磁共振成像物理学基础.
磁共振成像的物理基础
磁共振成像的物理基础
磁共振成像（MRI）的物理基础是核磁共振现象。
核磁共振是指原子核在外磁场作用下，发生能级跃迁，吸收能量后重新发射出电磁波的过程。
MRI利用了氢原子核（H）在外磁场中的自旋和轨道运动所产生的磁矩。
氢原子核的磁矩在外磁场中会发生取向和排列，当外磁场的强度和方向发生变化时，氢原子核的磁矩也会发生旋转，产生磁化强度。
当外磁场消失时，氢原子核的磁化强度会逐渐减弱，直到恢复到原来的状态。
MRI通过在人体内部放置强磁场和射频脉冲，激发人体内的氢原子核，使其吸收能量，然后再通过射频脉冲的反向信号检测氢原子核的位置和数量，进而生成人体内部的图像。
MRI成像的分辨率高，可以检测出人体内部的微小结构和异常情况，广泛应用于医学诊断和研究领域。
磁共振成像基础知识
IR序列M的变化过程
IR序列特点
IR序列具有强T1对比特性； • 可设定TI，饱和特定组织产生具有特征
性对 比图像(STIR、FLAIR)； • 短 TI 对比常用于新生儿脑部成像； • 采集时间长，层面相对较少。
STIR序列(Short TI Inversion Recovery)
在IR恢复过程中，组织的MZ都要过0点，但时间不 同。利用这一特点，对某一组织进行抑制。
超导型
优点：1.场强高(0.5-3.0T) ；2.磁场稳 定均匀；3.成像速度快，图象质量好。
缺点：1.造价高；2.需要补充液氦和 液氮；日常维护费用高。
梯度线圈
梯度线圈性能的提高 磁共振成像速度加 快
梯度线圈性能指标 梯度场强 20mT/m 切换率 50mT/m.s
脉冲线圈
作用：激发人体产 生共振；采集MR信 号
质子密度加权像
长TR、短TE——质子密度加权像，图像特点：
组织的 H 越大，信号就越强； H 越小，信号 就越弱。
脑白质：65 % 脑灰质：75 % CSF： 97 %
常规SE序列的特点
最基本、最常用的脉冲序列。 得到标准T1 WI 、 T2 WI图像。 T1 WI观察解剖好。 T2 WI有利于观察病变，对出血较敏感。 伪影相对少（但由于成像时间长，病人易
180- 90-{180-Echo}n
180°脉冲反转脉冲结束后，无MXY的存在，MZ开 始恢复，等MZ过了0点后，在时刻 t=TI (Time of In version反转时间)，再施加一个 90°脉冲(此后的脉 冲方式同SE)，再施加180°脉冲，就可以得到回波信 号。IR序列的TR一般为1800～2500ms，而TI=400～60 0ms。
医学影像系统原理MRI
磁共振成像特点:(五)无骨伪影干扰
各种投射性成像技术往往因气体和骨骼的重 叠而形成伪影，给某些部位病变的诊断带来 困难。例如，行头颅X射线CT扫描时，就经常 在岩骨、枕骨粗隆等处出现条状伪影，影响 后颅凹的观察。MRI无此类骨伪影。穹窿和颅 底的骨结构也不影响磁共振颅脑成像，从而 使后颅凹的肿瘤得以显示。
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磁共振成像
磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是利用生物体内磁性核（ 多数为氢核）在磁场中特性的表现而进行 成像的高新技术。 如今随着磁体、超导、低温、电子和计算 机等相关技术的发展，磁共振成像技术已 广泛应用于临床，成为现代医学影像领域 中不可缺少的诊断手段之一。
医学影像系统原理MRI
目录
一、概论 二、磁共振成像基本原理 三、磁成像系统的构成
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GE 3T MRI Scanner
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Animation from 3D MRI
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不同成像谱段
电离 非电离
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Electromagnetic Radiation Energy
X-Ray, CT MRI
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（二）对钙化灶和骨皮质病灶不够敏感
钙化灶在发现病变和定性诊断方面均有一 定作用，但磁共振图像上钙化通常却表现为 低信号。另外，由于骨质中氢质子（或水） 的含量较低，骨的信号同样比较弱，使得骨 皮质病变不能充分显影，对骨细节的观察也 就比较困难。例如，岩骨是以皮质骨为主的 结构，加上其中气化的乳突蜂窝，它在磁共 振图像上将表现为典型的低信号区。
m J
+ ++
The proton also has mass which generates an angular momentum J when it is spinning.
