磁共振成像原理

磁共振成像原理MRI简介磁共振成像（MRI，magneticresonanceimaging）是根据生物体磁性核（氢核）在磁场中的表现特性成像的高新技术。二十余年来，随着超导技术、低温技术、磁体技术、电子技术、成像技术和计算机等相关技术的进步，MRI技术得到了飞速发展。如今，它已广泛应用于临床，成为现代医学影像领域中不可缺少的一员。磁共振成像的物理基础为核磁共振（NMR，nuclearmagneticresonance）理论。所谓NMR，是指与物质磁性核磁场有关的共振现象，也可以说它是低能量电磁波，即射频波与既有角动量又有磁矩的核系统在外界磁场中相互作用所表现出来的共振特性。NMR的本质为一种能级间跃迁的量子效应。实验结果表明，利用这一现象可以研究物质的微观结构。据此，人们以不同的射频脉冲序列对生物组织进行激励，并利用线圈检测组织的弛豫和质子密度信息，就出现了MRI技术。正因为这样，磁共振成像曾被称为核磁共振成像（NMRI）。单数质子原子核的特点原子核—质子、中子单数质子的原子核具有自旋特性，即具有磁性如1H、31P、23Na只有具有磁性的原子核才能产生磁共振现象磁性原子核绕着自己的轴进行高速旋转的特性为自旋，由于质子带有正电荷，随之旋转的电荷则产生电流，即质子的转动就相当于一个环形电流。根据基础的电磁理论我们知道，通电的环形线圈周围都有磁场存在，相当于一块磁铁，所以转动的质子也相当于一个小磁体，具有自身的南北极及磁力，质子自身具有磁性，在其周围产生磁场并具有自身磁矩。磁矩是矢量，具有方向和大小，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用于人体磁共振成像的原子核人体内有许多磁性原子核，理论上这些原子核均可用于磁共振成像，但一般用于人体磁共振成像的为1H，1H只有一个质子而没有中子，被称为氢质子或质子。氢质子的摩尔浓度最高为99，第二位的14N为1.6，1H的磁化率最高，因此：1.1H是人体内最多的原子核，占人体原子核总数的2／3，因此可以产生较强的磁共振信号。2.1H的磁化率在人体最高，也可以产生较强的磁共振信号3.1H存在于人体的各种组织中，具有生物代表性。人体组织MRI信号的主要来源并非所有的H都能产生MRI信号，常规MRI信号来源于水分子中的H，部分来自脂肪人体组织的水分子分为自由水和结合水，结合水为蛋白质大分子周围水化层的水分子，其粘附在蛋白质大分子部分集团上，与蛋白质大分子不同程度结合在一起。自由水为未和蛋白质大分子粘合在一起，活动充分自由的水分子。人体的自由水和结合水可以互换，处于平衡状态。不同分子的H进动频率存在差别，蛋白质大分子中H的进动频率大多偏离MRI的中心频率，一般情况下不能被射频脉冲激发，不产生信号。对于不含脂肪的组织，其MRI信号直接来源是自由水，结合水和蛋白质都不直接产生信号正常人体内由于氢质子排列无序，虽然具有若干氢质子，人体并无磁场存在。杂乱无章的氢质子净磁矩为0置入静磁场内的人体磁场将人体置入一个强大的静磁场内，人体内氢质子随之整齐排列，形成磁矩（有方向有强度的磁场）。进入主磁场的小磁场有两种排列方式，一种为与主磁场方向相同（低能级质子受主磁场约束），另一种与主磁场方向相反（高能级质子可以对抗主磁场的作用）。与主磁场方向相同的小磁场数目大于与主磁场方向相反的数目，所以人体组织内产生了一个与主磁场方向一致的宏观纵向磁化矢量质子的运动方式与进动频率运动方式：自旋、进动进动频率取决于：元素种类、外加磁场强度进入主磁场后无论是处于低能级还是处于高能级的质子，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。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，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，我们把氢质子的这种旋转摆动称为进动。由于进动的存在，质子自旋产生的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。质子的纵向磁化分矢量的方向是不变的，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，其横向磁化矢量在XY平面作旋转，因此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。人体组织进入主磁场后被磁化了，产生了宏观的纵向磁化矢量，某一组织（或体素）产生的宏观纵向矢量的大小与其含有的质子数有关，质子含量越高产生宏观纵向磁化矢量越大。但是相对强度很大的主磁场来说组织产生的宏观纵向磁化矢量是非常微小的，MR接收线圈不能检测到宏观纵向磁化矢量，也就不能区分不同组织之间因质子含量差别而产生的宏观纵向磁化矢量的差别。磁共振信号的探测，利用发电机的原理，磁力线切割线圈，产生电流，把动能转化为电能。