磁共振物理基础.ppt

1、1,磁共振物理基础,濮阳市中医院放射科 王厚革,2,定义,3,磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是利用射频（radio frequency，RF）电磁波对置于磁场中含有自旋不为零的原子核的物质进行激发，发生核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR），用感应线圈采集磁共振信号，按一定数学方法进行处理而建立的一种数字图像。,4,核磁共振现象所涉及原子核 磁磁共振过程发生强大磁体内，并用射频场进行激励产生共振，用梯度场进行空间定位并控制成像。 共振原子核间能量吸收和释放可发生共振。,Li Weihua,A Simple MR Ma

2、chine,North,South,transmit,receive,6,磁共振成像 MRI 是Magnetic Resonance Imaging 的缩写。最早的时候曾称为NMR（Nuclear Magnetic Resonance), 即核磁共振，也就是核磁一词的来源。因为与核医学的放射性同位素有本质的区别，日本科学家提出其国家备受核武器伤害，为表示尊重，就把核字去掉了。,7,8,9,磁共振成像的英文全称正确的是AMagnetic Resonance Image BMagneticResorbent Image CMagnetic Resonance Imaging DMagnetic R

3、esorbent Imaging EMagnestat Resorbent Imaging,10,答案：C,11,历史,12,1946年美国加州大学Bloch和麻省哈佛大学Purcell发现核磁共振现象，并用于化学分析。 60年代 人们用磁共振技术检测了动物体内分布的氢，磷，氮的 NMR 信号，开始了对生物组织的化学分析研究。 1971年美国纽约州立大学Damadian发现老鼠正常组织与癌变组织氢原子核弛豫时间不同，肿瘤的T1、T2时间延长。 1972年纽约州立大学 Lauterbur 首先提出了利用磁场和射频相结合的方法来获得核磁共振 图像（两个充水试管MR像）。,13,布洛赫 (Felix

4、 Bloch),帕塞尔 (Edward Purcell),14,1973年Lauterbur用反投影法完成MRI实验室成像的工作。 1974年Lauterbur 做出活鼠MR像。 1977年英国阿伯丁大学的Hinshow和Bottomley取得了第一幅人手腕关节剖面MR像。 Damadian 获得胸部 MR 像。 1978年英国阿伯丁大学Mallard取得了人体头部的磁共振图像。 1980年完成了MRI全身扫描。,15,1989年 国产 MR 机商品化。 1993年 至今，MR 机更新换代发展迅速， 目前已形成以下几种形式： 综合型（0.3T3.0T临床） 开放式（OPEN以低场为主） 专业型

5、（神经、心脏、骨关节、乳腺等） 超高场机型（4.0T、7.0T、8.0T、9.4 T 、17.6T 研究） 超高速型（扫描成像速度极快、亚毫秒级，具有MR实时成像及多种功能）,16,核磁共振空间定位方法开拓者劳特伯 (Paul Lauterbur),磁共振 EPI 序列发明者曼斯菲尔德 ( Peter Mansfield ),17,18,19,第一幅头部MR图像是哪一年获取的？ A、1946年 B、1952年 C、1972年 D、1977年 E、1978年,20,答案E,21,原子,22,一、原子的结构： 原子是由原子核及位于其周围轨道中的电子构成的，电子带有负电荷。原子核由中子和质子构成，中

6、子不带电荷，质子带有正电荷。,23,24,25,二、用于人体磁共振成像的原子核： 用于人体磁共振成像的原子核为质子（1H），选择1H的理由有： （1）1H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； （2）1H的磁化率在人体磁性原子核中是最高的。 1H是氢原子核，仅有一个质子而没有中子，由于人体MR图像一般采用1H作为成像对象，因此除非特殊说明，一般所指的MR图像即为1H的共振图像。,26,具备磁共振研究的其他奇数质子元素,27,三、自旋和核磁的概念： 1、自旋： 任何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，我们把原子核的这一特性称为自旋。 2、核磁： 由于

