真；n3.多方位成像多方位成像 能对被检查部位进行轴、冠、矢状位以及任何倾斜方位的层面成像，且不必变动病人体位，便于
3、再现体内解剖结构和病变的空间位置和相互关系；(一)MRI的特点n4.多参数成像、多序列成像多参数成像、多序列成像 通过分别获取T1加权像加权像(T1 weighted image，TlWI)；T2加权像加权像(T2 weighted image，T2WI)、质子密度加权像、质子密度加权像(proton density weighted，PDWI)以及T2*WI、重T1WI、重T2WI，在影像上取得组织之间、组织与病变之间在T1、T2、T2*和PD上的信号对比，对显示解剖结构和病变敏感；n5.能进行形态学研究、进行功能、组织化学和生物化学方面的研究。可以对脑脊液和血液的流动作定量分析，提供一组有
4、关流动的非形态学信息。n (二二)主主 要要 用用 途途n特别适合于中枢神经系统、头颈部、肌肉关节系统以及心脏大血管系统的检查，也适于纵隔、腹腔、盆腔实质器官及乳腺的检查。n中枢神经系统，MRI已成为颅颈交界区、颅底、后颅窝及椎管内病变的最佳检查方式。n对于脑瘤、脑血管病、感染疾病、脑变性疾病和脑白质病、颅脑先天发育异常等均具有极高的敏感性，在发现病变方面优于CT；n对于脊髓病变如肿瘤、脱髓鞘疾病、脊髓空洞症、外伤、先天畸形等，为首选方法。(二二)主主 要要 用用 途途n头颈部，MRI的应用大大改善了眼、鼻窦、鼻咽腔以及颈部软组织病变的检出、定位、定量与定性。n磁磁 共共 振振 血血 管管 成
5、成 像像(magnetic resonance angiography，MRA)技术对显示头颈部血管狭窄、闭塞、畸形以及颅内动脉具有重要价值。n在肌肉关节系统，已成为肌肉、肌腱、韧带、软骨病变影像检查的主要手段之一。n电影MRI技术还可进行关节功能检查。n心血管系统，使用心电门控和呼吸门控技术可对大血管病变如主动脉瘤、主动脉夹层、大动脉炎、肺动脉塞以及大血管发育等进行诊断，也用于诊断心肌、心包、心腔等病变。n纵隔、腹腔、盆腔，MRI的流动效应，能在静脉不注射对比剂情况下，直接对纵隔内、肺门区以及大血管周围实质性肿块与血管做出鉴别。n对纵隔肿块、腹腔及盆腔器官，如肝、胰、脾、肾、肾上腺、前列腺病
6、变发现、诊断与鉴别诊断具有价值。nMRI软组织极佳的分辨率，成为诊断乳腺病变有价值的方法。(二二)主主 要要 用用 途途(三三)主主 要要 内内 容容 nMRI检查技术分为影像显示影像显示和生化代谢分析生化代谢分析 n影像显示技术主要由脉冲序列、流动现象的补偿技术、伪影补偿技术和一系列特殊成像技术组成。n主要的特殊成像技术：主要的特殊成像技术：n1.磁共振血管成像(magnetic resonance angiography，MRA)n2.磁共振水成像(magnetic resonance hydrography)(三三)主主 要要 内内 容容n3.磁共振脑功能成像(functional ma
7、gnetic resonance，fMRI)n4.化学位移成像(chemical shift imaging)n5.生生化化代代谢谢分分析析技技术术：磁磁共共振振波波谱谱分分析析(magnetic resonance spectroscopy，MRS)，用于提供组织化学成分的数据信息。(四四)磁共振成像的局限性磁共振成像的局限性 n空间分辩力较低；n对带有心脏起搏器或体内带有铁磁性物质的病人不能进行检查；危重症病人不能进行检查；n对钙化的显示远不如CT，难以对病理性钙化为特征的病变作诊断；n常规扫描信号采集时间较长，使胸、腹检查受到限制；n对质子密度低的结构，如肺、皮质骨显示不佳；n设备昂贵。
