磁共振信号与加权图像讲解

医用物理学医用物理学磁共振信号与加权图像美国科学家保罗·劳特伯英国科学家彼德·曼斯菲尔德2003年诺贝尔医学或生理学奖获得者核磁共振成像是利用原子核在强磁场内发生共振产生的信号经图像重建的成像技术。1.磁体2.梯度系统3.射频系统（1）射频线圈(发射线圈和接收线圈)（2）射频发射放大器（3）射频接收放大器（4）射频屏蔽主要设备体部线圈射频线圈头部线圈膝关节线圈乳腺线圈主要设备4.輔助部分(1)检查床：承载病人

(2)操作控制台：操纵MR检査、影像处理、拍摄照片(3)磁屏蔽主要设备加权图像(weightedimaging,WI)TE、TR、TI（脉冲序列参数主观量可调节）

MRI图像像素明暗MR信号强弱

、T1

、T2（组织相关参数客观量不可调）取决于T1决定,调整TE、TR实现T1WIT2决定，调整TE、TR实现T2WI质子密度决定，调整TE、TR实现PDWI取决于MR信号实质上是横向磁化强度在xy平面旋进时，接收线圈上所产生的感应电动势。图像灰度主要由磁共振信号与加权图像

T1WIT2WI加权图像(weightedimaging,WI)PDWI磁共振信号与加权图像

加权图像磁共振信号与加权图像

一、FID信号加权与图像对比度形成三、自旋回波序列与加权图像四、反转恢复序列与加权图像二、自由感应衰减类序列静磁场均匀时，自由感应衰减信号（FID）的衰减速度反应了样品自旋-自旋相互作用的时间常数T2；但通常静磁场是不均匀的，自旋-自旋相互作用与磁场的不均匀性共同作用，使FID信号的衰减更快，用时间常数T2*来描述。一、FID信号加权与图像对比度形成第一个RF90°脉冲后纵向磁矩的恢复

横向磁矩的衰减经TR

时间后发射第二个90°脉冲，

时，FID信号强度为左图上面红点显示TR时刻纵向磁化矢量的恢复值，下面红点显示TE时刻的横向磁化矢量值。1.FID信号强度讨论一、FID信号加权与图像对比度形成纵向磁矩的恢复，横向磁矩的衰减2.FID信号的加权与对比度一、FID信号加权与图像对比度形成

（a）长TR不能很好显示A、B

组织T1差异，短TR较好显示A、B

组织T1对比度，（b）短TE不能很好显示A、B

组织T2差异，长TE较好显示A、B

组织T2对比度（a）(b)（1）TR

与FID信号

TR足够长，纵向磁化矢量接近恢复到M0，产生的FID信号强度基本上与T1无关。

选择长的TR(TR>>

T1)，可以抑制组织的T1差别对信号的影响。TR较短，纵向磁化矢量只能恢复到

Mz

，恢复的程度与T1有关。

组织A的T1短，纵向磁化矢量恢复得快，产生的信号强。选择合适的TR，组织之间的T1差别被突出。

TR对T1加权的影响（组织A、B的质子密度相同）一、FID信号加权与图像对比度形成（2）TE

与FID信号

TE足够短，组织的横向弛豫还没来得及展开，产生的FID信号基本上与T2*无关。

选择短TE(TE<<T2*)，可以抑制组织的T2*差别对信号的影响。TE

较长，横向磁化矢量发生弛豫衰减，衰减程度与T2*有关，T2*将对FID信号产生影响。组织B的T2*较长，横向磁化矢量衰减较慢，产生的信号较强。选择合适的TE，组织之间的T2*差别被突出。TE对T2*加权的影响（组织A、B的质子密度相同，且TR足够长）一、FID信号加权与图像对比度形成3.FID信号的加权图像

通过调整序列重复时间TR来控制T1对图像对比度的影响，调整信号采集时间TE来控制T2*对图像对比度的影响，从而得到不同的加权图像。①PDWI选择长TR

(>>T1)、

短TE

(<<T2*)②T1WI选择短TR

(≈T1)、短TE

(<<T2*)③T2*WI选择长TR

(>>T1)、长TE

(≈T2)

