磁共振成像培训讲座 A 磁共振成像原理课件

1、磁共振成像培训讲座 A 磁共振成像原理 磁共振成像原理目录概述核磁共振现象弛豫空间定位基本序列系统构成概论 磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging,MRI)和核磁共振波谱分析(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy，NMRS)的物理学基础都是核磁共振现象。1946年，美国哈佛大学的Purcell及斯坦福大学的bloch各自独立地发现了核磁共振现象，由于这一发现在物理、化学上具有重大意义，Purcell和 B1och获1952年诺贝尔物理奖。此后，核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance NMR)主要用于研究

2、分子结构。1971年Damadian发现肿瘤组织的T1、T2值比正常组织长。1973年Lauterbur发表了两个充水试管的第幅核磁共振图像，1974年做出了活鼠的NMR图像。1978年Mallard，Hutchison及Lauterbur等用0.040.085Tesla(T)的磁共振装备取得了第一幅人体头、胸和腹部的图像。1980年商品MRI机出售，开始应用于临床。由于MRl所具备的突出的优点，这一新的医学影像诊断技术迅速地在各个国家的医疗中心和大医院开展起来。我国自1984年装备第一台MRI以来，至2002年底我国已装备MRI机800多台。但与先进国家相比我国的MRI应用还处在初期阶段，无

3、论是普及程度、应用实践、临床研究都有相当大的差距，还须从事MRI的工作者不懈的努力才能赶上国际先进水平。 概论 磁共振成像（简称MRI）是利用无损伤的磁共振方法对人体任意断面进行断层成像的一种先进技术。它所得到的不同断面的人体断层解剖的数字图像，可以提供病灶的部位，结构，比邻关系及生理，病理方面的信息。对软组织的病变或肿瘤可以得到对比度、组织分辨率都优于X-CT的图像。近10多年来，磁共振技术得到了长足的发展。特别是MRA、水成像、水抑制、脂肪抑制、弥散成像、灌注成像等先进技术在临床上的广泛应用，使磁共振成像的应用范围及应用深度都发生了质的变化。因此，磁共振成为近年来普及最快的医学影像设备，得

4、到临床越来越广泛的应用。 OPER 0.2型磁共振成像系统OPER 0.35型磁共振成像系统MRI的成像基本原理磁共振现象 弛豫过程 、弛豫时间 （T1和T2 ）磁共振成像原理 有磁性的元素如：1H、13C、19F、23Na、31P等约百余种，但在现今MRI中研究和使用得最多的为1H，这有两个原因： 一是1H为磁化最高的原子核，二是因为它占活体组织原子量的2/3，形成MR信号的1H原子大部分位于生物组织的水和脂肪中。因1H只有一个质子，故1H的MRI图像也称质子像，MRI文献中未持别注明者，均指的是生物组织的1H像。磁共振成像原理 原子核在外加磁场中 含有奇数质子或中子的原子核(以1H为代表)

5、自旋在其周围产生磁场，如同一个小磁体有南北极。磁场用磁矩(m)来表述，矩有其长度(或强度、模数)、方位和方向。 无外加磁场时，质子群中的各个质子以任意方向自旋，因而单位体积内生物组织宏观磁矩：M0。如将生物组织置于一个大的外加磁场中(又称主或静磁场，用矢量Bo表示：则质子磁矩方向发生变化，结果是较多的质子磁矩指向与主磁场Bo方向相同，而较少的质子与Bo方向相反，后者具有较大的位能。 在常温下，顺主磁场排列的质子数目较逆主磁场排列的质子稍多（约多10-6）。因此，出现与主磁场方向(Bo)一致的净宏观磁矩(或称为宏观磁化矢量)。实际上，MRl涉及和讨论的主要是宏观磁化矢量的变化规律。磁共振成像原理