7、原子核带有正电荷，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原子核自旋产生的磁场称为核磁。,28,29,四、磁性和非磁性原子核： 1、非磁性原子核： 如果原子核内的质子数和中子数均为偶数，则这种原子核的自旋并不产生核磁，我们称这种原子核为非磁性原子核。 2、磁性原子核： 我们把自旋运动能够产生核磁的原子核称为磁性原子核。,30,磁性原子核需要符合以下条件： （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。,31,32,五、人体组织MRI信号的主要来源： 人体内的水分子可以分为自由水和结合水两种。 结合水是

8、细胞中和其他物质结合在一起的水，细胞中大部分的水以游离的形式存在，可以自由流动，我们称为自由水。两者可以互相转换，处于动态平衡之中。,33,需要指出，并非所有质子都产生MRI信号，常规MRI信号主要源于水分子中的质子，部分组织的信号也可来源于脂肪中的质子。,34,35,36,在一定条件下结合水和蛋白质也可以影响自由水的弛豫而改变组织的信号强度。 结合水较易接受自由水释放的能量 加快组织的纵向弛豫 在t1wi，结合水越多，组织信号越高。,37,38,静磁场,39,一、MRI系统的坐标系 按B0方向，MRI磁体分纵向磁场磁体和横向磁场磁体，超导磁体都采用纵向磁场。 纵向磁场系统，Z轴定义为磁体的轴

9、向，Z轴与被检者体轴平行。,40,41,42,43,44,45,46,二、进入主磁场前人体内质子的核磁状态 进入主磁场前，小磁场的排列是随机无序（即杂乱无章）的，使每个质子产生的磁化矢量相互抵消。,47,48,三、进入主磁场后人体内质子的核磁状态 进入主磁场后，质子产生的小磁场有两种排列方式， 1、与主磁场方向平行且方向相同低能级。 2、与主磁场平行但方向相反高能级。 3、处于平行同向的质子略多于处于平行反向的质子宏观纵向磁化矢量。,49,50,处于高能级太费劲，并非人人能做到,51,四、进动和进动频率： 1、进动（precession） ： 处于主磁场的质子，除了自旋运动外，还绕着主磁场轴进

10、行旋转摆动，称为进动。,52,53,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。 进动是在B0存在时出现的，所以进动与B0密切相关。外加磁场的大小决定着磁矩与B0轴的角度，磁场越强大，角度越小，B0方向上的磁矩值就会越大，因此可用来进行磁共振的信号会越强，图像结果会更好。,54,2、进动频率（precession frequency） ： 质子进动的频率非常快，每秒进动的次数称“进动频率” 。,55,56,57,五、静磁场中的宏观效应： 1、小磁场的矢量分解： 由于进动的存在，质子自旋产生小磁场又可以分解

11、成两个部分： 一部分为方向恒定的纵向磁化分矢量，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； 另一部分为以主磁场方向（B0）即Z轴为轴心，在X、Y平面旋转的横向磁化分矢量。,58,59,【附】 向量 代表一种数量值和方向。向量不仅用于物理学中的力，也表示磁场的大小和方向。 向量可被分解为分向量。,60,简单向量,Z,X,Mz,Mx,M,y,61,2、静磁场中的宏观效应： （1）纵向磁化矢量（ longitudinal magnetization ，MZ）： 小磁场的纵向磁化分矢量，处于低能级的数目略多于处于高能级的那一小部份质子，相互叠加产生一净的宏观磁化矢量。方向与B0相同

12、，称为纵向磁化矢量。,62,63,（2）横向磁化矢量（transverse magnetization 。MXY ） ： 小磁场的横向磁化分矢量绕Z轴旋转， 由于相位不同，磁化矢量相互抵消，因而没有宏观横向磁化矢量产生。,64,横向磁化矢量相互抵消，数量为量,65,因此，人体进入主磁场后被磁化了，但没有宏观横向磁化矢量产生，仅产生了宏观的纵向磁化矢量， 然而遗憾的是MRI仪的接收线圈并不能检测到宏观纵向磁化矢量，接受线圈能够检测到的是旋转的宏观横向磁化矢量，因为旋转的宏观横向磁化矢量可以切割接收线圈产生电信号。 宏观横向磁化矢量的产生靠射频脉冲来实现，这将在下面讲到。,66,磁共振探测不到纵向

