磁共振成像原理

1、关于磁共振成像的原理第一张，PPT共六十三页，创作于2022年6月 利用生物内特定原子磁性核(多为氢核)在磁场中表现出磁共振作用而产生信号，经计算机空间编码，重建而获得图像的一种技术。磁共振成像(MRI)第二张，PPT共六十三页，创作于2022年6月人体MR成像的物质基础原子的结构电子：负电荷中子：无电荷质子：正电荷第三张，PPT共六十三页，创作于2022年6月地球自转产生磁场原子核总是不停地按一定频率绕着自身的轴发生自旋 ( Spin )原子核的质子带正电荷，其自旋产生的磁场称为核磁，因而以前把磁共振成像称为核磁共振成像（NMRI）。自旋与核磁第四张，PPT共六十三页，创作于2022年6月地

2、磁、磁铁、核磁示意图第五张，PPT共六十三页，创作于2022年6月所有的原子核都可产生核磁吗？质子为偶数，中子为偶数质子为奇数，中子为奇数质子为奇数，中子为偶数质子为偶数，中子为奇数产生核磁不产生核磁第六张，PPT共六十三页，创作于2022年6月用于人体MRI的为1H（氢质子），原因有：1、1H的磁化率很高；2、1H占人体原子的绝大多数。通常所指的MRI为氢质子的MR图像。第七张，PPT共六十三页，创作于2022年6月人体元素1H14N31P13C23Na39K17O2H19F摩尔浓度99.01.60.350.10.0780.0450.0310.0150.0066相对磁化率1.00.0830.

3、0660.0160.0930.00050.0290.0960.83第八张，PPT共六十三页，创作于2022年6月人体内有无数个氢质子（每毫升水含氢质子31022）每个氢质子都自旋产生核磁现象人体象一块大磁铁吗？第九张，PPT共六十三页，创作于2022年6月通常情况下人体内氢质子的核磁状态通常情况下，尽管每个质子自旋均产生一个小的磁场，但呈随机无序排列，磁化矢量相互抵消，人体组织标本并不表现出宏观磁化矢量。第十张，PPT共六十三页，创作于2022年6月进入主磁场前后人体组织质子的核磁状态第十一张，PPT共六十三页，创作于2022年6月在外磁场(B0)的作用下，则核磁矩沿着外磁场方向排列.B0位能

4、高，逆磁场方向位能低，顺磁场方向，稳定进入静磁场后，氢核磁矩发生规律性排列（正负方向）,正负方向的磁矢量相互抵消后，少数正向排列（低能态）的氢核合成总磁化矢量M，即为MR信号基础.第十二张，PPT共六十三页，创作于2022年6月处于低能状态的质子到底比处于高能状态的质子多多少？室温下0.2T：1.3 PPM0.5T：4.1 PPM1.0T：7.0 PPM1.5T：9.6 PPMPPM为百万分之一处于低能状态的氢质子仅略多于处于高能状态的质子第十三张，PPT共六十三页，创作于2022年6月在主磁场中质子的磁化矢量方向是绝对同向平行或逆向平行吗？无论是处于高能级还是处于低能级的质子，其磁化矢量并非

5、完全与主磁场方向平行，而总是与主磁场有一定的角度。第十四张，PPT共六十三页，创作于2022年6月进入主磁场前后质子核磁状态对比进动和进动频率进入主磁场后，无论是处于高能级还是处于低能级的质子，其磁化矢量并非完全与主磁场方向平行，而总是与主磁场有一定的角度。质子除了自旋运动外，还绕着主磁场轴进行旋转摆动，这种旋转摆动称为进动。进动是磁性原子核自旋产生的小磁场与主磁场相互作用的结果。第十五张，PPT共六十三页，创作于2022年6月进动进入磁体后，质子在自旋的同时还沿主磁场方向作圆周运动这种复合运动被称为“进动”第十六张，PPT共六十三页，创作于2022年6月 = .B：进动频率 Larmor 频

