磁共振成像基本知识1

磁共振成像基本知识连云港市第一人民医院神经科何效兵磁共振成像基本原理磁共振（MagneticResonance）是置于磁场内的某些物质，其原子核吸收和发射出物定频率的射频能量现象，其吸收和释放射频能量的频谱决定于所观察的原子核及其化学环境。磁（Magnet）有三种含义：1．磁共振成像必须有一个较大的磁体产生强大的静磁场（β），常说的0.3T、0.5T就是指β，β恒定不变。2．成像必须在β上按时叠加另外小的梯度磁场与射频磁场。3．运动的质子自旋产生自旋磁场。共振（Resonance）是宏观世界常见的现象，在微观世界中，核子间能量传递也存在共振现象。一、磁共振现象原子核内的质子和中子都有角动量和自旋的特性，成对的质子和中子的自旋作用可相互抵消，能够形成MR的原子核其质子和中子必须为奇数，这样才具有净负荷和角动量，由于净负荷和角动量二者的结合，原子核具有磁偶极子的特性。人体中水的成分占60%，因此，目前临床磁共振成像实际为氢质子像。可以把奇数的质子或中子所形成的偶极子看成是自由悬空的小磁棒，沿其磁轴快速旋转，在没有外加静磁场的作用下，人体中氢核是杂乱无章地沿着自身的轴不断自旋的，当处于静磁场中时，低能状态下的氢核沿外加磁场方向排列，产生净磁化，但自转的氢原子由于力偶的作用，其自旋轴则沿着外加静磁场方向不停地作陀螺样旋转，这一运动被称为进动（而少数高能态氢核取反向），通常把静磁场方向在扫描机内相当于人体的纵轴。氢原子本身的自旋轴与外加磁场方向的夹角为进动角，进动频率ω与外加磁场β成正比，由Larmor频率决定，其公式为：ω=γ×β（ω——进动频率；γ——旋磁比常数；β——静磁场场强）。ω称为Larmor频率，也是氢原子核的共振频率；γ为一个常数，氢核的旋磁比为42.58MHz/T，如果知道β，就可计算出ω。如：0.5T场强ω为42.58×0.5=21.29MHz，静磁场恒定时，Larmor频率也是恒定的。在均匀磁场内，每一个质子的进动速度相同，但并不同步，即它们彼此不在相同的期相内进动，因此垂直于β的磁矢量呈任意排列，且被消除。因而在这种平衡状态下，无横向磁化，只有与β方向一致的纵向磁化。当我们外加一个射频脉冲（RF）于磁场内的一群质子上，而脉冲频率又恰好等于Larmor频率，那么处于静磁场中的氢原子就会产生共振，氢质子吸收能量后发生两种变化：第一，使质子都处在同一相位，即其进动频率不仅相同且在同一相位运动；第二，使处于低能量级的质子跃迁到高能级，而进入高能反平行状态。其结果是使净磁矢量M偏离β，即沿Z轴走行的净磁化发生偏转，偏转的角度取决于射频脉冲的强度和时间，使净磁矢量偏转90°和180°的脉冲，分别称为90°和180°脉冲，当停止射频脉冲时，磁化以指数形式恢复其沿Z轴排列的平衡位置，使脉冲（radiofrequency,RF）引发的两种现象又恢复过来，氢质子又会从高能量状态降到低能量状态，同时发生相位分散，将其吸收的能量以Larmor频率的电磁波形式释放出来，这时就可将这种电磁波接收下来，利用计算机制作形成图像。由此发现，从人体进入静磁场到获得清晰图像，受检部位的每一个氢质子都经历了五个阶段：1．氢质子杂乱无章地自旋运动。2．净磁化。3．外射频脉冲（RF）后氢核吸收能量。4．外加RF停止后氢核释放能量。5．释放的电磁波转化为磁共振信号。二、磁共振图像的形成磁共振图像是人体某一断面的二维黑白图像，像素为256×256或512×512等，层厚一般为2.5~10mm。磁共振信号是怎样变成图像的呢？其关键是加设了较弱的梯度磁场，梯度磁场是指沿着某一特定的方向，其场强从一端至另一端从大到小均一地轻微变化，这样处于静磁场中的个体在加设了梯度场后，沿着梯度场方向上的每一点其场强也会相应地发生均一地轻微变化，其共振频率也会相应地均一轻微变化，其发射的电磁波也会产生均一地轻微变化，这样，对发射某种频率电磁波的那一点就能够通过频率编码推断出来。通常，我们应用的三维梯度磁场，即X、Y、Z轴向的，如图1示。