医学影像检查技术学课件：MR成像原理

1、1磁共振成像技术山西医科大学第一附属医院MRI室张 磊2第一节磁共振成像基本原理3核磁共振4物理基础原子的构成： 原子由原子核及核外电子组成。原子核 由一个或多个带正电荷的质子和不带电荷的中子组成。56电磁感应电和磁是不可分割的，它们始终交织在一起。简单地说，就是电生磁、磁生电。7地磁的产生地球表面带有电荷，地球的自转形成一个闭合的电流环路。根据安培定则，可以推导出由南向北的磁场，这就是地磁产生的一个简单原理。8核磁的产生原子核总是以一定的频率绕着一个轴来高速转动，我们把这个现象叫做自旋。核磁：带正电的原子核自旋就会形成电流环路，从而形成一个具有一定大小和方向的磁化矢量。9原子核的磁性磁性原子

2、核：能够自旋产生核磁的原子核称为。条件：质子和中子均为奇数； 中子数为奇数，质子数为偶数 质子数为奇数，中子数为偶数简而言之：磁性原子核的中子数和质子数至少有一个为奇数。10氢核(1H)虽然理论上人体中所有的磁性原子核都能用于磁共振成像，但一般用于人体成像的原子核是氢核(1H)*。通常所说的氢质子、质子也都是指1H思考：原因？ 摩尔浓度最高 磁化率最高 存在于人体内几乎所有组织（除骨和肺）中，具有生物代表性11人体中MRI信号的主要来源注意：人体中并非所有的质子都产生MR信号。*常规MRI信号主要来源于水分子中的1H和脂肪中的1H。 自由水：未与蛋白质结合的水分子水分子 结合水：蛋白质周围水化

3、层的水由于化学位移效应结合水中1H的进动频率会偏移自由水中1H的进动频率 ,故不直接产生MR信号，但会影响周围自由水的弛豫从而影响周围组织信号强度（例：FLAIR序列）。12人体的磁场思考： 人体中的1H不计其数，每一个1H都会产生一个磁场，那么是否人体本身就会形成一个很强的磁体呢？NO13人体的磁场平常状态下，人体中每个1H产生的 磁化矢量会相互抵消，所以宏观上人体的磁化矢量是零。14进入主磁场后人体的核磁磁共振成像仪（MRI）虽然精密，但不足以检测出单个1H的小磁场。MRI只能检测出人体组织的宏观磁化矢量。把人体放入主磁场（B0 ）中就可以产生宏观磁化矢量*主磁体的功能就是产生均匀的磁场沿

4、主磁场排列15进入主磁场后人体的核磁进入B0后，质子的磁化矢量有两种排列方式 与主磁场方向相同-低能态 与主磁场方向相反-高能态*处于低能态的质子要比高能态的质子多出数个ppm（百万分之一）磁共振成像所需的信息就源于这多出来的数个ppm的质子B01617梦中的陀螺，旋转永不停止.现实中的陀螺会受到地球引力的作用18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，进动频率明显低于自旋频率。*进动频率也称Larmor频率，其计算公式为：=B进动和进动频率质子自旋及进动示意图19为Larmor 频率为磁旋比（ 对于某一种磁性原子核来说是个常数，H质子的约为42.5 MHz/T)B为主磁场强度

5、，单位为T=10000高斯20磁化矢量矢量：既有大小又有方向的量。一般来说，在物理学中称作矢量，在数学中称作向量。请回忆：中学数学课上，向量（矢量）的合成和分解。由于进动的存在，质子自旋产生的小磁场又可以分解成两个部分-纵向磁化分矢量 横向磁化分矢量21 纵向磁化分矢量：由于处于低能级的质子略多于处于高能级者，最后会产生一个与主磁场同向的宏观纵向磁化矢量。红色虚线箭头-纵向磁化分矢量红色实线箭头-横向磁化分矢量22 横向磁化分矢量：各质子旋转的横向磁化分矢量由于相位不同而相互抵消，因此宏观横向磁化矢量为零。23似乎陷入一个矛盾中！人体磁化后，宏观上只产生纵向磁化矢量，横向磁化矢量是零。与B0相

