MRI技术简介及发展

纵向磁化
1.指向上与指向下质子的磁 矢量抵消，余下指向上质子的总 矢量为纵向矢量。 磁化沿外磁场纵轴方向而得名。 病人成了一个大磁体。 2.质子相位不同，而已质子在 X-Y平面的水平矢量总和为0.
3.射频电磁波对质子的作用 3.射频电磁波对质子的作用
进入主磁场后人体被 磁化了，产生纵向宏 磁化了， 观磁化矢量 不同的组织由于氢质 子含量的不同，宏观 子含量的不同， 磁化矢量也不同 磁共振不能检测出纵 向磁化矢量
T1加权成像 T1加权成像(T1WI) 加权成像(T1WI)
• 反映组织纵向弛豫的快慢！ 反映组织纵向弛豫的快慢！ 脂 水
T1值越小 → 纵向磁化矢量恢复越快 → MR信号 T1值越 值越小 纵向磁化矢量恢复越快 MR信号 强度越高 强度越高（白） T1值越大 → 纵向磁化矢量恢复越慢 → MR信号 T1值越 值越大 纵向磁化矢量恢复越慢 MR信号 强度越低 强度越低（黑） 脂肪的T1值约为 值约为250毫秒 MR信号 信号高 脂肪的T1值约为250毫秒 → MR信号高（白） T1值约为 值约为3000毫秒 MR信号 信号低 水的T1值约为3000毫秒 →，MR信号低（黑）
核磁共振谱
人脑部水抑制质子谱
为何不是一根垂直于水平轴的直线？ 为何不是一根垂直于水平轴的直线？
一，谱线为什么会变宽？ 谱线为什么会变宽？ 1，量子力学的不确定关系导致频带变宽； 量子力学的不确定关系导致频带变宽； 2，外磁场不均匀导致谱线变宽； 外磁场不均匀导致谱线变宽； 3，谱线具有一定宽度，所以就具有一定形 谱线具有一定宽度， 状，因而可以求代谢物浓度和含量
•不同的组织横向弛豫速度不同 •不同的组织T2值不同 不同的组织T2值不同
•不同组织有不同的纵向弛豫速度 •不同组织T1值不同 不同组织T1值不同
重 要 提 示
不同组织有着不同
质子密度 横向(T2)弛豫速度 纵向(T1)弛豫速度
这是MRI显示解剖结构和病 显示解剖结构和病 这是 变的基础
在任何序列图像上， 在任何序列图像上，信号采集时刻 旋转横向的磁化矢量越大，MR信号
二，为什么单一的谱线变为多根位置不同的 谱线？ 谱线？ 不同原子基团核外的电子云对核的屏蔽作用 不同，导致σ不同，因而不同的基团核的共振 不同， 不同， 频率会有微小区别，称之为化学位移。 频率会有微小区别，称之为化学位移。 总结：MRS反映了物质深层次的化学信息，对外 总结：MRS反映了物质深层次的化学信息， 反映了物质深层次的化学信息 磁场B0的要求比MRI高两个数量级，要求更为 磁场B0的要求比MRI高两个数量级， B0的要求比MRI高两个数量级 严格。 严格。 意义：很多疾病在早期时，代谢的变化比病理 意义：很多疾病在早期时， 形态出现的更早，做到早诊断，早预防，早 形态出现的更早，做到早诊断，早预防， 治疗。 治疗。
90度脉冲激发使质子发生共振，产生最大的 90度脉冲激发使质子发生共振， 度脉冲激发使质子发生共振 旋转横向磁化矢量， 旋转横向磁化矢量，这种旋转的横向磁化 矢量通过接收线圈，MR仪可以检测到 仪可以检测到。 矢量通过接收线圈，MR仪可以检测到。
氢 质 子 多 氢 质 子 少
非常重要
无线电波激发后，人体内宏观磁场偏转了90度 无线电波激发后，人体内宏观磁场偏转了90度， MRI可以检测到人体发出的信号 MRI可以检测到人体发出的信号 氢质子含量高的组织纵向磁化矢量大，90度脉冲 氢质子含量高的组织纵向磁化矢量大，90度脉冲 后偏转道横向的磁场越强，MR信号强度越高 信号强度越高。 后偏转道横向的磁场越强，MR信号强度越高。 此时的MR图像可区分质子密度不同的两种组织 图像可区分质子密度不同的两种组织。 此时的MR图像可区分质子密度不同的两种组织。 • 检测到的仅仅是不同组织氢质子含量的差别，对 检测到的仅仅是不同组织氢质子含量的差别 仅仅是不同组织氢质子含量的差别， 于临床诊断来说是远远不够的。 于临床诊断来说是远远不够的。 我们总是在90度脉冲关闭后过一定时间才进行 度脉冲关闭后过一定时间才进行MR 我们总是在90度脉冲关闭后过一定时间才进行MR 信号采集。 信号采集。
