磁共振培训讲义

磁共振成像（MRI〕原理与磁共振成像装置长春市计量院张健一、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的一种成像技术,它既能显示形态学结构，又能显示原子核水平上的生化信息及某些器官的功能状况，更有无辐射的优点，其发展潜力巨大。二、MRI基本原理•MRI影像形成的基本原理(一)、原子核的自旋特性含单数质子的原子核，例如人体内广泛存在的氢原子核，其质子有自旋运动，带正电，产生磁矩，有如一个小磁体。(一)原子核的自旋特性在有自旋特性的原子核周围存在的这个微观磁场是磁偶极子，就是所谓的原子核的自旋磁矩。在没有外加磁场时，各个质子由于热运动而处于杂乱无章的任意排列状态，磁矩方向各不相同，相互抵消，所以在宏观上不显磁性。(二)外磁场对原子核自旋的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(二)外磁场对原子核自旋的影响在外磁场作用下，低能级的质子数目要多于高能级的质子，在大量原子分布的情况下，原子在不同能级上分布的数目与温度与外磁场强度有关。(二)外磁场对原子核自旋的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的宏观磁矩，这样当原子核围绕自己的轴作自旋运动时，外加磁场又会产生一个旋力臂作用于自旋质子的磁矩上，使得质子旋进于一个锥形的磁矩轴上，称为拉莫进动。(二)外磁场对原子核自旋的影响质子进动的速度用进动频率来衡量，也就是质子每秒进动的次数，进动频率与外加磁场的强度成正比，场强越高，进动频率越高。(二)外磁场对原子核自旋的影响0＝0：磁旋比常数0：外加磁场强度0:质子进动频率拉莫（Larmor)频率原子核的共振频率(二)外磁场对原子核自旋的影响由于有无数个质子在进动，其磁矩在X和Y轴方向上的分量将相互抵消，只有沿Z轴方向的分量叠加起来形成了纵向磁化矢量，它不能被直接测量。（三〕电磁感应现象•电流通过金属导线可以产生磁场•金属导线切割磁力线产生电流•变化磁场强度在金属导线（线圈〕内可以产生感应电压和感应电流（四〕射频脉冲电场和磁场随时间而变化称为电磁辐射。射频（RF〕脉冲是一种无线电波，也是电磁波的一种，它的主要作用是扰乱沿外加磁场方向宁静进动的质子的进动。只有RF脉冲与自旋质子的进动频率相同时，才能向质子传递能量。（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（五〕核磁共振现象施加RF脉冲后，质子吸收了能量，能级就会提高，这会产生两方面的效应：1、质子能级提高，使得纵向磁化矢量减小，最终为零，称为饱和状态。（五〕核磁共振现象2、进动的质子相位一致，做同步同速运动，使得在横轴方向上的磁化矢量得以叠加，并产生一个新的横向磁化矢量，RF脉冲的强度越大，持续时间越长，横向进动偏转的角度就越大。（六〕核磁共振弛豫当质子系统达到饱和状态后，停止RF磁场后，激励过程结束。随后，吸收能量跃迁到高能级的质子将释放吸收的能量，很快回到外加磁场原先排列的平衡位置，这一过程称为核磁弛豫。横向磁化矢量逐渐消失，称为横向弛豫纵向磁化矢量恢复原状，称为纵向弛豫（六〕核磁共振弛豫在磁共振领域中，将质子周围的原子统称为晶格。纵向弛豫就是质子自旋磁矩将能量释放传递给晶格原子的过程，所以也叫自旋-晶格弛豫。RF脉冲停止后，纵向磁化矢量恢复到原来的数值所需要的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恢复到最大值的63%所需的时间定义为T1时间。T1是一个时间常数，描述组织的纵向磁化矢量恢复的快慢程度。其长短依赖于组织成分、结构和环境，如水为长T1，脂肪为短T1。（六〕核磁共振弛豫（六〕核磁共振弛豫RF脉冲停止后，质子很快失去相位一致性,这是由于原子核之间的相互作用，而没有能量从原子核向周围晶格中的转移，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的37%的时间定义为横向弛豫时间，简称T2。