磁共振成像原理

接动画


小结 （ 1 ）自旋氢质子的原子核相当一个 环形电流，在环形电流周围有一个小 磁场； （ 2 ）自然状态下，人体存在大量带 电、有磁性的自旋核，但它们的磁矩 互相抵消，组织并未显示出磁性。
三、静磁场的作用


（一）外加静磁场中 的磁化 MRI中外加静磁场的 强度B0是恒定的。用 X、Y、Z坐标系来描 述磁场的位置，Z代 表B0方向，即磁力线 方向，X-Y平面代表 垂直于磁场方向的平 面。
接动画
三、静磁场的作用
（二）静磁场中的能级分裂


原子核磁矩μ进入B0后，空间取向发生量子化， 只能取一些确定的方向。自旋量子数为 I ，则 只能2I+1个不同方向。 μ在B0方向的投影是一些不连续的数值。 μ的 不同取向，形成它与B0相互作用能的不同。μ 与B0的相互作用能称为位能。在B0中 μ的位能 为：
原子核自旋
2. 原子核结构和自旋质子(氢质子)


原子核是由不同数量的质子和中子构成， 其大小与质量都不相同，如氢的同位素氕 (1H)、氘(2H)、氚(3H)。 它们的核都有一个质子，不同的是氘还有 一个中子，氚有两个中子。 因为氕的核只有一个质子，将它称为氢质 子或质子，质子带正电，并不停的旋转着， 又称自旋质子，是目前 MR 成像应用最广 泛的原子核。
自旋动画
3. 带电的自旋质子群


通电的环形线圈周围都有磁场存在，相 当于一块磁铁。所以转动的质子也相当 于一个小磁体，具有自身的南、北极及 磁力，质子自身具有磁性，在其周围产 生磁场，并具有自身磁矩。磁矩是矢量， 具有方向和大小，磁矩的方向可有环形 电流的法拉第右手定则确定，与自旋轴 一致。 环形电流的磁矩μ：μ=IS
(三 ) 主 要 内 容


MRI检查技术分为影像显示和生化代谢分析 影像显示技术主要由脉冲序列、流动现象的 补偿技术、伪影补偿技术和一系列特殊成像 技术组成。 主要的特殊成像技术： 1.磁共振血管成像 (magnetic resonance angiography，MRA) 2. 磁共振水成像 (magnetic resonance hydrography)
(二 ) 主 要 用 途



心血管系统，使用心电门控和呼吸门控技术可对大血管 病变如主动脉瘤、主动脉夹层、大动脉炎、肺动脉塞以 及大血管发育等进行诊断，也用于诊断心肌、心包、心 腔等病变。 纵隔、腹腔、盆腔，MRI的流动效应，能在静脉不注射对 比剂情况下，直接对纵隔内、肺门区以及大血管周围实 质性肿块与血管做出鉴别。 对纵隔肿块、腹腔及盆腔器官，如肝、胰、脾、肾、肾 上腺、前列腺病变发现、诊断与鉴别诊断具有价值。 MRI软组织极佳的分辨率，成为诊断乳腺病变有价值的方 法。

E B0 h B0 I Z / 2
γ为原子核的磁旋比（gyromagnetic-ratio）
（二）静磁场中的能级分裂


γ是μ与核角动量之比，γ是一个原子核固有的 特征值，不同的原子核具有不同的γ值，每种 原子核的γ是一常数，氢质子的γ值为 42.5MHz/T； 在B0的作用下使原来简并的能级分裂成2I+1个 能级，称为塞曼分裂，这些能级称为塞曼能级。 塞曼能级是等间距的，相邻两个能级之能量差 为：
4. 磁场强度及方向



磁场有力和能的性质，力有强度和方向 静磁场强度以字母 B 表示，单位是特斯拉 (Tesla)或高斯(Gauss) 磁场的强弱在图中用平行线的密疏来表示 密度大，场强大， 用箭头的长短来表示， 箭头的方向就是磁场的方向。
接动画
（二）原子核的自旋角动量