6、率：磁旋比 42.5兆赫 / T B：主磁场场强第十七张，PPT共六十三页，创作于2022年6月高能与低能状态质子的进动由于在主磁场中质子进动，每个氢质子均产生纵向和横向磁化分矢量，那么人体进入主磁场后到底处于何种核磁状态？第十八张，PPT共六十三页，创作于2022年6月处于低能状态的质子略多于处于高能状态的质子，因而产生纵向宏观磁化矢量第十九张，PPT共六十三页，创作于2022年6月尽管每个质子的进动产生了纵向和横向磁化矢量，但由于相位不同，因而只有宏观纵向磁化矢量产生，并无宏观横向磁化矢量产生第二十张，PPT共六十三页，创作于2022年6月由于相位不同，每个质子的横向磁化分矢量相抵消，因而

7、并无宏观横向磁化矢量产生第二十一张，PPT共六十三页，创作于2022年6月进入主磁场后，质子自旋产生的核磁与主磁场相互作用发生进动小结进动使每个质子的核磁存在方向稳定的纵向磁化分矢量和旋转的横向磁化分矢量由于相位不同，只有宏观纵向磁化矢量产生，并无宏观横向磁化矢量产生第二十二张，PPT共六十三页，创作于2022年6月某一组织（或体素）产生的宏观矢量的大小与其含有的质子数有关，质子含量越高则产生宏观纵向磁化矢量越大。我们可能认为MRI已经可以区分质子含量不同的组织了。然而遗憾的是MRI仪的接收线圈并不能检测到宏观纵向磁化矢量，也就不能检测到这种宏观纵向磁化矢量的差别。接受线圈能够检测到的是旋转的

8、宏观横向磁化矢量，因为旋转的宏观横向磁化矢量可以切割接收线圈产生电信号。 第二十三张，PPT共六十三页，创作于2022年6月MR 只能采集旋转的横向磁化矢量MR不能检测到纵向磁化矢量，但能检测到旋转的横向磁化矢量NS第二十四张，PPT共六十三页，创作于2022年6月进入主磁场后人体被磁化了，产生纵向宏观磁化矢量不同的组织由于氢质子含量的不同，宏观磁化矢量也不同磁共振不能检测出纵向磁化矢量？第二十五张，PPT共六十三页，创作于2022年6月共振共振：能量从一个震动着的物体传递到另一个物体，而后者与前者具有相同的频率震动。第二十六张，PPT共六十三页，创作于2022年6月共 振条件频率一致实质能量

9、传递第二十七张，PPT共六十三页，创作于2022年6月磁共振现象磁共振现象：给处于主磁场中的人体组织一个射频脉冲，射频脉冲的频率与质子的进动频率相同，射频脉冲的能量将传递给处于低能级的质子，处于低能级的质子获得能量后将跃迁到高能级。从微观角度来说，磁共振现象是低能级的质子获得能量跃迁到高能级。从宏观的角度来说，磁共振现象的结果是使宏观纵向磁化矢量发生偏转。偏转的角度与射频脉冲的能量有关，能量越大偏转角度越大；而射频脉冲能量的大小与脉冲强度及持续时间有关第二十八张，PPT共六十三页，创作于2022年6月磁共振成像过程人体进入磁场磁化施加射频脉冲氢核磁矩发生90。偏转，产 生能量射频脉冲停止、弛豫

10、过程开始，释放所产生的能量（形成MR信号） 信号接收系统计算机系统。第二十九张，PPT共六十三页，创作于2022年6月磁共振现象90射频脉冲当射频脉冲的能量正好使宏观纵向磁化矢量偏转90，即完全偏转到X、 Y 平面，称这种脉冲为90脉冲，其产生的横向宏观磁化矢量在各种角度的射频脉冲中是最大的。第三十张，PPT共六十三页，创作于2022年6月磁共振现象从微观上讲，90脉冲的效应可以分解成两个部分来理解：（1）90脉冲使处于低能级多出处于高能级的那部分质子，有一半获得能量进入高能级状态，这就使处于低能级和高能级的质子数目完全相同，两个方向的纵向磁化分矢量相互抵消，因此宏观纵向磁化矢量等于零。（2）