xz决定轴位层面，xy决定冠状层面，zy决定矢位层面。在图像形成过程中，三维梯度场同时使用，那么处于立体坐标系统中的每一点的共振频率都会发生规律性变化，这样每点发射的电磁波也变会发生规律性的变化。在磁共振成像过程中怎样选择层面呢？我们知道，CT是通过扫描床的移动来完成的，而MRI选择层面时，用一束预先决定频率的电磁波去激励，人体中只有与此频率相同的那部分组织被激励而产生共振，这个过程就是层面选择；在实际工作中，磁共振成像是多层面同时选择、多层面成像同时显示的。层面选定后，另外的二维梯度场与选层梯度场是垂直的，这二维梯度场来决定所选层面中各点的共振频率，其中一维通过频率编码定点，另一维与其垂直，在频率编码线上同时给出均一变化的电磁波，则沿着频率编码线上的各点就会产生相位的不同，这个梯度场就称为相位编码梯度场，这个过程就称为相位编码。以上过程决定所选层面中各点共振频率的不同，其发射的电磁波也就不同，这些电磁波通过接收线圈以后传送给计算机，计算机通过二维傅里叶转换，将波幅——时间曲线变为信号强度——频率曲线。因为已经知道每一种频率对应着人体中不同的点，因此计算机就能决定哪一种信号位于什么部位，磁共振图像由此产生。磁共振成像系统磁共振成像扫描机，包括五个系统：1．主磁体（Mainmagnet）2．梯度磁场（Gradientsystem）3．射频发射线圈（RFcoil）4．接受线圈（Receivecoil）5．计算机图像重建系统（Reconstructionsystem）一、主磁体磁体的关键技术要求是均匀度，且在图像制作中场强保持恒定。人们常将场强分为4等：超低：0.02~0.09T；低场：0.1~0.3T；中场：0.3~1.0T；高场：1.0~2.0T。二、梯度磁场主要用于层面选择及空间定位。扫描时，患者听到重复的很重的机械打击声即为梯度场快速开放与关闭的声音。三、射频发射系统四、接受线圈五、计算机图像重建系统扫描参数与脉冲序列一、磁共振成像的主要参数CT与MR图像中的黑与白意义不同，CT中的黑白是反映x射线衰减变化的，而MR中黑白的，决定因素有七个，即：质子密度、T1弛豫时间和T2弛豫时间、流空效应、TR、TE、TI（反转时间）；前四个参数为特定组织的固有特征，后三个参数为操作者应用选择和调节。1．质子密度（ProtonDensity）它是指给定的组织区域中发生共振的质子数量，发生共振的氢质子称为游离质子。质子密度影响信号的强度，氢核多的组织的信号应当很强，但事实上MRI不仅靠氢核的数量，更重要的是氢核的周围环境，即在分子内结合情况，结合紧密的物质，如骨骼信号极弱，呈黑色。相反结合松驰的分子，如液体中的氢，即所谓的游离氢，能产生很强的信号。游离氢的浓度称为自旋密度。各种组织的自旋密度不同，游离氢浓度越高，在平衡状态下的静磁化矢量Mo越强，形成的信号也越强。但在MRI系统中纵向净磁化矢量并不能被收集，所以磁场内人体的氢核在平衡状态下不能获得信号，只有XY平面的静磁矢量才能获得信号，因需用外加射频脉冲将静磁矢量转换到XY平面。在生物组织中这种游离质子的浓度主要与水停含量和脂肪含量有关，反映质子密度和图像称为质子图像，空气和皮质骨因为含游离质子少，信号强度低，MR显示为黑色。2．T1弛豫时间（T-onerelaxationtime）（纵向驰豫时间）（自旋-晶格驰豫时间）当停止射频脉冲后，激发到高能态的质子就要释放能量而回到低能态，相位也恢复到激发前状态，这个过程称弛豫，复原时间称为弛豫时间，可用图2解释。Z轴方向为主磁场方向，其磁化矢量记为Mz，XY平面磁化矢量记为Mxy。当给一个90°的RF，质子偏离主磁场方向转到XY平面，此时Mz为0，而Mxy最大，当射频脉冲停止后，共振的氢质子进动着恢复到原来的状态，恢复平衡后，Mz变为最大，而Mxy变为0，这里Mz由0恢复到63%所需的时间称为T1弛豫时间，与能量传递有关，其驰豫函数为Mz=Mo(1-et/π)。3．