磁共振成像原理
第一节 概述
1946 年，美国哈佛大学的 E.Purcell 及斯坦福 大学的F.Bloch领导的两个研究小组各自独立 地发现了核磁共振现象，Purcell和Bloch两人 共同获得 1952 年的诺贝尔物理奖。核磁共振 主要用于磁共振波谱，研究物质的分子结构。 1971 年美国纽约州立大学的 R.damadian 用 MRS仪对鼠的正常组织和癌变组织样品研究 发现，癌变组织 T 1 、 T 2 弛豫时间值比正常组 织长。
第一节 概述
1973年美国纽约州立大学的Lauterbur利用梯度 磁场进行空间定位，用两个充水试管获得了第 一幅核磁共振图像。 1974年～1980年MRI得到不断发展，研究出梯 度选层方法、相位编码成像方法、自旋回波成 像方法以及二维傅里叶变换的成像方法。 1978年在英国取得了第一幅人体头部的磁共振 图像。同一年，又取得了人体的第一幅胸、腹 部图像。 1980年磁共振机开始应用于临床。
(二 ) 主 要 用 途
头颈部， MRI 的应用大大改善了眼、鼻窦、鼻 咽腔以及颈部软组织病变的检出、定位、定量 与定性。 磁共振血管成像(magnetic resonance angiography ，MRA) 技术对显示头颈部血管狭 窄、闭塞、畸形以及颅内动脉具有重要价值。 在肌肉关节系统，已成为肌肉、肌腱、韧带、 软骨病变影像检查的主要手段之一。 电影MRI技术还可进行关节功能检查。
接动画
三、静磁场的作用
（二）静磁场中的能级分裂
原子核磁矩μ进入B0后，空间取向发生量子化， 只能取一些确定的方向。自旋量子数为 I ，则 只能2I+1个不同方向。 μ在B0方向的投影是一些不连续的数值。 μ的 不同取向，形成它与B0相互作用能的不同。μ 与B0的相互作用能称为位能。在B0中μ的位能 为：
磁共振成像基本知识
Nuclear Magnetic Resonance Imaging
首字母缩写:
NMRI
为了和原子核及射线的放射性危害区分开 来，临床医生建议去掉N，简称为磁共振成像
MRI
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发展历史
1946 年美国斯坦福大学的F. Bloch 和哈佛大学E.M .Purcell领导的两个研究组首次独 立观察到磁共振信号，由于该重要的科学发现，他们两人共同荣获1952年诺贝尔物 理奖。其发展最初阶段的应用局限于物理学领域，主要用于测定原子核的磁矩等物 理常数。
•T1弛豫是由于高能质子的能量释放回到低能状态
•用T1值来描述组织T1弛豫的快慢
高能的质子把能量释放给周围的晶格 （分子）
晶格震动频率高于质子进动频率
能量传递慢－－纯水
晶格震动频率接近于质子进动频率
能量传递快－－脂肪，含中小分子蛋白质
晶格震动频率低于质子进动频率
能量传递慢－－含高浓度大分子蛋白
不同组织有不同的T1弛豫时间
T1加权成像 ( T1WI )
•反映组织纵向 弛豫的快慢！
• T1值越小 纵向磁化矢量恢复越快 已经恢复的 纵向磁化矢量大 MR信号强度越高（白）
• T1值越大 纵向磁化矢量恢复越慢 已经恢复的 纵向磁化矢量小 MR 信号强度越低（黑）
• 脂肪的T1值约为250毫秒 MR信号高（白） • 水的T1值约为3000毫秒 MR信号低（黑）
在20世纪70年代初，美国科学家Paul Lauterbur发现了在磁场中引入梯度的方法来创 造二维图像的可能性。通过分析发射的无线电波的特性，他可以确定它们的来源。 这使得用其他方法无法可视化的结构的二维图片成为可能。 英国的科学家 Peter Mansfield，进一步发展了梯度磁场的 运用。他展示了如何对信号进行数学分析，并展示了极快 成像的可行性。他们利用磁共振技术观察不同结构方面的 重大发现促进了现代磁共振成像( MRI )的发展和在医学 影像中的应用，代表了医学诊断和研究的突破。并共同荣 获2003年的诺贝尔生理学-医学奖。
物理学领域的基础研究成果
物理学领域的基础研究成果物理学是自然科学的一个重要分支，是研究自然界中物质、能量及其相互作用规律的科学。
在近现代科技的飞速发展中，物理学作为一门基础学科，对科技领域的研究与应用具有重要的支撑作用。
在物理学研究领域中，一些基础研究成果堪称经典。
1. 玻尔理论玻尔理论是原子物理学的基础之一，提供了一种对于原子内部电子的定量描述方法，使得可视化地展示原子的内部结构。
该理论通常被称为“量子力学”。
1913年，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔提出了此理论，并引入了概率性描述基本物理过程的概念。
他给出了原子发射和吸收光子的解释。
这项理论成功地解决了时期中许多有关原子的悬而未决的问题，开启了量子力学的研究之路。
2. 特殊相对论特殊相对论是物理学的另一个里程碑。
它是由爱因斯坦在1905年发明的，揭示了物质和能量可以相互转化，并提供了认识现代物理学所需的某些基本步骤。
特殊相对论的革命性质量在于它推翻了牛顿三定律的绝对观念，即对于所有观测一般的物理定律，都适用于相应的惯性参考系中。
这一理论在科技中有广泛的应用，如全球定位系统等。
3. 晶体学基础晶体学是物理学的一个分支，研究晶体结构和晶体的光学性质等。
晶体学的基础理论可以追溯到大约200年前，当时一名机械师发现了结晶体的微小结构。
X射线晶体学的发展为研究物质的结构提供了重要工具。