11、90脉冲前，质子的横向磁化分矢量相位不同，90脉冲可使质子的横向磁化分矢量处于同一相位，因而产生了一个最大旋转宏观横向磁化矢量。第三十一张，PPT共六十三页，创作于2022年6月90度脉冲继发后产生的宏观和微观效应低能的超出部分的氢质子有一半获得能量进入高能状态，高能和低能质子数相等，纵向磁化矢量相互抵消而等于零使质子处于同相位，质子的微观横向磁化矢量相加，产生宏观横向磁化矢量第三十二张，PPT共六十三页，创作于2022年6月90度脉冲激发使质子发生共振，产生最大的旋转横向磁化矢量，这种旋转的横向磁化矢量切割接收线圈，MR仪可以检测到。氢质子多氢质子少第三十三张，PPT共六十三页，创作于202

12、2年6月弛豫过程射频脉冲停止后,已吸收能量发生共振的质子群磁矩释放能量,回到原平衡状态的过程称核磁弛豫。弛豫过程用两个时间来表示：纵向弛豫1 、横向弛豫。第三十四张，PPT共六十三页，创作于2022年6月核磁驰豫核磁弛豫： 90脉冲关闭后，组织的宏观磁化矢量逐渐恢复到平衡状态的过程。核磁弛豫又可分解成两个相对独立的部分：（1）横向磁化矢量逐渐减小直至消失，称为横向弛豫；（2 ）纵向磁化矢量逐渐恢复直至最大（平衡状态），称为纵向弛豫。第三十五张，PPT共六十三页，创作于2022年6月无线电波激发使磁场偏转90度，关闭无线电波后，磁场又慢慢回到平衡状态第三十六张，PPT共六十三页，创作于2022年

13、6月横向弛豫也称为T2弛豫，简单地说，T2弛豫就是横向磁化矢量减少的过程。90度脉冲第三十七张，PPT共六十三页，创作于2022年6月T2时间T2时间：测量横向驰豫的时间定义：横向磁化矢量从由最大衰减至37%所经历的驰豫时间。第三十八张，PPT共六十三页，创作于2022年6月无线电波激发使磁场偏转90度，关闭无线电波后，磁场又慢慢回到平衡状态第三十九张，PPT共六十三页，创作于2022年6月纵向弛豫也称为T1弛豫，是指90度脉冲关闭后，在主磁场的作用下，纵向磁化矢量开始恢复，直至恢复到平衡状态的过程。90度脉冲第四十张，PPT共六十三页，创作于2022年6月T1时间T1时间：测量纵向驰豫的时间

14、定义：纵向磁化矢量从最小恢复至平 衡态的63%所经历的驰豫时间第四十一张，PPT共六十三页，创作于2022年6月磁共振加权成像加权 突出重点一般的成像过程中，组织的各方面特性（例如：质子密度、T1 值、T2 值）均对MR 信号有贡献，几乎不可能得到仅纯粹反映组织一个特性的MR图像，我们可以利用成像参数的调整，使图像主要反映组织某方面特性，而尽量抑制组织其他特性对MR 信号的影响，这就是“加权”。第四十二张，PPT共六十三页，创作于2022年6月磁共振加权成像T1 加权成像（T1WI）：重点突出组织纵向弛豫差别；T2 加权成像（T2WI）：重点突出组织横向弛豫差别；质子密度图像（PD ）：主要反

15、映组织质子含量差别。 第四十三张，PPT共六十三页，创作于2022年6月质子密度加权成像的实现 以甲、乙两种组织为例，甲组织质子含量高于乙质子：（1）进入主磁场后，甲组织产生的宏观纵向磁化矢量大于乙组织；（2）90脉冲后甲组织产生的旋转宏观横向磁化矢量就大于乙组织；（3）马上检测MR 信号，甲组织产生的MR 信号将高于乙组织。 质子密度越高，MR 信号强度越大，这就是质子密度加权成像。第四十四张，PPT共六十三页，创作于2022年6月T2加权成像的实现假设甲、乙两种组织质子密度相同，但甲组织的横向弛豫比乙组织慢（即甲组织的T2 值长于乙组织）：（1）进入主磁场后由于质子密度一样，甲乙两种组织产