一、FID信号加权与图像对比度形成二、自由感应衰减类序列与加权图像

饱和恢复序列（saturationrecoery，SR），时序见上图，由一系列等间隔的90°RF脉冲组成，每个90°脉冲后采集FID信号。

第二节磁共振图像重建缺点：1.TR很短，纵向磁矩恢复的不好，信号很弱，得不到清晰的T1加权像2.T2*

太短，不能得到T2加权像SE序列解决了该问题三、自旋回波序列与加权图像1.自旋回波（spinecho，SE）序列组成及信号产生的物理机制（1）单回波自旋回波序列

一个脉冲周期里发射RF脉冲时序：

90o脉冲—TI—180o脉冲TR：序列重复时间。TI：90°RF脉冲到

180°RF脉冲之间的时间。TE：回波时间（echotime）指90°RF脉冲到自旋回波峰值之间的时间。TE=2TISE序列与SE信号（2）自旋回波施加180°脉冲后，自旋核聚相，横向磁化矢量增大，TE时刻达到最大值，随后自旋核继续旋时，发生散相，横向磁化矢量减小。产生一个先增大后减小的信号，称之为自旋回波信号。三、自旋回波序列与加权图像SE序列与SE信号图（a）：90°RF脉冲的作用将M0倒向y’轴，产生，对横向磁化矢量有贡献的所有自旋核同相。图（b）：主磁场不均匀，使位于不同磁场强度的自旋核旋进角速度不同，B>B0处的自旋核相对y’轴顺时针转动，B<B0处的自旋核相对y’轴逆时针转动。经过一段时间TI后，自旋核相位不同，发生了散相。减小。SE序列中180°脉冲的作用(a)与(b)t=TI三、自旋回波序列与加权图像2.180°RF脉冲的作用图（c）：t=TI时，沿x’轴施加180°RF脉冲。自旋核绕x’轴转180°，快速远离y’轴的自旋核落在了后面。随后继续以原速度按原方向旋进。图（d）：经过相同的时间TI，所有核磁矩在-y’轴汇聚，实现了聚相，此时180°RF脉冲可以消除主磁场的不均匀引起的散相对MR信号的影响，称之为180°重聚脉冲。t=TISE序列中180°脉冲的作用(c)与(d)三、自旋回波序列与加权图像考虑自旋-自旋相互作用，TE时刻的横向磁化矢量大小

生物组织由于自旋-自旋相互作用产生的散相，不能被180°重聚脉冲消除，导致横向磁化矢量衰减，发生T2弛豫

。

TE时刻的横向磁化矢量T2弛豫及T2*弛豫三、自旋回波序列与加权图像3.自旋回波信号的幅值除第一个周期外，其它周期开始时的纵向磁化矢量均为Mz，TE时刻的横向磁化矢量为Mz是在前一个脉冲周期结束时恢复的纵向磁化矢量。当TR>>TE时，可以证明纵向磁化矢量

自旋回波信号的幅值为K是常数，与自旋核种类、静磁场有关；回波信号还与自旋核运动状态f(v)有关，这里假设自旋核静止。三、自旋回波序列与加权图像4.SE序列的加权图像满足条件TR>>TE

自旋回波信号的幅值为通过调整脉冲序列参数TR和TE，可以改变某个组织相关参数对信号影响的权重，得到不同组织相关参数的加权图像。

TR决定纵向磁化

矢量的恢复程度；

TE长度决定横向磁

化矢量的衰减程度SE序列TR时刻纵向磁化矢量的恢复值TE时刻的横向磁化矢量三、自旋回波序列与加权图像T1大的地方I值较小，图像呈现弱信号；脑脊液T1长，图像很暗；T1小的地方I值较大，图像呈现强信号，脂肪组织T1很短，在图像表现得很亮。1）图像特点（不考虑

）三、自旋回波信号与加权图像

T１WI正常人SE序列T1加权图像（1）T1加权图像2）T1

加权原理加权条件

短TE(8

20ms)短TR(合适的短值，，TE<<T2，e-TE/T2

1图像灰度主要由

、T1决定三、自旋回波信号与加权图像

理论原理（文字分析加权原理省略）200

600ms)

短TE实现了

T1加权，合适的TR保证了合适的对比度合适的TR保证合适的对比度TR长TR合适TR短三、自旋回波序列与加权图像（2）T2加权图像

1）图像特点T2大的组织，横向磁化矢量衰减得慢，在图像上表现为高信号。

脑脊液具有较长的T2，在T2WI中表现得非常亮。T2小的地方I值较小，图像呈现弱信号，脂肪T2短，比T1加权像暗。正常人SE序列T2加权图像三、自旋回波序列与加权图像T2WI像（2）T2

加权图像（T2WI）

加权条件：长取TR

2000

2500ms)长TE(两种组织T2平均值，约50

150ms)TR>>T1，e-TR/T1

02）T2

加权原理三、自旋回波信号与加权图像

优点：能得到最佳对比度，对病变组织进行定性分析理论原理（不考虑

）（文字分析省略）由于质子密度对信号的影响是永远存在的，如果T1和质子密度对信号的影响相反，情况会变得复杂。我们简单讨论质子密度相同时，其它组织相关参数的加权情况。TR>>T1B0=1.5T长TR实现了

T2加权，合适的长TE保证了合适的对比度合适的TE保证合适的对比度TE长TE合适TE短三、自旋回波序列与加权图像4.SE序列的加权图像（3）质子密度加权图像（PDWI）

