MRI基础知识交流

Rotating Magnetic Vector=EM Radiation
Mz 一旦离开“Z”轴，它将以 绕Z做拉莫进动，一个旋转的 磁场产生RF电磁辐射。因此，被吸收的RF能量再被发射出去，产 生了NMR信号。
ν
Laboratory Frame Z Bo RF
Y
Mxy X 图1.8
Rotates at wo
Mz Bz Z
Y’ B1(RF) X’
1.1.7 The calculation of flip angle
The calculation of flip angle():the angle that Mz precesses about the x axis can be described by the following equation
Bz Mz Y
X
1.1.5 脉冲射频场 当沿X轴加上频率为ν的射频（RF）场B1时，从宏观 看，B1对Mz施加的力矩为Mz³B1，它使Mz偏离Z轴。偏离Z轴的Mz又受 到力矩Mz³Bz的作用而绕Z轴进动，进动频率为ν 。在B1和Bz共同作用 下，在实验室坐标系中，宏观磁矩Mz以螺旋方式倒向X-Y平面，如图6所 示。在量子水平上，有的质子会吸收射频场的能量，从低能态跃迁到高 能态，这导致Mz分量减小，同时质子进动相位逐渐趋于同相， Mxy分量 增大 。当Mz减小为零，Mxy达到最大时，所有的质子同相。
致Mz 恢复，Mxy 衰减，这个过程称为“核磁弛豫”。
核磁弛豫过程用两个时间常数描述， T1和T2.
Turn Off the Transmitter What Happens
• RF energy is retransmitted -This is the “NMR” singnal -At the resonance frequency -Signal proportional to Proton Density • Mz begins to recover
Mxy
0.40 0.20
T2=170
T2=80 0.00 0 100 200 300 400 500
t,msec
两个因素对横向磁化强度的衰减有贡献：
1、自旋相互作用导致称为纯T2的分子效应：
2、 Bz的变化导致称为非均匀的T2inhomo效应。 实际上横向磁化强度的衰减是有这两个因素共同作用 的结果，联合作用的时间常数叫做T2星，用T2＊表示。 T2、T2inhomo和T2＊三者 之间的关系由下式决定： 1/ T2＊=1/T2＋1/T2inhomo
MRI 基础知识交流
李景会
2010年6月23
交流目标
• 1）了解MRI的基本概念和基本成像原理 ； • 2）了解MRI领域的几个图像后处理方向; • 3）了解MRI的发展趋势;
目录
• 基本概念和基本原理 • 后处理方向 • 发展趋势
第一部分：基本概念和基本原理 部分
1. 磁共振成像原理
1.1.6 Rotating Frame
Rotating Frame: The viewpoint of an observer riding along on the proton. the proton is stationary, The laboratory is rotating.如图7所示
自旋的性质：当处于外磁场B中时，具有自旋的质子能够吸收一个频率为ν的
光子。频率ν与粒子的旋磁比γ有关： ν= γB 对于氢核（质子）， γ=42.58MHz/T 能 级：具有自旋和磁矩的质子行为像一个有南北极的小磁体。 磁矩与磁场密切结合，磁极被排列成 N-S-N-S 的低能态和N-N-S-S的高能态，如图2所示。
FID: An NMR Signal in the absence of any magnetic gradients. An FID decays exponentially At t=T2,63.2% of signal has been lost. The decay curve is the signal envelope. The actual signal is oscillating at the resonance frequency in the MHz range.
跃迁：
处在低能级 的质子吸收一个光子会跃迁到 高能级上，当用频率为ν的电磁波照射时， 质子会吸收电波从低能态跃迁到高能态，这 叫做“核磁共振”。这个光子的能量由plank常 数和其频率ν决定 E=h ν 在MRI里，量ν叫做共振频率或拉莫尔(larmor) 频率。
外磁场下质子的进动实际表示：
当它处于一个均匀稳恒的外磁场B中时，自旋的小磁矩绕B作拉莫 尔（Larmor）进动，如图3所示，进动频率 ν = γB
1.1 MR 信号的产生 1.1.1 自旋
MRI 系统的基本原理是基于质子的 核磁共振，每个质子都具有自旋和 磁矩。像电荷或质量一样，自旋是 大自然物质的一种基本属性。质子、 中子和电子都具有自旋，单个的质子 中子和电子自旋值为1/2。旋转带电的 质子就像一个小磁体具有磁矩。如图 1所示。
1.1.2 在外磁场中的自旋
E
1 million +9
0T
0.5T
1.5T
1.1.3玻耳兹曼统计
在室温下，较低能级上的自旋数目N＋ 比较高能级上 的数目N－ 稍微多一些，波耳兹曼统计告诉我们 N＋/ N－=e－E/kT E是自旋状态之间的能量差；k为波耳兹曼常数；T 为温度。 MRI谱中的信号是由从低能状态跃迁到较高状态的 自旋吸收的能量差产生的，信号是与状态之间的粒 子总数差成比例的。还应注意到影响MRI信号的另 外两个因素：同位素的自然丰度和生物学丰度。同 位素的自然丰度是具有给定质子和中子数的核子的 百分率；生物学丰度是人体中某类原子的百分率。
ν
Laboratory Frame Z Bo RF
Y
Mxy X 图1.3
Rotates at wo
Free Induction Decay
Signal =M0²e－t/T2 Envelope
The signal itself is oscillation in the MHz range (the resonance frequency)
