磁共振成像入门

磁共振成像入门

一、引言

X-CT是利用X射线从一定的方向向人体照射，X射线穿过人体，经各器官不同程度地吸收后被探测，作为信号送往计算机处理，获得人体断层图像。核磁共振成像（MRI）类似于X-CT，它利用一定频率的电磁波，向处于强磁场中的人体辐射。人体中各种组织都含有体液，体液中的氢原子核H在电磁波的作用下发生磁共振（以后会谈到这个词的含义），吸收电磁波能量，随后探测来自H核的电磁波信号。经计算机信号处理得到人体的断层图像。由于H核发出电磁波时，附带了它们周围化学环境的信息，所以从核磁共振信号得到的人体断层图像上可以获得许多X-CT不能得到的生理信息。

二、核磁共振

“核磁共振”顾名思义，是与核和磁有关的一种现象，以下我们就从磁矩说起。

1、原子核磁矩

在人类生活的五彩缤纷的世界中，万物都是由罗列于化学元素周期表中的各类原子组成。每个原子都包含一个原子核，以及多个电子。电子绕着原子核快速旋转，如同月亮绕着地球转动一样，原子核则像地球一样作自我旋转，原子核内的质子因为核自旋运动，产生环形电流并感生出磁场，我们称这样的原子核具有核磁矩。所谓磁矩，形象地说，就像一个个细小的指南针具有磁性、南极、北极等。虽然组成物体的很多原子核都具有磁矩，但平时在一般常见的物体中它们都处于

一种无序排列状态，每个磁矩的方向都是随意的，磁矩间的磁性相互抵消，从整体上来讲，我们并未感到自己的身体，书本以及其它物体具有磁性。

指南针总是指向南极，是因为它们总受地球磁场的作用。如果具有磁矩的原子核也受一个磁场的作用，它们也会从一种无序排列变成一种有序排列，磁场愈强磁矩一致取向的倾向愈强烈，物体就会表现出磁性，就好像一个大的指南针，我们称之为宏观磁矩。磁场愈强这个宏观磁矩的磁性也愈大。

2、磁矩在磁场中的运动特性

1）进动

当一个核磁矩处于磁场中时，磁矩受磁场的作用（如指南针受地磁场的作用一样），磁矩将绕磁场方向作“进动”，即原子核绕着自我旋转的同时，又绕磁场方向转动。这个情形如同小孩玩的陀螺，陀螺在旋转的时候，如果其轴偏离垂直方向，它就会一边自旋，一边又绕着垂直方向转动，陀螺进动是受地球重力场的作用，磁矩进动是受外加磁场的作用。

磁矩在磁场中进动时，进动的频率称拉莫而频率，是由著名的拉莫尔方程决定的：ω=γB0其中ω为拉莫尔频率，B0为外加磁场的磁感应强度，γ是与原子核性质有关的一个常数，

称为旋磁比。H核的旋磁比γ=42.58MHz/T，在1500高斯的磁场中，H核磁矩每秒钟将绕磁场转动六百三十万周。磁场越高，磁矩进动的频率就越快。

处于磁场中的核磁矩，当其方向与磁场方向之间的夹角越大时，它所处的能量状态越高。

宏观磁矩在磁场中的运动规律与单个核磁矩一样，另外宏观磁矩的能量也与它同磁场的方向的夹角成正比。

在目前人们能制造的各种磁体的磁场强度范围内，原子核的拉莫尔频率都在1千兆周以下，我们称为射频波段。

2）处于强磁场中的宏观磁矩，在无外界因素影响的情况下，将处于顺着磁场方向排列的状态，不会随时间变化而变化，称为稳定平衡状态。如果由于某种原因，宏观磁矩的方向偏离磁场方向，核磁矩就不能长久保持这种状态，它们将由偏离磁场方向的非平衡状态，逐渐变化到顺着磁场方向的稳定状态。这种变化过程反映了原子核与周围环境的相互作用，就是下面要说的“弛豫过程”。为了叙述方便，我们把顺着磁场方向的方向称为纵向，垂直于磁场方向的方向称为横向。由于人体中的液体是由无数个H原子与其它原子组成，H核磁矩受周围原子核的影响，液体分子本身还在作布朗运动，因为核磁矩与周围环境存在着各种形式的能量交换。宏观磁矩偏离磁场方向之后，在磁场中以拉莫尔频率运动。由于偏离磁场方向后，磁矩处于高能态，它将向周围环境传递能量，其方向也将向磁场方向靠拢，最终停留在磁场方向上，恢复到没有偏离磁场方向以前的状态。另外，每个H 核磁矩与周围其它H核磁矩相互作用，各磁矩的进动速度会有一些差异。就像在环形跑到上3000米赛跑一样，起跑时选手们都在同一线上，以后由于各个赛跑着速度不同而拉开距离，直到均匀地分布在