13、磁化矢量，但能检测到旋转的横向磁化矢量,67,68,射频场,69,一、共振的概念和磁共振现象 1、共振的概念（经典力学）： 物理学上，共振被定义为能量从一个振动着的物体传递到另一个物体，而后者以前者相同的频率振动。从这个概念可以看出，共振的条件是相同的频率，实质是能量的传递。,70,71,2、磁共振现象（量子力学）： 如果我们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。,72,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

14、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。,73,共振现象的三个基本条件 (1) 必须有一个主动振动的频率 (2) 主动振动频率与被动振动的物体固有 频率必须相同 (3) 主动振动物体具有一定强度并与被振动物体保持一定距离,74,二、射频脉冲的概念： 1、电磁波： 射频脉冲是一种电磁波，在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；交变电流通过导体，导体周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。,75,76,2、射频及脉冲： 射频：在电磁波频率低于100khz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输，但电磁波频率高于100khz

15、时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远距离传输能力，我们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频； 脉冲：在短持续时间内突变，随后又迅速返回其初始值的物理量称之为脉冲。,77,78,3、磁共振中的射频脉冲： MRI中的射频脉冲必须具备条件：射频脉冲的频率与质子的旋进频率相同。 已知B0及1H的值，可根据拉莫尔方程计算出使B0中的1H产生共振所需要的RF脉冲频率。,79,三、射频场的作用 1RF脉冲作用 向B0内的1H施加有拉莫尔频率的RF脉冲，发生MR后产生两个作用： （1） MZ变小： 低能级质子吸收RF脉冲能量后跃迁到高能级，使在B0中排列方向由同向变为反向，抵消相

16、同数目低能级质子的磁力，MZ变小。,80,（2）形成横向磁化矢量： 受RF脉冲的磁化作用，旋进质子趋向于射频磁场方向变为同步、同速运动，即处于“同相”（inphase）。在XY平面上叠加起来，形成横向磁化（transversemagnetization）矢量MXY，MXY继续绕Z轴旋进。新的M0偏离了Z轴。,81,82,83,2共振信号的产生 获得的MXY不与B0叠加在一起， 由于MXY的旋进，相当于线圈内磁场大小和方向的变化。根据法拉第电磁感应原理，通过闭合回路的磁通量发生变化时，产生感应电压。在线圈两端会感应出交流电动势，这个电动势即为线圈接收到的MR信号，该信号同样具有旋进频率。 通过在

17、XY平面设置接收线圈测定可得组织的MR信号（MXY）。,84,四、射频脉冲的方式 射频脉冲是一个在XY平面的旋转磁场B1，磁场方向垂直于Z轴，沿XY平面以拉莫尔频率转动。 在B1的作用下，M开始绕B1轴旋进，结果由Z轴逐渐向XY平面靠近； 在B0的作用下，M还要绕B0轴旋进。 在B0和B1的双重作用下，M运动轨迹为螺旋线形，该运动方式称为“章动”。,85,86,RF脉冲发射结束时章动后的M与Z轴之间有一个夹角，称为翻转角（flipangle）。 的大小与RF脉冲的强度及其持续时间成正比。 使M翻转到XY平面的RF脉冲称90脉冲； 使M翻转到B0反方向上的RF脉冲称180脉冲。 使M偏离B0角的

18、RF脉冲称角脉冲。,87,88,五、90度射频脉冲的微观和宏观效应 如前一节所述，接收线圈仅能接收旋转的宏观横向磁化矢量，因此在MR成像中必须有宏观横向磁化矢量的产生。在各种角度的射频脉冲中，90度射频脉冲产生的横向宏观磁化矢量最大。90度脉冲是MRI序列中最常用的射频脉冲之一，让我们来看看90度脉冲激发后的微观效应。,89,图7所示为90度脉冲的微观效应。从微观上讲，90度脉冲的效应可以分解成两个部分来理解： （1） 90度脉冲使处于低能级多出处于高能级的那部分质子，有一半获得能量进入高能级状态，这就使处于低能级和高能级的质子数目完全相同，两个方向的纵向磁化分矢量相互抵消，因此宏观纵向磁化矢

