磁共振(MRI)成像原理

目录CONTENTS01物质基础02进动和进动频率04弛豫03磁共振现象05磁共振信号06加权成像物质基础一、物质基础：原子的结构原子由原子核及位于其周围轨道中的电子构成，电子带有负电荷。原子核中有两种粒子，即中子和质子，中子不带电荷，质子带有正电荷。不同的元素其质子数不同。但同一种元素可以有不同的原子核，这些原子核中的质子数是相同的，所不同的是中子数，这种同一元素的不同原子核被称为同位素，如元素氢的同位素就有H（氢核）、H（氘核）和H（氚核），一般标为1H（氢核）、H（氘核）和3H（氚核）即可。物质基础一、物质基础：自旋和核磁共振原子核具有一定大小和质量，可以视作一个球体，所有磁性原子核都有一个特性，就是总以一定的频率绕着自己的轴进行高速旋转，我们把磁性原子核的这一特性称为自旋。由于原子核表面带有正电荷，磁性原子核的自旋就形成电流环路，从而产生具有一定大小和方向的磁化矢量我们把这种由带有正电荷的磁性原子核自旋产生的磁场称为核磁。因此以前也把磁共振成像称为核磁共振成像。物质基础一、物质基础：磁性和非磁性原子核并非所有原子核均能自旋而产生核磁，原子核内中子和质子的数目决定了该原子核是否为磁性原子核。如果原子核内的质子数和中子数均为偶数，则这种原子核不能自旋而产生核磁，我们称这种原子核为非磁性原子核。反之，我们把能够自旋而产生核磁的原子核称为磁性原子核，磁性原子核必须符合以下条件之一：①中子和质子均为奇数；②中子为奇数，质子为偶数；③中子为偶数，质子为奇数。简言之，磁性原子核的中子数和质子数至少要有一项是奇数。物质基础一、物质基础：用于人体磁共振成像的原子核选择1H用于常规磁共振成像的理由有：①1H是人体中最多的原子核，约占人体中总原子核数的2/3以上，因此可以产生较强的磁共振信号；②1H的磁化率在人体磁性原子核中是最高的，也可以产生更强的磁共振信号；③从1H存在于人体的各种组织中，因此具有生物代表性。质子的核磁状态二、进入主磁场前人体内质子的核磁状态A.进入主磁场前，尽管组织中每个质子自旋都产生一个小磁场，但排列杂乱无章，磁化矢量相互抵消，因此没有宏观磁化矢量产生；B.进入主磁场后，质子自旋产生的小磁场与主磁场平行排列，平行同向者略多于平行反向者，相互抵消后组织中最后产生一个与主磁场方向一致的宏观磁化矢量，被称为宏观纵向磁化矢量（粗黑箭）。质子的核磁状态三、进入主磁场后人体内质子的核磁状态进入主磁场后，人体组织中的质子产生的小磁场也不再是杂乱无章，而是呈有规律排列。进入主磁场后，质子产生的小磁场有两种排列方式，一种是与主磁场方向平行且方向相同，另一种是与主磁场平行但方向相反，处于平行同向的质子略多于处于平行反向的质子。质子的核磁状态三、进入主磁场后人体内质子的核磁状态图像右侧粗黑箭代表主磁场方向。进入主磁场后，氢质子的核磁状态有两种形式，处于高能级氢质子（E+）的磁化矢量与主磁场平行但方向相反；而处于低能级氢质子（E-）的磁化矢量与主磁场平行且同方向。处于低能级的氢质子略多于处于高能级的氢质子。质子的核磁状态三、进入主磁场后人体内质子的核磁状态图像右侧粗黑箭代表主磁场方向。进入主磁场后，氢质子的核磁状态有两种形式，处于高能级氢质子（E+）的磁化矢量与主磁场平行但方向相反；而处于低能级氢质子（E-）的磁化矢量与主磁场平行且同方向。处于低能级的氢质子略多于处于高能级的氢质子。进动和进动频率四、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。如图2-2-4A所示，陀螺在旋转力与地球引力的相互作用下，不仅存在旋转运动，而且还出现以地球引力为轴的旋转摆动，这种旋转摆动的频率远低于旋转运动。处于主磁场的氢质子也是一样，除了自旋运动外，其小核磁还绕着主磁场轴进行旋转摆动（图2-2-4B），我们把氢质子的这种旋转摆动称为进动。进动和进动频率四、进动和进动频率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，但对于磁共振成像的来说，进动频率比自旋频率重要得多。