8、第二节第二节 MR现象的物理学基础现象的物理学基础 n一、产生核磁共振现象的基本条件一、产生核磁共振现象的基本条件 n静磁场中物质的原子核受到一定频率的电磁波作用，它们的能级之间发生共振跃迁，就是磁共振现象。n物质吸收电磁波能量而跃迁后，又会释放电磁能量恢复到初始状态，如果用特殊装置接受这部分能量信号，就采集到MR信号。第二节第二节 MR现象的物理学基础现象的物理学基础n产生MR信号三个基本条件：n能够产生共振跃迁的原子核；n恒定的静磁场（外磁场、主磁场）；n产生一定频率电磁波的交变磁场。因产生MR的电磁波在电磁波谱中位于长波的射频无线电波波段，这个交变磁场称为射频磁场。n“核磁共振”的“核”
9、是指共振跃迁的原子核，“磁”是指主磁场和射频磁场，“共振”是指当射频磁场的频率与原子核进动的频率一致时原子核吸收能量，发生能级间的共振跃迁。二、原子核的特性二、原子核的特性 n（一）原子核自旋和磁矩（一）原子核自旋和磁矩 n1.原子核和电子云原子核和电子云n物质由分子组成的，分子由原子组成。原子由一个原子核及数目不同的电子组成。原子核又由带有正电荷的质子（proton）和不显电性的中子组成，其中质子与MRI有关。n构成水、脂肪、肌肉等生命物质的原子(氢、钠或磷等)，原子的外层为原子壳，由不停运动着的许多电子构成(电子云)。中央是原子核，核上有电荷，围绕原子核的轴线转动，称为“自旋”（spin）
10、。原子核自旋2.原子核结构和自旋质子原子核结构和自旋质子(氢质子氢质子)n原子核是由不同数量的质子和中子构成，其大小与质量都不相同，如氢的同位素氕(1H)、氘(2H)、氚(3H)。n它们的核都有一个质子，不同的是氘还有一个中子，氚有两个中子。n因为氕的核只有一个质子，将它称为氢质子或质子，质子带正电，并不停的旋转着，又称自旋质子，是目前MR成像应用最广泛的原子核。自旋动画3.带电的自旋质子群带电的自旋质子群n一群自旋着的质子，显示每个核内周边的电荷形成一个环形电流。这些环形电流的方向是杂乱无章的，这是自然状态下的自旋核质子群。n每一个环形电流周围将产生电磁效应，就是磁场。一个环形电流就好似一个
11、小磁棒。n理论上任何原子核所含质子或中子的为奇数时，具有磁性。自旋动画3.带电的自旋质子群带电的自旋质子群n通电的环形线圈周围都有磁场存在，相当于一块磁铁。所以转动的质子也相当于一个小磁体，具有自身的南、北极及磁力，质子自身具有磁性，在其周围产生磁场，并具有自身磁矩。磁矩是矢量，具有方向和大小，磁矩的方向可有环形电流的法拉第右手定则确定，与自旋轴一致。n环形电流的磁矩：=IS 4.磁场强度及方向磁场强度及方向 n磁场有力和能的性质，力有强度和方向n静磁场强度以字母B表示，单位是特斯拉(Tesla)或高斯(Gauss)n磁场的强弱在图中用平行线的密疏来表示n密度大，场强大，用箭头的长短来表示，箭
12、头的方向就是磁场的方向。接动画（二）原子核的自旋角动量（二）原子核的自旋角动量n原子核还具有自旋角动量P。P的方向与自旋轴重合，大小由下式决定：nP=hI(I+1)1/2 (4-1)nI为核自旋量子数。I值由质子和中子数量决定。n核内质子数和中子数都是偶数时，自旋量子数I=0，即成对质子、中子的自旋互相抵消，原子核的总自旋为零；n质子数和中子数都是奇数，两者的和为偶数时，I取整数值；n质子数和中子数的和为奇数，I取半整数。（二）原子核的自旋角动量（二）原子核的自旋角动量n只有具备奇数质子和奇数中子的原子核及和为奇数的原子核，其总自旋不为零，才能产生核磁共振现象，这样的原子包括1H、13C、19
13、F、23Na、31P等百余种元素。n生物组织中，1H占原子数量的2/3，且1H为磁化最高的原子核，目前生物组织的MRI主要是1H成像。氢原子核内只有一个质子，不含有中子，氢原子核也称为氢质子，1H的磁共振图像也称为质子像。n组组织织质质子子群群总总净净磁磁向向量量M等等于于零零：在一个小范围体积元(Voxel)的生物组织内，有许多质子自旋核，每个核都有一个小磁场，相当一群小磁铁，以磁矩来表示这些微观磁体的磁场大小和方向。n自然状态下，核磁矩的方向各自东西，杂乱无章，其结果是互相抵消。整体上组织总的净磁向量M是零，因为M是各方向磁矩正、负值相加。（二）原子核的自旋角动量（二）原子核的自旋角动量接