19、量等于零。,90,（2）90度脉冲前，质子的横向磁化分矢量相位不同，90度脉冲可使质子的横向磁化分矢量处于同一相位，因而产生了一个最大旋转宏观横向磁化矢量。,91,Z,Z,Z,X,X,X,Y,Y,Y,900 脉冲后,纵向磁化,横向磁化,92,90脉冲激发后所产生的横向宏观磁化矢量的大小与脉冲激发前（即平衡状态下）的宏观纵向磁化矢量的大小有关。宏观纵向磁化矢量越大，90脉冲激发后产生的宏观横向磁化矢量越大，MR信号就越强；宏观纵向磁化矢量越小，90脉冲激发后产生的旋转宏观横向磁化矢量越小，MR信号就越弱。,93,在本章第三节我们已经提到，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

20、密度）有关，由于90脉冲能够使宏观纵向磁化矢量偏转到X、Y平面，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了。但是仅区分不同组织的质子含量差别，对于临床诊断来说是远远不够的，所以我们一般不是在90脉冲后马上采集MR信号，而是在90脉冲关闭后等待一定时间再进行信号采集。即下面要谈到的弛豫。,94,梯度场,95,一、对梯度磁场的理解： 梯度指一个空间位置函数（物理量的变化率）。 梯度磁场沿直角坐标系某坐标方向呈线性变化的磁场。 梯度磁场是一个很弱的磁场，其峰值一般在1025mT/m（新型的高档机要高些），梯度磁场是由置于磁体内的额外的梯度线圈产生的。 与高度均匀的B0不同

21、的是，梯度磁场具有空间位置依赖性，即在一定方向上梯度磁场强度随空间位置的变化而不同。,Li Weihua,Z-Gradient,Li Weihua,y,x - gradient,y - gradient,98,99,二、梯度线圈的主要性能指标： 1、梯度场强： 梯度场强是指单位长度内磁场强度的差别，通常用每米长度内磁场强度差别的毫特斯拉量（mT/M）来表示。 位于磁场内的梯度线圈一般为成对线圈，每对线圈内的电流大小相等，极性相反。一对线圈在一个方向上产生一个强度呈线性变化的梯度磁场，一个线圈产生的磁场使B0增加一定的强度，而另一个线圈则使B0减小同样的程度。,100,101,102,2、切换率

22、： 切换率（slew rate）是指单位时间及单位长度内的梯度磁场强度变化量，常用每秒每米长度内磁场强度变化的毫特斯拉量（mT/M.S）来表示，切换率越高表明梯度磁场变化越快，也即梯度线圈通电后梯度磁场达到预设值所需要时间（爬升时间）越短。,103,104,三、梯度线圈的作用： （1）进行MRI信号的空间定位编码； （2）产生MR回波（梯度回波）； （3）施加扩散加权梯度场； （4）进行流动补偿； （5）进行流动液体的流速相位编码。梯度线圈由X、Y、Z轴三个线圈构成（在MR成像技术中，把主磁场方向定义为Z轴方向，与Z轴方向垂直的平面为XY平面）。 本节主要讲解MRI信号的空间定位编码,105,

23、在FT成像中使用三个正交方向的梯度磁场进行空间定位： 一个方向的梯度用于RF脉冲选择性的激 发一个层面内质子的自旋； 第二个梯度对沿层面内一个方向的MR 信号进行频率空间编码； 第三个梯度对沿层面内另一个方向的MR信号进行相位空间编码。,106,一般层面选择方向为Z，频率编码方向为X，相位编码方向为Y。对于不同方向的层面，X、Y、Z的取向是不同的。 1）层面选择梯度Gz； （横轴位 ） 2）频率编码梯度Gx； （矢状位 ） 3）相位编码梯度Gy； （冠状位 ）,107,四、层面选择梯度 层面选择（slice selection）是通过三个梯度的不同组合来实现的。如果在使用平面选择梯度G的同时发

