磁共振成像原理

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一、引言
1952 Nobel Prize for Physics
Felix Bloch 1905-1983 Stanford University Edward Mills Purcell 1912-1997 MIT
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一、引言
核磁共振现象的成像应用： 1973年2个独立小组利用磁场梯度解决空 间信息获取的问题：图像形成 1）Lauterbur, State University of New York （85年 Univ. of Illinois） (1973) Nature 242,736 2）Mansfield, Nottingham University (1973) J. Phys.C 6,L422
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一、引言
而且，Damadian前瞻性地预言了核磁共 振作为临床诊断工具的可能性。 Damadian 的 工 作 直 接 启 发 了 Lauterbur 对成像技术的研究，Lauterbur在认识到这 一发现的医学价值的同时，也敏锐地意识到 如果不能进行空间上的定位，核磁共振在临 床应用的可能性微乎其微。于是便有了那篇 1972年发表在《自然》杂志上的著名文章。
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四、核磁共振信号的采集
部分饱和序列
由一系列等间隔的90o射频脉冲组成，数 据采集紧跟着每个90o脉冲进行。部分饱和 序列下，检测信号的强度为：
I N ( H )(1 e
T R / T1
)
（9-7）
对于某一特定物质，TR增大，信号强度增 大；TR相同时，T1越短，检测到的信号越强。
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一、引言
2003 Nobel Prize in Physiology or Medicine
Lauterbur, 1929 Mansfied 1933
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一、引言
Damadian
1969，提出MR scanner 的设想； 1971，“tumor detecting by MR”,T1,T2； 1977，第一台MRI； 1978，Fonar 公司；
t / T1
)
（9-1）
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二、核磁共振的基本原理
驰豫时间T1 表示物质核磁共振性质的一个重要参数，与 磁场强度、温度和粘滞度有关。 T1不仅表 示从激发态回到平衡态需要多少时间，也表 示进行磁化需要的时间。 磁化强度的最大值M0 指时间足够长时的净磁化强度。
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二、核磁共振的基本原理
磁针保持 南、北向 的百分比， 与磁场强 度和随机 热效应的 相对比值 有关
1980，上市
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一、引言
Raymond Damadian与第一台MRI装置（1977）
“The Shameful Wrong that must be righted”
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世界上第一张 MRI 图像
Damadian申请的专利
实事求是地讲，Damadian应该算是最早把核磁共 振用于生物医学研究的人之一。早在1970年他便把 从人身上切除的肿瘤移植到老鼠身上，并观察到携 带肿瘤的老鼠的核磁共振信号发生了变化。这一结 果发表在1971年的《科学》杂志上。
B0 z’
μ
θ
0
y’
B1
_
x’
交变磁场引起磁矩变化
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二、核磁共振的基本原理
量子力学观点 无外磁场：质子随机指向； 施加外磁场：质子指南或指北，刚开始时， 指南指北数量相同，净磁化向量为零，随 时间推移，开始磁化过程，最终慢慢地趋 向于最大平衡值M0，变化过程可由自旋－ 晶格驰豫时间T1表示。
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四、核磁共振信号的采集
Mz的恢复过程
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四、核磁共振信号的采集
倒转恢复序列
指一个180o射频脉冲后紧跟一个90o脉冲， 两个脉冲的间隔时间为TI，每组脉冲间的时 间间隔为TR。在倒转恢复序列激励下，MRI信 号的强度为：
I N ( H )(1 2 e
T I / T1
e
T R / T1
)
（9-8）
倒转恢复序列激励时，图像对T1的变化更 敏感，精度高，测量范围大。
E 2 B0
（9-3）
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二、核磁共振的基本原理
发生共振的条件是：指南指北质子间的能 量差等于射频波光子的能量，即
E 2 B 0 h
（9-4）
这样，共振频率为：

