磁共振成像概述

磁共振成像概述磁共振成像( Magnetic Resonance Imaging )是利用人体内氢原子核在强磁场内共振产生影像的一种医学检查和诊断的方法。

•MRI是什么？–——无线电波成像•MRI的特点？–——是软组织分辨率最高的影像检查手段•MRI的适应症？–——可适用全身检查•功能MRI是什么？–——可提供活体的结构、代谢信息磁共振信号＝无线电波依据质子拉莫尔频率，其波长位于短波或超短波。

如：0.5T 拉莫尔频率为21.3MHz, 波长为14.08m（短波）1.5T 拉莫尔频率为63.9MHz, 波长为4.69m（超短波）磁共振成像的定义：磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是利用射频（radio frequency，RF）电磁波对置于磁场中的含有自旋不为零的原子核的物质进行激发，发生核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR），用感应线圈采集磁共振信号，按一定数学方法进行处理而建立的一种数字图像。

核磁共振的含义：核—磁共振现象涉及原子核（特别是氢原子核）磁—磁共振过程发生在强大静磁场的巨大磁体内在静磁场上叠加射频场按时做激励诱发共振叠加梯度磁场进行空间标记并控制成像共振—借助宏观世界自然现象解释微观世界的物理学原理（如音叉振动），核子间能量吸收与释放可产生共振（磁场中）共振现象的三个基本条件(1) 必须有一个主动振动的频率(2)主动振动频率与被动振动的物体固有频率必须相同(3) 主动振动物体具有一定强度并与被振动物体保持一定距离磁共振具备三种磁场才能完成：即静磁场，梯度磁场，射频脉冲磁场。

磁共振现象：处于恒定磁场中的氢原子核，在特定频率（拉摩尔Larmor ）的射频脉冲( RF ) 影响下交替吸收、释放能量的过程。

什么是核磁共振现象？位于静磁场中的人体组织受到射频场的作用产生磁共振信号并利用梯度场进行空间编码实现对信号的定位，通过计算机的重建处理，从而得到图像。

1.人体磁共振的基本成像过程：人体未进入静磁场，体内氢质子群磁矩自然无规律排列；2. 进入静磁场，所有自旋的氢质子重新排列定向，磁矩指向N 或S 极；3. 通过射频线圈与静磁场垂直方向施加射频脉冲，受检部位氢质子吸收能量并向一个方向偏转和自旋；4. 射频脉冲停止，核磁弛豫开始，氢质子释放吸收的能量重新回到原来自旋的方向；5. 释放的电磁能转化为磁共振信号；6. 经梯度磁场做层面选择和相位编码及频率编码；7. 经傅立叶转换和计算机处理形成图像。

磁共振成像系统的基本构成主电源不间断电源射频功放装置梯度场电源装置测量系统电源装置检查床磁体（射频、梯度线圈）计算机控制台液氦消耗记录装置冷冻压缩机附加设备（心电门控，打印、刻录等）MRI在临床诊断中的特点和优势MRI多方位成像（轴位，矢状，冠状位及斜面）多种技术序列、参数成像（MRI、MRA、FMRI 、Perfusion、Diffusion、MRCP、MRU、MRS 等）无创伤、不注射造影剂显示器官水成像、血管成像神经系统显示病变高敏感性急诊应用价值（急性脑梗塞、急性脑血管溶栓、脊髓外伤、主动脉夹层动脉瘤等）骨关节、肌肉韧带、半月板解剖关系利用MR制定放疗计划或手术前定位等。

对组织水分子运动扩散研究（Diffusion）注入造影剂对血流灌注动态研究（Perfusion）血氧平衡水平依赖（BOLD）脑血容动脉自旋体标记（ASL）CBF、CBV非介入方法对心脏形态解剖、内部结构、心肌功能、灌注负荷、血流量化、血管结构（冠脉）等应用脑功能成像（fMRI）血管间隙依赖fMRI（V ASO）组织代谢测定波谱分析（MRS ）介入磁共振……磁共振成像的局限性：成像速度慢对钙化灶和骨皮质症不够敏感图像易受多种伪影影响禁忌症多定量诊断困难磁共振成像基本原理一、几个基本物理概念1、向量— 代表一种数量值和方向。

