医学成像原理第6章MRI

• （二）纵向驰豫
• 射频脉冲停止以后，纵向 磁化矢量M0由最小恢复到 原来大小的过程称纵向驰 豫。在驰豫过程中总的净 磁化矢量也程螺旋形运动 ，与射频激发后的运动正 好相反。
• 1．纵向驰豫机制 • 纵向驰豫过程中，吸收了射频脉冲能量跃迁到高能级的自旋质子把能
量释放到周围的晶格中，回到它们的稳定状态。因而，纵向驰豫也称
• 章动导致M0向XY 平面翻转，与Z轴形成一定的角度（θ）：
• 式中： ω1为射频脉冲进动频率 （ ），t 为RF 脉冲的 作用时间。我们可以通过控制RF 脉冲 的强度和作用时间，确定 M0的翻转角度。
• （1）90°翻转：当RF 脉冲的能量一定时： • 因为 ，所以：
• 根据式上式如果保持射频脉冲的作用时间为tπ/2，MZ 就会被翻转90°
。产生90° 翻转的脉冲称为90°RF 脉冲。 • （2）180°翻转：用上式可以计算出M0产生180°翻转所需要的脉冲 持续时间： • 为了实现M0的180°翻转，可以使用一个相同强度射频脉冲但具有 90°射频脉冲两倍的作用时间；或者具有90°射频脉冲两倍的强度但 作用时间相同的脉冲。 • （3）部分翻转：M0的翻转角度小于90°，可以通过降低射频脉冲的 强度或持续时间来实现。M0的三种翻转形式在MRI 中都有具体的应用 ，它决定MR 成像序列，影响图像显示病变的敏感性及图像的质量。
数，符合： • 式中：MZ（t）为t 时刻的纵向磁化矢量值，M0 为平衡态时的净磁化
矢量值，t 为驰豫时间，T1 为纵向驰豫时间常数。
• T1＝纵向磁化矢量MZ从最小恢复到平衡态磁化矢量M0的63％的时间
• 不同组织的T1值是不同的。B0强度不同，同一组织的T1值也是不同的
（表6-1）。B0越大，组织的T1值越大。
• 通过对静磁场（B0)中的人体施加某种特定频率的
射频脉冲(radio frequency RF)电磁波，使人体组织 中的氢质子（1H）受到激励而发生磁共振现象， 当RF 脉冲中止后，1H 在弛豫过程中发射出信号 ，被接收线圈接收，利用梯度磁场进行空间定位 ，最后进行图像重建而成像的。
第一节 概述
场可以被开启和关闭。
• （2）超导型磁体：根据用超导材料性能设计一个强大磁场，使用液 氮或液氦作为制冷剂。磁场可以被开启和关闭。
• （3）永磁型磁体：磁体由铁磁性物质组成，磁场持续存在，不能被
关闭。 • 2．根据磁体的场强分类 根据磁体的场强分为：①超高场（4.0～7.0T
）；②高场（1.5～3.0T）；③中场（0.5～1.4T）；④低场（0.2～0.4T
二、自旋质子弛豫
• （一）驰豫的概念 • 驰豫（relaxation）：是指自旋质 子的能级由激发态恢复到它们稳
定态（平衡态）的过程。
• 驰豫过程包含着同步发生但彼此 独立的两个过程：①纵向驰豫（
longitudinal relaxation）；②横
向驰豫（transverse relaxation）
为自旋-晶格驰豫。纵向驰豫过程中M0 恢复的程度是随时间的变化而 逐步增长，用T1 来表示M0 恢复速率特征的时间常数（M0 恢复到某
一程度时所需要的时间）。因此，纵向驰豫又称为T1驰豫。
• 2．纵向驰豫时间 • 90°射频脉冲之后，净磁化矢量M0被翻转到XY 平面，随后以T1速率
特征进行恢复，呈指数曲线增长形式。T1驰豫过程中MZ是时间的函
）；⑤超低场（﹤0.2T）。 • 超高场主要用于研究，高、中场常见于超导型扫描仪，低场见于常导 型和永磁型扫描仪。
三、射频脉冲
• 射频脉冲（RF）是一种交变电磁波（其磁场用B1 表示）。当静磁场 （B0）的场强为0.2T～3.0T时，根据拉莫方程，处于B0中自旋质子的 进动频率为8.5～127MHz，它属于电磁波谱内无线电波的频率范围； 又因为它在MRI 中仅做短暂的发射，因此称为射频脉冲。 • （一）射频脉冲的作用 • 1．翻转纵向磁化矢量
三、自由感应衰减信号
• 使用一个90°RF 脉冲来激发自旋质子，使M0 翻转到XY 平面。90°RF 脉冲关闭后，自旋质子在XY 平面内进动，并且处于相同的相位；MXY 开始随时间衰减；自旋在接收线圈内感应产生一个电流。当t＝0 时， 信号有最大值；t＝1 时，信号为零；t＝2 时，信号有反向最大值； t=3 时，信号为零。因此，产生震荡磁场，其在接收线圈内产生震荡 的感应电流（磁共振信号）。信号的强度取决于MXY：
所有的原子核均可发生磁共振现象
，只有具有磁矩的原子核才能在一 定的条件下发生磁共振现象。
• 氢质子具有两个能态：低能态和高
能态。这意味着一些氢质子绕自身 轴进行自旋，产生一个磁场。另外
一些氢质子以相反的方向自旋，并
产生相反方向的磁场。
• 如果原子核内有偶数个质子，则这些配对质子的磁场将会抵消，总磁