射频脉冲停止后，在主磁场的作用下， 射频脉冲停止后，在主磁场的作用下，横向 宏观磁化矢量逐渐缩小到零， 宏观磁化矢量逐渐缩小到零，纵向宏观磁化 矢量从零逐渐回到平衡状态， 矢量从零逐渐回到平衡状态，这个过程称为 核磁弛豫。 核磁弛豫又可分解为两个部分： 核磁弛豫又可分解为两个部分： 横向弛豫T2：就是横向磁化矢量Mxy减少 横向弛豫T2：就是横向磁化矢量Mxy减少 M0的37%的时间 的时间。 到M0的37%的时间。 纵向弛豫T1：就是纵向磁化矢量Mz恢复到 纵向弛豫T1：就是纵向磁化矢量Mz恢复到 M0的63%的过程。 M0的63%的过程 的过程。
主磁体 梯度线圈 脉冲线圈 计算机系统 其他辅助设备
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主磁体
磁共振最基本的构建 产生磁场的装置 最重要的指标为磁场强度和均匀度
•MRI按磁场产生方式分类 MRI按磁场产生方式分类
主 磁 体
电磁 超导 永磁 常导
0.35T 永磁磁
1.5T 超导磁
梯度线圈
梯度线圈性能 的提高 → 磁共 振成速度加快 作用： 作用：
重要提示!!! 重要提示!!!
人体大多数病变的T1值、T2值均较相应的 值 值均较相应的 正常组织大，因而在 因而在T1WI上比正常组织“ 上比正常组织“ 上比正常组织 上比正常组织“ 黑”，在T2WI上比正常组织“白”。 上比正常组织
二、MRI扫描仪的基本硬件构成 二、MRI扫描仪的基本硬件构成 一般的MRI仪由以下几部分组成 一般的MRI仪由以下几部分组成
如何产生一个X-Y平面的磁矢量--沿X轴方向加入磁场B1。
施加B1后，因初始状态M0与 B0平行，所以B0对 M0的力矩为零；但初始状态M0与B1垂直，则将 产生一力矩，此力矩将使磁矩以M0为为初始磁化 矢量绕B1旋进，结果是与B0的夹角不断增加。 M在B1和B0作用下，运动轨迹为从球面顶点开始 逐渐展开的螺旋线。 沿X轴方向施加的旋转磁场B1就是MRI设备中所产 生并施加到被检体的射频脉冲电磁波即RF电磁波 。即向被检体施加射频脉冲。 因其频率与进动频率相同，H核吸收能量而发生共 振
处于高能状态太累了，并非人人都能做到 处于高能状态太累了，
处 于 低 能 状 态 的 略 多 一 点
进动和进动频率： 进动和进动频率：
1.当我们开启外磁场B0，质子会像陀螺一样 ，不仅围绕自己自身的轴自旋，同时也绕外 磁场B0的轴向旋转------进动。 2.质子每秒进动的次数----进动频率。 拉莫方程：ω＝γ×B0，γ是比例常数，对于 1H, γ(H)=42.6MHz/T。
越强
T2加权成像（T2WI) 加权成像（
水
反映组织 横向弛豫 的快慢！ 的快慢！
脑
T2值小 → 横向磁化矢量减少快 → MR信号低（黑） 横向磁化矢量减少快 MR信号 信号低 T2值大 → 横向磁化矢量减少慢 → MR信号高（白） 横向磁化矢量减少慢 MR信号 信号高 值约为3000毫秒 MR信号 信号高 水T2值约为3000毫秒 → MR信号高 值约为100毫秒 MR信号 信号低 脑T2值约为100毫秒 → MR信号低
空间定位 产生信号
没有梯度磁场 的进步就没有 快速、 快速、超快速 成像技术
脉冲线圈
作用： 作用：如同无线电波的天 线
激发人体产生共振（广播 激发人体产生共振（ 电台的发射天线） 电台的发射天线） 采集MR信号（ 采集MR信号（收音机的天 信号 线）
•脉冲线圈的分类
–激发并采集MRI信号（体线圈） 激发并采集MRI信号 体线圈） 信号（ –仅采集MRI信号，激发采用体 仅采集MRI信号 信号， 线圈进行（绝大多数表面线圈） 线圈进行（绝大多数表面线圈）
MRI技术简介及其发展 技术简介及其发展
生物物理-蒋刚
一，MRI基本原理，基本概念 MRI基本原理， 基本原理
1、人体MR成像的物质基础
电子：负电荷 电子： 中子：无电荷 中子： 质子：正电荷 质子：
