MRI简介

多参数成像
T1 Contrast TE = 14 ms TR = 400 ms
T2 Contrast TE = 100 ms TR = 1500 ms
Proton Density TE = 14 ms TR = 1500 ms
多截面成像
核磁共振原理
核磁共振现象来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用下的进动。 核磁共振现象来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用下的进动。
场方向的1米长的导线，通过1安培的电流，受到磁场的作用力为1牛顿时， 场方向的1米长的导线，通过1安培的电流，受到磁场的作用力为1牛顿时，通电导线所在处的磁感应强度就 是1特斯拉
。）或高斯（Gauss）表示，1T=1万高斯。 。）或高斯（Gauss）表示，1T=1万高斯。 万高斯
临床上磁共振成像要求磁场强度在0.05～3T范围内。一般将 临床上磁共振成像要求磁场强度在0.05～3T范围内。 0.05 范围内 0.3T称为低场 0.3T～1.0T称为中场，＞1.0T称为高场。 称为低场， 称为中场，＞1.0T称为高场 ≤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。 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。 带来一些不利的因素。
2．梯度磁场系统
梯度磁场简称梯度场，梯度是指磁场强度按其磁场的 位置（距离）的变化而改变，它的产生是由梯度线圈完成的， 一般在主磁体空间沿着X、Y、Z三个方向放置。梯度线圈有 三组即GX、GY、GZ，叠加在静磁场的磁体内，当线圈通电时 可在静磁场中形成梯度改变。
成像面术语
矢状面(Sagittal plane) : Slice=0 冠状面(Coronal plane): Slice=1 横断面(Transverse plane): Slice=2
世界上第一张 MRI 图像
T1加权图像（脑部） 加权图像（脑部）
T2加权图像（脑部） 加权图像（脑部） 加权图像
T1 Contrast TE = 14 ms TR = 400 ms
T2 Contrast TE = 100 ms TR = 1500 ms
Proton Density TE = 14 ms TR = 1500 ms
1952 Nobel Prize for Physics
Felix Bloch 1905-1983 Stanford University Edward Mills Purcell 1912-1997 MIT
核磁共振现象的成像应用： 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 年 个独立小组利用磁场梯度解决空 个独立小组利用磁场梯度 间信息获取的问题： 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 年 ） 242,736 2）Mansfield, Nottingham University (1973) ） J. Phys.C 6,L422
4．计算机系统 在MRI设备中，计算机系统包括各种规模的计算 MRI设备中， 设备中 机、单片机、微处理器等，构成了MRI设备的控 单片机、微处理器等，构成了MRI设备的控 MRI 制网络。 制网络。信号处理系统可采用高档次微型机负责 信号预处理、快速傅立叶变换和卷积反投影运算。 信号预处理、快速傅立叶变换和卷积反投影运算。 微机系统负责信息调度（如人机交互等）与系 微机系统负责信息调度（如人机交互等） 统控制（如控制梯度磁场、射频脉冲）。 统控制（如控制梯度磁场、射频脉冲）。
几种常见组织在不同场强下的T1（ms），T2（ms）及 质子密度值
T1 组织 脂肪 白质 灰质 脑脊液 肌肉 0.2T 240 390 490 1400 370 1.0T --620 810 2500 730 1.5T --718 998 3000 860
