实验八磁共振成像实验

实验八磁共振成像实验

引言

1973年，美国科学家Paul Lauterbur发现，把物体放置在一个稳定的磁场中，然后再加上一个不均匀的磁场（即有梯度的磁场），再用适当的电磁波照射这一物体，这样根据物体释放出的电磁波就可以绘制成物体某个截面的内部图像。随后，英国科学家Peter Mansfield 又进一步验证和改进了这种方法，并发现不均匀磁场的快速变化可以使上述方法能更快地绘制成物体内部结构图像。此外，他还证明了可以用数学方法分析这种方法获得的数据，为利用计算机快速绘制图像奠定了基础。从此核磁共振成像得到了空前的发展。

核磁共振成像的全称是：核磁共振电子计算机断层扫描术，为了避免人们把这种技术误解为核技术，一些科学家把核磁共振成像技术的“核”字去掉，称为其为“磁共振成像技术”（Magnetic Resonance Imaging），英文缩写即MRI。磁共振成像是根据生物磁性核（如氢核）在磁场中表现的共振特性进行成像的新技术。随着磁体技术、超导技术、低温技术、电子技术和计算机技术等相关技术的不断进步，MRI技术得到了飞速发展，已成为现代医学影像领域中的重要一员。

通过本实验可以掌握MRI基本原理，了解几种成像参数对图像的影响。

原理

把某些物质放入磁场中时，这些物质就具备了共振的持性。意思是说这些物质可以吸收然后再发射具有一个特定频率的电磁辐射，如图1所示。辐射是以典型的射频(RF)信号形

图1 磁共振成像的基本原理

式进行。物质所发射的RF信号的特性决定于该物质的某些物理和化学持性。在磁共振成像(MRl)过程中，这种RF信号也携带着人体内组织空间定位的信息。磁共振(MR)图像就是一个显示来自人体层面内每个组织体素的RF信号强度大小的像素的阵列。图像中每个像素的亮度取决于相应组织体素所发射的RF信号的强度。而每个体素的信号强度又由图l所列的组织的四种性质所决定。其中任何一个性质对图像亮度及对比度所引起的作用的范围都决定于操作者所选择的某些成原因素，例如，可以对一个图像“加权”，因此首先要依靠核密度(或浓度)或纵向弛豫率(T1)或横向弛豫率(T2)的大小来决定RF信号。与磁场和RF能量相互作用的组织构成成分都是单个原子核。所以这种现象统称为核磁共振(NMR)。

1.几个基本概念

1）磁性核

参与MR过程的物质必须含具有持定磁

性的原子核。为了与磁场产生相互作用，原子

核本身必须是小磁体并具有磁矩。单个原子核

的磁性是由原子核内的中子—质子组成情况

来决定的。只有某些具有奇数中子和(或)质子

的原子核才带磁性。即使多数化学元素都具有

一种或多种是磁性核的同位素，但可用于成像

或活体光谱学分析的只是有限的几种。在具有

磁性并能参与NMR过程的核素中，每种核素

图2具有磁性核的同位素

所产生的信号的量值都有很大的不同。原子核

磁性的特定取向称为磁矩。在图2中，磁矩的

方向由一个通过原子核的箭头来表示。

2）射频能量

在成像过程中，RF能量在成像系统和患者身体之间进行交换。这种交换通过—套相当靠近患者身体的线圈进行。RF线圈就是天线，它既向组织发射能量，也从组织接收能量。在每个成像周期内，RF能量在几个短脉冲期间加于人体上。脉冲的强度用它们旋转组织的磁化强度的角度来描述。大多数成像方法在每个周期中既使用90︒的脉冲也使用180︒的脉冲。在每个成像周期的特定时刻，组织被激励而发射一个RF信号。这个信号被线圈接收、分析，并用来形成图像。自旋回波技术一般用于激励信号的发射。因此，来自患者身体的信号统称为回波。

3）核磁的相互作用

NMR过程涉及到磁性核、磁场、RF能量脉冲和信号的一系列的相互作用。这些作用有校直、共振、激发和弛豫。我们记得一个磁性核是以一个磁矩为特征的。磁矩的方向是用通过原子核的一个小箭头来表示的。如果我们把核看作普通的一个小磁铁．那么．磁铁箭头的方向就相当于磁铁的南极到北极的指向，如果没有强磁场，原子核的磁矩在空间是随机取向的，组织中的许多原子核并非在固定结构中，而是可以自由地改变方向的。事实上，出于物质内部的热运动，原子核不断地翻来倒去地改变方向。如果把一块含有磁性核的物质放在磁场中时，原子核就要经受一个转矩的作用，这个转矩的作用促使原子核的磁矩方向校直到磁场方向上。

当一个磁性核与一个磁场校直后，它也并不是固定不动的，核磁矩要在磁场轴周围进动或者摆动，如图3所示。进动是由于原子核的自旋角动量和磁场相互作用而引起的一种物理现象。进动的重要性在于它能使原子核对于RF能量特别敏感，或者调谐到RF能量具有的频率和进动频率相等，满足此条件就称为共振。它是所有MR过程的基础。NMR实际上就是核处于磁场中时，核共振或“调谐”的过程。

原于核的共振频率是由原子核的持性及磁场强度共同决定的。共振频率也称为拉莫尔(Larmor)频率。共振频率与场强间的具体关系是每种核素的固有持性，一般称它为旋磁化。对所有的核素来说，共振频率与磁场强度成正比。如果把一个频率相当于核共振频率的RF 能量加在某物质上时．那么，某些能量将被个别原了核吸收。一个吸收RF能量的原子核偏离其校直于磁场的方向。这种所增加的能量使原子核处于非正常的状态或激发状态。

当一个原子核处于激发状态时，它要经受磁场施加的一个增大的转矩短作用，促使它重新校直。而这种原子核通过把自己多余的能量传给其它原于核或整个物质结构的办法，又可以回到原来校直的位置，这个过程称为弛豫。

4）纵向磁化和弛豫

弛豫可以理解为粒子受到激发后，以非辐射的方式回到基态而达到玻尔兹曼平衡的过程，高能态的核会向周围环境转移能量，使其及时地回到低能态。自旋核周围的局部场的任何波动，只要其频率与自旋核的共振频率相当，均可引起核系统的弛豫，根据自旋核与外界交换能量的形式，仅考虑纵向（自旋-晶格）弛豫和横向（自旋-自旋）弛豫。纵向磁化和弛豫如

图3弛豫过程中纵向磁化的生长图4具有不同T1值的组织的纵向弛豫的比较

图3和图4所示。T1为纵向弛豫时间，T1 越小，经过同样弛豫时间采集信号时，信号越大，图像像素越亮。

5）横向磁化与弛豫

对组织加上一个RF能量的脉冲，就可以产生横向磁化，横向磁化很快会衰减，横向弛豫时间T2，比纵向弛豫时间T1短。它的定义与特性如图5和图6所示。

图5 弛豫过程中横向磁化的变化图6 具有不同T2值的组织的横向弛豫的比较

6）FID信号和自旋回波信号

横向磁化衰减(即弛豫)是由于单个原子核之间的相位失去同步而产生的现象。图7是用