20世纪早期，英国科学家威廉·劳伦斯·布拉格及其儿子用X射线解析了晶体的结构，这一发现被公认为是物理学的重大进展之一，其应用已经扩展到化学工业、材料科学、地球化学、生物医药学等多个领域。
4. 磁共振成像磁共振成像已经成为世界范围内临床诊断的重要工具。
该技术通过使用强磁场和无害的无线电波来创造人体内部的像，来帮助医生检测、诊断和治疗多种内部疾病。
磁共振成像技术是在20世纪早期的物理学基础研究工作中，通过应用量子力学的晶体学理论以及物理学研究基本粒子的知识，提出来的。
它突破了人类视觉的局限，让人们可以用更清晰、更全面的方式看到和理解人体内部的事物。
磁共振成像(MRI)的基本原理
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纵向磁化对比
由于各种组织的T1不同，在纵向弛豫过程中，不同时 刻各种组织在纵向磁化中的比例不同，因而产生了不 同组织间的纵向磁化对比。也称为T1对比。
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T1加权图像
T1 weighted image
图像的对比主要依赖T1对比称为T1加权（权重） 图像。
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傅立叶变换
• 将时间——强度的信号关系变换为频率——强度的信号关系。这 种数学变换模式称为傅立叶（Fourier transform)变换。
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1DFT重建
• 梯度与梯度磁场 • 层面选择及相关因素Δω=γGz·ΔD • 体素的频率编码及投影
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空间频率与K-空间
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磁共振各种特殊成像技术
• 磁共振血管造影技术(MRA) • 时间飞跃法 (Time of flight) • 相位对比法(Phase contrast) • 幅度对比法(Magnitude contrast) • 对比剂增强法(Contrast enhance)
的磁共振靶核。
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第二节：磁场
• 磁场的概念 • 均匀磁场 • 稳定磁场 • 交变磁场
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磁场
• 物质场 • 对磁性物质的力效应 • 磁场的强度
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均匀磁场
大小方向恒定不变的磁场.
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交变磁场
大小或方向呈规律性变化的磁场
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Y BX=Bsina
B(RF) a
X BY=Bcosa
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第三节：磁场对样体的作用
磁共振(MRI)成像原理
横向弛豫
七、横向弛豫
横向弛豫
七、横向弛豫 由于受磁场不均匀的影响，实际上90°射频脉冲关闭后，宏观横向磁化矢量将呈指数式
的快速衰减，我们把宏观横向磁化矢量的这种衰减称为自由感应衰减也称T2※弛豫。 利用180°聚焦脉冲可以剔除主磁场不均匀造成的宏观横向磁化矢量衰减，组织由于质
子群周围磁场微环境随机波动造成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。T2弛豫的能量传递发生于质子群内部，即质子与质子之间，因此T2弛豫也称自旋一自 旋弛豫（spin-spin弛豫）。
横向弛豫
七、横向弛豫 90°脉冲关闭后，组织中的宏观横向磁化矢量将逐渐减小，最后将衰减到零。90°脉冲
使组织中原来相位不一致的质子群处于同相位进动，质子小磁场的横向磁化分矢量相互叠加， 从而产生旋转的宏观横向磁化矢量。
90°脉冲关闭后，宏观横向磁化矢量衰减的原因与之相反，同相位进动的质子群逐渐失 去了相位的一致，其横向磁化分矢量的叠加作用逐渐减弱，因此宏观横向磁化矢量逐渐减小 直至完全衰减。
子核中的质子数是相同的，所不同的是中子数，这种同一元素的不同原子 核被称为同位素，如元素氢的同位素就有H（氢核）、H（氘核）和H（氚 核），一般标为1H（氢核）、H（氘核）和3H（氚核）即可。
物质基础
一、物质基础：自旋和核磁共振 原子核具有一定大小和质量，可以视作一个球体，所有磁性原子核都有一个特性，就
弛豫
六、核磁弛豫
A.在激发前平衡状态下，组织中只有宏观纵向磁化矢量（向上空白 粗箭）； B.90°脉冲激发后即刻，组织中宏观纵向磁化矢量消失，产生一 个旋转（带箭头圆圈）的宏观横向磁化矢量（水平空白粗箭）； C.等待一段时间后，组织中的宏观横向磁化矢量有所缩小，宏观纵 向磁化矢量有所恢复； D.再等待一段时间后，组织中的宏观横向磁化矢量进一步缩小，宏 观纵向磁化矢量恢复更多； E.再过一段时间，组织中的宏观横向磁化矢量已经完全衰减，而宏 观纵向磁化矢量进一步恢复； F.到最后，组织中的宏观纵向磁化矢量已经完全恢复到平衡状态。
