MRI成像的基本原理

MRI成像基本原理和概念 磁共振成像仪的基本硬件 医用MRI通常由主磁体 梯度线圈 脉冲线圈 计算机系统及其他辅助设备构成 一 主磁体主磁体是MRI基本构件 是产生磁场的装置 根据磁场产生方式可将主磁体分为永磁型和电磁型 主磁体最重要的技术指标包括场强 磁场均匀度及主磁体的长度 高场强MRI仪的主要优势 主磁场场强高提高质子的磁化率 增加图像的信噪比 在保证信噪比的前提下 可缩短MRI信号采集时间 增加化学位移使磁共振频谱 MRS 对代谢产物的分辨力得到提高 增加化学位移使脂肪饱和技术更加容易实现 磁敏感效应增强 从而增加血氧饱和度依赖效应 使脑功能成像的信号变化更显著 二 梯度线圈梯度线圈是MRI仪最重要的硬件之一 主要作用有 1 进行MRI信号的空间定位编码 2 产生MR回波 梯度回波 3 施加扩散加权梯度场 4 进行流动补偿 5 进行流动液体的流速相位编码 梯度线圈由X Y Z轴三个线圈构成 在MR成像技术中 把主磁场方向定义为Z轴方向 与Z轴方向垂直的平面为XY平面 梯度线圈是特殊绕制的线圈 以Z轴线圈为例 通电后线圈头侧部分产生的磁场与主磁场方向一致 因此磁场相互叠加 而线圈足侧部分产生的磁场与主磁场方向相反 因此磁场相减 从而形成沿着主磁场长轴 或称人体长轴 头侧高足侧低的梯度场 梯度线圈的中心磁场强度保持不变 X Y轴梯度场的产生机理与Z轴方向相同 只是方向不同而已 梯度线圈的主要性能指标包括梯度场强和切换率 三 脉冲线圈脉冲线圈也是MRI仪的关键部位 脉冲线圈有发射线圈和接收线圈之分 发射线圈发射频脉冲 无线电波 激发人体内的质子发生共振 接收线圈接收人体内发生的MR信号 也是一种无线电波 有的线圈可同时作为发射线圈和接收线圈 如在扫描架内的体线圈和头颅的正交线圈 大部分表面线圈只能作为接收线圈 而由体线圈来承担发射线圈的功能 MR图像信噪比密切相关的是接收线圈 四 计算机系统计算机系统属于MR的大脑 控制着MRI的脉冲激发 信号采集 数据运算和图像显示等功能 五 其他辅助设备如检查床 液氮及水冷却系统 空调 胶片处理系统等 磁共振成像的物理基础 一 原子的结构原子是由原子核及位于周围轨道的电子构成的 电子带有负电荷 原子核由中子和质子构成 中子不带有电荷 质子带有正电荷 二 自旋和核磁的概念 进入主磁场前后人体内质子核磁状态的变化 磁共振现象 核磁弛豫 90度脉冲关闭后 组织的宏观磁化矢量逐渐又回到平衡状态 我们把这个过程称为核磁弛豫 核磁弛豫又可以分解成两个相对独立的部分 横向磁化矢量逐渐减小直至消失 称为横向弛豫 纵向磁化矢量逐渐恢复直至最大值 平衡状态 称为纵向弛豫 一 自由感应衰减和横向弛豫90度脉冲关闭后 横向磁化矢量逐渐减小 最后衰减到零 90度脉冲产生磁化矢量的原因使质子小磁场的横向磁化矢量聚相位 90度脉冲关闭后 处于同相位的质子发生了相位的离散 失相位 其横向磁化分矢量逐渐相互抵消 因此宏观横向磁化矢量衰减直至到零 导致质子失相位的原因有两个 质子周围磁环境随机波动 主磁场的不均匀 二 纵向弛豫如前所述 射频脉冲给予低能级质子能量 后者获得能跃迁到高能级 结果根据射频脉冲的能量大小 宏观纵向磁化矢量发生不同的变化 如30度的小角度激发 宏观纵向磁化矢量减小 90度脉冲激发 宏观纵向磁化矢量消失 180度脉冲激发 则宏观纵向磁化矢量方向反转 变成与主磁场方向相反 但大小不变 无论是多少角度激发 射频脉冲关闭后 在主磁场的作用下 宏观纵向磁化矢量将逐渐恢复到平衡 我们把这一过程称为纵向弛豫 即T1弛豫 磁共振加权成像 一 质子密度加权成像 主要反映不同组织间质子含量差别 二 T2加权成像 主要反映组织横向弛豫的差别 三 T1加权成像 主要反映组织纵向弛豫的差别 磁共振信号的空间定位 接收线圈采集的MR信号含有全层的信息 我们必须对MR信号进行空间定位编码 让采集到MR信号中带有空间定位信息 通过数学转换解码 就可以将MR信号发配到各个像素中 MR信号的空间定位包括层面和层厚的选择 频率编码 相位编码 MR信号的空间定位编码是由梯度场来完成的 一 层厚的选择和层厚的决定 通过控制层面选择梯度场和射频脉冲来完成MR图像层面和层厚的选择 在检查部位与层面选择梯度线圈的相对位置保持不变的情况下 层面和层厚受梯度场和射频脉冲影响的规律如下 梯度场不变 射频脉冲的频率增加 则层面的位置向梯度场高的一侧移动 梯度场不变 射频脉冲的带宽加宽 层厚增厚 射频脉冲的带宽不变 梯度场的场强增加 层厚变薄 二 频率编码 三 相位编码 影响MR信号强度的因素 MRI脉冲序列及其临床应用 一 脉冲序列的基本构建和分类脉冲序列的基本构建 一般的脉冲序列由五个部分构成 即射频脉冲 层面选择梯度场 相位编码梯度场 频率编码梯度场即MR信号 以SE序列为例 MRI脉冲序列的分类 二 MRI脉冲序列相关的概念时间相关的概念 1 重复时间 TR 是指脉冲序列执行一次所需要的时间 如在SE序列中TR即指相邻90度脉冲中点间的时间间隔 2 回波时间 TE 是指产生宏观横向磁化矢量的脉冲中点到回波中点的时间间隔 如在SE序列中TE指90度脉冲中点到自旋回波中点的时间间隔 3 有效回波时间 在快速自旋回波序列或平面回波 EPI 序列中 一次90度脉冲激发后有多个回波产生 分别填充在K空间的不同位置 而每个回波的TE是不同的 我们把90度脉冲中点到填充K空间中央的那个回波中点的时间间隔称为有效TE 4 回波链长度 ETL 出现在快速自旋回波序列或平面回波序列中 是指一次90度脉冲激发后所产生和采集回波数目 5 回波间隙 ES 是指回波链中相邻两个回波中点间的时间间隙 6 反转时间 TI 仅出现在只有180度反转预脉冲序列中 一般把180度反转预脉冲中点到90度脉冲中点的时间间隔称为TI 7 采集时间 TA 也称扫描时间 是指整个脉冲序列完成信号采集所需时间 空间分辨力相关概念 1 层厚 是由层面选择梯度场强和射频脉冲的带宽来决定的 在二维图形中 层厚即激发层面的厚度 2 层间距 是指相邻两个层面之间的距离 3 矩阵 是指MR图像层面内行和列的数目 也就是频率编码和相位编码方向上的像素数目