进动频率也称Larmor频率，其计算公式为：ω=γ·B，式中ω为Larmor频率，γ为磁旋比（γ对于某一种磁性原子核来说是个常数，氢质子的Y约为42.5MHz/T），B为主磁场的场强，单位为特斯拉（T）。从式中可以看出，质子的进动频率与主磁场场强成正比。进动和进动频率四、进动和进动频率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，但对于磁共振成像的来说，进动频率比自旋频率重要得多。进动频率也称Larmor频率，其计算公式为：ω=γ·B，式中ω为Larmor频率，γ为磁旋比（γ对于某一种磁性原子核来说是个常数，氢质子的Y约为42.5MHz/T），B为主磁场的场强，单位为特斯拉（T）。从式中可以看出，质子的进动频率与主磁场场强成正比。无论是处于低能级的质子还是处于高能级的氢质子都存在进动。由于进动的存在，质子自旋产生小磁场又可以分解成两个部分，即纵向磁化分矢量和横向磁化分矢量。进动和进动频率四、进动和进动频率：纵向磁化与横向磁化矢量质子的纵向磁化分矢量的方向是不变的，处于高能级者与主磁场方向相反，处于低能级者与主磁场的方向相同，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。由于质子在进动，其横向磁化分矢量则以主磁场方向为轴（Z轴），就像时钟的指针在XY平面作旋转运动，因此其方向处于不断的动态变化中。尽管每个氢质子的小核磁都有横向磁化分矢量，但各个氢质子的横向磁化分矢量在360°圆周中所处的位置不同，即相位不同，横向磁化分矢量相互抵消，因此没有宏观横向磁化矢量产生。进动和进动频率四、进动和进动频率：纵向磁化与横向磁化矢量A.左侧的空白箭代表主磁场方向，无论是处于低能级和高能级状态下的质子都发生进动，每个质子都产生纵向磁化分矢量（纵向虚线黑箭）和横向磁化分矢量（横向实线黑箭）。高能级质子的纵向磁化分矢量与主磁场方向相反，而低能级质子的纵向磁化分矢量与主磁场方向相同。由于质子进动，各个质子的横向磁化分矢量以主磁场方向为轴作旋转运动，旋转方向与质子进动的方向一致（虚线圆圈箭头）；B.示沿主磁场方向观察XY平面上的质子横向磁化分矢量（虚线黑箭）的分布，各质子横向磁化分矢量绕着Z轴像时钟指针一样作旋转运动（圆圈黑箭）。各质子（图中为8个质子）旋转的横向磁化分矢量由于在圆圈中所处的位置不同（相位不同）而相互抵消，因此没有宏观横向磁化矢量产生。进动和进动频率四、进动和进动频率：纵向磁化与横向磁化矢量磁共振信号的探测就犹如一个发电机。进入主磁场后，人体组织中产生的宏观纵向磁化矢量保持稳定，其方向不发生变化，将不会切割接收线圈而产生电信号，因此接收线圈探测不到组织中的宏观纵向磁化矢量。而如果组织中有一个旋转的宏观横向磁化矢量，它将切割接收线圈而产生电信号，因此接收线圈能够探测到的是旋转的宏观横向磁化矢量。磁共振现象五、磁共振现象磁共振现象五、磁共振现象如果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，我们把这种现象称为磁共振现象。磁共振现象五、磁共振现象从微观角度来说，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。磁共振现象五、磁共振现象A.组织进入主磁场后，在没有施加射频脉冲激发之前，组织中只有一个与主磁场方向（Z轴）一致的宏观纵向磁化矢量（向上空白粗箭），这种状态被称为平衡状态；B.当给予组织一个能量较低的射频脉冲，宏观纵向磁化矢量偏转较小的角度（a角），这种脉冲被称为小角度脉冲。这时组织中产生一个较小的旋转（带箭头圆圈）宏观横向磁化矢量（向右实心黑箭）；C.当射频脉冲给予组织的能量恰好使宏观纵向磁化矢量偏转90°，形成一个最大的旋转（带箭头圆圈）宏观横向磁化矢量（向右空白粗箭），这种脉冲被称为90°脉冲；D.