向量不仅用于物理学中的力，也表示磁场的大小和方向。

表示形式：用直箭表示，箭长表示量值，箭头表示方向。

向量常用于描述磁场量变，每一磁场均有其特有的幅值和方向，幅值就是磁场的强度。

向量可被分解为分向量是一个很重要的概念。

用三维坐标来表示空间内指向任何方向的一种向量，坐标中垂直轴方向用 Z 表示（指静磁场方向），水平轴用X 表示，平行Z 和X 平面的是Y 轴，如果 X 轴与Y 轴所在平面与Z 轴垂直，称XY 平面。

向量值用 M 表示，M 与 X 轴之间有夹角, 这时M 可分解X 轴和 Z 轴方向的分向量 Mx ，Mz2、磁体和磁场 ── 磁体产生磁场磁体线圈有永磁式，空气芯或铁芯电磁体线圈和超导线圈。

磁场强度简单向量X用高斯（Gauss）或特斯拉（Tesla）表示，1Tesla=10000Gauss，地球磁场大约0.6Gauss磁场梯度──指磁场强度内位置不同而改变，磁共振成像中梯度磁场梯度常设为从左至右、自下而上、由前至后磁场强度逐渐增强的梯度磁场。

射频脉冲磁场──正弦波振荡的射频电波，有射频脉冲线圈产生。

电磁感应──通过调节线圈内电流的大小，变化磁场强弱，产生感应电压和电流，实际上产生了一种振荡磁场（发射线圈），另一线圈接受感应产生交流电。

组织的磁化──人体进入磁体后，由于强大磁场的作用使组织本身获得了一种静磁化。

组织磁化是组织能够发射无线电信号最终形成图像成为可能。

二、核磁共振现象（一）原子结构原子可分为原子核与电子，原子核又可分为质子和中子，后两者均称为核子，具有自旋的特性，根据经典电磁学理论：旋转的电荷可视为环路上的运动电荷，具有自旋的运动电荷则应有磁矩，产生一个小磁场。

原子核的自旋：原子核的一种特性。

原子核中的质子并非静止，而是以自身的旋转轴作自旋运动，自旋与质子数目有关。

中子数质子数核自旋偶偶无奇奇不一定偶奇有奇偶有只有奇数质子元素具备磁共振研究条件，如：H，C，F，Na，P等。

氢原子核只有一个质子及一个轨道电子，是目前临床MRI 唯一利用的原子。

氢质子带有一个正电核，不停的旋转产生环形电子形成磁场，这个有南北极的小磁体同时具备有磁矩（向量），其磁动量大小用M 表示。

在自然状态下，旋转的质子磁矩处于杂乱无章的排列方向，并随时发生变化。

当外加一个强磁场后（人体进入磁体内），质子磁矩排列方向发生改变，向南北极两个方向平行排列。

两种不同排列表明其处于两种不同的能级状态，低能级与主磁场方向相同，高能级反之，组织自身被磁化（纵向磁化）。

处于强磁场内的质子并非静止地向两个方向平行排列，进行陀螺式的摇摆样运动，质子磁矩这种旋转运动称为进动（Precession），其旋转频率称共振频率（拉莫频率）进动频率可通过larmor 方程计算完成。

Larmor Equationw =γBo，w为角频率，γ为磁旋比，Bo为磁场强度原子在 1.0 Tesla的磁场中的进动频率称为该原子的磁旋比（γ），为一常数值。

氢原子核的磁旋比为42.58MHz /T，氢原子核的进动频率为42 MHz（1.0T）进动特点：（1）氢原子核在绕自身轴旋转。

（2）沿主磁场方向（Bo）沿磁力线作锥形的圆周运动。

根据公式，进动频率与磁场强度成正比（组织磁化向量与磁场强度成正比）氢质子在不同的场强中共振频率不相同（见表）氢原子核在不同场强中的共振频率静磁场强度（T）共振频率（MHz）0.15 6.40.2 8.50.3 12.80.5 21.30.6 25.51.0 42.61.5 63.92.0 85.33.0 127.8人体组织在强磁场内会产生净磁化，组织磁化的程度取决于磁场强度，与磁场强度成正比。