24、射特定频率的RF脉冲，则只有对应于那个频率的平面内的质子发生共振。 被激发的质子的位置依赖于RF脉冲的频率，通过增加或减少RF脉冲的频率可以移动被激发平面的位置。 短时发射的RF脉冲是由一定范围的频率构成的，这个频率范围称作脉冲的带宽。,108,如使用42.68MHz的射频脉冲，虽然整个头部受到激发，仅能使一个横断层面相应位置的质子受到激发。,109,在检查部位与层面选择梯度线圈的相对位置保持不变的情况下，层面和层厚受梯度场和射频脉冲影响的规律如下： （1）梯度场不变，射频脉冲的频率增加，则层面的位置向梯度场高的一侧移动； （2）梯度场不变，射频脉冲的带宽加宽，层厚增厚； （3）射频脉冲的带宽

25、不变，梯度场的场强增加，层厚变薄。,110,梯度场不变，射频脉冲的频率增加， 则层面的位置向梯度场高的一侧移动；,111,梯度场不变，射频脉冲的带宽加宽， 层厚增厚,112,射频脉冲的带宽不变，梯度场的场强增加， 层厚变薄。,113,如欲行矢状位断层，施加的梯度磁场是： AGx BGy CGz DGx+Gy EGy+Gz,114,答案A,115,五、频率编码： 在完成了层面选择后我们还必须进行层面内的空间定位编码。层面内的空间定位编码包括频率编码和相位编码。我们先介绍频率编码。,116,1、三棱镜： 三棱镜能从无色的太阳光中分辨出七种有色的光线，因为无色的太阳光中本身就带有这七种频率的光线，只

26、是各种频率的光线混杂在一起无法分辨而已。,117,118,2、傅里叶变换： 与三棱镜原理相似，首先让来自不同位置的MR信号包含有不同的频率，采集到混杂有不同频率的MR信号后，通过傅里叶变换就能解码出不同频率的MR信号，而不同的频率代表不同的位置。,119,120,六、相位编码在前后方向上施加了频率编码梯度场后，经傅里叶转换的MR信号仅完成了前后方向的空间信息编码，而左右方向上的空间定位编码并未能实现。我们必须对左右方向的空间信息进行相位编码，才能完成层面内的二维定位。,121,和频率编码一样，相位编码也使用梯度场，但与频率编码梯度场不同的是： （1）梯度场施加方向不同，应该施加在频率编码的垂直

27、方向上。 （2）施加的时刻不同，频率编码必须在MR信号采集的同时施加，而相位编码梯度场必须在信号采集前施加。,122,（3）傅里叶转换区分不同频率的MR信号能力很强，区分MR信号相位差别的能力较差，只能区分相位相差180度的MR信号。所以MR信号的相位编码需要多次重复进行，不同的相位编码梯度场得到的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，才能重建出空间分辨力合乎要求的图像。,123,124,相位编码将导致Y轴上的像素（） A、相位不同，频率相同 B、相位相同，频率相同 C、相位不同，频率不同 D、相位相同，频率不同 E、与频率和相位无关,125,答案B,

28、126,七、三维采集的空间编码： 三维MRI的空间定位与二维MRI有所不同。三维MRI的激发和采集不是针对层面，而是针对整个成像容积进行的。由于脉冲的激发和采集是针对整个容积范围进行的，为了获得薄层的图像，必须在层面方向上进行空间定位编码。,127,三维采集技术的层面方向空间编码也采用相位编码，一个容积需要分为几层，就必需进行几个步级的相位编码。如图像的矩阵为128128，容积内分为20层，则层面内的相位编码步级为128级，每一级又需要进行20个步级的层面方向的相位编码，实际上总的相位编码步级为2560（12820）。,128,弛豫,129,一、弛豫的概念 1、平衡态：人体进入B0后形成并保持

29、稳定的MZ的状态。但是一种动态平衡，处于高、低两种能级的质子之间不断地交换。 2、激发态：系统吸收射频能量后的不稳定状态。 3、“弛豫”（relaxation）：系统由激发态恢复至平衡状态的过程。,130,弛豫过程中同步发生： 纵向弛豫（longitudinal relaxation）：纵向磁化矢量MZ逐步恢复的过程； 横向弛豫（transverse relaxation）：横向磁化矢量MXY逐步消失的过程。,131,下列有关弛豫的表述，正确的是 A、RF脉冲关闭后，宏观MXY指数式衰减被称为横向驰豫 B、横向驰豫的原因是同相进动的质子失相位 C、同一组织的纵向驰豫速度快于横向弛豫 D、纵向弛