0.2
0.4
0.6 t,sec
0.8
1.0
1.2
1.1.10 T2过程 这是一个由自旋与自旋相互作用决定的横向Mxy弛 豫过程，弛豫时间常数为T2，如图11所示。
Spin-Spin Interaction
Case 1
•
S H N Adds S Subtracts N H
Slows Down
Speeds Up
RF
Y Rotates at Wo
X
Mxy
Laboratory Frame
Mz Recovers via T1 Relaxation
Mz（t）恢复曲线 Mz（t） = Mz（ 1－e－t/T1） T1为Mz（t） 恢复到0.63Mz的时间。如图10所示
1.00 0.80 0.60 Mz T1=400 0.40 0.20 0.00 0.0 T1=200
Case 2
S H N Adds Adds N S H
Both spins speed up as they move together
图 1.11
Mxy衰减曲线如下图， Mxy遵从指数衰减规律 Mxy（t） = Mz·－t/T2 e T2为Mxy（t）衰减到0.37 Mz的时间。如图12所示
1.00 0.80 0.60
MRI所研究的一些核子的生物学丰度
元素
氢（H）
钠 ( Na)
生物学丰度
0.63
磷 (P) 碳 (C) 氧 (O) 钙 (Ca) 氮 (N)
0.00041 0.0024 0.049 0.26 0.0022 0.015
1.1.4 宏观磁矩
• 自旋组群(包) 上述的微观描述是很麻烦的，而宏观描述是 比较方便的。自旋包是经历相同磁场强度的一组自旋，它们 共同产生的磁场可以用磁化强度矢量表示，每个矢量的大小 正比于（ N＋－ N－）。 • 净磁化强度 由所有自旋包产生的磁化强度矢量的矢量和为 净磁化强度。如果外场Bz沿着实验室坐标系的Z轴,自旋围绕 磁场Bz做拉莫进动，其相位是异相的，因此净磁化强度只有 Mz。如图5所示 Z
一部分小磁矩沿着Bz方向，处于低能态；另一部分与Bz 方向相反，处于高能态，在平衡态下，沿着Bz 方向的 质子数目稍微多于反方向的质子，如图4所示。这些质 子处于不停的热运动中，它们围绕磁场B做拉莫进动， 其相位是异相的。
1 million
1 million
1 million 2 million 1 million +3 1 million +6 1.0T B0(Tesla)
1.1.9 T1过程
在热平衡状态下，处于Bz场中的样品净磁化强度Mz是沿着Z轴的。 如果施加合适脉冲射频场，可以使Mz倒在XY平面内，同时Mz为零。 这时关掉脉冲射频场，受激质子或自旋所吸收的能量释放到周围 晶格，通过自旋与晶格弛豫机制重新回复到热平衡态。如图9所示
Photon
S
NΒιβλιοθήκη Baidu
H
N
H
S
Z Bo Mz
(b)
(a) X' Y'
(d)
X'
Y'
X'
Y'
X' (c)
Y'
T2 T2*
TE/2 t=0 t=TE/2
TE/2 t=TE
图 1.16 自旋回波的形成
1.2 空间编码
如何确定MR信号来自哪里？这就需要利 用空间编码技术，包括： •层片选择； •频率编码；和 •相位编码。
-Exponential recover of Mz -Time constant is called T1
- Longitudinal or Spin-Lattile Relaxation • Spins (Mxy) begin to dephase - Exponential decay of signal - Time constant is called T2 or T2* -Transverse or Spin-Spin Relaxation
1.1.11 在旋转坐标系中的磁化强度Mz和Mxy
定义一个绕Z轴以拉莫尔频率旋转的参照系是很方便的，用X和Y上加 撇号将旋转系和固定系区分开。在旋转系中Mz弛豫到它的平衡值看起 来与在固定系中的弛豫是相同的，从最大变到0，再从0变到最大。绕Z 轴以旋转系相同速度旋转的Mxy在旋转系中看起来是固定的。比旋转 系移动快的磁化强度矢量绕Z轴顺时针方向旋转，比旋转系移动慢的磁 化强度矢量绕Z轴逆时针方向旋转。在一个样品种，有比旋转系移动快 的和慢的一些自旋包，作为结果Mx’y’ 的失相（移相）看起来如图13 所示。
Z Mz Z Z
X'
Mxy
Y'
X'
Mxy
Y'
X'
Mxy Y'
1.1.12 自由感应衰减
Mz 一旦离开“Z”轴，便产生Mxy，它将以 绕Z做拉莫进动，一个旋 转的磁场产生RF电磁辐射，被吸收的RF能量再被发射出去，产生了 NMR信号。当关断脉冲射频场后，因为Mxy绕Z轴旋转，它将在围绕X 轴的线圈内感应出一个电流 。如图14所示
图 1.15
1.1.13 MR信号的产生 现在，以自旋回波为例，让我们看一看磁共振（MR） 信号是如何获得的。（a）加上一个90○ RF脉冲后的t=0 时刻，在与Mz 一同旋转的坐标系（X´-Y´-Z´）中，Mz 指向Y´轴， 所有自旋（小磁矩）同相。如果我们在垂 直于Y（固定坐标系）放置一个接受线圈，随着时间的推 移我们会受到一个自由感应衰减（FID）信号。（b）通 过T2＊机制自旋异相，经过一个TE/2时间，在t=TE/2时刻， 沿X´方向加180○RF脉冲，使异相的矢量关于X´轴反转同 时相异变号。（c）由于磁场均匀性不变，进动速度不变， 经过TE/2时间后，小磁矩逐渐同相.(d)在t=TE时，所有 小磁矩同相，则在－Y方向获得自旋回波。
＝B1
（2）
Where =the duration of the RF pulse;
B1=the strength of RF magnetic field,i.e. the strength of RF pulse;
is gyromagnetic ratio ;
1.1.8 关掉脉冲射频场会发生什么 一旦RF场B1被关掉，质子吸收的能量释放出来，这 会产生一个自由感应衰减（NMR）信号。从高能级 跳回到低能级时，自旋进动的相位逐渐异相，这导