磁共振成像原理
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。
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。
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。
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。
磁共振成像的物理学基础
• 1.2.1.2原子核的自旋特性 • 原子核中的质子类似地球一样围绕着一个轴做自旋运动，正电荷附着 于质子，幵不质子一起以一定的频率旋转，此称自旋。质子的自旋就 好比电流通过环型线圀，根据法拉第（Faraday）电磁原理，将产生 一定值的微小磁场，它的能量是一个有方向性的矢量，称为角动量， 是磁性强度的反应，角动量大，就是指磁性强。此时质子自旋分为两 种：一种为不磁场方向一致，另一种为不磁场方向丌一致。如果原子 内的质子和中子是相等成对的，质子的自旋运动在质量平衡的条件下 作任何穸间方向的快速均匀分布，总的角动量保持为零。但是，许多 原子中的质子和中子是丌成对的，在丌成对的条件下，质子自旋运动 产生的角动量将丌能保持零状态，出现了角动量。人体中的氢、碳、 钠、磷原子都存在质子、中子丌成对的情冴，都可用来作磁共振成像 的。
• 迚动是在B0存在时出现的，所以迚动不B0密切相 关。外加磁场的大小决定着磁矩不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，因此可用来迚行磁共振的信号会越强，图 像结果会更好。此外，外加主磁场的大小也决定 了迚动的频率，B0越强大，迚动频率越高，不B0 强度相对应的迚动频率也叫Lamor（拉莫）频率， 原子在1.0 Tesla的磁场中的迚动频率称为该原子 的旋磁比（γ），为一常数值。氢原子的旋磁比为 42.58 MHz。 B0等于0.5 Tesla时，质子迚动频率 为21.29 MHz。B0等于1.5 Tesla时，质子迚动频 率为63.87 MHz。
• 原子又由原子核和绕核运动的电子组成，电子在原子核外 快速运动，有轨道运动和自旋运动。因为，电子有质量和 电荷，其轨道运动产生轨道角动量和轨道磁矩，自旋运动 产生自旋角动量和自旋磁矩。在许多情冴下，轨道磁矩的 贡献很小，分子的磁矩主要来自自旋，这种电子的运动在 电子显微镜下规如云状，称电子云。原子核位于原子的中 心，由质子和中子组成。原子核中的质子是带正电荷的， 通常不原子核外的电子数相等，以保持原子的电中性，原 子核中的质子和中子可有丌同，质子和中子决定原子的质 量，原子核是主要决定该原子物理特性的。质子和中子如 丌成对，将使质子在旋转中产生角动量，一个质子的角动 量约为1.41×10-26 Tesla，磁共振就是要利用这个角动量 的物理特性来迚行激収、信号采集和成像的。
磁共振基础知识及.T磁共振
脑结构成像
• 更快的成像速度：有利于意识不清及不配 合的患者及儿童检查。
• 应用flip angle sweep and parallel imaging 的FSE T2WI：成像时间从2分7秒降到8秒
MR images in a 19-year-old male patient with multiple sclerosis
假肢、金属关节、铁磁性异物（弹片等）者；
• ④妊娠三个月内的早期妊娠者。
• 2.下列情况为相对禁忌症，经适当处置可进行磁共振检查：
• ①带有金属避孕环的患者如必须进行MR检查，应取环后 再行检查；
• ②危重病人需要使用生命支持系统者；
• ③癫痫患者（应在充分控制症状的前提下进行磁共振检 查）；
• ④幽闭恐怖症患者，如必须进行MR检查，应在给于适量 镇静剂后进行；
• MRI可直接显示脊髓的全貌，因而对脊髓肿 瘤或椎管内肿瘤、脊髓白质病变、脊髓空
洞、脊髓损伤等有重要的诊断价值。对椎 间盘病变，MRI可显示其变性、突出或膨出。 显示椎管狭窄也较好。对于颈、胸椎，CT 常显示不满意，而MRI显示清楚。另外， MRI对显示椎体转移性肿瘤也十分敏感。
（四）心血管系统的MRI检查
• 与X线和CT成像的原理不同，MRI没有X线辐 射，而主要利用质子密度与质子的弛豫时 间（T1与T2）的差异成像，尤其是弛豫时间 更为重要。
• 因为质子在人体中的差异仅10％，但弛豫 时间可相差百分之数百。
三、磁共振成像脉冲序列及临床应 用
• 磁共振成像是利用脉冲序列进行的，充分 理解各种脉冲序列的基本构建和特点是保 证MR图像技术质量和提高诊断准确率的前
3.0 T TR/TE/IR: 12 000/140/2850; turbo factor, 38; NEX 1; acquisition time, 4 minutes
磁共振基础
第二章(物理学原理)第1-4节(物质基础-核磁弛豫)地球表面带有电荷并自旋-------形成电流环路------产生感应磁场（地磁）。
磁性原子核特性：以一定的频率自旋，由于表面带有正电荷，即形成电流回路，从而产生磁化矢量。
我们把这种带有正电荷的磁性原子核自旋产生的磁场称为（核磁）。
但并非所有原子核均能自旋而产生核磁，即并非所有的原子核都为磁性原子核，条件就是中子数和质子数至少有一项是奇数。
一般指的磁共振图像即为1H的磁共振图像。