当射频脉冲的能量足够大，使组织中低能级超出高能级的那部分氢质子全部获得能量跃迁到高能级状态，这时组织将产生一个与主磁场方向相反的纵向宏观磁化矢量（向下空白粗箭），即组织中原有的宏观纵向磁化矢量偏转了180°，这种脉冲被称为180°反转脉冲。弛豫六、核磁弛豫90°射频脉冲激发后的瞬间，组织中没有宏观纵向磁化矢量，而产生了最大的旋转宏观横向磁化矢量；当90°脉冲关闭，我们可以注意到组织中的宏观横向磁化矢量从最大逐渐缩小直至完全衰减，而宏观纵向磁化矢量从零逐渐恢复直至最大即平衡状态，我们把这个过程或现象称为核磁弛豫。核磁弛豫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值（平衡状态），称为纵向弛豫。弛豫六、核磁弛豫A.在激发前平衡状态下，组织中只有宏观纵向磁化矢量（向上空白粗箭）；B.90°脉冲激发后即刻，组织中宏观纵向磁化矢量消失，产生一个旋转（带箭头圆圈）的宏观横向磁化矢量（水平空白粗箭）；C.等待一段时间后，组织中的宏观横向磁化矢量有所缩小，宏观纵向磁化矢量有所恢复；D.再等待一段时间后，组织中的宏观横向磁化矢量进一步缩小，宏观纵向磁化矢量恢复更多；E.再过一段时间，组织中的宏观横向磁化矢量已经完全衰减，而宏观纵向磁化矢量进一步恢复；F.到最后，组织中的宏观纵向磁化矢量已经完全恢复到平衡状态。横向弛豫七、横向弛豫90°脉冲关闭后，组织中的宏观横向磁化矢量将逐渐减小，最后将衰减到零。90°脉冲使组织中原来相位不一致的质子群处于同相位进动，质子小磁场的横向磁化分矢量相互叠加，从而产生旋转的宏观横向磁化矢量。90°脉冲关闭后，宏观横向磁化矢量衰减的原因与之相反，同相位进动的质子群逐渐失去了相位的一致，其横向磁化分矢量的叠加作用逐渐减弱，因此宏观横向磁化矢量逐渐减小直至完全衰减。横向弛豫七、横向弛豫横向弛豫七、横向弛豫由于受磁场不均匀的影响，实际上90°射频脉冲关闭后，宏观横向磁化矢量将呈指数式的快速衰减，我们把宏观横向磁化矢量的这种衰减称为自由感应衰减也称T2※弛豫。利用180°聚焦脉冲可以剔除主磁场不均匀造成的宏观横向磁化矢量衰减，组织由于质子群周围磁场微环境随机波动造成的宏观横向磁化矢量的衰减才是真正的横向弛豫，即T2弛豫。T2弛豫的能量传递发生于质子群内部，即质子与质子之间，因此T2弛豫也称自旋一自旋弛豫（spin-spin弛豫）。横向弛豫七、横向弛豫90°射频脉冲的施加，使某组织宏观横向磁化矢量达到最大值，以此时刻为起点，以T2弛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即为该组织的T2值横向弛豫七、横向弛豫不同的组织由于组织结构的不同，质子群周围其他带电粒子自由运动造成磁场微环境随机波动程度就存在差别，组织内质子群失相位的速度将存在差别，其宏观磁化矢量衰减速度即T2弛豫速度存在差别，因此不同组织之间的T2值将存在差别。正因为不同的组织之间存在的T2值的不同，磁共振的T2加权成像（T2WI)方能区分不同的解剖结构，并能区分正常组织与病变组织。纵向弛豫八、纵向弛豫当射频脉冲关闭后，在主磁场的作用下，组织中的宏观纵向磁化矢量将逐渐恢复到激发前的状态即平衡状态，我们把这一过程称为纵向弛豫，即T1弛豫。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，起点和终点的时间间隔即该组织的T1值。纵向弛豫八、纵向弛豫磁共振物理学中，通常把质子周围的分子称为晶格，因此也把纵向弛豫称为自旋-晶格弛豫。不同的组织由于质子周围的分子自由运动频率不同，其纵向弛豫速度存在差别，即T1值不同。各种组织的T1弛豫差别也是MRI之所以能够区分不同组织的基础。磁共振信号的产生九、自由感应衰减信号接受射频脉冲如90°脉冲的激发，组织中将产生宏观横向磁化矢量，射频脉冲关闭后组织中的宏观横向磁化矢量由于受T2弛豫和主磁场不均匀双重因素的影响，而指数形式较快衰减，即自由感应衰减。如果利用磁共振接收线圈直接记录横向磁化矢量的这种自由感应衰减，则得到的磁共振信号就是自由感应衰减信号。