14、动画小结小结 n（1）自旋氢质子的原子核相当一个环形电流，在环形电流周围有一个小磁场；n（2）自然状态下，人体存在大量带电、有磁性的自旋核，但它们的磁矩互相抵消，组织并未显示出磁性。三、静磁场的作用三、静磁场的作用n（一）外加静磁场中（一）外加静磁场中的磁化的磁化 nMRI中外加静磁场的强度B0是恒定的。用X、Y、Z坐标系来描述磁场的位置，Z代表B0方向，即磁力线方向，X-Y平面代表垂直于磁场方向的平面。（一）外加静磁场中的磁化（一）外加静磁场中的磁化n垂直座标系垂直座标系n Z轴是B0方向，通常与体轴一致nXY平面垂直于体轴，叫横断面nX轴是水平轴，Y轴是垂直轴，三个轴互相垂直接动画三、静磁
15、场的作用三、静磁场的作用 n（一）外加静磁场中的磁化（一）外加静磁场中的磁化 将一个小磁矩放在外磁场B0中，两磁场方向的夹角为，小磁矩发生转动，停在顺B0方向(减小到零)。这时的小磁矩处于稳定状态，能级最低，是磁场B0的扭力效应。若等于180，即磁矩与B0方向相反，磁矩最不稳定，势能最大。n磁矩在B0中有顺B0或反B0两个方向，一群磁矩动态平衡的结果是顺B0的磁矩多于逆B0的磁矩，剩余的是平行B0的低能态质子，因此，净磁向量M与B0同方向。接动画三、静磁场的作用三、静磁场的作用（二）静磁场中的能级分裂（二）静磁场中的能级分裂 n原子核磁矩进入B0后，空间取向发生量子化，只能取一些确定的方向。自
16、旋量子数为I，则只能2I+1个不同方向。n在B0方向的投影是一些不连续的数值。的不同取向，形成它与B0相互作用能的不同。与B0的相互作用能称为位能。在B0中的位能为：n n为原子核的磁旋比（gyromagnetic-ratio）（二）静磁场中的能级分裂（二）静磁场中的能级分裂n是与核角动量之比，是一个原子核固有的特征值，不同的原子核具有不同的值，每种原子核的是一常数，氢质子的值为42.5MHz/T；n在B0的作用下使原来简并的能级分裂成2I+1个能级，称为塞曼分裂，这些能级称为塞曼能级。塞曼能级是等间距的，相邻两个能级之能量差为：n（二）静磁场中的能级分裂（二）静磁场中的能级分裂n1H自旋量子
17、数I=1/2，同样IZ=1/2，所以在B0中1H分裂为两个能级。n具有较高能量(处于高能级)的质子沿与B0反平行方向排列，其位能为E=hB0/4；具有较低能量(处于低能级)的质子沿与B0平行方向排列，E=-hB0/4。n处于低能级(与B0平行方向排列)的质子数目比处于高能级者略多，如常温下可多10-6。（三）自旋核的进动（三）自旋核的进动 nB0中质子磁矩并不是完全按B0方向排列，其自旋轴与外磁场轴有一个小的夹角。磁矩不是固定不动的，它的磁矩轴在不停地旋进着。n这种进动运动就像一个垂直旋转着的陀螺，用小锤对着它的顶端撞击一下，陀螺出现了倾斜，也就是它的自旋轴偏离了重力方向，与重力线形成一个夹角
18、，并绕重力线回转，这种运动方式称为旋旋进进(进进动动)（precession）。接动画（三）自旋核的进动（三）自旋核的进动n质子进动的频率非常快，每秒进动的次数称“进动频率”（precession frequency）。进动频率不是一个常数，而是与所在B0的场强相关，B0越强，进动频率越快，用拉莫（Larmor）方程表示：n （4-4）n0代表进动频率，称为拉莫尔频率；为旋磁比；B0为外磁场场强。n在1.0T场强中，1H的进动频率为42.5MHz。（三）自旋核的进动（三）自旋核的进动n旋进的特征：旋进的特征：n（1）旋进角：自旋轴与重力线有夹角n（2）自旋轴不仃地回旋，因此在垂直于重力线的平面
19、上存在着一个变化的矢量n（3）回转速度为旋进频率 0=B0，当固定时，0 随B 0线性变化（三）自旋核的进动（三）自旋核的进动n一个氢质子处在B0中如陀螺样旋进，它的磁矩轴倾斜，且绕B0方向回转，与B0间有一个夹角，为旋进角。（四）外加静磁场中的宏观效应（四）外加静磁场中的宏观效应 n一个质子磁矩轴在坐标系上自旋和旋进的轨迹：n平衡时，它的磁矩轴不停地绕Z轴旋进着，旋进的轨迹是一个圆锥体。n磁矩轴是稍稍偏离Z轴的，每个磁矩的效果，在物理学上可按平行四边形法分解为在Z轴和XY平面上两个分磁力。（四）外加静磁场中的宏观效应（四）外加静磁场中的宏观效应接动画（四）外加静磁场中的宏观效应（四）外加静磁