6、比纵向磁化矢量极其微弱，鉴别出其信号强度犹如大海捞针。所以磁共振线圈只能接收与B0垂直的横向磁化矢量。怎么办？24共振荡秋千、旧汽车、接力赛、列队过桥25磁共振现象给处于主磁场中的人体组织一个射频脉冲，这个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26核磁共振的结果是使宏观纵向磁化矢量发生偏转(角)，射频脉冲的能量越大，偏转角度越大2790脉冲：射频脉冲的能量使宏观纵向磁化矢量偏转90 180脉冲：射频脉冲的能量使宏观纵向磁化矢量偏转180 小角度脉冲：射频脉冲的能量使宏观纵向磁化矢量偏转的角度小于90 28 90脉冲激

7、发前后微观和宏观磁化矢量的变化90脉冲激发前，平衡状态下，处于低能级的质子略多于处于高能级者，从而会产生一个与主磁场同向的宏观纵向磁化矢量（纵向黄箭 ), 但由于质子相位不同，宏观横向磁化矢量为零29 90脉冲激发后，低能级超出高能级的质子中有一半获得能量越迁到高能级，此时处于高能级和低能级的质子数完全相同，宏观纵向磁化矢量完全消失；同时由于90脉冲的聚相位效应，产生了旋转的宏观横向磁化矢量（横向黄箭）30脉冲激发前（平衡状态下）宏观纵向磁化矢量的大小与组织中的质子含量（即质子密度）有关，由于90脉冲能够使宏观纵向磁化矢量偏转产生旋转的宏观横向磁化矢量，这样MRI就能区分质子密度不同的人体组织

8、了。31再次纠结！90脉冲激发后不可能马上就采集到磁共振信号仅能区分人体质子密度的图像远远不能满足临床的需要如何区分组织的横向、纵向磁化分矢量的差别？怎么办？3233 核磁弛豫 弛豫：射频脉冲关闭后，组织的宏观磁化矢量逐渐又回到平衡状态的过程。同样可分解为横向弛豫和纵向弛豫 横向弛豫（T2弛豫、自旋-自旋弛豫 ）横向磁化矢量逐渐减小直至消失与周围磁环境随机波动有关纵向弛豫 （T1弛豫，自旋-晶格弛豫）宏观纵向磁化矢量逐渐恢复直至平衡状态与周围分子的自由运动频率有关 34自由感应衰减自由感应衰减：90脉冲激发后，组织产生宏观横向磁化矢量，脉冲关闭后，宏观横向磁化矢量受到T2弛豫和主磁场不均匀双重

9、因素的影响而成指数方式衰减，其加权图像称T2*WI图。35利用180聚焦脉冲剔除主磁场的不均匀造成的宏观横向磁化矢量衰减后的弛豫才能反应组织真正的横向弛豫，即T2弛豫180重聚相位脉冲的作用3637180重聚相位脉冲的作用向后转1803839T1值 T2值 T1值 以90脉冲关闭后某组织的宏观纵向磁化矢量为零，以此为起点，以宏观纵向磁化矢量恢复到最大值的*63%为终点，起点与终点之间的时间间隔为该组织的T1值40 T2值 以90脉冲关闭后的零时刻为起点，以T2驰豫造成的横向磁化矢量衰减到最大值的*37%为终点,起点与终点之间的时间间隔为该组织的T2值41质子密度加权像 T2加权像 T1加权像

10、PDWI T2WI T1WI MR成像过程中，组织质子密度，T1值、T2值特性均对MR信号有贡献，通过调整成像参数，可以得到反映组织某一方面特性的MR图像， 而尽量抑制组织其它特性对MR信号的影响，这就是加权像 ，也就是重点突出的意思加权42质子密度加权像主要突出组织的质子含量差别 43T2加权像重点突出组织横向驰豫差别 44思考：纵向磁化矢量线圈接收不到，怎么办？T1加权像重点突出组织纵向驰豫差别 B图示组织的纵向磁化矢量，C图示它们变为了横向磁化矢量，期间只要再添加一个90脉冲就可以了90T1WI、T2WITR决定T1权重 TR越小，T1权重越高，T1最短的组织信号最强（亮），也称短T1信