原因是氢质子1、在人体中的摩尔浓度最高，是人体中最多的原子核；2、磁化率最高；3、存在于各种组织中，具有生物代表性。
但并非所有的氢质子都能产生MRI信号。
常规MRI的信号主要来源于水分子中的氢质子（简称水质子），部分组织的信号也可来源于脂肪中的氢质子（简称脂质子）。
人体中的水分子可以分为自由水和结合水。
所谓结合水是指蛋白质大分子周围水化层中的水分子，这些水分子粘附于蛋白质大分子部分基团上，与蛋白质大分子不同程度的结合在一起，因此被称为结合水，其自由运动将受到限制。
自由水和结合水在人体组织中可以互换，处于动态平衡。
由于化学位移效应，不同分子中的氢质子进动频率存在差别，蛋白质大分子中氢质子的进动频率大多偏离MRI的中心频率（自由水的进动频率），一般情况下不能被射频脉冲激发，因此不能产生信号。
由于自由运动受到限制，蛋白质和结合水的T2值都很短，一般<1ms，常规MRI采集回波信号至少需要数毫秒，还没有来得及采集回波信号，蛋白质和结合水的信号已经全部衰减。
因此即便蛋白质和结合水中的氢质子被射频脉冲激发，也不能产生 MRI信号。
因此，对于不含脂肪的组织，其MRI信号的直接来源就是自由水；结合水和蛋白质都不能直接产生信号，但结合水和蛋白质可以影响自由水的弛豫，也可通过磁化传递效应，最后也会影响到组织的信号强度。
进入主磁场后处于低能级的氢质子仅比处于高能级的氢质子多出数个ppm（百万分之一），而磁共振成像利用的就是多出来的这少部分氢质子，因此实际上磁共振信号是非常弱的。
MRI诊断学
MRI原理
化学位移成像与频谱分析化学位移—因分子环境（既核外电子结构）不同引起共振频率上的差异。频谱分析—不同分子环境其频率上的差异仅百余或数百赫兹（Hz），其数量与所检测原子核共振频率差异相对应为数个ppm。运用化学位移的方法研究分子结构即频谱分析。
MRI原理
化学位移伪影在人体同一部位脂质中的氢质子发出的信号离开了水质子发出的信号，在图像上处于不同的像素位置，从而在梯度编码方向上脂质含量差异很大的两种组织的界面，可出现黑白不同的条带状影。把这种质子共振频率差异形成的图像失真，称为“化学位移”伪影。
MRI原理
梯度回波脉冲序列小角度激励
梯度场诱发去相位特点：X、Y、Z轴去相位彼此独立，具有相位“记忆功能”
MRI原理
梯度回波脉冲序列的机理
MRI原理
梯度回波脉冲序列的机理
MRI原理
梯度回波脉冲序列的机理
MRI原理
二维FLASH脉冲序列
二维FLASH的基本原理
MRI原理
稳定状态FLASH磁周期
温度、粘度对磁波动频率的影响
蛋白质分子使水的T1缩短
MRI原理
信号参数核磁共振信号
自由感应衰减（FID）
傅立叶变换使FID形成MR波谱
MRI原理
自旋回波脉冲序列自旋回波（spin echo ,SE）序列为MR最基本、最常用的脉冲序列。
90脉冲后，间隔时间（Ti）再发射180脉冲，测量回波信号。重复这一过程。
反转恢复脉冲序列（IR）先-180RF，间隔500ms，90RF，10ms后，180RF，测回波。T1信号为主，显示精细解剖。
MRI原理
反转恢复脉冲序列（IR）
MRI原理
空间定位梯度磁场
纵向梯度磁场的产生
磁共振成像基本原理PPT课件
射频脉冲与磁化矢量
射频脉冲
向样品发射特定频率的射频脉冲，使磁化矢量发生旋 转。
磁化矢量旋转
射频脉冲使磁化矢量从一个静息态旋转到另一态，产 生能量变化。
信号的产生
磁化矢量回到静息态时释放能量，被探测器接收并转 换为可测信号。
信号的接收与处理
接收线圈
环绕在样品周围的接收线圈用于接收磁共振信号。
信号处理
超高场强磁共振成像
超高场强磁共振成像技术使用大于或等于7 特斯拉（T）的磁场进行成像。超高场强设 备在图像质量和分辨率方面具有显著优势， 能够提供更深入的生理和病理信息，有助于 疾病的早期诊断和精准治疗。
功能与分子影像学在技术利用磁场变化 来研究大脑和其他器官的功能活动。通过测 量血液氧合状态的变化，fMRI可以揭示大脑 在执行特定任务时的活动模式。此外，fMRI 还可以用于研究其他器官的功能和疾病进程。
射频电磁场安全
射频电磁场是磁共振成像过程中产生的另一种能量形式， 需要确保其强度符合国际和国家安全标准，避免对患者的 健康造成潜在影响。
热安全
在磁共振成像过程中，设备会向人体发射射频脉冲，这些 脉冲会产生热量。因此，需要监测和限制患者的体温升高， 确保热安全。
磁共振成像质量控制
01
图像分辨率
图像分辨率是磁共振成像质量的重要指标之一。为了获得高质量的图像，
参数优化
根据不同的扫描目标和需求，优化扫描序列中的参数，如磁场强度、射频脉冲的频率和持续时间等，以提高图像 质量和分辨率。
04
磁共振成像设备
磁体系统
01
02
03
磁体类型
超导磁体、永磁磁体和常 导磁体等。
磁场强度
磁场强度决定了成像质量， 通常在0.5-3.0特斯拉之间。
磁共振成像
M z M 0 (1 e
t / T1
)
T1:纵向驰豫时间,63% T2:横向驰豫时间,37%
横向:
M xy M xy max e t / T2
说明: T1、T2与组织有关，不同的组织相差很大； T1、T2小，驰豫进行得快，反之，进行得慢