16、生的宏观纵向磁化矢量大小相同（图a）；（2）90脉冲后产生的宏观横向磁化矢量的大小也相同（图b）：（3）由于甲组织横向弛豫比乙组织慢，到一定时刻，甲组织衰减掉的宏观横向磁化矢量少于乙组织，其残留的宏观横向磁化矢量将大于乙组织（图 c）；（4）这时检测MR 信号，甲组织的MR 信号强度将高于乙组织（图d），这样就实现了T2WI。在T2WI 上，组织的T2 值越大，其MR 信号强度越大。第四十五张，PPT共六十三页，创作于2022年6月T1加权成像的实现假设甲、乙两种组织质子密度相同，但甲组织的纵向弛豫比乙组织快（即甲组织的T1 值短于乙组织）：（1）进入主磁场后由于质子密度一样，甲乙两种组织产生

17、的纵向磁化矢量大小相同；（2）90脉冲后产生的宏观横向磁化矢量的大小也相同；（3）射频脉冲关闭后，甲乙两种组织将发生纵向弛豫，由于甲组织的纵向弛豫比乙组织快，过一定时间以后，甲组织已经恢复的宏观纵向磁化矢量将大于乙组织；（4）由于接收线圈不能检测到这种纵向磁化矢量的差别，必须使用第二个90脉冲。第二个90脉冲后，甲、乙两组织的宏观纵向磁化矢量将发生偏转，产生宏观横向磁化矢量，因为这时甲组织的纵向磁化矢量大于乙组织，其产生的横向磁化矢量将大于乙组织，马上检测MR 信号，甲组织产生的MR 信号将高于乙组织，这样就实现了T1WI。在T1WI 上，组织的T1 值越小，其MR 信号强度越大。 第四十六张

18、，PPT共六十三页，创作于2022年6月在任何序列图像上，信号采集时刻旋转横向的磁化矢量越大，MR信号越强第四十七张，PPT共六十三页，创作于2022年6月MRI空间定位X轴、Y轴、Z轴三维空间定位层面层厚选择频率编码相位编码第四十八张，PPT共六十三页，创作于2022年6月MR采集到的每一个信号均含有全层信息必须进行层面内的空间定位编码才能把整个信息分配到各个像素空间定位编码包括频率编码和相位编码第四十九张，PPT共六十三页，创作于2022年6月总结一下MR成像的过程把病人放进磁场 人体被磁化产生纵向磁化矢量 发射射频脉冲 人体内氢质子发生共振从而产生横向磁化矢量 关掉射频脉冲 质子发生T1

19、、T2弛豫（同时进行空间定位编码） 线圈采集人体发出的MR信号 计算机处理（付立叶转换） 显示图像第五十张，PPT共六十三页，创作于2022年6月脉冲序列自旋回波序列（SE）快速自旋回波序列( FSE)部分饱和序列（SR）反转恢复序列（IR）梯度回波序列（GE/GRE）回波平面成像序列（ EPI ）第五十一张，PPT共六十三页，创作于2022年6月扫描参数重复时间（TR）:为两次RF激发间隔的时间回波时间（TE）：为激发后到测量回波的时间翻转角（FA）：RF的角度第五十二张，PPT共六十三页，创作于2022年6月自旋回波序列自旋回波序列为最常用的脉冲序列。先发射90脉冲，隔TE/2后再发射18

20、0脉冲，至时间测量回波信号，重复这一过程，完成所有采集。两90脉冲间的时间为重复时间TR。第五十三张，PPT共六十三页，创作于2022年6月自旋回波（spin echo，SE）序列结构图激发脉冲层面选择梯度频率编码梯度相位编码梯度MR信号第五十四张，PPT共六十三页，创作于2022年6月自旋回波序列90180回波回波90180TETRTE：回波时间TR：重复时间第五十五张，PPT共六十三页，创作于2022年6月影响MR信号强度的因素组织的MR 信号强度可用下式来表示： SI = K.N(H).e (-TE/T2) .1- e (-TR/T1) SI为信号强度；K为常数； N(H) 是质子密度；e为自然常数，等于2.71828182845904；TE 为回波时间；TR 为重复时间；T2 为组织的T2 值；T1 为组织的T1值。第五十六张，PPT共六十三页，创作于2022年6月影响MR信号强度的因素当TE很短（T1 ），则e (-T