30、豫越快的组织T1值越长 E、T2值越长说明组织横向弛豫越快,132,答案：A,133,二、自由感应衰减（free induction decay，FID）： 1、概念： 90脉冲后弛豫过程中，由于T2弛豫的影响，MXY随时间衰减，磁共振信号呈指数曲线形式衰减的这个信号称为自由感应衰减（free induction decay，FID），也称T2*弛豫。,134,2、原因： （1）质子周围磁环境随机波动： 每个质子都暴露在周围无数个其他原子核和电子的磁环境中，而周围这些带电粒子一直处于热运动状态，这样质子感受到的磁场就会有轻微波动，且这种波动是随机的，由于质子周围磁环境的这种随机的轻微波动，各个

31、质子所感受到的磁场就会有差别，也就造成了质子之间的进动频率出现差别，其结果引起质子逐渐的失相位，宏观横向磁化矢量逐渐衰减；,135,（2）主磁场的不均匀： 尽管我们追求主磁场的绝对均匀，但实际上这是不可能，主磁场总是一定程度的不均匀，这种不均匀性一般认为是较为恒定的，也就是说某处一直轻微偏高，而另一处则一直轻微偏低，主磁场的这种不均匀同样会造成质子失相位，引起宏观磁化矢量的衰减。 B0不均匀的影响要比组织本身小磁矩产生的影响大，由于B0不均匀引起的MXY衰减的速度要比单纯由于组织内部磁场不均匀引起的横向磁化衰减速度快得多。这种情况下测得的横向磁化弛豫时间叫做T2*，比T2短得多。,136,a,

32、b,c,137,138,三、横向弛豫： 1、概念： 前面讲到，由于B0不均匀引起的MXY衰减的速度要比单纯由于组织内部磁场不均匀引起的横向磁化衰减速度快得多。只有剔除了主磁场不均匀的影响（利用180复相脉冲，详见SE序列），质子周围其他磁性原子核的随机运动引起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，也称自旋自旋弛豫（ spin-spin relaxation ） 。横向弛豫过程没有能量交换，是不同质子的进动失去同步、同速，即失去相位一致性。,139,2、横向弛豫时间T2 T2=横向磁化矢量减少到最大值的37%的时间。 T2过程公式：(4-6) t为弛豫时间。 t=T2时，即MX

33、Y衰减至最大值的37%时所经历的时间等于T2值。 4-5倍T2时间横向磁化矢量完全消失。,140,3、影响T2因素 （1）组织的成份和结构：大小不同，自旋-自旋作用的强度和时间不同，T2弛豫的速度也不同。小分子（如纯水）的分子运动很快，质子维持处于同相的状态的时间可较长，T2值较长；大分子物质分子运动较慢，质子处于同相状态维持时间较短，T2值即较短。 （2）即便是同一组织，在不同的主磁场场强下，T2值也会发生改变，一般场强越高，组织的T2值越短。但组织的T2值受主磁场场强的影响不如T1值受后者的影响大。,141,142,143,四、纵向弛豫： 1、概念： 射频脉冲的作用是使低能级的质子获能跃迁

34、到高能级，即发生核磁共振现象。纵向弛豫为其反过程，即获能后处于高能级的质子释放出能量回到低能级。 我们反RF脉冲停止后，MZ由最小恢复到原来大小的过程称纵向弛豫。磁共振物理学中，常把质子周围的分子称为晶格，因此纵向弛豫也称自旋-晶格弛豫（spin-lattice relaxation ）或T1弛豫 。,144,2、纵向弛豫时间： 纵向弛豫时间T1：T1=纵向磁化矢量从最小值恢复到平衡态磁化矢量63%的时间。 纵向弛豫过程：(4-5) MZ为t时刻的纵向磁化矢量值，M0为平衡态的纵向磁化矢量值，t为弛豫时间。 当t=T1时，MZ=M0(1e-1)=M063%。 4-5倍T1时间横向磁化矢量完全消