6、氢原子核在绕着自身轴旋转的同时，又沿主磁场Bo方向作圆周运动，将质子磁距的这种运动，称之为进动或旋进(precession)。在主磁场中，宏观磁矩象单个质子磁距那样作旋进运动，磁矩进动的频率f(速度)，可用Larmor公式表示： =*Bo 公式说明：原子核旋进频率与主磁场强度Bo成正比(Bo以Tesla即T为单位，r对每种原子核是恒定的常数，称为磁旋比。主磁场为1.0T时，氢原子核的旋进频率为42.5MHz。沿主磁场旋进着的质子类似在重力作用下旋进进着的陀螺。 为共振频率。磁共振成像原理磁共振成像原理磁共振成像原理 从宏观上讲，受射频脉冲激励的质子群发生核磁共振时，质子群宏观磁化矢量M不再与原

7、来主磁场Bo平行，M的方向和值将离开原来的平衡状态而发生变化，其变化的程度取决于所施加射频脉冲的强度和时间，施加的射额脉冲越强，持续时间越长，在射频脉冲停止时，M离开其平衡状态(Bo)越远。 在MRI技术中使用较多的是90、180射频脉冲，在梯度回波脉冲序列时使用的是90的射频脉冲。施加90脉冲时，宏观磁化矢量M以螺旋运动的形式离开其原来的平衡状态。脉冲停止时，M垂直于主磁场Bo。如用以Bo为z轴方向的直角座标系表示M，则宏观磁化矢量M平行于xy平面，而纵向磁化矢量Mz0，横向磁化矢量Mxy最大。这时质子群几乎在同样的相位旋进。施加180脉冲后，M与Bo平行，但方向相反，横向磁化矢量Mxy为零

8、。磁共振成像原理 核磁弛豫 如射频脉冲符合Larmor频率，被激励的质子群发生共振，宏观磁化矢量M离开平衡状。但脉冲停止后，宏观磁化矢量M又自发地回复到平衡状态，这个过程称之为“核磁弛豫”。 90脉冲停止后，M仍围绕Bo轴旋转，M末端沿着上升螺旋逐渐靠向Bo。在脉冲结束的一瞬间，M在xy平面上分量Mxy达最大值，在z轴上的分量Mz为零。当恢复到平衡时，纵向部分Mz重新出现，而横向部分Mxy消失。由于在弛豫过程中磁化矢量M强度并不恒定，纵、横向部分必须分开讨论。弛豫过程可用两个时间值描述，即纵向弛豫时间(T1)和横向弛豫时间(T2)。磁共振成像原理纵向弛豫 90脉冲停止后，纵向磁化矢量要逐渐恢复

9、到平衡状态，测量时间距射频脉冲终止的时间越长，所测得磁化矢量信号幅度就越大。鉴于弛豫过程表现一种指数曲线，Tl值规定为Mz达到其最终平衡状态63的时间。即纵向弛豫时间(T1)是指90脉冲后，达到原纵向磁化矢量63的时间。 如想进一步理解Tl的物理学意义，只有从微观的角度进行分析。由于质子从射频波吸收能量，处于高能态(即被激励)的质子数目增加。Tl弛豫是质子群通过释放已吸收的能量以恢复原来高、低能态平衡的过程。 高能态质子将吸收的能量分散到其周围磁环境可用热运动解释。Brown氏运动说明，原子核处于一个剧烈运动的环境。在生物体体温下，构成磁环境的水和其他分子持续运动，相互撞击，此即热运动。液态水

10、分子运动极快，每秒轰击其他粒子和分子达数百万至数千万次。互撞击或即将撞击时，其运动方向发生变化且出现滚动。水中某一个分子和另子撞击或即将撞击是一种磁性活动，每个原子核要经历一次短暂的磁场波动。每个水分子分子运动的速度、方向以及产生滚动运动等，都使磁波动更趋复杂。因此不难想像，质子是处于一个频带相当宽的混合磁波动环境中。磁共振成像原理 在MR成像中，只有磁波动的频率与MRI扫描机工作频率一致时(如1.0T为42.5MHz)，才能激发高能态的质子，使其能量扩散到周围环境(晶格)，两种能态的质子恢复到平衡状态，此即为纵向弛豫(T1)或称为自旋晶格弛豫，晶格一词于对固体的早期研究，指受检原子核处于周围