• MRI 的诸多特点使其成为继X 线成影、计算机体层成影、超声检查之后在医学诊 断和研究中不可或缺的医学影像检查技术。然而MRI 也有其局限性： • 1．空间分辨力低 与X 线摄影、CT 等成像技术相比，MR 图像的空间分辨力较低 。 • • • 2．成像速度慢 不利于为危重病人及不合作病人的检查。 3．禁忌证多 装有心脏起搏器、动脉瘤夹、金属假肢等病人不宜进行MRI 检查。 4．不能进行定量分析 因MRI 不能对成像参数值进行有效测定，所以不能像CT 那 样在图像上进行定量分析和诊断。 • • 5．多种伪影因素 导致MR 图像产生的伪影因素较其它的成像技术多。 6．MRI 设备价格相对昂贵。
相互抵消，净磁场强度为零。
• 如果把人体放入一个强大的静磁场（B0）中将会出现：①质子将沿着
静磁场的方向排列，产生净磁化矢量；②质子在自旋的同时，以静磁 场的磁力线为轴进行〝进动〞（或称〝旋进〞）。 • 1．净磁化矢量的形成
• 2．质子在静磁场中的进动
• 无静磁场（B0）时，质子绕自身 的轴旋转，产生一个自身的小磁 场。当我们把自旋质子放入B0内 时，质子开始〝摇摆〞，不仅绕 自身的轴进行自旋，同时也绕B0 的轴进行旋转，这样的运动状态 称之为〝进动〞。质子绕B0轴的 进动频率可以通过拉莫方程计算 ：
• 接收到的信号如下图所示。呈指数曲线形式衰减的震荡信号称为自由
• 质子在B0的进动，使质子的旋
转轴与B0轴存在着进动角，因
而质子的磁化矢量在垂直于B0 的方向XY平面上有一个磁化分
量。但质子的运动是随机的，其
在XY 平面上的投影相互抵消而 没有横向磁场分量存在。
• （二）静磁场的类型
• 1．根据磁体的设计分类 • （1）常导型磁体：根据线圈内的环形电流产生磁场的原理设计，磁
场为零；当原子核内有奇数个质子时，则都会产生一个净磁场，使原 子核具有磁矩。实际上，任何存在奇数质子、中子或质子数与中子数 之和为奇数的原子核均存在磁矩。
二、静磁场
• （一）静磁场的作用 • 人体中有很多的氢质子，质子都有自身的一个小磁场，并且绕自己的 轴进行旋转，具有磁矩。一般状态下质子的自旋是随机分布的，磁矩
• 离相位（out of phase）：多个矢量在空间的方向不一致；
• 聚相位（re-phase）：由不同相位达到同相位的过程； • 失相位（de-phase）：由同相位变成不同相位的过程。
• 2．磁场中自旋之间的相位
• 在静磁场（B0）中〝进动〞的自旋质子的磁矩与B0存在着进动角，因 此自旋磁矩可分解为Z 轴与XY 平面的两个矢量。在任意时刻，自旋质 子的磁矩在Z 轴的矢量将始终指向同一方向（即同相位），因而叠加 形成宏观纵向磁化矢量M0。XY 平面内的矢量则随机分布处于不同的 方向（即离相位），因而磁化矢量在XY 平面内相互抵消，不能形成 宏观磁化矢量。在射频脉冲的作用下，M0被翻转到XY 平面的同时， 绕Z 轴进动的自旋磁矩的相位趋于一致（即聚相位），磁化矢量的叠 加形成宏观横向磁化矢量MXY。
Hale Waihona Puke • 3．T2*驰豫• T2*称为准T2或有效驰豫时间。T2是在 绝对均匀的静磁场（B0）中的驰豫， T2衰减主要取决于自旋-自旋相互作用 。但是任何磁体产生的磁场都不可能 是绝对均匀的，因此横向驰豫受到不 均匀的B0和自旋-自旋相互作用的双重 影响，我们把在不均匀的B0中的横向 驰豫称为T2* 驰豫。T2*是不固定的， 随B0的均匀性而改变。T2*衰减速度总 是快于T2衰减速度。
• 以上讨论了使用90oRF 脉冲时的T1驰豫过程。如果在90o脉冲之前再
施加一个180oRF 脉冲，这将使纵向磁化矢量M0被翻转180o至B0的负 方向，然后按照组织的T1速率进行恢复。
• （三）横向驰豫
• 1．横向驰豫机制 • MXY 的形成是由于射频脉冲激发后，自旋质子处于激发态并在XY 平面 继续绕Z 轴进动，其相位趋于一致而叠加形成宏观磁化矢量。在磁场 中，每个自旋都受到静磁场B0 和临近自旋磁矩产生的局部磁场的影响 。 • （三）横向驰豫 • 1．横向驰豫机制 MXY 的形成是由于射频脉冲激发后，自旋质子处于激
• （二）射频脉冲的特征参量
• 1．频率 • 使进动频率与RF 脉冲频率相同的 质子发生磁共振。 • 2．带宽
• 频率的范围，决定扫描时的层面
厚度及预饱和。 • 3．强度和作用时间
• 决定Mz 的翻转角度。
第三节 磁共振图像的信号
一、相位的概念
• 1．相位 • 平面内旋转的矢量与某一参照轴的夹角称为相位。 • 同相位（in-phase）：多个矢量在空间的方向一致；
第二节 发生磁共振现象的基本条件
• 一、原子核的自旋与磁矩 • （一）原子核的自旋和电磁场 • 〝自旋〞（spin）：原子核及质
子围绕着自身的轴进行旋转。
• 带有正电荷的质子的自旋类似于 一个小磁体，产生一个与自旋同
轴的电磁场，具有大小和方向。
• 磁场的方向可由环形电流的法拉 第右手定则确定。
• （二）原子核的磁矩 • 磁矩是矢量，有大小和方向。并非