磁共振成像的基本原理

纵向弛豫的机理
处于激发态的自旋核将能量释放至周围环境(晶格， 其它种类原子核)，恢复其平衡态的过程。
共振核周围有许多与之相似的磁矩，这些磁矩都 具有局部磁场，对质子产生影响。晶格磁场是由一 个无数频率组成的随机波动磁场。当晶格磁场为拉 莫频率时，共振核将能量释放至晶格，并从高能态 跃迁至低能态。
T1对比
磁化矢量强度M
由于检测的是一定体积范围
内所有质子在磁场中的表现，所
以测量总的磁矩：
M Leabharlann Baiduμ
M 称为磁化矢量强度。
M0 称为稳定状态时的磁化矢量 强度。M0 与B0 方向一致。 M与组织质子密度、B0和绝对温 度有关。
静止与旋转坐标系
90脉冲作用于M
180脉冲作用于M
任意脉冲作用于M
磁 共 振 形 成 过 程
常见组织横向弛豫时间
组织类型 脂肪 肌肉 白质 灰质
脑脊液
单位：ms
T2 值 85 45 90 100 1400
影响T2的因素
组织特异性； 与组织生理状态有关； 与主磁场强度无关，但与主磁场均匀度有关； 组织分子大小及物理状态：大分子及固体有固定 的分子晶格，分子间的自旋-自旋作用持久，T2短。 小分子及液体分子由于快速平动而趋向于磁场不均匀 性平均化，从而降低T2弛豫效应。 T2变长。
T1 是一个具有组织特异性的时间常数，即不同 组织释放所吸收的射频能量的速度各不相同。成 像中由于不同组织的T1不同而形成的磁化不同，称 为“纵向磁化对比”。
T1加权图像就是利 用组织纵向弛豫时间 的不同来进行成像。
常见组织纵向弛豫时间
脂肪 肌肉 白质 灰质 脑脊液
0.2T
370 390 490 1400
B=0
B0
沿着磁场方向排列的原子核称：平行状态原子核
逆着磁场方向排列的原子核称：反平行状态原子核
顺磁场排列原子的能量比逆磁场排列原子能量小。
原子核在外磁场中量化
质子处于主磁场B0中，氢核的磁矩就与主磁场发 生相互作用，而处一个稳定的状态，氢核不能随意
取向，它的能量是量化的：
平行状态原子核：
E1
1 2
拉莫(Lamor)公式
r B0 0
是磁共振基本公式，称拉莫(Lamor)公式，要求系 统达到共振时，激励射频场的频率ωr 必须与质子系统 的共振频率ω0 相同(ω0与共振核和磁场强度有关)。
B0为主磁场强度，单位Telsa 1 Telsa= 10,000 Gauss 约为地球磁场20,000倍
自旋弛豫(Relaxation)
质子系统在静磁场中逐渐被磁化，并在外加磁场 方向上形成磁化矢量M0，M0在射频脉冲激发下产生 磁共振现象，平衡状态被破坏，产生横向磁化Mxy， 系统平衡被破坏，系统处于激发态。
纵向磁化矢量Mz变小; 横向磁化矢量Mxy增大。 当射频脉冲关闭后，系统从激发态返回平衡态， 这过程就是弛豫。 纵向磁化矢量Mz恢复; 横向磁化矢量Mxy衰减。
单位：ms
1.0T 240 730 680 810 2500
1.5T
860 780 920 3000
影响T1的因素
组织分子大小(中等分子运动频率与共振频率相近， 可产生有效的能量转移，T1小；大分子和小分子运动 频率与共振频率相差甚远，T1大)
影响T1的因素
影响T1的因素
组织特异性的时间常数；与组织生理状态有关
核的质子数或中子数为奇数，如：
1H
P 31
15
23 11
Na
而无磁性核如：
16 8
O
12 6
C
原子核的磁矩
磁矩就是指磁性，用 表示。并非所有的核都具 有磁性。
=h/2 为旋磁比，1H的 =42.58 MHz/T
原子核在外磁场中磁化
B=0
B0
无外磁场时，原子核排列是无序的，总体并 不显示磁性。若存在外磁场时，原子核(H)只能按 两个方向进行定向排列，总体体现磁性。
当场强为1.5T时，低能级的数目只比高能级多
8/2,000,000个，两个方向的净自旋产生的磁场称为
净磁化，或磁化矢量，所以磁化矢量是十分微弱。
射频脉冲激励
在主磁场作用的基础上，在XOY平面内的OX轴
射出一个射频场B1，为了使核系统能吸收射频场发 出的能量，射频场的能量 E必须与质子系统的能级
差ΔE完全相等，E =ΔE
等于Mz衰减过程中，衰减至最大值的37%所需要 的时间。
是横向磁化矢量恢 复快慢的一个指标。
横向弛豫机理
各自旋核的磁场 相互作用，使彼此 间的进动频率变化， 导致自旋间的相位 相干逐渐消失。使 Mxy逐渐衰减过程.
T2对比
T2 是一个组织特异性的时间常数，不同组织释放 所吸收的射频能量的速度各不相同，所以T2也不同， 从而形成的组织的磁化也不同，称为“横向磁化对 比”。
纵向弛豫过程
纵向磁化弛豫
横向磁化弛豫
纵向弛豫过程
Mz M0 (1- e-t/T1 )
又称：自旋-晶格弛豫。指90脉冲终止后，纵向磁 化矢量Mz逐渐恢复至平衡态M0的过程。 T1纵向弛豫时间：为纵向弛豫时间常数。在数值上 等于纵向磁化矢量从最小值恢复至平衡态的63%所 需要的时间，是纵向磁化矢量恢复快慢的一个指标。
hB0
平行状态原子核：
E2
1 2
hB0
能量差为 ：
E E2 E1
所以 B0 越大，质子之间能量差也越大，MRI图像
信噪比也就越好。
Boltzmann能量分布原理
N e 1
(E1 E2 ) / kT
N2
其中 k 玻尔兹曼常数，T为绝对温度。
在常温稳定情况下，处于低能量的粒子数多于处
于高能量的粒子数。
晶格状态(固体、液体)，固体T1长(晶格振动频率 高1012~1013Hz)
大分子的存在(亲水基因与自由水结合形成水化 层，降低水分子运动速率，T1下降)
主磁场强度(B0越大，T1越大)
温度：温度上升，热运动加快有效弛豫频带分 子数减小， T1下降
横向弛豫过程
又称：自旋-自旋弛豫。指90 脉冲终止后，Mxy 由于磁相互作用，导致逐渐衰减过程。 T2纵向弛豫时间：
磁共振成像基本原理
Fundamental Principal of MRI
原子核在外磁场中的运动
原子核在磁场中运动 像“陀螺”，除了自身 的旋转外，还绕外磁场 作旋转“进动”。
原子核的磁性
具有磁性的原子核，必须满足以下的条件：
Z
N
A
偶
偶偶
奇
奇偶
奇/偶 偶/奇 奇
I 零 整数(1, 2, 3, 4, 5, 6,7,) 半整数(1/2, 3/2, 5/2, 7/2, 9/2)