T2驰豫时间（T-Tworelaxationtime）又称横向驰豫时间，自旋-自旋驰豫时间。可用图3解释。A．当给一个90°的RF后，共振质子的Mxy达到最大值。B．由于各质子所处的磁场存在轻微不同及运动质子的内在磁场存在，导致进动频率不同。各个运动质子进动快慢不一致，使相位失去一致性，当经过一段时间后，横向磁化强度矢量在xy平面上逐渐分散。C．再经过一段时间后，进动快者与进动慢者相位完全相反，导致横向磁化强度完全丧失。这里Mxy最在到完全丧失时间性即为T2弛豫时间，与相位变化有关，而与能量传递无关，其驰豫函数为Mxy=Mo×et/T2。T1弛豫时间及T2驰豫时间为各特定组织的固有特征，驰豫时间的差别使不同的正常组织之间以及病理组织与正常组织之间形成影像对比而得以识别。举例如下：表各特定组织的固定T1、T2值（0.15T）组织T1（ms）T2（ms）水25002500脂肪17080脑脊液1500260脑灰质500100脑白质350504．流空效应（Flowvoideffect）指的是被射频激发的氢质子在其释放MR信号时，由于流动超出了接受线圈的接收范围即成像区域，未能接收到MR信号，替代的同类物质由于没有被射频场激发，也就没有MR信号产生，因此MRI显示为黑色。流空现象产生的重要因素是流速，如果流速较慢，或被激发的质子又随静脉回流到成像区，均可表现为血管结构的高强度信号，例如动脉瘤中的湍流现象（回流）及上矢状窦中常见的高强度信号（慢）。二、脉冲序列（PulseSequence）脉冲序列是指射频脉冲的组合方式，常由90°RF与180°RF构成。如前述，90°RF将Mxy由0变为最大，变为横向磁化，180°RF将Mz矢量变为负矢量，不能产生横向磁化，在已经存在横向磁化时，一个180°RF却能使xy平面的磁化发生一个180°的相位变化，即再产生另一个横向磁化。MR信号强度取决于这些脉冲的高度和宽度、每次脉冲之间的时间间隔及组成方式。目前，临床常用的脉冲序列为自旋回波序列（SEspinecho）和小翻转角脉冲序列（SmallFlipAngle）；另两个不常用的为部分饱和脉冲序列（PSpartialsaturation）及反转恢复脉冲序列（IRinversionrecovery）。1．自旋回波序列（SE）其脉冲如图4TE是指激励脉冲到采样脉冲之间的时间，TR是指射频脉冲重复作用时间，以下面图5解释SE序列各个脉冲意义。A．当给一个90°RF后，Mxy达到最大值。B．当经过一个时间t后，相位离散，快者达到A点，慢者位于B点，A点与B点为镜相位置，此时再给一个180°RF。C．当经过一个时间2t后，横向磁化强度恢复同步性，以回到原先彼此相同的相位上，再一次产生“聚焦”，此刻便在线圈内产生一个回波信号（echo），我们称之为1stecho，时间为TE1；如是给出第2个180°RF，得到2ndecho，TE2；给出第三个180°RF，得到期3rdecho，TE3。D．在T2驰豫过程中，由于离散的相位不断有抵消磁化强度矢量，因此信号强度会越来越弱，也即3rdecho较1stecho明显减弱，这就表明TEs越长，echo越弱，T2驰豫越完全。E．整个脉冲序列在一定时间后可重复，重复的间隔时间就是TR。因此，自旋回波序列中有两个时间参数，TE和TR，可描述为SETR/TE=××/××。TR和TE是可变的，应用时采用短的TR时间，那么就是强调T1值对图像的影响，如采用长TE时间，就是强调T2值对图像的影响。（1）如何得到强调T1值影响的图像即T1-WI？可采用短的TR来加强，用短TE来削弱T2值的影响。（2）如何得到强调T2值影响的图像即T2-WI？可采用长的TE来加强，用长TR来削弱T1值的影响。（3）如何得到反映质子密度的质子图像，即PD-WI呢？可采用长的TR来削弱T1值的影响，用短TE来削弱T2值的影响，从而突出质子密度对图像的影响。由此可看出，只需改变TE、TR就能得到组织中T1-WI、T2-WI和PD-W