11、号 TR越大，序列的T1权重越低。TE决定T2权重 TE延长，序列的T2权重越高，T2最长的组织信号最强（亮），也称长T2信号 TE减小，T2权重减低。45461.5T场强下正常人体组织的T1,T2参考值组织名称T1值(ms)T2值(ms)脑白质35050090100脑灰质400600100120脑脊液3000400012002000肝脏3504004555脾脏400450100160肾皮质35042080100肾髓质450650120150骨骼肌5006007090皮下脂肪2202509013047 T1WI T2WI PDI48梯度磁场和空间定位MR信号的空间定位编码由梯度场完成空间定位包

12、括层面和层厚的选择频率编码相位编码49地磁的梯度地球不同纬度地区的地磁强度是不同的，南北极的磁场强度大概为0.7G（高斯10-4T），而赤道为0.3G；因而从南北极到赤道地磁强度呈现一定的梯度变化。地质学家通过测量某地的地磁强度而推算出该地区的纬度。50MRI的梯度场和空间定位梯度场：是指沿直角坐标系某坐标方向磁场强度呈线性变化的磁场（不是一个磁场强度均匀的磁场）梯度场51 为了得到任意层面的空间信息，MRI系统在X,Y,Z三个坐标方向均使用梯度场。分别被称为层厚选择梯度，相位编码梯度，频率编码梯度利用X、Y、Z三组梯度场的有机组合进行层面和层厚的选择，MRI就可以达到对横轴、冠状、矢状及任意

13、角度的成像。52层面和层厚的选择回忆：进动频率Larmor频率公式= B 梯度场的距离变化是每厘米1高斯场强为1.0T的磁共振大约每厘米变化0.10。在z、x、y方向施加线性的梯度磁场，使其不同位置上组织的进动频率不同。-2 -1 0 1 253层面选择 在所选层平面的垂直方向加上一个梯度场，沿该轴方向的自旋共振频率有了一个线性变化，使沿此轴的每一点的层面都有一特定的进动频率。当与RF频率一致时，质子才能引起共振 54RF频率带宽及梯度场 对层面层厚的影响梯度场不变，RF的频率增加，则层面向梯度场高的一侧移动梯度场不变，RF的带宽增加，则层厚加厚RF带宽不变，梯度场场强增加，层厚变薄55梯度场

14、不变，RF的频率增加，则层面向梯度场高的一侧移动梯度场不变，RF的带宽增加，则层厚加厚RF带宽不变，梯度场场强增加，层厚变薄56在完成了图像层面和层厚的选择后，我们还需对层面进行空间定位编码：频率编码、相位编码57频率编码示意图58相位编码示意图59相位编码的方向与频率编码方向垂直相位编码梯度场在信号采集前施加频率编码梯度场在信号采集的同时施加频率编码、相位编码的关系60傅里叶转换区分不同频率MR信号的能力很强，只需采集一次频率编码即可完成。相位编码采集需多次重复进行，相位编码方向上矩阵为n，则需进行n次相位编码才能完成,即用不同的相位编码梯度场重复n次MR信号最终得到的MR信号也称相位编码线，填充在K空间相位编码方向上的不同位置上，经过傅里叶转换重建出空间分辨力合乎要求的图像61K空间（傅里叶空间）K空间是带有空间定位编码信息的MRI信号原始数字数据的填充空间，每一幅图像都有相应的K空间数据点阵。对K空间的数据进行傅里叶转换，分解出不同频率、相位和幅度的MR信号。不同的频率和相位代表不同的空间位置；幅度代表MR信号强度。把上述数字信息分配到相应的像素中就组成了MR图像626364K空间的特性K空间中的点阵与图像的点阵不是一一对应的关系，K空间中每一点包含扫描层面的全层信息K空间呈现镜像对称的特征填充K空间中央区域的MR信号主要决定图像的对比填充K空间周边区域的MR信号