通常所指的MRI为氢质子的 为氢质子的MR图像 通常所指的 为氢质子的 图像
原子核总是绕着自身的轴旋转－－自旋 spin 原子核总是绕着自身的轴旋转－－自旋 －－
θ角脉冲及磁共振信号 角脉冲及磁共振信号
RF电磁波对样品激励的宏观表现是：磁化强度矢量以M0为初矢量逐渐 偏离外磁场方向。 θ角越大，获能越多。 常用的基本脉冲：90°、180°。 90°脉冲表现为从M0开始逐渐展开 成半球面螺旋线。
90 度 脉 冲 继 发 后 产 生 的
低能的超出部分的氢质子有一半获得能量进入高能状态， 低能的超出部分的氢质子有一半获得能量进入高能状态， 高能和低能质子数相等， 高能和低能质子数相等，纵向磁化矢量相互抵消而等于零 使质子处于同相位，质子的微观横向磁化矢量相加，产生 使质子处于同相位，质子的微观横向磁化矢量相加， 宏观横向磁化矢量
通常情况下，尽管每个质子自旋均产生一个小的磁场， 通常情况下，尽管每个质子自旋均产生一个小的磁场，但呈随机无 序排列，磁化矢量相互抵消， 并不表现出宏观磁化矢量。 序排列，磁化矢量相互抵消，人体并不表现出宏观磁化矢量。
2、人体进入主磁体发生了什么 、人体进入主磁体发生了什么？
没有外加磁场的情况下， 没有外加磁场的情况下，质子自旋产生核磁 小磁铁” ，每个氢质子都是一个“小磁铁”，但由于 排列杂乱无章，磁场相互抵消， 排列杂乱无章，磁场相互抵消，人体并不表 现出宏观的磁场， 现出宏观的磁场，宏观磁化矢量为0。
自旋与核磁
地球自转产生磁场 原子核总是不停地按一定频率绕着自身的轴 发生自旋 ( Spin ) 原子核的质子带正电荷， 原子核的质子带正电荷，其自旋产生的磁场 称为核磁，因而以前把磁共振成像称为核磁 共振成像（NMRI）。 NMRI）。
地磁、磁铁、 地磁、磁铁、核磁示意图
通常情况下人体内氢质子的核磁状态
射频脉冲(RF)的效应( 射频脉冲(RF)的效应(一) (RF)的效应 纵向磁化减小： 质子吸收能量后，从低能级（指向上)跃迁到 高能级(指向下)，指向下抵消指向上的质子的 磁力，引起纵向磁化减小。
射频脉冲(RF)的效应( 射频脉冲(RF)的效应(二) (RF)的效应 横向磁化： 引起质子同步，同速运动，处于同相，在XY 平面上产生新的磁化，即横向磁化。（旋转 坐标系）
4.射频线圈关闭后发生了什么？ 4.射频线圈关闭后发生了什么？ 射频线圈关闭后发生了什么
无线电波激发使磁场偏转90度 无线电波激发使磁场偏转 度，关闭无线电 波后，磁场又慢慢回到平衡状态（纵向) 波后，磁场又慢慢回到平衡状态（纵向
在横向上 自旋核从相对有序状态向相对无序状态的过 渡。开始时为聚焦状态，因每个自旋核相当 开始时为聚焦状态， 于一个小磁体，彼此之间的相互作用很快使 于一个小磁体， 自旋核由聚焦的方向上分散开来。 自旋核由聚焦的方向上分散开来。
进入主磁场前后人体组织质子 的核磁状态
1H产生了能级分裂，处在低能级的1H总是占多数 1H产生了能级分裂，处在低能级的1H总是占多数 产生了能级分裂
在磁场内---质子排列有序， 在磁场内---质子排列有序，质子自旋产生的磁场方向平行 ---质子排列有序 指向上）或者是反平行于（指向下）磁力线。 于（指向上）或者是反平行于（指向下）磁力线。
４分５３秒 ５３秒
１秒
空间分辨率更高
常 规：256×256 256× 高分辨： 512， 高分辨：512 ×512，1024 ×1024
512 ×512
从单纯形态学分析向功能成像 转变
脑功能成像 心功能成像 肝功能成像 肾功能成像 磁共振波谱分析（MRS） 磁共振波谱分析（MRS）
脑功能成像
磁共振波谱分析
计算机系统及谱仪
数据的运算 控制扫描 显示图像
其他辅助设备
空调 检查台 激光照相机 液氦及水冷却 系统 自动洗片机等
三、MRI进展方向
成像速度更快
常规SE T2WI序列 15-25分钟 常规SE 、T2WI序列 15-25分钟 快速超快速梯度回波 1秒以内 EPI 100毫秒以内 100毫秒以内