20、场中的宏观效应nB0中质子群受到扭力进行有序化排列，结果是略多数的磁矩顺Z轴方向，略少数的磁矩反Z轴方向。正反抵消后，剩下顺Z轴的磁矩A和B。nA、B的轴偏离Z轴进动，A、B分解为XY平面的分量A、B和Z轴上的分量，它们在XY平面上的磁分量方向杂乱，互相抵消。在Z轴上所有的磁分量方向完全一致，叠加 而 成 为 平 行 B0纵 轴 的 纵 向 磁 化Mz（longitudinal magnetization）。（四）外加静磁场中的宏观效应（四）外加静磁场中的宏观效应n体积元内宏观磁化向量：n M=Mz+Mxy，n由于Mxy=0，平衡态时M=Mzn平衡态时在B0中的质子群：n Mxy=0n M=M
21、z 静磁场中人体组织获得磁化静磁场中人体组织获得磁化 n人体进入静磁场后，经过质子有序化排列，组织宏观上产生了一个纵向磁化矢量Mz，组织有了磁性。n纵向磁化矢量Mz不是振荡磁场，无法测定。n振荡磁场是一种随时间而变化的磁场，它的磁场变化可在天线内感应产生电压，用电流表可以测定。n纵向磁化Mz不移动也不旋转，因此无法记录。四、射频磁场的作用四、射频磁场的作用nMZ不是振荡磁场，无法单独检测出来，不能直接用于成像。n如果要检测质子的自旋、收集信号，只有在垂直于静磁场B0方向的横向平面有净磁化矢量。为了设法检测到特定质子群的净磁化矢量，并用于成像，需使净磁化矢量偏离B0方向。为了达到这个目的，在MR
22、I中采用了射频（radiofrequency，RF）脉冲作为激发源。n1.同频率音叉发生共振同频率音叉发生共振n排列起一组音叉，当令该组以外的一个音叉振动发音时，组内的与之音调相同的音叉就会吸收能量，振动发音，这个过程叫做“共振”。n照此原理，将电磁波的能量发射到质子群上，一旦M加大偏转角并产生旋转，即可达到产生振荡磁场的目的。四、射频磁场的作用四、射频磁场的作用 2.磁共振频率条件磁共振频率条件 nMRI中的射频脉冲必须具备的条件中的射频脉冲必须具备的条件是：射频脉冲的频率与质子的进动是：射频脉冲的频率与质子的进动频率相同，发生频率相同，发生MR时，射频电磁时，射频电磁波的角频率波的角频率R
23、F等于核进动的角频等于核进动的角频率：率：nMRI中RF脉冲把能量传递给低能级质子的过程也称“共振”。3.射频电磁波对样品的激励射频电磁波对样品的激励nMR的信号检测是在XY平面内进行，必须设法将磁场B0 中样品的M0 转到XY平面上。一旦磁化矢量从M M0 偏离方向(非热平衡态)，就会产生一个转动力矩B0 M，M在此力矩作用下产生绕B0的旋进。n磁矩I 在磁场中会得到附加能量，获得的能量的大小，与磁矩同磁场的夹角有关，当夹角增大时，磁矩能量增加。#3.射频电磁波对样品的激励射频电磁波对样品的激励n我们沿X轴方向加入一磁场Br。由于初始状态的MZM与B0 平行，所以初始状态B0 对M的作用力矩
24、为零；n但初始状态的Br与M互相垂直，Br 与M相互作角产生一力矩，此力矩使M 以B0 为初始磁化矢量绕Br 进动，进动的结果使M偏离B0 的方向，与B0 方向的夹角不断增加。3.射频电磁波对样品的激励射频电磁波对样品的激励n欲要M绕Br 的旋进能稳定进行，则要求M 与Br 的相对位置关系不变。但偏离了B0 方向的M在以N 绕B0旋进，所以加入的Br必须也是以同角速度N 绕B0 方向旋转，这样，才能保证M在不断偏离B0 方向、与 B0方向夹角逐渐增大的过程中与Br 的相对位置关系保持不变，才能使M在绕B0旋进同时又能稳定地绕Br旋进，两个稳定旋进同时进行。4.如何获得这样的旋转磁场如何获得这样