2 B0 h
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（9-5）
二、核磁共振的基本原理
共振角频率为：
2 v
4 B 0 h [
也称为拉莫(Larmor) 进动
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二、核磁共振距
质子进动与陀螺进动的类比
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二、核磁共振的基本原理
质子的进动
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二、核磁共振的基本原理
核磁共振 在观察的样本磁化后，如果再对它施加一 个与主磁场垂直的交变磁场，当这个交变磁 场的频率与进动频率一致时，原来处于随机 相位的进动质子将趋于同相（相位相干）。 当质子的进动相位完全一致时，就发生了共 振现象，即核磁共振。发生共振时，质子大 量吸收交变场的能量，同时向外辐射能量。
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三、核磁共振的检测参数
激励共振的两个射频脉冲：
能提供能量使M0旋转90o的射频脉冲称为90o 脉冲； 能提供能量使M0 旋转180 o 的射频脉冲称为 180o脉冲。
180o脉冲比90o脉冲持续时间长一倍或者振 幅大一倍。
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三、核磁共振的检测参数
自由感应衰减过程
对磁化的质子施加适当频率的射频脉冲后， 质子趋向同相运动。在射频脉冲存在期间，磁 化向量在快速绕z轴进动的同时，慢慢地绕x轴 旋转（90o或180o）；当射频场消失后，质子的 相位相干现象逐渐消失，磁化向量慢慢地回到 主磁场的方向。磁化向量的这种衰减过程叫做 自由感应衰减(FID)。
规律
产生共振所需射频信号的频率是与外加 磁场的强度有关的。外加磁场强度越大，指 南指北质子能量差越大，产生共振所需的射 频信号的频率或能量越大。
只要激励射频场的频率和能量合适， 就能产生共振。
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二、核磁共振的基本原理
在短时激励脉冲过后，质子将继续辐射同 样频率的射频能量。这个信号的衰减过程被 检出，可以用于磁共振成像，即自旋－自旋 驰豫时间T2。 根据量子力学理论，指南指北质子间的能 量差取决于外加磁场B0和自身的磁矩μ：
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三、核磁共振的检测参数
自由感应衰减信号
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三、核磁共振的检测参数
自旋－晶格驰豫时间T1
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三、核磁共振的检测参数
自旋－自旋驰豫过程
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三、核磁共振的检测参数
自旋－自旋驰豫时间T2
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三、核磁共振的检测参数
T1的大小与外加磁场强度有关
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三、核磁共振的检测参数
T1加权图像（脑部）
T2加权图像（脑部）
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一、引言
T1 Contrast TE = 14 ms TR = 400 ms
T2 Contrast TE = 100 ms TR = 1500 ms
Proton Density TE = 14 ms TR = 1500 ms
多参数成像
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一、引言
T1 Contrast TE = 14 ms TR = 400 ms
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二、核磁共振的基本原理
核磁共振的解释
经典力学观点 带正电荷且具有自旋的核会产生磁场，该 自旋磁场与外加磁场相互作用，将会产生进动。 进动频率与自旋核角速度及外加磁场的关系可 用拉莫尔方程表示：
B0
（9-2）
γ：旋磁比，B0为外加磁场的强度。
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二、核磁共振的基本原理
当进动的质子在射频场的作用下出现相位相 干时，净磁化向量M0将偏离z轴，并绕着z轴以 共振频率进动。此时的磁化向量可以分解为一 个z方向的垂直分量Mz和一个在平面旋转的水平 分量Mxy。 y z B0
B

在任一瞬间， 磁针取向都 是使其持南、 北向的磁力 和使之随机 取向的热力 的平衡结果
核在磁场中
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二、核磁共振的基本原理
进动
进动是磁共振成像中另一个非常重要的 概念，用它来表示质子在磁场中的磁化过程。 类似于重力作用下的自旋陀螺的进动，外磁 场与质子磁矩相互作用也会产生使之进动的 扭力，使自旋的质子绕磁场轴进动。
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四、核磁共振信号的采集
通过特定时序的脉冲序列采集信号：
用射频信号激励样本后产生的横向磁化向 量将最终决定磁共振信号的强度。通常采集 信号的办法是采用一个特定时序的脉冲序列 来激励，不同形式的脉冲激励将直接影响磁 共振图像的灰度、对比度等。 常用的脉冲序列有三种： 部分饱和序列 倒转恢复序列 自旋回波序列

h / 4
] B 0 B 0 （9-6）
可见，共振频率与磁场强度成正比， 从量子力学推出的共振关系式与从经典 力学推出的关系式是完全一样的！
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三、核磁共振的检测参数
首先要明确质子的三个运动状态：
无外磁场时，自旋，磁矩随机指向； 有外磁场时，进动，磁矩指南或指北，净 磁化矢量M0； 核磁共振时，共振（同相进动），净磁化 矢量M0偏离z轴以共振频率绕z轴旋转，可 以分解为垂直矢量Mz和横向矢量Mxy；
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二、核磁共振的基本原理
核磁共振是自旋的原子核在磁场中 与电磁波相互作用的一种物理现象。 人体组织和其他物体一样，也是由 分子、原子组成。组成人体的元素有C、 O、H、Ca、P及其他微量元素，这就为 利用人体中的元素进行成像检测提供了 物质基础。
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二、核磁共振的基本原理
自旋 原子核由质子和中子组成，质子带有正 电荷，自旋将产生一个小磁场，称为磁矩。 中子自旋时也会产生磁矩（约为质子磁矩的 2/3）。 对于质子和中子总数为奇数的原子核， 存在明显的自旋磁矩，即存在发生核磁共振 现象的可能性。比如 1 H , 1 3C , 1 9 F , 2 3 N a , 3 1 P 。