T2与人体组织的固有小磁场有关,如大分子比小分子快,结合水比游离水快。（六〕核磁共振弛豫（六〕核磁共振弛豫（六〕核磁共振弛豫小结：这种组织间弛豫时间上的差别，是MRI的成像基础。有如CT时，组织间吸收系数（CT值）差别是CT成像基础的道理。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。因此，获得选定层面中各种组织的T1（或T2）值，就可获得该层面中包括各种组织影像的图像。（七〕自由感应衰减磁共振设备中，接收信号用的线圈平面与主磁场平行，工作频率接近拉莫频率。当质子磁化矢量只受主磁场作用时，由于自由进动与主磁场方向一致，所以无法测量。而当RF脉冲对组织激励又停止后，组织出现了弛豫过程，横向磁化矢量的变化能使位于被检体周围的接收线圈产生随时间变化的感应电流，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断衰减的电流，又因为它是由自由进动感应产生的，所以叫自由感应衰减。（八〕MR信号的空间编码一幅MR影像由垂直方向的象素行和水平方向的象素列共同组成，同时又对应着一定层厚的体素组成的一个层面，称为MR信号的空间位置。采集MR信号空间位置信息的方法称为空间编码，拉莫方程，0＝0是空间编码技术的基础。（九〕原理总结综上所述，磁共振成像主要包括三方面的内容：1、激发产生磁共振现象并测量磁共振信号的RF脉冲序列；2、确定信号位置的空间编码；3、将所测量的磁共振信号及其位置信息重建成磁共振影像。三、MRI成像系统MRI系统主要由以下五部分构成：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（一）MRI发展概况1945年由美国加州斯坦福大学的布洛克（Bloch）和麻省哈佛大学的普塞尔（Purcell）教授同时发现了磁共振的物理现象，即处在某一静磁场中的原子核受到相应频率的电磁波作用时，在它们的核能级之间发生共振跃迁现象。因此两位教授共同获得1952年诺贝尔物理学奖。磁共振的物理现象被发现以后，很快形成一门新兴的医学影像学科—磁共振波谱学。（一）MRI发展概况1971年纽约州立大学的达曼迪恩（Damadian）教授在《科学》杂志上发表了题为“核磁共振（NMR）信号可检测疾病”和“癌组织中氢的T1时间延长”等论文，1973年曼斯菲德(Mansfields)研制出脉冲梯度法选择成像断层。1974年英国科学家研制成功组织内磁共振光谱仪。1975年恩斯托（Ernst）研制出相位编码成像方法。1976年，得到了第一张人体MR图像（活体手指）。1977年磁共振成像技术进入体层摄影实验阶段。几十年期间，有关磁共振的研究曾在三个领域（物理、化学、生理学或医学）内获得了六次诺贝尔奖。(2003年10月6日，瑞典卡罗林斯卡医学院宣布，2003年诺贝尔生理学或医学奖授予美国化学家保罗·劳特布尔（PaulC.Lauterbur）和英国物理学家彼得·曼斯菲尔德（PeterMansfield），以表彰他们在医学诊断和研究领域内所使用的核磁共振成像技术领域的突破性成就。)MRI扫描机基本结构示意图（二）主磁体系统主磁体是MRI系统的核心部分之一，其功能是提供使原子核定向所必须的静磁场。临床上磁共振成像要求磁场强度在0.05～3T范围内。一般将≤0.3T称为低场，0.3T～1.0T称为中场，＞1.0T称为高场。磁场强度越高，信噪比越高，图像质量越好。但磁场强度过高也带来一些不利的因素。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：决定了图像的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的指标•磁体孔腔：孔腔大小限制了被检者的体型大小2、磁体类型（1）永磁型磁体：磁体由具有铁磁性的永磁材料构成，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0.35T。