医学影像学：第三章 磁共振成像(MRI)

MRI：利用原子核在磁场内发生NMR所产生的MR信 号经图像重建获得图像的一种成像技术，物理学 基础是NMR现象
一、磁共振成像的物理学基础
（一）原子与原子核
(氢质子H) 质子 中子
原子核 电子
原子
（水分子H2O）
分子
物质
氢原子无中子， H1原子=H1质子
MRI成像原理
含有奇数质子或中子 的原子核可产生一定 角度的自旋并且在其 周围产生磁场.这种特 性就是成像基础。 现在的MRI图像就是H 原子的图像。
3. 纵向弛豫时间(longitudinal relaxation time, T1 )
T1短的组织，纵向磁 化恢复快，在T1WI上， 信号强，反之信号弱 如： 水-长T1脂肪-短T1
T1WI
4.横向弛豫时间(transverse relaxation time, T2)
T2长的组织，横向磁 化衰减慢，在T2WI上， 信号强，反之信号弱
质子进入外磁场前、后的排列状态 N
图1
进入外磁场前（图1）质子排列杂乱
无章；
S
外加外磁场后质子呈有序排列（图
2），低能态的质子比高能态的略多
图2
有序排列的质子呈快速锥形旋转运动，称为进动（Precession）
Z轴代表外磁场磁力线方 向，XY轴为与Z轴垂直的 平面。质子除自旋运动外， 还作快速锥形的旋转运动， 即进动
第三节 影响信号强度（signal intensity） 的因素
X线、CT图像的黑白、明暗的对比取决于不同组织的密度； 而MR图像的黑白、明暗的差别取决于不同组织的信号强 度
MRI 图像的黑白是反映组织器官氢原子 的分布及它在磁共振过程中的弛豫特性 (T1,T2)。反映了组织的电信号强弱， 电信号越强，影像越白；电信号越弱， 影像越黑；无信号则为黑色（如空气）。
第三章 磁共振成像（MRI）
第一节 磁共振成像（MRI）的基本原理
X线照片
CT扫描
磁共振成像
磁共振成像（MRI）
核磁共振成像(Nuclear Magnetic Resonance Imaging) 显示的是物质的化学成分和分子的结构及状态， 而不是显示物质的密度 磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI）是 利用电磁波成像，而不是利用电离辐射（如X线、 γ射线）或机械波（超声波）
影响磁共振图像信号强度的因素有：
1. 质子密度(proton density)
质子数量多，信号 强度强
pWI
Proton density weighted imaging
2. 流动效应 (flow avoid effect)
血液流动 >10cm/s, 流空效应 流入性增强效应-MRA
液体流动——涡流
纵向弛豫时间：纵向磁化由0恢复到原来数值的63％所需的
时间，为纵向弛豫时间（longitudinal relaxation time），简称T1
横向弛豫时间：横向磁化由最大减小到最大值的37％所需的
时间，为横向弛豫时间（transverse relaxation time），简称T2
Z
Z
Z
RF脉冲
如：
水-长T2-
脂肪-长T2
T2WI
T1加权图（T1WI) 是反应组织T1值的权 重，即组织的T1特性
T2加权图（T2WI) 反应的是组织的T2特 性
5. 脉冲序列(pulse sequence) (获取MRI图像的程序, procedure to obtain MRI)
SE T1WI
SE T2WI
N
Z
Y
X
S
射频脉冲：向患者发射短促的无线电波，称为射频脉冲 [radiofrequency (RF)]
共 振：当RF脉冲与质子进动频率相同时，就可把能量 传给质子，使其由低能态变为高能态，即为共 振。 质子进动频率由Larmor方程算出 ω0=γ·B0
其中ω0为进动频率（单位Hz）； γ为旋磁 比；B0为外磁场强度，场强单位为特斯拉 （Tesla, T）
腹部梯度回波脉冲序列准T1WI图像
（三）反转恢复脉冲序列 反转恢复脉冲序列(inversion recovery, IR）是一种
发射与质子进动频率相同的RF脉冲，产生两种效应：
纵向磁化及横向磁化
Z
Z
RF脉冲
Y
Y
X
X
质子吸收能量由低能变为高能——纵向磁化 。 同时导致质子同步、同速运动，即同相位——横向磁化
弛豫和弛豫时间
中止RF射频后，由RF所引起的变化恢复到原来
的平衡状态，这种过程称弛豫，所需 的时间称弛豫时间 。
有能量的变化（纵向弛豫） 相位变化（横向弛豫）
自旋回波脉冲序列（spin echo sequence )
900 1800
900 1800
TR
TE TE
2
2
SE
TE
MR图像
SE序列：900脉冲－等待TE/2－1800脉冲－等待TE/2－记录信号， 重复脉冲时间TR，激发到信号采集时间称回波时间TE
（一）自旋回波脉冲序列（SE）、快速SE序列
T1WI
第二节 MRI的基本设备
主线圈ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
射频线圈
梯度线圈
电 源
MRI设备示意图
操作与显示
扫描孔
数 据 处 理
MR设备
MR设备
主磁体
线圈
射频发生器
MR信号接受器
表面线圈
梯度线圈
体积线圈
MRI设备
永磁型
磁铁
＜0.3T
主
磁
常导型
电线圈
＜0.2T 超低场
体
＞0.5T 低场
超导型
超导金属线圈
1.5T 高场
3.0T 超高场
T2WI
PdWI
TR 短(＜ 500ms) 长(＞ 2000ms) 长(＞ 2000ms)
TE 短(＜ 30ms) 长(＞ 60ms) 短(＜ 60ms)
头颅自旋回波脉冲序列图像
（二）梯度回波脉冲序列 梯度回波序列（gradient echo sequence, GRE）
是常用的快速成像序列。空间分辨力和信噪比均较 高，可获得准T1WI、准T2WI及准PdWI，主要用于 腹部、心血管、与流动液体相关成像及骨关节成像
Y
Y
Y
X
X
X
Z
Z
纵向弛豫与
Y
Y 横向弛豫
X X
（一）奇数质子或中子的原子核
（二）原子核的自旋
（三）原子核的进动:外磁场作用,绕外磁场轴旋转 （四）质子共振 接受与它的进动频率相等的射
频脉冲后，质子能量的跃迁。
（五）弛豫 射频脉冲关闭，共振能量的释放
↔
磁共振成像原理
利用某些特定的原子核（H+，自 旋）在磁场内受到特定射频脉冲激励 （外磁场，进动）时产生“共振”并 发出无线电信号，经收集后由电子计 算机处理成像。