自由感应衰减信号受90°脉冲的激发，组织中将产生宏观横向磁化矢量，射频脉冲关闭后，组织中的宏观横向磁化矢量将以指数形式快速衰减，利用接收线圈采集记录这种衰减得到的就是自由感应衰减信号。图中从左到右代表时间，可见图下方的波形幅度（代表磁共振信号的强弱）很快衰减。磁共振信号的产生十、自旋回波信号180°脉冲后组织中的宏观横向磁化矢量经历了逐渐增大，到了最大值后又逐渐衰减的过程，利用接收线圈记录这一变化过程将得到一个回波，所产生的回波称为自旋回波(SE)。自旋回波信号90°脉冲产生了宏观横向磁化矢量，90°脉冲关闭后，由于主磁场的不均匀造成了质子群失相位，组织中的宏观横向磁化矢量逐渐衰减，即发生自由感应衰减。到Ti时刻，施加了一个180°聚焦脉冲，质子群逐渐聚相位，组织中宏观横向磁化矢量逐渐增大；到了2倍Ti时刻，质子群得以最大程度聚相位，组织中的宏观横向磁化矢量达到最大值；从此时刻开始，质子群又逐渐失相位，组织中的宏观横向磁化矢量又逐渐衰减。利用接收线圈记录这种宏观横向磁化矢量的变化过程，将得到自旋回波（SE）。把90°脉冲中点到回波中点的时间间隔称为回波时间（TE）。磁共振信号的产生十一、梯度回波信号小角度脉冲激发后，施加离相位梯度场，加速组织T2弛豫，当组织弛豫为零后，立即施加方向相反强度相同的梯度场，也就是聚相位梯度场，此时发生类似龟兔往返跑的现象，在原本离相位梯度场中进动频率快的质子此时进动频率被减慢，进动频率慢的质子此时进动频率被加快，经过离相位梯度场相同时间后，因离相位梯度场引起的质子失相位得到纠正，此时继续施加聚相位梯度场，质子会往反方向发生失相位，直至横向磁化矢量衰减为零。在施加聚相位梯度场的同时采集信号，会产生信号幅度从零到大再到零的完整回波，由于这种回波的产生是利用梯度场的反复切换，因此被称为梯度回波序列。梯度回波信号十一、梯度回波信号磁共振的加权成像所谓加权是“突出重点”的意思，也即重点突出组织某方面特性的意思。通过成像脉冲序列的选择及成像参数的调整，使MR图像主要反映组织某方面特性，而尽量抑制组织的其他特性对MR信号强度的影响，这就是“加权”成像。T1加权成像（T1WI）指图像中组织信号强度的高低主要反映的是组织的纵向弛豫差别；T2加权成像（T2WI）重点突出的是不同组织之间的横向弛豫差别；质子密度加权成像（PDWI)则主要反映单位体积的不同组织之间的质子含量差别。磁共振的加权成像一、质子密度加权成像质子密度加权成像主要反映单位体积不同组织间质子含量的差别。以甲、乙两种组织为例，甲组织质子含量高于乙质子，进入主磁场后，质子含量高的甲组织产生的宏观纵向磁化矢量大于乙组织；射频脉冲如90°脉冲激发后甲组织产生的旋转宏观横向磁化矢量就大于乙组织，这时马上检测MR信号，甲组织产生的MR信号将高于乙组织，即质子密度越高，像MR信号强度越大，这就是质子密度加权成像。磁共振的加权成像一、质子密度加权成像在人体MRI中，蛋白质等大分子物质的氢质子由于T2值很短，几乎不能产生MR信号，因此一般组织的MR信号主要来自组织中水分子和（或）脂肪中的氢质子，在一般的非脂肪组织中主要是指水分子中的氢质子，因此实际上一般组织中，质子密度加权成像主要反映的是组织中水分子的多少。人体中如脑脊液、胆汁、尿液等水样结构的水分子含量最高，因此在质子密度加权像上这些结构的信号强度最高。磁共振的加权成像二、T2加权成像和T2*加权成像T2WI主要反映不同组织间横向弛豫的差别。必须用聚焦脉冲采集自旋回波方可获得组织真正T2弛豫的信息。以甲、乙两种组织为例，假设这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）。进入主磁场后由于质子密度一样，甲乙两种组织产生的宏观纵向磁化矢量大小相同，一个射频脉冲如90°脉冲激发后，两种组织产生的旋转宏观横向磁化矢量的大小也相同，我们不马上检测MR信号；90°脉冲关闭后，甲乙两种组织的质子将发生横向弛豫，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，这时检测MR信