35、失。,145,3、影响T1因素 （1）纵向弛豫时间T1具有场强依赖性。 在较强磁场中质子的进动频率较快，同种组织，B0的场强越高，T1就越长；反之则短。 （2）T1与组织分子的大小有关。 中等大小的分子（脂肪分子）弛豫较快，T1较短； 大分子（蛋白质）的热运动频率较慢，水和蛋白的弛豫较慢，T1较长。,146,（3）T1与与其周围分子的自由运动频率有关。 高能级的质子释放能量的速度与其周围分子的自由运动频率有关，周围分子的自由运动频率与质子的进动频率越接近，能量的释放越快，组织的纵向弛豫就越快。周围分子的自由运动频率明显高于或低于质子的进动频率，则这种能量释放很慢，组织的纵向弛豫所需时间就很长。

36、,147,4、“饱和”的概念 射频脉冲激发后，纵向磁化矢量MZ被翻转，然后MZ会慢慢恢复，但如果射频脉冲之间的时间t间隔过短，则MZ仅有部分恢复，称作部分饱和，组织信号有所降低； 若纵向磁化MZ没有恢复，称作完全饱和，组织信号为零。,148,149,五、T1值和T2值比较 纵向弛豫和横向弛豫是同时发生的，T2值比T1值短，短多少依赖于组织的物理和化学结构。 纯水中，T2值接近于T1值； 在多数组织中，T2值比T1值短得多。,150,T2弛豫比T1弛豫快得多,151,152,153,关于纵向弛豫的描述，不正确的是： A又称自旋晶格弛豫 B纵向磁化矢量由零恢复到最大值 C横向磁化矢量由最大值降到零

37、 D与T2弛豫时间有关 E与T1弛豫时间有关,154,答案B,155,加权,156,前面几节我们已经知道，不同的组织存在质子含量（质子密度）的差别、T1值差别及T2值的差别，这正是常规MRI能够显示正常解剖结构及病变的基础。下面我们看看如果利用不同组织间的这些差别来显示解剖和病变。,157,一、“加权”的含义： 所谓加权即“突出重点”的意思，也即重点突出某方面特性。之所以要加权是因为在一般的成像过程中，组织的各方面特性（例如：质子密度、T1值、T2值）均对MR信号有贡献，几乎不可能得到仅纯粹反映组织一个特性的MR图像，我们可以利用成像参数的调整，使图像主要反映组织某方面特性，而尽量抑制组织其他

38、特性对MR信号的影响，这就是“加权”。,Li Weihua,T1,T2,T1,T2,无加权,T1加权时,加权的概念,159,T1加权成像（T1-weighted imaging，T1WI）是指这种成像方法重点突出组织纵向弛豫差别，而尽量减少组织其他特性如横向弛豫等对图像的影响； T2加权成像（T2-weighted imaging，T2WI）重点突出组织的横向弛豫差别； 质子密度（proton density，PD）图像则主要反映组织的质子含量差别。,160,二、质子密度加权成像： 质子密度图主要反映不同组织间质子含量的差别。质子密度图很容易实现，以甲、乙两种组织为例，甲组织质子含量高于乙质子

39、，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（图12a）；90脉冲后甲组织产生的旋转宏观横向磁化矢量就大于乙组织（图12b），这时马上检测MR信号，甲组织产生的MR信号将高于乙组织（图12c）。即质子密度越高，MR信号强度越大，这就是质子密度加权成像。,161,a,b,c,162,三、T2加权成像： T2WI主要反映组织横向弛豫的差别。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（图13a），90脉冲后产生的宏观横向磁化矢量的大小也相同

40、（图13b），,163,我们不马上检测MR信号；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（图13c），这时检测MR信号，甲组织的MR信号强度将高于乙组织（图13d），这样就实现了T2WI。在T2WI上，组织的T2值越大，其MR信号强度越大。,164,a,b,c,d,165,四、T1加权成像： T1WI主要反映组织纵向弛豫的差别。我们还是以甲、乙两种组织为例，假设这两种组织质子密度相同，但甲组织的纵向弛豫比乙组织快（即甲组织的T1值短于乙组织）。进入主磁场后由于质子密度一样，甲乙两种