第二节 磁共振成像原理 一、磁共振成像的基本方法 MRI的方法很多，但不论哪一种成像方法都是基于这样一种 指导思想，即怎样用磁场值来标定受检体共振核的空间位置。 为了实现这一目的，人们在均匀的强磁场中叠加一个随位置 坐标而变化的磁场，称为线性梯度场。由拉莫尔公式可知， 沿梯度场方向的位置不同，共振频率不同。于是可以通过梯 度场来建立起共振信号与空间位置之间的关系。为了重建一 幅断层图像，即建立起不同点的共振信号与位置坐标一一对 应关系，首先就要对观测的对象进行空间编码，把研究对象 简化为由若干个小体积(体素)所组成，然后依次测量每个体素， 或将体素排列成线条或面的信息量，再根据各体素的编码与 空间位置一一对应关系实现图像的重建。
大量氢核磁矩顺着磁场方向排列的状态，并不随时间变 化，称为稳定平衡状态。 若受到电磁辐射的激发，M的方向就要偏离平衡状态， 这时氢核磁矩就不能长久保持这种状态，而是要逐渐恢复 到平衡状态。这个恢复过程称为弛豫过程，它反映了氢 核之间和氢核与周围环境之间相互作用的过程。 顺磁场方向称为纵向，垂直于磁场方向称为横向
第一步是氢核之间先达到平衡，即氢核磁矩首先在水 平方向趋于平衡状态，各磁矩旋进的相位完全错乱。氢核 磁矩从不平衡状态到平衡的变化过程中，也要经历这种分 散的过程，此时各磁矩在水平方向的磁性将互相抵消，从 宏观上看磁矩水平分量趋于零，所以称为横向弛豫过程。
从物理学的观点看这个过程是同种核相互交换能量的过程， 故又称为自旋-自旋弛豫过程。 第二步是整个氢核磁矩系统与周围环境之间恢复到平衡状 态，这个过程是氢核系统吸收能量，偏离磁场方向，其宏观磁 矩在纵向分量由小到大，最后达到未偏离磁场方向以前宏观磁 矩的大小，所以这个过程称为纵向弛豫。 由于这个过程是氢核与周围物质进行热交换，最后达到 热平衡，故又称为自旋-晶格弛豫过程。 纵向:
MRI原理
浅谈MRI原理，希望高人指点来源：何磊的日志MRI物理学原理-物质基础-核磁弛豫地球表面带有电荷并自旋-------形成电流环路------产生感应磁场（地磁）。
磁性原子核特性：以一定的频率自旋，由于表面带有正电荷，即形成电流回路，从而产生磁化矢量。
我们把这种带有正电荷的磁性原子核自旋产生的磁场称为（核磁）。
但并非所有原子核均能自旋而产生核磁，即并非所有的原子核都为磁性原子核，条件就是中子数和质子数至少有一项是奇数。
一般指的磁共振图像即为1H的磁共振图像。
原因是氢质子1、在人体中的摩尔浓度最高，是人体中最多的原子核；2、磁化率最高；3、存在于各种组织中，具有生物代表性。
但并非所有的氢质子都能产生MRI。
常规MRI的主要来源于水分子中的氢质子（简称水质子），部分组织的也可来源于脂肪中的氢质子（简称脂质子）。
人体中的水分子可以分为自由水和结合水。
所谓结合水是指蛋白质大分子周围水化层中的水分子，这些水分子粘附于蛋白质大分子部分基团上，与蛋白质大分子不同程度的结合在一起，因此被称为结合水，其自由运动将受到限制。
自由水和结合水在人体组织中可以互换，处于动态平衡。
由于化学位移效应，不同分子中的氢质子进动频率存在差别，蛋白质大分子中氢质子的进动频率大多偏离MRI 的中心频率（自由水的进动频率），一般情况下不能被射频脉冲激发，因此不能产生。
由于自由运动受到限制，蛋白质和结合水的值都很短，一般<1ms，常规MRI采集回波至少需要数毫秒，还没有来得及采集回波，蛋白质和结合水的已经全部衰减。
因此即便蛋白质和结合水中的氢质子被射频脉冲激发，也不能产生MRI。
因此，对于不含脂肪的组织，其MRI的直接来源就是自由水；结合水和蛋白质都不能直接产生，但结合水和蛋白质可以影响自由水的弛豫，也可通过磁化传递效应，最后也会影响到组织的强度。
进入主磁场后处于低能级的氢质子仅比处于高能级的氢质子多出数个ppm（百万分之一），而磁共振成像利用的就是多出来的这少部分氢质子，因此实际上磁共振是非常弱的。
第1章磁共振成像物理学基础2
第1章磁共振成像物理学基础模拟题21．世界上第一台头部MRI设备投入临床使用的年代是A．1974年 B．1976年C．1978年英国D．1980年E．1982年2．共振成像的英文全称正确的是A．Magnetic Resonance ImageB．MagneticResorbent ImageC．Magnetic Resonance ImagingD．Magnetic Resorbent ImagingE．Magnestat Resorbent Imaging3．“磁共振波谱”正确的英文表达是A．Magnetic Resonance WavesB．Magnetic Resonance MicroscopyC．Magnetic Resonance CoreD．Magnetic Resonance SusceptibilityE．Magnetic Resonance Spectroscopy4．1946年由Bloch和Purcell教授发现了核磁共振现象，其后的20年间NMR主要被用于A．MRI B．MRAC．MRS D．DTIE．fMRI5．MR图像通常是指下列何种原子核成像：A、1HB、2HC、13C。
D、19F。
E、31P6．关于进动频率的叙述，正确的是：A、与主磁场的场强成正比。
B、与梯度场的场强成正比。
C、与磁旋比成反比。
D、与自旋频率成正比。
E、以上均正确。
7．对Larmor公式f=r·B0的描述，错误的是：A、f代表进动频率。
B、r代表磁旋比。
C、B0代表梯度场强。
D、进动频率与磁旋比成正比。
E、Larmor频率也就是进动频率。
8．蛋白质大分子的运动频率：A、显著高于氢质子的Larmor频率。
B、显著低于氢质子的Larmor频率。
C、接近氢质子的Larmor频率。
D、约为亿万Hz。
E、约为6MHz～65MHz。
