磁共振成像原理及结构专家讲座

磁共振成像（MRI〕原理

与磁共振机结构

晋中三院影像科磁共振成像原理及结构专家讲座第1页一、磁共振成像磁共振成像：

MagneticResonanceImaging，MRI 是利用人体内原子核在磁场内与外加射频磁场发生共振而产生影像一个成像技术,它既能显示形态学结构，又能显示原子核水平上生化信息及一些器官功效情况，更有没有辐射优点，其发展潜力巨大。磁共振成像原理及结构专家讲座第2页二、MRI基本原理

MRI影像形成物理基础磁共振成像原理及结构专家讲座第3页(一)、原子核自旋特征

含单数质子原子核，比如人体内广泛存在氢原子核，其质子有自旋运动，带正电，产生磁矩，有如一个小磁体。磁共振成像原理及结构专家讲座第4页(一)原子核自旋特征

在有自旋特征原子核周围存在这个微观磁场是磁偶极子，就是所谓原子核自旋磁矩。在没有外加磁场时，各个质子因为热运动而处于杂乱无章任意排列状态，磁矩方向各不相同，相互抵消，所以在宏观上不显磁性。磁共振成像原理及结构专家讲座第5页(二)外磁场对原子核自旋影响

当外部施加一个恒定磁场后，则质子沿外加磁场方向排列，产生净磁化。1.低能级--自旋方向与磁场方向一致2.高能级--自旋方向与磁场方向相反磁共振成像原理及结构专家讲座第6页(二)外磁场对原子核自旋影响

在外磁场作用下，低能级质子数目要多于高能级质子，在大量原子分布情况下，原子在不一样能级上分布数目与温度与外磁场强度相关。磁共振成像原理及结构专家讲座第7页(二)外磁场对原子核自旋影响

在一定温度和磁场条件下，自旋质子就产生了一个沿外磁场方向宏观磁矩，这么当原子核围绕自己轴作自旋运动时，外加磁场又会产生一个旋力臂作用于自旋质子磁矩上，使得质子旋进于一个锥形磁矩轴上，称为拉莫进动。磁共振成像原理及结构专家讲座第8页(二)外磁场对原子核自旋影响

质子进动速度用进动频率来衡量，也就是质子每秒进动次数，进动频率与外加磁场强度成正比，场强越高，进动频率越高。磁共振成像原理及结构专家讲座第9页(二)外磁场对原子核自旋影响

0＝0：磁旋比常数

0：外加磁场强度

0:质子进动频率拉莫（Larmor)频率原子核共振频率磁共振成像原理及结构专家讲座第10页(二)外磁场对原子核自旋影响

因为有没有数个质子在进动，其磁矩在X和Y轴方向上分量将相互抵消，只有沿Z轴方向分量叠加起来形成了纵向磁化矢量，它不能被直接测量。磁共振成像原理及结构专家讲座第11页（三〕电磁感应现象电流经过金属导线能够产生磁场金属导线切割磁力线产生电流改变磁场强度在金属导线（线圈〕内能够产生感应电压和感应电流磁共振成像原理及结构专家讲座第12页（四〕射频脉冲电场和磁场随时间而改变称为电磁辐射。射频（RF〕脉冲是一个无线电波，也是电磁波一个，它主要作用是扰乱沿外加磁场方向进动质子进动。只有RF脉冲与自旋质子进动频率相同时，才能向质子传递能量。磁共振成像原理及结构专家讲座第13页（五〕核磁共振现象当RF脉冲频率与质子进动频率相同时，质子就从中吸收能量，这称为核磁共振现象。此时RF脉冲频率＝

0＝0磁共振成像原理及结构专家讲座第14页（五〕核磁共振现象施加RF脉冲后，质子吸收了能量，能级就会提升，这会产生两方面效应：1、质子能级提升，使得纵向磁化矢量减小，最终为零，称为饱和状态。磁共振成像原理及结构专家讲座第15页（五〕核磁共振现象2、进动质子相位一致，做同时同速运动，使得在横轴方向上磁化矢量得以叠加，并产生一个新横向磁化矢量，RF脉冲强度越大，连续时间越长，横向进动偏转角度就越大。磁共振成像原理及结构专家讲座第16页（六〕核磁共振弛豫

当质子系统到达饱和状态后，停顿RF磁场后，激励过程结束。随即，吸收能量跃迁到高能级质子将释放吸收能量，很快回到外加磁场原先排列平衡位置，这一过程称为核磁弛豫。横向磁化矢量逐步消失，称为横向弛豫纵向磁化矢量恢复原状，称为纵向弛豫磁共振成像原理及结构专家讲座第17页（六〕核磁共振弛豫