11、环境原子核有秩序的晶体框架(晶格)中，液体虽无这样有秩序的晶格结构，但沿用了这一名词。磁共振成像原理磁共振成像原理磁共振成像原理 各种正常和病变组织的Tl、T2值均不同。正常和病变组织氢原子的Tl、T2受周围化学环境或磁环境的影响，周围化学环境改变氢原子核的行为，进而改变组织所发出的射频波。 在MR成像中，质子密度（单位体积内氢原子核的数量）虽是一种成像参数，但不如另外二种成像参数Tl和T2重要。因为T1和T2（氢原子核的行为）提供了更为重要的周围“磁气候”的信息。磁共振成像原理磁共振成像原理由于磁共振的驰豫过程即T1和T2时交织在一起的，不可恒完全将他们截然分开，因此引进加权的概念。T2加权

12、像 如选用比组织T1显著长的TR(15002500ms), 又选用与生物组织T2（生物组织T2为30一100ms)相似的时间为TE(90120ms),则两个不同T2组织的信号强度差别明显,TE越长,这种差别越显著。此即T2加权像。在实际工作中，采用双回波法，TRl5002500ms，TEl525、90120ms，可得质子密度加权和T 2加权像。磁共振成像原理Tl加权像 因为各种生物组织的纵向弛豫时间(T1)约500ms左右，如把重复时间(TR)定为500ms，则90脉冲后500ms时，长Tl的组织能量丢失少，纵向磁矢量(Mz)恢复的幅度低，下一个90脉冲时吸收的能量少，其FID的幅度低，回波的

13、幅度也低。相反，短Tl的组织能量大部丢失，纵向磁化矢量Mz接近完全恢复,幅度高，下一个90脉冲将吸收大部分能量，F1D幅度高，回波幅度也高，信号强。在T2加权像的讨论中曾提到，TE越长，T2对信号强度的影响越大；如选用1525ms短的TE,T2对回波信号强度的影响可以忽略，对信号影响的主要为质子密度和Tl，因选用的是500ms左右的短TR，回波信号反映的是组织不同Tl。 综上所述，长TR、长TE为T2加权像。长TR、短TE为质子密度像，短TR、短TE为T1加权像。如固定TE，变换TR，图像各点信号强度的变化取决于T1。因此，可用TE固定，TR变化的两个以上脉冲序列测量T1值。如固定TR，变换T

14、E，图像各点信号强度的变化取决于T2，可用TR固定，TE变换的两个以上脉冲序列测量T2值。磁共振成像原理磁共振成像原理磁共振成像原理磁共振成像原理磁共振成像原理磁共振成像原理 空间定位 梯度磁场 现代MRI成像用的主磁体磁场均匀度越高，图像质量则越好。如前述，根据Larmor定律，在均匀的强磁场中，生物体内质子群旋进频率由场强决定且是一致的，所得的“图像”仅为一个点。 在主磁场中在加一个线形梯度场，则被检体各部位质子群的旋进频率可因磁场强度不同而有区别，这样就可以对被检体某一部位行MR成像。因此，MRI空间定位的是梯度磁场。 用于MRI的梯度磁场有三个方向：1.横轴位（Gz）,指的自上至下场强

15、不同的梯度磁场； 2.矢状位（Gx）,指的是自左至右的梯度磁场；3.冠状位（Gy），指的是自后至前的梯度磁场。磁共振成像原理空间定位 层面选择 以横轴位（z）断层为例，由于磁场B0在加一个梯度磁场Gz，则磁场强度位Bo+Bz，即从上到下磁强度不同。根据Larmor定律，被检查人体质子在纵轴上被分割成一个个并列横断面,且质子群有不同的旋频率。如脉冲激励具有一定的带宽，就可以在人体纵轴上选出横轴位层面。同样可以在矢状位（X）、冠状位（Y）上选出层面。如同时在2-3各方位选择梯度磁场并相应调整场强，则可行任意方位的斜位断层。 磁共振成像原理为区别断层面空间一个点的信号需在选择层面行二维定位，目前MR