9、下列有磁核磁现象的表述，正确的是A、任何原子核自旋都可以产生核磁B、MRI成像时，射频脉冲频率必需与质子自旋频率一致C、质子的自旋频率与磁场场强成正比D、质子的进动频率明显低于其自旋频率E、在场强一定的前提下，原子核的自旋频率与其磁旋比成正比10、同一种原子核处在大小不同的外磁场B0中，其旋磁比γ大小A、将发生变化B、随外磁场B0增大而增大C、随外磁场B0增大而减小D、与外磁场B0无关仅与原子核自身性质有关E、约为4211。
磁共振物理基础
MR信号（ MXY ）。
83
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
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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（0.3T—3.0T临床） 开放式（OPEN以低场为主） 专业型（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）
76
77
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γ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。
78
三、射频场的作用 1．RF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：
12
布洛赫 (Felix Bloch)
帕塞尔 (Edward Purcell)
13
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。
9
答案：C
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质子的自旋和进动
类似地球的自转和围绕太阳的公转
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图中黄色箭头代表宏观磁化矢量（磁距） 10
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质子的进动频率Lamor(拉莫)频率
质子的进动频率和静磁场B0有关 F=γ. B0 或 ω= γ. B0/2π γ为磁旋比 氢质子的γ为42.58MHz 1、0.5T 时为21.29MHz 2、1.0T时为42.58 MHz 3、1.5T时为63.87 MHz
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核磁共振信号
1、由于纵向磁化分量MZ和 静磁场B0重合,无法检测 2、磁共振检查中主要检测 横向磁化分量MXY
3、驰豫过程根据法拉第定 律，交变磁场在线圈中感应 出电流，即为MR信号
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自由衰件信号(FID)
由于弛豫过程中MXY的幅 度按指数方式不断衰减， 因此在线圈中感应出的电 流为随时间周期性不断衰 减的振荡电流，称之为自 由衰件信号(FID)
A．横向磁化矢量完全衰减所需要的时间 B．横向磁化矢量从最大值达到63%所需要 的时间 C．横向磁化矢量从最大值达到50%所需要 的时间 D．横向磁化矢量从最大值达到37%所需要 的时间 E．横向磁化矢量完全散相所需要的时间
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例题： MRI信号的空间定位，必须 具有：
A．选层梯度 B．频率编码梯度 C．相位编码梯度 D．RF脉冲 E．以上所有选项
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21 2018/9/21
K空间填充技术
K空间排列的原始数据包含了相位、频率和强度的信息，通过傅里叶变换可重建MR图像
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例题：发现核磁共振物理现象，并 获得诺贝尔物理奖的是
A．Bloch和Lauterbur B． Bloch和Damadian C．Mansfield和Purcell D．Bloch和Purcell E．Damadian和Lauterbur
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核磁共振现象的发现
1946年由美国加州斯坦福大学的布洛赫 （ Bloch)和哈佛大学的珀塞尔（Purcell) 两位教授同时发现。 此二位于1952年获得诺贝尔物理奖
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磁共振成像的特点：
多参数成像（T1、T2、质子像，血流等） 高对比，不用对比剂也可观察心脏和血 管的结构 任意层面成像 无电离辐射 可检查代谢物或功能成像等等
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核磁共振物理现象
当外一个频率和进动频率相同的射频场B1时， 质子发生共振现象
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核磁驰豫过程