25、的旋转磁场 n加入的旋转磁场的大小Br 比B0小得多，所以M 绕Br 进动的角速度r=Br 比M绕B0 进动的角速度N=B0 小得多。在M和Br 的同时作用下，其矢端运动轨迹为从球面顶点开始的逐渐展开的球面螺旋线；nM与B0 之间的夹角 Br t，其中，t为旋转磁场Br 作用时间。此时在XY面上量Mxy=Msin，Mxy的形成可看作是由原先相位均匀分布的核磁矩向某一方向集中，而使矢量加强的结果。4.如何获得这样的旋转磁场如何获得这样的旋转磁场n向样品射入一频率与M绕B0 旋进频率相同的电磁波，就提供了一个恰到好处的旋转磁场。为保证旋转磁场与B0的方向有垂直关系，此电磁波沿X或XY平面某方向入射
26、均可(在XY平面入射电磁波)。这个电磁波就是RF电磁波。nRF电磁波对样品起激励作用。5.质子群共振后生成横向磁化质子群共振后生成横向磁化Mxyn平衡态时微观磁矩的排列状态：n正反两方向的磁矩中，正方向略多于反Z轴方向，宏观上净磁化向量M表现为Mz。向质子群施加射频脉冲的电磁波，它的频率与质子的共振频率相同，结果质子进动角开始加大，逐个转到逆B0方向，Mz逐渐减小。当正反方向磁矩相等时，Mz=0。5.质子群共振后生成横向磁化质子群共振后生成横向磁化Mxyn频脉冲的另一个重要作用：n受射频脉冲磁场的磁化作用，进动的质子趋向于射频磁场方向而变为同步、同速运动，即处于“同相”(inphase)。这样
27、，在XY平面上叠加起来，形成了一个新的宏观磁化量，即横向磁化（transverse magnetization）矢量，用 代表，继续绕Z轴进动。净磁化矢量 偏离了Z轴。5.质子群共振后生成横向磁化质子群共振后生成横向磁化Mxyn新获得的Mxy已不再与B0叠加在一起，通过测定Mxy可得知生物组织的MR信号。n在X-Y平面设置一接收线圈时，由于的进动，相当于线圈内磁场大小和方向的变化，根据法拉第电磁感应原理(通过闭合回路的磁通量发生变化时，闭合回路内产生感应电压，感应电压的大小与磁通量的变化率成正比)，在线圈两端感应出交流电势，这个电势就是线圈接收到的MR信号，该信号同样具有进动频率。至此，我们已
28、经从置于B0内的物质上得到了MR信号。（二）射频脉冲的方式（二）射频脉冲的方式n射频脉冲是一个在xy平面的旋转磁场Br，其磁场方向垂直于z轴，沿xy平面以拉莫频率转动。在Br的作用下，净磁化矢量M开始沿Br轴进动，结果由z轴向xy平面逐渐靠近；同时在B0的作用下，M还要沿B0轴进动，这样M与Br之间成相对静止。在B0和射频磁场Br的双重作用下，M除沿B0轴进动外，还要沿Br轴进动，其运动轨迹为螺旋形，这种运动方式称为“章动”。（二）射频脉冲的方式（二）射频脉冲的方式 n质子群吸收了射频脉冲的能量，M随着Mz减小和Mxy增大而改变它在座标系上的方向，M一边回转，它与B0的偏转角一边逐渐增大，M顶
29、端的运动轨迹是一个从Z轴上方向下连续划出的球形螺旋线。n令M偏转角达90的射频脉冲称为90射脉脉冲，也就是说90射频脉冲中止时，Mz=0，M=Mxy。7.横向磁化发出磁共振横向磁化发出磁共振(MR)信号信号 nMxy不停的旋转，它的磁场方向随时间而变化，这是一种振荡磁场，传播至附近一处固定的天线内即可产生感应电流。nMxy的振荡磁场就是组织发放出的磁共振信号，天线内感应生成的电流即为接受的信号。8.小结小结 n（1）同频率射频脉冲(RF)激发平衡态质子，发生共振后产生两个作用：n低能态顺B0方向的质子吸收脉冲能量，进动角加大，转到反B0方向的高能态，结果nMz逐渐减小；n使分散在B0四周进动的质子群，以同方向同速度即同相位进动。磁矩叠加的结果出现了逐渐增大的横向磁化矢量Mxy。8.小结小结n（2）够强度的射频脉冲，持续一定时间，可令M偏转度角，此脉冲称为度射频脉冲；n（3）90射频脉冲停止时，M偏转角为90，此时Mz为零，Mxy最大；n（4）M xy是以质子进动频率旋转的磁矢量，发出可为天线接收的MR信号。此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