：

抑制T1差异对信号的影响，选择长

，

时约2000~2500ms）;抑制T2差异对信号的影响，选短

，约1～20ms）。图像对比度主要由质子密度决定，得到质子密度加权像。质子密度越大的组织，在图像上越亮。PDWI三、自旋回波序列与加权图像人体正常组织在T1WI和T2WI的灰度脑白质脑灰质脑脊液脂肪骨皮质骨髓质脑膜T1WI白灰黑白黑白黑T2WI灰灰白白白灰黑灰黑

三、自旋回波序列与加权图像四、反转恢复序列与加权图像1.反转恢复（inversionrecovery，IR）序列

（1）IR序列

一个脉冲周期的RF脉冲时序为：180º—TI—90º，产生FID信号。TR：序列重复时间。TI：反转时间，指180°RF脉冲到90°RF脉冲之间的时间。

IR序列及FID信号（2）反转恢复自旋回波（IRSE）序列在IR序列的基础上，每个脉冲周期的90°RF脉冲后，增加一个180°RF脉冲，产生自旋回波。RF脉冲时序为：180º-TI-90º-TE/2-180º。TR：序列重复时间。TI：反转时间。TE：回波时间。

IRSE序列及SE信号四、反转恢复序列与加权图像（3）IR序列的特点

1）

当

TR足够长时，纵向磁化矢量在一个脉冲周期结束时得到充分恢复，使每次发射反转180°脉冲时，纵向磁化矢量基本上为M0。随后，纵向磁化矢量恢复为纵向磁化在恢复过程中存在的零点（拐点），对应的时间为

180°脉冲后Mz的转折点四、反转恢复序列与加权图像2）反转180°脉冲后纵向磁化矢量的恢复程度将影响回波信号大小。由于180°反转脉冲延长了纵向弛豫过程，加大了不同

组织间的信号差别，增大了

对比度，使IR序列能够获得重

T1加权图像。IR序列中TI对T1加权的影响四、反转恢复序列与加权图像四、反转恢复序列与加权图像3）SE、FID序列影响信号的序列参数有两个：TR

、TE

；IRSE序列是三个TR

、TE和TI。IRSE与SE序列加权参量TR对应的是TI。2.IRSE序列的幅值（1）序列的幅值第一个180°RF脉冲，将磁化强度矢量

M0倒向-z轴。

t=0时，无横向磁化矢量产生，不产生MR信号。称该180°RF脉冲为反转脉冲。根据旋转坐标系中Bloch方程t时刻的纵向磁化矢量为

TI

时施加90°RF脉冲，将恢复的纵向磁化矢量倒向xy平面形成横向磁化矢量，横向磁化矢量以Mz

为初始值按指数规律衰减，衰减时间常数为T2*，产生FID信号。四、反转恢复序列与加权图像如果在90°RF脉冲后再发射一个180°RF脉冲，构成IRSE序列，则可获得自旋回波信号。TR

足够长时(TR>2000ms)，纵向磁化矢量得到足够恢复，每个脉冲周期开始时纵向磁化矢量近似为M0，90°RF脉冲结束后经时间TE，产生最大的横向磁化矢量为IRSE序列产生的自旋回波信号的幅值为四、反转恢复序列与加权图像（2）IRSE序列的拐点

当

TR足够长时，纵向磁化矢量在一个脉冲周期结束时得到充分恢复，使每次发射反转180°脉冲时，纵向磁化矢量基本上为M0。随后，纵向磁化矢量恢复为纵向磁化在恢复过程中存在的零点（拐点），由幅度公式，幅度为零对应的时间为

180°脉冲后Mz的转折点四、反转恢复序列与加权图像四、反转恢复序列与加权图像如果在反转时间TI为某组织T1值的ln2倍时，施加90°RF脉冲，该组织无横向磁化产生，无法检测到MR信号。利用IR序列的这一特点，可以选择性地抑制某种组织的信号。

由于用IRSE序列成像选择的

TR比SE序列还要长，在获取质子密度加权像和T2加权像时，通常用SE序列，而不用IRSE序列。通常用IRSE序列获得T1加权像。

根据公式通过调整反转时间TI来控制T1对图像对比度的影响，调整回波时间TE来控制T2对图像对比度的影响，得到不同的加权图像。四、反转恢复序列与加权图像3.IRSE序列的成像应用（1）T1加权图像选择中等TI值(400~800ms，短TE（10~20ms）得到T1加权图像。IR序列中TI对T1加权的影响四、反转恢复序列与加权图像需要注意的是，通常MR图像反映的是MR信号的大小，图中纵坐标为负的那部分曲线对信号的贡献应该取它的绝对值，如图中的虚线所示。必须合理选择反转时间TI，才能得到

T1对比度好的图像。IR序列中TI对T1加权的影响四、反转恢复序列与加权图像在满足长TR（>2000ms)的前提下，选择中等

TI（400～800ms），使大部分组织的纵向磁化矢量已恢复到正值，可增强组织T1差异对信号的影响。选择短

TE（10～20ms），抑制T2差异对信号的影响，获得

T1加权图像。当反转时间TI取值较小时，会出现对比度翻转的现象。即T1大的组织在

T1