磁体庞大、笨重，磁场均匀度受室温影响较大，稳定性差。2、磁体类型国产安科公司OpenMarkⅡ0.2T第二代开放式永磁型磁共振成像系统2、磁体类型（2）常导型（阻抗型）磁体：由电流通过导线产生磁场，其磁力线与受检人体长轴平行。安装容易，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，场强一般小于0.3T。2、磁体类型（3）超导型磁体：由电流通过导线产生磁场，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，电流可以无衰减地循环流动，产生稳定、均匀、高场强的磁场，且不受室温影响大。场强最高可达8T，医用一般小于3T。由于需液氦，运行维护费用较高。2、磁体类型GESignaCV/i1.5T超导型MR机2、磁体类型匀场线圈：任何磁体都不会产生绝对均匀的磁场，所以还要加上一组匀场线圈，一般由铌钛合金制成，置于磁体中心，梯度线圈外,在安装时由工程师设定调整，可将磁场均匀性提高100倍以上。MRI扫描机（二）梯度磁场系统梯度磁场系统也是MRI系统的核心部分之一，它利用梯度线圈产生相对主磁场来说较微弱的在空间位置上变化的磁场，并叠加在主磁场上，其功能是对MRI信号进行空间编码，以确定成像层面的位置和厚度。（二）梯度磁场系统梯度磁场包括梯度线圈和梯度电源两部分。梯度线圈有三组，分别按相互垂直的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，因此可对人体的横断位、冠状位、矢状位甚至任意斜位进行成像。（二）梯度磁场系统梯度磁场三维方向示意图成像层面选择梯度磁场叠加在主磁场上，使得场强随着位置呈线形分布，即每一层面的场强都是不相同的。RF脉冲并非只包含一种频率，而是有一定频率范围（带宽）的脉冲，所以它能激励的质子的拉莫频率也是一个范围，这样产生共振的质子的层面就可以确定了。成像层面选择当磁场梯度一定时，RF脉冲的频带越宽，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。一般是将RF脉冲的中心频率固定，通过改变磁场的强度和梯度的大小来实现成像层面的选择的。频率编码在已确定的成像层面的水平轴（X轴）方向上，施加频率编码梯度磁场，使得沿X轴不同位置的每一列质子都具有不同的进动频率，同一列上的质子则进动频率相同。相位编码要确定Y轴每一列上平行于X轴方向上的每一行质子的位置，就需进行相位编码。在Y轴方向上施加另一梯度场，使得不同位置的质子处于不同相位，即进动角度不同，并由此进行识别。进动的质子相位一致，做同步同速运动，使得在横轴方向上的磁化矢量得以叠加，并产生一个新的横向磁化矢量，RF脉冲的强度越大，持续时间越长，横向进动偏转的角度就越大。MR图像的重建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的数据信号分离，确定每一个体素的MR信号的值，形成图像。MR图像的重建（三）射频系统射频系统的作用是发射射频(RF)脉冲,使磁化的质子吸收能量产生共振,并接收质子在弛豫过程中释放的能量而产生MR信号，其频率在拉莫频率附近。发射器功率放大器发射线圈人体组织接受线圈接收器RFMR射频（RF）线圈射频线圈的作用是发射RF脉冲,对被检体质子进行激励，并检测被检体的MR信号。用于发射射频建立射频磁场的射频线圈叫发射线圈，用于检测MR信号的射频线圈叫接收线圈。有的线圈可在不同的时期分别完成发射和接收任务，如体线圈；而有的只能用于接收信号，如大部分表面线圈。射频（RF）线圈射频线圈的敏感容积越小，则信噪比越高；线圈与人体检查部位的距离越近，则信号越强，信噪比越高。这两者直接决定着图像的质量，所以需根据人体各个部位的不同形状、大小，制成不同尺寸和类型的线圈，以取得最佳图像质量。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，如乳腺线圈等射频（RF）线圈头颅线圈（鸟笼状）射频（RF）线圈神经血管