组织磁化的方向与主磁场方向相同，是纵向磁化。

组织磁化是产生MR信号形成图像的前提。

人体进入磁场，诱发新的磁化向量，沿外磁场纵轴方向称纵向磁化。

因与磁场平行处于同一方向的纵向磁化向量不能直接探测到，需横向与外磁场的磁化向量。

用一个短促的电磁波（即能与质子交换能量的射频脉冲）打乱质子的排列状态，产生横向磁化，质子频率与射频脉冲频率相同时，质子吸收能量，发生共振。

人体进入磁体，组织被磁化，氢质子磁矩有规律排列时，在主磁场垂直方向施加射频脉冲，当RF 脉冲等于质子的进动频率时，质子能吸收RF 脉冲，发生质子能态跃迁，产生核磁共振，使组织磁化向量位置移动，围绕主磁场方向的进动角度发生改变。

射频脉冲时间的长短、强度的大小决定了进动角度的大小。

射频脉冲强度越大，进动角度改变越快。

射频脉冲施加时间越长，进动角度越大。

射频脉冲较弱或作用时间短时，质子磁矩产生小角度翻转或90度，射频脉冲较强或持续时间长，使质子磁矩由原来顺磁场排列方向翻转180 度倒向负Z 轴方向注意：磁化向量以螺旋进动形式倒向XY平面（新的横向磁化），新的横向磁化向量随质子运动，也具有进动频率。

因此，借助天线（接收线圈）可感应到不同部位质子不同的进动频率，产生不同频率的MR信号。

射频脉冲是一种振荡磁场，当发射到主磁场中的人体组织时使其发生了磁化作用，氢质子磁化向量离开主磁场方向围绕Z 轴进动，产生XY 平面上横向磁化，同时有MR信号产生。

射频脉冲一停止，组织磁化恢复原来的状态，即发生弛豫（Relaxation）。

驰豫过程：当射频脉冲停止，交变磁场突然消失，射频激励完成。

受激励的氢质子核将释放出它们吸收的能量，磁化向量逐渐恢复平衡，自旋质子在静磁场作用下，回到静磁场原先排列的位置上。

这个过程称“核磁弛豫”。

磁化向量三个要点：1.磁化向量螺旋式上升靠向静磁场Bo方向。

2.射频脉冲停止瞬间，Z 轴磁化向量为零，XY 平面达到最大值。

3.弛豫过程中，纵向磁化由零恢复到最大值；横向磁化由最大值降至零。

注意：磁化向量以螺旋进动形式倒向XY平面（新的横向磁化），新的横向磁化向量随质子运动，也具有进动频率。

借助天线（接收线圈）可感应到不同部位质子不同的进动频率，产生不同频率的MR信号。

弛豫的两种形式：1.纵向弛豫（Longitudinal relaxation ）射频脉冲停止，纵向弛豫恢复到原来大小平衡的状态，纵向弛豫是能量变化的过程，有能量的快递，扩散变化。

（原子吸收的能量逸散，传递到周围环境的分子晶格中，才能恢复原来高、低能态平衡）纵向弛豫也叫自旋—晶格弛豫。

纵向磁化向量恢复原来数值所经历的时间过程称纵向弛豫时间（T1）。

纵向弛豫过程表现为一种指数递增曲线，T1是特征性时间常数。

T1值被定义为从零恢复到原来纵向磁化向量63%的时间。

4-5倍的T1值时间才能达到完全恢复。

如何区分不同组织T1特征:不同组织有自己的T1和T2值不同的T1和T2反映出不同的信号幅值组织T1特征性时间常数是递增曲线。

影响T1弛豫时间长短的两个因素：（1）不同组织分子结构T1弛豫时间不同，由它们本身进动频率不同所决定。

大部分组织T1值在200-300msec之间，（如：脂肪质子的弛豫比水分子要快，T1时间就短，脂肪T1为100-200ms。