41、组织产生的纵向磁化矢量大小相同（图14a），90脉冲后产生的宏观横向磁化矢量的大小也相同，我们先不去理会这种横向磁化矢量，也不马上检测MR信号。,166,射频脉冲关闭后，甲乙两种组织将发生纵向弛豫，由于甲组织的纵向弛豫比乙组织快，过一定时间以后，甲组织已经恢复的宏观纵向磁化矢量将大于乙组织（图14b）。由于接收线圈不能检测到这种纵向磁化矢量的差别，必须使用第二个90脉冲。,167,第二个90脉冲后，甲、乙两组织的宏观纵向磁化矢量将发生偏转，产生宏观横向磁化矢量，因为这时甲组织的纵向磁化矢量大于乙组织，其产生的横向磁化矢量将大于乙组织（图14c），这时马上检测MR信号，甲组织产生的MR信号将高于

42、乙组织（图14d），这样就实现了T1WI。在T1WI上，组织的T1值越小，其MR信号强度越大。,168,a,b,c,d,169,K空间,170,K空间实际上是个数学概念，比较复杂。对于放射科医师来说，只需要了解一些K空间的基本概念和重要特征。K空间的概念对于理解MR成像技术，特别是快速成像技术至关重要。,171,一、K空间的基本概念： 1、K空间： 也称傅里叶空间，是带有空间定位编码信息的MR信号原始数据的填充空间。 2、K空间线： 带有空间信息的MR信号称为相位编码线，也称K空间线或傅里叶线。,172,3、 K-空间轨迹： K-空间中各点的数据是沿一定轨迹的顺序填充的，这种按某种顺序填充数据

43、的方式称为K-空间轨迹（傅里叶线），K-空间的填充轨迹代表了成像中MR信号的采集过程。,173,174,二、K空间的基本特性： 1、填充K空间中央区域的相位编码线主要决定图像的对比，而填充K空间周边区域的相位编码线主要决定图像的解剖细节。,175,176,177,178,2、 K空间在Kx和Ky方向上都呈现镜像对称的特性。 3、 K空间阵列中每一个点上的信息均含有全层MR信息，而图像阵列中的每个点（即像素）的信息仅对应层面内相应体素的信息。,179,180,181,下列关于K空间特性的表述，错误的是（） A、K空间某一点的信息，代表图像上相应部位的组织信息 B、K空间在相位编码方向镜像对称 C

44、、K空间在频率编码方向也是对称的 D、K空间中心区域的信息代表图像的对比 E、K空间周边部分的信息代表图像的解剖细节,182,答案A,183,三、K空间的填充方式： 1、循序对称填充： 最常用。常规MRI序列中，K空间最常采用的填充方式为。 2、中央优先采集技术： 即扫描一开始先编码和采集填充Ky0附近的一部分相位编码线，决定图像的对比，然后再采集决定图像解剖细节的K空间周边的相位编码线。 3、其他： 迂回轨迹、放射状轨迹和螺旋状轨迹等其他多种填充方式。,184,4、半傅里叶采集方式： 半傅里叶采集方式不采集所有的相位编码行，仅采集正相位编码行、零编码以及少数几个负相位编码行的数据，然后利用-

45、空间数学对称原理对正相位编码数据进行复制，最终由采集数据及复制的数据重建成一幅完整图像。因仅采集一半多一点的数据，所以扫描时间降低了近一半。,185,有关K空间填充方式的描述，错误的是（） A、螺旋式填充 B、放射状填充 C、逐点填充 D、逐行填充 E、混合式填充,186,答案c,187,188,189,190,191,192,与空间定位无关的技术是： AGx BGy CGz DBo E傅立叶变换,193,答案D,194,磁共振信号,195,一、磁共振信号的产生过程： 1.人体未进入静磁场，体内氢质子群磁矩自然无规律排列； 2. 进入静磁场，所有自旋的氢质子重新排列定向，磁矩指向 N 或 S 极； 3. 通过射频线圈与静磁场垂直方向施加射频脉冲，受检部位氢质子吸收能量并向一个方向偏转和自旋；,196,4. 射频脉冲停止，核磁弛豫开始，氢质子释 放吸收的能量重新回到原来自旋的方向； 5. 释放的电磁能转化为磁共振信号； 6. 经梯度磁场做层面选择和相位编码及频率编码； 7. 经傅立叶转换和计算机处理形成图像。 8