T2 60 76 91 140 50
质子密度 (%)
核磁共振成像技术的原理、 核磁共振成像技术的原理、应用 与发展
核磁共振发展史
迄今为止众多科学家因核磁共振领域的研究获得诺贝尔奖
1924年： Pauli 预言了NMR 的基本理论（有些核同时具有自旋和磁量子数，这些核在磁场中 ： 会发生分裂） 斯特恩和盖拉赫在原子束实验中观察到了锂原子和银原子的磁偏转。随后斯特恩等人测量了质 子的磁距,斯特恩于1943年获得诺贝尔物理奖。 1939年： 拉比第一次做了核磁共振实验 ，并于1944年获得诺贝尔物理奖 1946年： Harvard 大学的Purcel和Stanford大学的Bloch各自首次发现并证实NMR现象，并于 1952年分享了诺贝尔物理奖 1953年：Varian开始商用仪器开发，并于同年制作了第一台高分辨NMR 仪 1956年：Knight发现元素所处的化学环境对NMR信号有影响，而这一影响与物质 分子结构有关 1970年：Fourier(pilsed)-NMR 开始市场化（早期多使用的是连续波 NMR 仪器） 1973年：核磁共振技术被引入医学临床检测 1991年：Ernst 获1991年诺贝尔化学奖（高分辨核磁共振波谱学方法方面 ） 2002年：瑞士核磁共振波谱学家维特里希，由于用多维NMR技术在测定溶液中蛋白质结构的三 维构象方面的开创性研究，而获2002年诺贝尔化学奖。同获此奖的还有一名美国科学家和一名 日本科学家 2003年：美国科学家劳特劳尔于1973年发明在静磁场中使用梯度场，能够获得磁共振信号的位 置，从而可以得到物体的二维图像；英国科学家曼斯菲尔德进一步发展了使用梯度场的方法， 指出磁共振信号可以用数学方法精确描述，从而使磁共振成像技术成为可能，他发展的快速成 像方法为医学磁共振成像临床诊断打下了基础。诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家劳特布 尔和英国科学家曼斯菲尔德，以表彰他们在核磁共振成像技术领域的突破性成就
核磁共振现象的发现： 核磁共振现象的发现： 1945年两个独立小组在几天内同时发现 年两个独立小组在几天内同时发现 核磁共振现象： 核磁共振现象： 1）Bloch Stanford 大学 （1946）Physics ） ） Review 69, 127； ； 2）Purcell MIT,（1946）Physics Review 69, ） （ ） 37
优点：造价较低，不用时可以停电，在0.2T以下可以获得较好的临床 优点：造价较低，不用时可以停电， 0.2T以下可以获得较好的临床 图像。 图像。 缺点：磁场的不稳定性因素主要是受供电电源电压波动的影响， 缺点：磁场的不稳定性因素主要是受供电电源电压波动的影响，均匀 度差。另外易受环境因素（如温度、线圈绕组的位置或尺寸）的影响. 度差。另外易受环境因素（如温度、线圈绕组的位置或尺寸）的影响.
Z方向
3．射频系统 射频脉冲磁场简称射频脉冲（ 射频脉冲磁场简称射频脉冲（radio frequency，RF）是一 frequency，RF） 种以正弦波震荡的射频电波。磁共振系统中应用的频率较低， 种以正弦波震荡的射频电波。磁共振系统中应用的频率较低， 相当于调频广播FM波段，根据静磁场的强度不同其RF频率也不 相当于调频广播FM波段，根据静磁场的强度不同其RF频率也不 同。
（3）超导磁体
荷兰科学家昂尼斯（Kamerlingh Onnes） 在1911年首先发现某些物质 的电阻在超低温下急剧下降为零的超导性质，电阻的突然消失意味着物 质已转变为某种新的状态，这些物质称为超导体。科学家昂尼斯获得了 1913年诺贝尔物理学奖。
优点：场强高，稳定性和均匀度好，因此可开发更多的临床应用功能。 缺点：技术复杂和成本高。
波尔兹曼分布
B1
信号 计算机 处理
迄今为止，只有自旋量子数 等于1/2的原子核，其核磁共振 信号才能够被人们利用，经常为 人们所利用的原子核有： 1H、 11B、13C、17O、19F、29Si、31P 。
去B1
核磁共振信号的弛豫