原子核还具有自旋角动量 P 。 P 的方向与自旋 轴重合，大小由下式决定： P=h[I(I+1)]1/2 (4-1) I为核自旋量子数。I值由质子和中子数量决定。 核内质子数和中子数都是偶数时，自旋量子数 I=0，即成对质子、中子的自旋互相抵消，原 子核的总自旋为零； 质子数和中子数都是奇数，两者的和为偶数时， I取整数值； 质子数和中子数的和为奇数，I取半整数。
(一) MRI的特点


4. 多参数成像、多序列成像 通过分别获取T1 加权像(T1 weighted image，TlWI)；T2加权像 (T2 weighted image，T2WI)、质子密度加权像 (proton density weighted ， PDWI)以及T2*WI、 重T1WI、重T2WI，在影像上取得组织之间、组 织与病变之间在T1、T2、T2*和PD上的信号对 比，对显示解剖结构和病变敏感； 5. 能进行形态学研究、进行功能、组织化学和 生物化学方面的研究。可以对脑脊液和血液的 流动作定量分析，提供一组有关流动的非形态 学信息。
二、原子核的特性



（一）原子核自旋和磁矩 1. 原子核和电子云 物质由分子组成的，分子由原子组成。 原子由 一个原子核及数目不同的电子组成。原子核又 由带有正电荷的质子（proton）和不显电性的中 子组成，其中质子与MRI有关。 构成水、脂肪、肌肉等生命物质的原子 ( 氢、钠 或磷等 ) ，原子的外层为原子壳，由不停运动着 的许多电子构成(电子云)。中央是原子核，核上 有电荷，围绕原子核的轴线转动，称为“自旋” （spin） 。
（一）外加静磁场中的磁化




垂直座标系 Z 轴 是 B0 方 向 ， 通常与体轴一致 XY 平面垂直于体 轴，叫横断面 X轴是水平轴， Y 轴是垂直轴，三 个轴互相垂直
接动画
三、静磁场的作用


（一）外加静磁场中的磁化 将一个小磁矩放在 外磁场B0中，两磁场方向的夹角为θ，小磁矩发 生转动，停在顺B0方向(θ减小到零)。这时的小磁 矩处于稳定状态，能级最低，是磁场B0的扭力效 应。若θ等于180°，即磁矩与B0方向相反，磁矩 最不稳定，势能最大。 磁矩在B0中有顺B0或反B0两个方向，一群磁矩动 态平衡的结果是顺B0的磁矩多于逆B0的磁矩，剩 余的是平行B0的低能态质子，因此，净磁向量M 与B0同方向。
第一节 概述




1973年美国纽约州立大学的Lauterbur利用梯度 磁场进行空间定位，用两个充水试管获得了第 一幅核磁共振图像。 1974年～1980年MRI得到不断发展，研究出梯 度选层方法、相位编码成像方法、自旋回波成 像方法以及二维傅里叶变换的成像方法。 1978年在英国取得了第一幅人体头部的磁共振 图像。同一年，又取得了人体的第一幅胸、腹 部图像。 1980年磁共振机开始应用于临床。
第二节 MR现象的物理学基础


一、产生核磁共振现象的基本条件 静磁场中物质的原子核受到一定频率的 电磁波作用，它们的能级之间发生共振 跃迁，就是磁共振现象。 物质吸收电磁波能量而跃迁后，又会释 放电磁能量恢复到初始状态，如果用特 殊装置接受这部分能量信号，就采集到 MR信号。
第二节 MR现象的物理学基础
（二）原子核的自旋角动量


只有具备奇数质子和奇数中子的原子核及和为 奇数的原子核，其总自旋不为零，才能产生核 磁共振现象，这样的原子包括1H、13C、19F、 23Na、31P等百余种元素。 生物组织中，1H占原子数量的2/3，且1H为磁 化最高的原子核，目前生物组织的MRI主要是 1H成像。氢原子核内只有一个质子，不含有 中子，氢原子核也称为氢质子，1H的磁共振 图像也称为质子像。
（二）原子核的自旋角动量
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ

组织质子群总净磁向量M等于零：在一个 小范围体积元(Voxel)的生物组织内，有许 多质子自旋核，每个核都有一个小磁场， 相当一群小磁铁，以磁矩来表示这些微观 磁体的磁场大小和方向。 自然状态下，核磁矩的方向各自东西，杂 乱无章，其结果是互相抵消。整体上组织 总的净磁向量M是零，因为M是各方向磁 矩正、负值相加。
第一节 概述