在磁共振领域中，将质子周围原子统称为晶格。纵向弛豫就是质子自旋磁矩将能量释放传递给晶格原子过程，所以也叫自旋-晶格弛豫。

RF脉冲停顿后，纵向磁化矢量恢复到原来数值所需要时间称为纵向弛豫时间，简称T1,实际中将纵向磁化矢量从0恢复到最大值63%所需时间定义为T1时间。

T1是一个时间常数，描述组织纵向磁化矢量恢复快慢程度。其长短依赖于组织成份、结构和环境，如水为长T1，脂肪为短T1。磁共振成像原理及结构专家讲座第18页（六〕核磁共振弛豫磁共振成像原理及结构专家讲座第19页（六〕核磁共振弛豫

RF脉冲停顿后，质子很快失去相位一致性,这是因为原子核之间相互作用，而没有能量从原子核向周围晶格中转移，所以也成为自旋-自旋弛豫。此过程中，横向磁化矢量逐步抵消而变小直至为零。实际中把横向磁化矢量衰减至其最大值37%时间定义为横向弛豫时间，简称T2。

T2与人体组织固有小磁场相关,如大分子比小分子快,结合水比游离水快。磁共振成像原理及结构专家讲座第20页（六〕核磁共振弛豫磁共振成像原理及结构专家讲座第21页（六〕核磁共振弛豫磁共振成像原理及结构专家讲座第22页（六〕核磁共振弛豫小结：

这种组织间弛豫时间上差异，是MRI成像基础。有如CT时，组织间吸收系数（CT值）差异是CT成像基础道理。但MRI不像CT只有一个参数，即吸收系数，而是有T1、T2等几个参数。所以，取得选定层面中各种组织T1（或T2）值，就可取得该层面中包含各种组织影像图像。磁共振成像原理及结构专家讲座第23页（七〕自由感应衰减

磁共振设备中，接收信号用线圈平面与主磁场平行，工作频率靠近拉莫频率。当质子磁化矢量只受主磁场作用时，因为自由进动与主磁场方向一致，所以无法测量。

当RF脉冲对组织激励又停顿后，组织出现了弛豫过程，横向磁化矢量改变能使位于被检体周围接收线圈产生随时间改变感应电流，其大小与横向磁化矢量成正比，将这个电流信号放大后即为MR信号，它是一个随时间周期性不停衰减电流，又因为它是由自由进动感应产生，所以叫自由感应衰减。磁共振成像原理及结构专家讲座第24页（八〕MR信号空间编码

一幅MR影像由垂直方向象素行和水平方向象素列共同组成，同时又对应着一定层厚体素组成一个层面，称为MR信号空间位置。

采集MR信号空间位置信息方法称为空间编码，拉莫方程，

0＝0是空间编码技术基础。磁共振成像原理及结构专家讲座第25页（九〕磁共振成像原理总结

总而言之，磁共振成像主要包含三方面内容：1、激发产生磁共振现象并测量磁共振信号RF脉冲序列；2、确定信号位置空间编码；3、将所测量磁共振信号及其位置信息重建成磁共振影像。磁共振成像原理及结构专家讲座第26页三、MRI系统组成与功效MRI系统主要由以下五部分组成：1、主磁体系统2、梯度磁场系统3、射频（RF）系统4、计算机处理系统5、辅助设备磁共振成像原理及结构专家讲座第27页MRI扫描机基本结构示意图磁共振成像原理及结构专家讲座第28页（一）主磁体系统

主磁体是MRI系统关键部分之一，其功效是提供使原子核定向所必须静磁场。

应用于临床医疗MRI磁体强度多为0.15-3.0T(特斯拉)。磁共振成像原理及结构专家讲座第29页1、磁体主要性能指标磁场强度：场强越高，MR信号越强，影像信噪比越大磁场均匀度：决定了图像空间分辨率和信噪比磁场稳定性：是衡量场强随时间而飘移程度指标磁体孔腔：孔腔大小限制了被检者体型大小磁场强度、磁场均匀度和磁场稳定性是衡量主磁体性能三大要素。磁共振成像原理及结构专家讲座第30页2、磁体类型（1）永磁型磁体：（2）常导型（阻抗型）磁体：（3）超导型磁体：磁共振成像原理及结构专家讲座第31页2、磁体类型（1）永磁型磁体：磁体由含有铁磁性永磁材料组成，其场强相当稳定，维护简单，线圈效率高。

但磁场强度较低，最大仅0.3T。磁体庞大、粗笨，磁场均匀度受室温影响较大，稳定性差。磁共振成像原理及结构专家讲座第32页2、磁体类型国产安科企业OpenMarkⅡ0.2T第二代开放式永磁型磁共振成像系统磁共振成像原理及结构专家讲座第33页2、磁体类型（2）常导型（阻抗型）磁体：常导磁体即电磁体，由电流经过导线产生磁场，其磁力线与受检人体长轴平行。安装轻易，造价低。但磁场均匀度和稳定性较差，受室温影响大。耗电量大，需大量水冷却，运行维护费用高，场强普通小于0.3T。磁共振成像原理及结构专家讲座第34页2、磁体类型（3）超导型磁体：