驰豫过程分：
1，纵向驰豫（自旋-晶格驰豫） 2，横向驰豫（自旋-自旋驰豫）
纵向驰豫磁距分量设为MZ 横向驰豫磁距分量设为MXY
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纵向驰豫（自旋-晶格驰豫）
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例题：关于组织磁化的叙述，错误的 是：
A．无外加磁场时，原子核的磁矩方向是随机 分布的 B．处于磁场中的质子，磁矩较多地处于磁场 方向 C．自旋磁矩与磁场方向相同的质子处于低能 态 D．自旋磁矩与磁场方向相反的质子处于稳态 E．通常情况下，低能态和高能态的质子群的 比例处于热平衡状态
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例题：相位编码的作用是：
A．相位编码作用期间，使相位编码方向的质 子具有同样的相位 B．相位编码作用期间，使垂直于相位编码方 向的质子具有同样的相位 C．相位编码作用期间，使垂直于相位编码方 向的质子具有同样的进动频率 D．相位编码梯度结束后，使相位编码方向的 质子具有同样的相位 E．相位编码梯度结束后，使垂直于相位编码 方向的质子具有不同的相位
纵向驰豫时间也叫 T1时间 纵向磁距恢复到原 来的63%时所需的 时间为T1时间
14 2018/9/21
横向驰豫（自旋-自旋驰豫）
横向驰豫时间也叫T2 时间 横向磁距减少到最大值 的37%时所需的时间为 T2时间
15 2018/9/21
通常生物组织的T1值大于T2值 T1大约为300-2000毫秒，T2大约为30-150毫秒
像速度相对较慢 禁忌症较多（起搏器，植入性支架，幽闭恐惧症
等)
对钙化灶和骨皮质不够敏感，对肺的检 查也较差 图像易受多种伪影影响 定量诊断难
6 2018/9/21
原子核共振特性
7 2018/9/21
通常情况,总 磁化矢量为 零
在静磁场中,能量低的 顺着外磁场方向,且总 磁化矢量和外磁场同 向
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例题： 3D傅立叶成像的最主要优 点是：
A．成像时间短 B．信噪比高 C．组织对比度好 D．层面内空间分辨率高 E．重建后能更好地显示微细结构
31 2018/9/21
例题：关于傅立叶变换的叙述，错误 的是：
A．能处理分析频率信号 B．能将信号从时间域变换到频率域 C．不能将信号从频率域变换到时间域 D．MR信号中包含有对应空间位置的频 率信息 E．能分解MR信号中每个体素的频率和 相位
A．安装心脏起搏器者 B．动脉瘤术后动脉夹存留者 C．妊娠3个月内 D．做钡灌肠检查后1小时内患者， E．体内弹片存留者
34 2018/9/21
例题：系统的静磁场强度为1T，梯 度场强为10mT/m，则不扫描时距 离等中心为20cm处的场强为：
A．1.2T B．1.02T C．1T D．0.998T E．0.98T
18 2018/9/21
磁共振成像的空间定位
三个梯度磁场来定位，相当于空间三维坐标 用GX、GY、GZ 选层梯度、相位编码梯度、频率编码梯度
19 2018/9/21
相位编码 梯度
选层梯度 频率编 码梯度
20 2018/9/21
K空间的概念
1、“K空间”即傅里叶频率空间，是一 个抽象的频域空间，由相位和频率两个 坐标组成 2、每次回波检测到的MR信号放入K空间 的不同位置上， K空间中每一点的信号 都来自整个激发层面。 3、 K空间中每一点数据信号对图像的贡 献不一样，中心主要决定图像的对比， 边缘决定图像的分辨率
23 2018/9/21
例题：不能用于MRI成像的参数是：
A．T1、T2 B．质子密度 C．血流速度 D．线性衰减系数 E．弥散运动
24 2018/9/21
例题：关于进动的叙述，错误的是
A．没有外界的作用力，也可以发生进动过程 B．是一种复合运动 C．自身的转轴围绕静磁场方向做回旋运动 D．旋转半径受外力的影响 E．旋转半径受旋转速度的影响
MRI技术培训
王志康
1 2018/9/21
11月29日（上午）--- 11月30日（上午）
第一章
磁共振成像物理学基础 第二章 射频脉冲与脉冲序列 第三章 磁共振成像系统组成 第四章 磁共振成像质量及其控制
2 2018/9/21
磁共振成像的定义:
磁共振成像(MRI)——是利用射频(radio frequency,RF)电磁波对置于磁场中的含有自 旋量子数不为零的原子核的物质进行激发, 发生核磁共振(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
26 2018/9/21
例题：关于纵向弛豫的叙述，错误 的是：
A．纵向弛豫即T1弛豫 B．纵向弛豫又称自旋-晶格弛豫 C．外界静磁场的不均匀性会引起纵向弛豫 D．纵向弛豫过程是由于原子核系与其周围的 晶格相互作用交换能量所致 E．纵向弛豫过程中，能量向周围的环境转移
27 2018/9/21
例题： T2弛豫时间指：
32 2018/9/21
例题：关于梯度的叙述，错误的是：
A．按照空间方位可分为X、Y、Z B．根据功能可分为选层、相位编码以 及频率编码梯度 C．Y梯度不一定用于频率编码 D．扫描冠状位时，Z梯度用于选层 E．梯度磁场沿着静磁场方向
33 2018/9/21
例题：不属于MR检查禁忌证的是：