1946 年，美国哈佛大学的 E.Purcell 及斯坦福 大学的F.Bloch领导的两个研究小组各自独立 地发现了核磁共振现象，Purcell和Bloch两人 共同获得 1952 年的诺贝尔物理奖。核磁共振 主要用于磁共振波谱，研究物质的分子结构。 1971 年 美 国 纽 约 州 立 大 学 的 R.damadian 用 MRS 仪对鼠的正常组织和癌变组织样品研究 发现，癌变组织 T1 、 T2 弛豫时间值比正常组 织长。
(一) MRI的特点


1. 以射频脉冲作为成像的能量源 不使用电离 辐射(X线)，对人体安全、无创； 2.具有较高的组织对比度和分辩力 能清楚地 显示脑灰质、脑白质、肌肉、肌健、脂肪等软 组织以及软骨结构，解剖结构和病变形态显示 清楚、 逼真； 3. 多方位成像 能对被检查部位进行轴、冠、 矢状位以及任何倾斜方位的层面成像，且不必 变动病人体位，便于再现体内解剖结构和病变 的空间位置和相互关系；

E h B0 / 2
第四章 磁共振成像
第一节 概述

MRl(magnetic resonance imaging)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 圈检测技术获得组织弛豫信息和质子密 度信息(采集共振信号)，通过图像重建 (数学方法)，形成磁共振图像的方法和 技术。
(四)磁共振成像的局限性

空间分辩力较低； 对带有心脏起搏器或体内带有铁磁性物质的病人 不能进行检查；危重症病人不能进行检查； 对钙化的显示远不如CT，难以对病理性钙化为特 征的病变作诊断； 常规扫描信号采集时间较长，使胸、腹检查受到 限制； 对质子密度低的结构，如肺、皮质骨显示不佳； 设备昂贵。
自旋动画
3. 带电的自旋质子群



一群自旋着的质子，显示每个核内周边的 电荷形成一个环形电流。这些环形电流的 方向是杂乱无章的，这是自然状态下的自 旋核质子群。 每一个环形电流周围将产生电磁效应，就 是磁场。一个环形电流就好似一个小磁棒。 理论上任何原子核所含质子或中子的为奇 数时，具有磁性。




产生MR信号三个基本条件： 能够产生共振跃迁的原子核； 恒定的静磁场（外磁场、主磁场）； 产生一定频率电磁波的交变磁场。因产生MR 的电磁波在电磁波谱中位于长波的射频无线 电波波段，这个交变磁场称为射频磁场。 “核磁共振” 的“核”是指共振跃迁的原子 核，“磁”是指主磁场和射频磁场，“共振” 是指当射频磁场的频率与原子核进动的频率 一致时原子核吸收能量，发生能级间的共振 跃迁。
(二 ) 主 要 用 途



头颈部， MRI 的应用大大改善了眼、鼻窦、鼻 咽腔以及颈部软组织病变的检出、定位、定量 与定性。 磁 共 振 血 管 成 像 (magnetic resonance angiography ， MRA) 技术对显示头颈部血管狭 窄、闭塞、畸形以及颅内动脉具有重要价值。 在肌肉关节系统，已成为肌肉、肌腱、韧带、 软骨病变影像检查的主要手段之一。 电影MRI技术还可进行关节功能检查。
(三 ) 主 要 内 容


3. 磁共振脑功能成像 (functional magnetic resonance，fMRI) 4. 化学位移成像(chemical shift imaging) 5. 生化代谢分析技术：磁共振波谱分析 (magnetic resonance spectroscopy ， MRS) ，用于提供组织化学成分的数据信 息。

(二 ) 主 要 用 途



特别适合于中枢神经系统、头颈部、肌肉关节 系统以及心脏大血管系统的检查，也适于纵隔、 腹腔、盆腔实质器官及乳腺的检查。 中枢神经系统， MRI 已成为颅颈交界区、颅底、 后颅窝及椎管内病变的最佳检查方式。 对于脑瘤、脑血管病、感染疾病、脑变性疾病 和脑白质病、颅脑先天发育异常等均具有极高 的敏感性，在发现病变方面优于CT； 对于脊髓病变如肿瘤、脱髓鞘疾病、脊髓空洞 症、外伤、先天畸形等，为首选方法。