但是进入主磁场后人体组织产生的宏观纵向磁化矢量保持稳定，其方向不发生变化，不会切割接收线圈而产生电信号，而如果组织中有一个旋转的宏观横向磁化矢量，它切割线圈而产生电信号，因此接收线圈能够探测到的是旋转的宏观横向磁化矢量。如何让人体组织产生一个接收线圈能够探测到的旋转宏观横向磁化矢量呢？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，其获得能量后将跃迁至高能级，我们把这种现象称为磁共振现象（微观角度）。从宏观角度来说，磁共振现象的结果是使宏观纵向磁化矢量发生偏转，偏转角度与射频脉冲能量有关，能量越大偏转角度越大。如果射频脉冲使宏观纵向磁化矢量偏转的角度小于90°，称这种脉冲为小角度脉冲。当射频脉冲的能量刚好可以使宏观纵向磁化矢量偏转90°，即完全偏转到X、Y平面并产生一个最大的旋转宏观横向磁化矢量，我们称该脉冲为90°脉冲。射频脉冲最大可发射180°，将磁化矢量偏转至反向。射频磁场的作用向外磁场内的氢质子施加具有Larmor频率的RF脉冲发生磁共振后，产生两个同时发生的作用：1.低能级的质子吸收RF脉冲的能量跃迁到高能级，使之在外磁场中排列方向由同向平行变为反向平行，进而抵消了相同数目低能级质子的磁力，纵向磁化矢量Mz变小2.受射频脉冲磁场磁化作用，进动的质子趋向射频脉冲磁场方向而变为同步同速运动，即处于同相位核磁弛豫以90°射频脉冲为例，当90°脉冲关闭，组织的宏观横向磁化矢量从最大逐渐缩小至完全衰减，而纵向宏观磁化矢量从零逐渐恢复至最大即平衡状态。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至消失，称为横向弛豫2.纵向磁化矢量逐渐恢复至最大（平衡状态）称为纵向弛豫一般用T1值描述组织的纵向弛豫的快慢。90°射频脉冲关闭后某组织宏观纵向磁化矢量为零时刻为起点，至其恢复至最大值63％为终点，这之间的时间间隔即为该组织的T1值。一般用T2值来，描述组织横向弛豫的快慢。以宏观横向磁化矢量最大时刻为起点，至其衰减至最大值37％为终点，这之间的间隔时间即为该组织的T2值。磁共振加权成像加权就是“重点突出”的意思，就是重点突出组织某方面特性的意思。T1加权成像（T1WI)是指图像中组织信号强度的高低主要反映组织的纵向弛豫差别。T2加权成像（T2WI）是重点突出不同组织之间的横向弛豫差别。质子密度加权成像（PDWI）主要反映单位体积不同组织之间质子含量差别。磁共振信号的空间定位如果能在被检体所在空间内随意改变各点的场强，就可使该空间内各点的共振频率发生变化，从而得到空间信息。通过在静磁场B0上叠加梯度磁场而得以实现。梯度磁场指在一定方向上磁场强度的变化情况。通常为线性梯度，即在一定方向上场强与位置成正比。解剖学中定义了三个标准断面，所以用三个梯度场可以定位。X梯度场建立在主磁场X轴方向上，形成从病人右侧到左侧，强度由低到高呈线性变化的梯度场。Y梯度场建立在磁场Y轴方向上，形成从病人上到下的线性变化梯度磁场。Z梯度场以人体长轴自下而上设计，作用是一端削弱主磁场强度，一端加强其强度。一个梯度场完成层面定位和选择，另外两个完成图像的空间编码。层面选择和层厚选择频率编码前面的层面选择仅确定了被激发采集二维层面的中心位置及其厚度，这时采集的MR信号包含有全层的信息，我们必须把采集的MR信号分配到层面内不同的空间位置上（即各个像素中），才能显示层面内的不同结构。所以必须进行层面内的空间定位编码，频率编码和相位编码。一般以前后方向为频率编码方向，所以在MR信号采集时刻在前后方向施加一个前高后低的梯度场，这样前后方向上的质子因感受到的磁场强度不同，因而进动频率产生差别，我们就可以采集到包含不同频率的空间信息，经傅里叶变换后不同频率的MR信号就被区分出来，分配到前后方向各自的位置上。相位编码经傅里叶变换后MR信号仅完成前后方向的空间信息编码，而左右方向上并未实现。和频率编码一样相位编码也使用梯度场，不同的是（1）梯度场施加方向是在频率编码的垂直方向上，在临床上根据需要相位编码方向和频率编码方向是可以互换的。（2）施加时刻不同，频率编码必须在信号采集过程中同时施加，而相位编码必须在信号采集前施加，信号采集过程中相位编码梯度场必须关闭。（3）一幅图像的每个MR信号的频率编码梯度场方向和大小都是一样的，而各个MR信号的相位编码梯度场强度和（或）方向是不同的。我们在左右方向上施加一个左高右低的相位编码梯度场，这样左右方向上的质子因感受到的磁场强度不同，因而进动频率产生差别，由于进动频率的不同，过一段时间后左右方向不同位置上的氢质子进动的相位将出现一定的差别，这时关闭左右方向的相位编码梯度场，各个位置上氢质子进动频率恢复一致，但前面曾施加过一段时间梯度场造成的氢质子进动相位差被保留下来，这时采集到的MR信号就带有不同的相位信息，通过傅里叶变换可区分出不同相位的MR信号，而不同的相位则代表左右方向上的不同位置，也就完成了左右方向上磁共振信号的空间定位。谢谢！