整个跑到上。磁矩在“非稳定”到稳定的变化过程中，也经历这种“分散”的过程。各磁矩在横向的磁性将相互抵消，宏观磁矩的横向分量最后变为0，以上宏观磁矩从非稳定状态到稳定状态的变化过程反映了“弛豫”（relaxation）。其中，宏观磁矩在纵向上的分量，从小到大变化，最后达到磁矩没有偏离磁场方向以前的宏观磁矩值，这过程称为“纵向弛骤”。宏观磁矩横向上的分量从非稳定状态初始值变到零的过程为“横向弛豫”。

从图上看，无论横向弛豫还是纵向弛骤，开始时变化都非常快，，以后逐渐缓慢，最后横向宏观磁矩分量趋向零，而纵向宏观磁矩分量趋向于稳定状态时的值。纵向宏观磁矩分量达到平衡状态时的63﹪所需的时间称为纵向弛豫时间常数，用T1表示。横向宏观磁矩分量从非稳定状态初始值变化到初始值得37﹪处所需的时间称为横向弛豫时间常数，用T2表示。T1，T2大，弛豫进行的慢，T1，T2小，弛豫进行的快。由于弛豫速度是由原子核所处的周围环境决定的，人体各组织中H核所处的化学环境各不相同，因而一般来说，各组织的T1，T2值都不相同。

3、核磁共振现象及磁共振信号的探测

共振现象是自然界普遍存在的，比如荡秋千，如果你坐在秋千上，另一个人在推你，秋千来回荡起来，你荡到他前面时，就推你一下，这样秋千越荡越高。假如推的频率同你荡秋千的频率不一样的话，他就推不着你，你和他总是不同步，他每次推都只能推到空气，你的秋千也就不会越荡越高。推的频率和秋千的频率一致，秋千得到能量，越

摆越高，这就是一种“共振”现象。

处于磁场中H核磁矩类似于秋千。磁矩绕着磁场反复地进动，进动频率是拉莫尔频率。若在一时刻有电磁波向它辐射，而且电磁波频率与拉莫尔频率一致时，核磁矩与电磁波之间也会发生共振。不过，不同于秋千共振时越荡越高，核磁矩在共振时的表现是：它一方面绕磁场方向作快速进动，另一方面磁矩与磁场方向间的夹角在不断变大。如果电磁波的频率与拉莫尔频率不同的话，如同推秋千的人推不到秋千一样，电磁波不会与核磁矩之间发生作用。如果我们在瞬间用拉莫尔频率的电磁波使磁矩方向与磁场方向的夹角变化α角时，我们就称这个电磁波是一个α角的电磁脉冲，如90O射频脉冲使磁矩方向与磁场方向成90O，α角越大磁矩的能量也增加越多（α＜180O）。

共振电磁波停止辐射之后，氢原子核要放出它吸收的电磁能量，磁矩将逐渐恢复到未受电磁波辐射之前的状态（弛豫）。如果把一线圈放置于磁矩边上，由于宏观磁矩在进动，线圈两端会因宏观磁矩横向分量的旋转而感应产生电信号。因横向弛豫宏观磁矩横向分量越来越小，因而感应产生的电信号是一个逐渐衰减的振荡信号。这种信号称为核磁共振信号。由于这种信号是宏观磁矩在磁场中自由进动产生的，所以又称为自由感应衰减信号（free induction decay简称FID）。如果电磁波与核磁矩之间没有共振，宏观磁矩仍沿磁场方向，电磁波脉冲发射完之后，感应线圈中因无宏观磁矩在进动，不会产生任何信号。

三、核磁共振成像