驰豫的概念 自旋体系可以与周围环境相互作用。 在低能态上的核跃迁到高能态的同时，高能态的核 向周围环境转移能量，及时地回复到低能态，核体 系仍然保持低能态核数目比高能态微弱过剩的热平 衡状态，维持玻尔兹曼分布，从而保证了共振吸收 的继续进行。 这种不经过辐射而回到低能态的过程叫弛豫 （relaxation）。
射频系统作用： 射频系统作用：用来发射射频磁场，激发样品的磁化强度产 生磁共振，同时，接收样品磁共振发射出来的信号，通过一系 生磁共振，同时，接收样品磁共振发射出来的信号，通过一系 列的处理，得到数字化原始数据，送给计算机进行图像重建。 它是由发射射频磁场部分和接收射频信号部分组成。 它是由发射射频磁场部分和接收射频信号部分组成。
弛豫的生物学意义 人体水分约占体重的70%左右。因此，人体 MRI属于液体成像的范畴。 人体的不同组织器官以及正常与异常组织 间氢质子的弛Leabharlann Baidu特性有很大的不同，这就 形成了氢质子MRI成像的物理学基础。 如：软组织中 水多 NMR信号强
骨中 水少 NMR信号弱 大脑灰质：氢大多存在于水中。 大脑白质：氢大多存在于脂肪中。
（2）常导磁体 常导磁体是根据电流产生磁场的原理设计的。 常导磁体是根据电流产生磁场的原理设计的。当电流通过圆形线圈 时，在导线的周围会产生磁场。常导磁体的线圈是由高导电性的金属 在导线的周围会产生磁场。 导线或薄片绕制而成。它的结构主要由各种线圈组成。 导线或薄片绕制而成。它的结构主要由各种线圈组成。
2003 Nobel Prize in Physiology or Medicine
Lauterbur, 1929 Mansfied 1933
第一台MRI 第一台MRI装置 (1977) MRI装置
2002年 诺贝尔化学奖授予美日瑞士三国科学家 芬恩 （图左），田中耕一（图中），维特里希（图右）
• 1971年 美国纽约州立大学的 R.Damadian 利用磁共振波谱仪对小 鼠研究发现，癌变组织的T1，T2弛豫时间比正常组织长 • 1973年 美国纽约州立大学的 Lauterbur 利用梯度磁场进行空间定位， 获得两个充水试管的第一幅磁共振图像 • 1978年 英国取得了第一幅人体头部的磁共振图像 • 1980年 第一副人体胸腹部MR图像产生 ，磁共振设备商品化 • 1982年底 全世界有2000名病例接受MRI检查 • 1984年 美国FDA批准核磁共振使用于临床 • 1986年 • …… 中国成立安科公司 • 1998年 世界磁共振成像年
为了获得不同场强的磁体， 为了获得不同场强的磁体，生产厂商制造出了不同类型的磁 常见的磁体有永久磁体、常导磁体和超导磁体。 体，常见的磁体有永久磁体、常导磁体和超导磁体。
（1）永久磁体
永久磁体是由永久磁铁的磁砖拼砌而成。它的 结构主要有两种，即环型和轭型。
优点：造价低，场强可以达到0.3T，能产生优质图像，需 要功率极小，维护费用低，可装在一个相对小的房间里。 缺点：磁场强度较低，磁场的均匀度和强度欠稳定，易 受外界因素的影响（尤其是温度），不能满足临床波谱研 究的需要。
1952年 诺贝尔物理学奖授予 美国科学家布洛赫（图左）和波赛尔（图右）
2003年 诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家 劳特布尔（图左）和英国科学家曼斯菲尔德（图右）
核磁共振成像发展史
• 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磁共振现象。Purcell 和 Bloch 共同获得1952年诺贝尔物理学奖 • 1968年 Jockson 试制全身磁共振
9.6 10.6 10.6 10.8 9.3
1．磁体系统 磁体系统是磁共振成像系统最重要、成本最高的部件， 磁体系统是磁共振成像系统最重要、成本最高的部件，是磁 共振系统中最强大的磁场， 共振系统中最强大的磁场，平时我们评论磁共振设备的大小就 是指静磁场的场强数值 单位用特斯拉 Tesla，简称T, 静磁场的场强数值， 特斯拉（ 是指静磁场的场强数值，单位用特斯拉（Tesla，简称T,垂直于磁