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磁共振成像基本原理 FundamentalPrincipalofMRI 原子核在磁场中运动像 陀螺 除了自身的旋转外 还绕外磁场作旋转 进动 原子核在外磁场中的运动 具有磁性的原子核 必须满足以下的条件 而无磁性核如 核的质子数或中子数为奇数 如 原子核的磁性 磁矩就是指磁性 用 表示 并非所有的核都具有磁性 h 2 为旋磁比 1H的 42 58MHz T 原子核的磁矩 B 0B 0 无外磁场时 原子核排列是无序的 总体并不显示磁性 若存在外磁场时 原子核 H 只能按两个方向进行定向排列 总体体现磁性 原子核在外磁场中磁化 沿着磁场方向排列的原子核称 平行状态原子核逆着磁场方向排列的原子核称 反平行状态原子核顺磁场排列原子的能量比逆磁场排列原子能量小 B 0B 0 质子处于主磁场B0中 氢核的磁矩就与主磁场发生相互作用 而处一个稳定的状态 氢核不能随意取向 它的能量是量化的 平行状态原子核 平行状态原子核 能量差为 所以B0越大 质子之间能量差也越大 MRI图像信噪比也就越好 原子核在外磁场中量化 其中k玻尔兹曼常数 T为绝对温度 在常温稳定情况下 处于低能量的粒子数多于处于高能量的粒子数 当场强为1 5T时 低能级的数目只比高能级多8 2 000 000个 两个方向的净自旋产生的磁场称为净磁化 或磁化矢量 所以磁化矢量是十分微弱 Boltzmann能量分布原理 在主磁场作用的基础上 在XOY平面内的OX轴射出一个射频场B1 为了使核系统能吸收射频场发出的能量 射频场的能量E必须与质子系统的能级差 E完全相等 E E 射频脉冲激励 是磁共振基本公式 称拉莫 Lamor 公式 要求系统达到共振时 激励射频场的频率 r必须与质子系统的共振频率 0相同 0与共振核和磁场强度有关 B0为主磁场强度 单位Telsa1Telsa 10 000Gauss约为地球磁场20 000倍 拉莫 Lamor 公式 M称为磁化矢量强度 M0称为稳定状态时的磁化矢量强度 M0与B0方向一致 M与组织质子密度 B0和绝对温度有关 由于检测的是一定体积范围内所有质子在磁场中的表现 所以测量总的磁矩 磁化矢量强度M 静止与旋转坐标系 90 脉冲作用于M 180 脉冲作用于M 任意脉冲作用于M 磁共振形成过程 质子系统在静磁场中逐渐被磁化 并在外加磁场方向上形成磁化矢量M0 M0在射频脉冲激发下产生磁共振现象 平衡状态被破坏 产生横向磁化Mxy 系统平衡被破坏 系统处于激发态 纵向磁化矢量Mz变小 横向磁化矢量Mxy增大 当射频脉冲关闭后 系统从激发态返回平衡态 这过程就是弛豫 纵向磁化矢量Mz恢复 横向磁化矢量Mxy衰减 自旋弛豫 Relaxation 纵向磁化弛豫横向磁化弛豫 纵向弛豫过程 纵向弛豫过程 又称 自旋 晶格弛豫 指90 脉冲终止后 纵向磁化矢量Mz逐渐恢复至平衡态M0的过程 T1纵向弛豫时间 为纵向弛豫时间常数 在数值上等于纵向磁化矢量从最小值恢复至平衡态的63 所需要的时间 是纵向磁化矢量恢复快慢的一个指标 纵向弛豫的机理 处于激发态的自旋核将能量释放至周围环境 晶格 其它种类原子核 恢复其平衡态的过程 共振核周围有许多与之相似的磁矩 这些磁矩都具有局部磁场 对质子产生影响 晶格磁场是由一个无数频率组成的随机波动磁场 当晶格磁场为拉莫频率时 共振核将能量释放至晶格 并从高能态跃迁至低能态 T1对比 T1是一个具有组织特异性的时间常数 即不同组织释放所吸收的射频能量的速度各不相同 成像中由于不同组织的T1不同而形成的磁化不同 称为 纵向磁化对比 T1加权图像就是利用组织纵向弛豫时间的不同来进行成像 单位 ms 常见组织纵向弛豫时间 影响T1的因素 组织分子大小 中等分子运动频率与共振频率相近 可产生有效的能量转移 T1小 大分子和小分子运动频率与共振频率相差甚远 T1大 影响T1的因素 影响T1的因素 组织特异性的时间常数 与组织生理状态有关晶格状态 固体 液体 固体T1长 晶格振动频率高1012 1013Hz 大分子的存在 亲水基因与自由水结合形成水化层 降低水分子运动速率 T1下降 主磁场强度 B0越大 T1越大 温度 温度上升 热运动加快有效弛豫频带分子数减小 T1下降 横向弛豫过程 又称 自旋 自旋弛豫 指90 脉冲终止后 Mxy由于磁相互作用 导致逐渐衰减过程 T2纵向弛豫时间 等于Mz衰减过程中 衰减至最大值的37 所需要的时间 是横向磁化矢量恢复快慢的一个指标 横向弛豫机理 各自旋核的磁场相互作用 使彼此间的进动频率变化 导致自旋间的相位相干逐渐消失 使Mxy逐渐衰减过程 T2对比 T2是一个组织特异性的时间常数 不同组织释放所吸收的射频能量的速度各不相同 所以T2也不同 从而形成的组织的磁化也不同 称为 横向磁化对比 单位 ms 常见组织横向弛豫时间 影响T2的因素 组织特异性 与组织生理状态有关 与主磁场强度无关 但与主磁场均匀度有关 组织分子大小及物理状态 大分子及固体有固定的分子晶格 分子间的自旋 自旋作用持久 T2短 小分子及液体分子由于快速平动而趋向于磁场不均匀性平均化 从而降低T2弛豫效应 T2变长 T2 弛豫 表观或有效T2 由于主磁场的不均匀性 引起质子自旋频率就不同 因而加速了横向弛豫的过程导致横向磁化弛豫的加快 T2的下降 T2 加权像称磁敏感对比 磁共振信号接收 接收线圈位于XOY平面内 随着M的旋转 Mxy每旋转一次 就会在线圈内形成一个感应电流 感应电流的大小随时间逐渐减小 形成自由衰减信号FID 磁共振信号处理 信号接收后 就可以进行傅里叶分析FFT M