16、I用的是频率和相位两个编码方法。 (一) 频率编码 以横轴位断层为例，启动Gz选出被激励的横轴层面后，再启动Gx梯度磁场，由于人体x轴的各质子群相对位置不同，其所经历的磁场Gx也不同，磁场强度较大处的体素共振频率比磁场强度较弱处的体素要快一些，从而达到了按部位在x轴上进行频率(或读出)编码的目的。 磁共振成像原理 (二) 相位编码 在施加90射频脉冲和Gz(以横袖位为例)梯度磁场后，人体相应的xy平面上质子群发生共振，紧接着又在y轴上施加相位编码脉冲Gy，过些时间(T0)后，由于Gy梯度磁场的作用，磁场强度较大处的体素与磁场强度较小处的体素相比旋进经历的过程比后者略长一些，因此发生相位的差别。

17、这样在y轴上的体素按部位进行了相位编码。磁共振成像原理自旋回波脉冲序列 自旋回波(Spin echo，SE)序列为现今MR扫描最 基本、最常用的脉冲序列。其过程为先发射一个90射频脉冲，间隔数至数十毫秒(mS)，间隔时间以(Ti)表示，再发射1个180射频脉冲，180脉冲后10100多mS，测量回波信号的强度。90脉冲至测量回波的时间称回波时间echo time(TE)。两个90脉冲之间的时间为重复时间repetition time(TR)。磁共振成像原理磁共振成像原理梯度回波序列 梯度回波序列（gredient recovery echo），目前磁共振成像的主要的、基本序列之一。由两个以一定

18、时间间隔（TR）的90脉冲构成。 平衡时纵向磁化矢量M在Z轴方向，90脉冲后磁矢量M翻转到xy平面，Mz成分消失，由组织T1和增加，当Mz未达到其最大饱和值(部分饱和)之前，于重复时间（TR）施加的第二个90脉冲(称为读出脉冲)，又使磁矢量翻转回到xy平面。因此，该横向磁矢量大小正比于TR时的Mz值，并取决于T1和N(H)。在第二个脉冲后，立即测量Mxy FID，信号的强度取决于T1和N(H)。如TR较短，偏重于组织T1;如TR过长，则信号强度仅取决于质子密度。相邻组织之间的对比取决于他们自间信号强度的差异，如他们的质子密度相同，则对比度取决于该两组织的T1差异。如欲侧T1的绝对值，需用两个以

19、上不同TR值的脉冲序列。磁共振成像原理磁共振成像原理反转恢复脉冲序列反转恢复(inversion recovery,IR)脉冲序列有利于测量T1,并几乎从扫描中删除了T2的作用，它可显示精细的解剖结构如脑的的灰白质。先给一180脉冲，随后以与组织T1相似的间隔(500ms)再给一90脉冲，180度脉冲使磁化矢量M由正z轴转到负z轴，因磁化矢矢完全为纵向，无横向成份不发出信号。在180脉冲激励后磁矢量以组织T1弛豫速度沿正z轴增长，500ms时磁矢量在z轴增长的数量直接与组织Tl有关，但不能直接测量。为测量横向成份，需施加90脉冲，该脉冲使磁矢量倒向xy平面，随后出现FID。F1D的强度与180

20、度脉冲后组织T1弛豫时间有关。 FID信号虽可直接测量，但因90度脉冲的强能量爆发后难于直接测量再发出的信号，可在90脉冲后迅速(如间隔10ms)再施加一个180脉冲，如同标准的自旋回波序列那样出现FID的早期回波(20ms时)。在扫描中以这种回波方式间接测量FID，有一定程度轻度T2作用的介入。使用两个不同TR值的IR序列可测量T1值磁共振成像原理磁共振成像原理 核磁共振信号 在弛豫过程中通过测定横向磁化矢量Mxy可得知生物组织的核磁共振信号。横向磁化矢量Mxy垂直并围绕主磁场B0以Larmor频率旋进，按法拉第定律，磁矢量Mxy的变化使环绕在人体周围的接收线圈产生感应电动势，这个可以放大的感应电流即MR信号。磁共振成像原理二维博立