由电流经过导线产生磁场，但导线为超导材料，置于液氦之中，温度为-273℃，此时线圈电阻为零。在励磁以后，电流能够无衰减地循环流动，产生稳定、均匀、高场强磁场，且不受室温影响大。场强最高可达8T，医用普通小于3T。因为需液氦，运行维护费用较高。

匀场线圈：任何磁体都不会产生绝对均匀磁场，所以还要加上一组匀场线圈，普通由铌钛合金制成，置于磁体中心，梯度线圈外,在安装时由工程师设定调整，可将磁场均匀性提升100倍以上。磁共振成像原理及结构专家讲座第35页2、磁体类型GESignaCV/i1.5T超导型MR机磁共振成像原理及结构专家讲座第36页（二）梯度磁场系统

梯度磁场系统也是MRI系统关键部分之一，它利用梯度线圈产生相对主磁场来说较微弱在空间位置上改变磁场，并叠加在主磁场上。

功效是对MRI信号进行空间编码，以确定成像层面位置和厚度。

磁共振成像原理及结构专家讲座第37页（二）梯度磁场系统

梯度磁场包含梯度线圈和梯度电源两部分。梯度线圈有三组，分别按相互垂直X、Y、Z三个方向设计，任何一组梯度场都可起到层面选择、相位编码、频率编码三项作用之一，所以可对人体横断位、冠状位、矢状位甚至任意斜位进行成像。磁共振成像原理及结构专家讲座第38页磁共振成像原理及结构专家讲座第39页（二）梯度磁场系统梯度磁场三维方向示意图磁共振成像原理及结构专家讲座第40页成像层面选择

梯度磁场叠加在主磁场上，使得场强伴随位置呈线形分布，即每一层面场强都是不相同。

RF脉冲并非只包含一个频率，而是有一定频率范围（带宽）脉冲，所以它能激励质子拉莫频率也是一个范围，这么产生共振质子层面就能够确定了。磁共振成像原理及结构专家讲座第41页成像层面选择

当磁场梯度一定时，RF脉冲频带越宽，则层面越厚；当频带宽一定时，磁场梯度越大，则层面厚度越薄。普通是将RF脉冲中心频率固定，经过改变磁场强度和梯度大小来实现成像层面选择。磁共振成像原理及结构专家讲座第42页频率编码

在已确定成像层面水平轴（X轴）方向上，施加频率编码梯度磁场，使得沿X轴不一样位置每一列质子都含有不一样进动频率，同一列上质子则进动频率相同。磁共振成像原理及结构专家讲座第43页相位编码

要确定Y轴每一列上平行于X轴方向上每一行质子位置，就需进行相位编码。在Y轴方向上施加另一梯度场，使得不一样位置质子处于不一样相位，即进动角度不一样，并由此进行识别。磁共振成像原理及结构专家讲座第44页MR图像重建

f(t)=A0+Asin(

t+φ)在进行频率编码和相位编码后，利用傅立叶变换就可将检测到数据信号分离，确定每一个体素MR信号值，形成图像。磁共振成像原理及结构专家讲座第45页（三）射频系统

射频系统作用是发射射频(RF)脉冲,使磁化质子吸收能量产生共振,并接收质子在弛豫过程中释放能量而产生MR信号，其频率在拉莫频率附近。包含射频线圈和射频放大器。

发射器功率放大器发射线圈人体组织接收线圈接收器RFMR

射频线圈作用是发射RF脉冲,对被检体质子进行激励，并检测被检体MR信号。用于发射射频建立射频磁场射频线圈叫发射线圈，用于检测MR信号射频线圈叫接收线圈。有线圈可在不一样时期分别完成发射和接收任务，如体线圈；而有只能用于接收信号，如大部分表面线圈。磁共振成像原理及结构专家讲座第46页射频（RF）线圈

射频线圈敏感容积越小，则信噪比越高；线圈与人体检验部位距离越近，则信号越强，信噪比越高。这二者直接决定着图像质量，所以需依据人体各个部位不一样形状、大小，制成不一样尺寸和类型线圈，以取得最正确图像质量。射频线圈主要有两类：1、体积线圈：大容积，如头线圈、体线圈2、表面线圈：小容积，如乳腺线圈等磁共振成像原理及结构专家讲座第47页射频（RF）线圈头颅线圈（鸟笼状）磁共振成像原理及结构专家讲座第48页射频（RF）线圈神经血管线圈