MRI的基本原理和概念精讲

MR能检测到怎样的磁化矢量呢？？？
MR不能检测到纵向磁化矢量，但能检测到旋转的横向磁化矢量
横向磁化

沿着外磁场的磁 化不能测量，因 此，需要一个横 向于外磁场的磁 化。
如何才能产生横向宏观磁化矢量？
第四节 磁共振现象

共振：能量从一个震动着的物体传递到另一 个物体，而后者以前者相同的频率震动。
•放松、休息
射频脉冲停止后，在主磁场的作用下，横 向宏观磁化矢量逐渐缩小到零，纵向宏观 磁化矢量从零逐渐回到平衡状态，这个过 程称为核磁弛豫。 •核磁弛豫又可分解为两个部分： •横向弛豫 •纵向弛豫
90脉冲
横向弛豫

也称为T2弛 豫，简单地 说，T2弛豫 就是横向磁 化矢量减少 的过程。
室温下（300k）
0.2T：1.3 PPM 0.5T：4.1 PPM
处于低能状态的氢 质子仅略多于处于 高能状态的质子
PPM为百万分之一
1.0T：7.0 PPM
1.5T：9.6 PPM
在主磁场中质子的磁化矢量方向是绝 对同向平行或逆向平行吗？？？
Precessing (进动)
•非常重要
进动是核磁（小磁场）与主磁场 相互作用的结果 进动的频率明显低于质子的自旋 频率，但比后者更为重要。
•处于低能状态的略多一点，007
进入主磁场后磁化矢量的影响因素
温度、主磁场强度、质子含量
•温度
•温度升高，磁化率降低
•主磁场场强
•场强越高，磁化率越高，场强几乎与磁化 率成正比
•质子含量
•质子含量越高，与主磁场同向的质子总数 增加（磁化率不变）
处于低能状态的质子到底比处于高能 状态的质子多多少？？？
17O
2H 19F
0.031
0.015 0.0066
0.029
0.096 0.83
•人体内有无数个氢质子（每毫升水含氢 质子3×1022）
•每个氢质子都自旋产生核磁现象 •人体象一块大磁铁吗？
第三节 进入主磁体前后人体内质子核 磁状态的变化

没有外加磁场的情况下，质子自旋产 生核磁，每个氢质子都是一个 “ 小磁 铁 ” ，但由于排列杂乱无章，磁场相 互抵消，人体并不表现出宏观的磁场， 宏观磁化矢量为0。
•梯度线圈性能指标
–梯度场强 –切换率 25-60mT/m 120-200mT/m.s
梯度场强（mT/M）＝梯度场两端的磁场强度差值/梯度场的长度
1010mT
梯度两端磁 场强度差值
1000mT
1000mT
990mT
梯度场中点
有效梯度场长度 50 cm 梯度场强＝（1010mT-990mT）/ 0.5 M= 40 mT/M
射频脉冲 radio frequency(RF) pulse

一个短促的电磁波， 称为射频脉冲。
当质子频率与射频 脉冲频率相同时， 就能进行能量交换。

体内进动的氢质子怎样才能发生共振呢？
给低能的氢质子能量，氢质子获得能 量进入高能状态，即核磁共振。
怎样才能使低能氢质子获得能量，产 生共振，进入高能状态？
电学 磁学 量子力学 高等数学

初中数学 初中物理 加减乘除 平方开方

磁共振成像基本原理
•一个放射科医生对磁共振成像的理解
第一节
MRI扫描仪的基本硬件
磁共振系统基本组成
磁体 梯度系统 射频系统 计算机 外围设备
1.磁体
•
磁共振最基本的构建 • 产生磁场的装置 • 最重要的指标为磁场强度和均匀度
梯度场强
爬升时间
切换率＝梯度场预定强度/爬升时间
3.射频系统

射频（发射和接受）系统 的作用如同无线电波的天 线 激发人体产生共振（广 播电台的发射天线）

采集MR信号（收音机的 天线）
•射频线圈的分类
敏感区的形状：体线圈或表面线圈 线圈的极性：线性或正交 独立接收通道的数目：相控阵线圈
the pioneers in MR imaging 最早的磁共振成像
R. Damadian, L. Minkoff, M. Goldsmith 0.5T supercon 1977
first MR image of a human brain
•MRI基本原理
•非常重要 •难以理解
学习MRI前应该掌握的知识
4.计算机系统

控制扫描 数据的运算 图像显示
5.其他辅助设备
空调 检查台 激光照相机 液
氦及水冷 却系统
第二节 磁共振成像的物理基础
一、原子的结构
电子：负电荷 中子：无电荷
质子：正电荷
原子核总是绕着自身的轴旋转－－自旋 ( Spin )
二、自旋与核磁
•地球自转产生磁场 •原子核总是不停地按一定频率绕着自身的 轴发生自旋 ( Spin ) •原子核的质子带正电荷，其自旋产生的磁 场称为核磁，因而以前把磁共振成像称为 核磁共振成像（NMRI）。
•非常重要
•检测到的仅仅是不同组织氢质 子含量的差别，对于临床诊断来 说是远远不够的。
•我们总是在90脉冲关闭后过一 定时间才进行MR信号采集。
射频线圈关闭后发生了什么？
第五节 核磁驰豫
无线电波激发使磁场偏转90，关闭无线电 波后，磁场又慢慢回到平衡状态（纵向)
•弛豫
•Relaxation
MRI按磁场产生方式分类
永磁
磁 体
常导 电磁 超导
0.35T 永磁磁体
1.5T 超导磁体
磁体类型
优 点
永磁
缺 点
不能产生很高的场强
场强范围
0.20.35T
经济，运行成本 低； 稳定,维修,维护 简单. 可随时关闭磁 场.
现在为0.2-1.0T
运行费用高， 不能产生很高的场 强, 磁体稳定性差, 开关机耗时。 运行成本高:液氦和 冷头消耗;1 万/月 维修,维护困难,需要 稳定的低温技术. 0.2T 左 右
由于相位不同，只有宏观纵向磁化矢量产 生，并无宏观横向磁化矢量产生

进入主磁场后人体被 磁化了，产生纵向宏 观磁化矢量

不同的组织由于氢质 子含量的不同，宏观 磁化矢量也不同
磁共振不能检测出纵 向磁化矢量

纵向磁化 Longitudinal magnetization


把病人置入强外磁 场中，可诱发一个 新的磁矢量，这个 磁矢量与外磁场平 行。 因为它平行于外磁 场，与外磁场处于 同一方向，故不能 测量。
= .B ：进动频率
Larmor 频率
：磁旋比
42.5兆赫 / T
B：主磁场场强
由于在主磁场中质子进动，每个氢质子均 产生纵向和横向磁化矢量，那么人体进入 主磁场后到底处于何种核磁状态？
高 能 与 低 能 状 态 质 子 的 进 动
•处于低能状态的质子略多于处于高能状态 的质子，因而产生纵向宏观磁化矢量
2.梯度系统

作用：



空间定位 产生回波（梯度回波） 施加扩散加权梯度场 进行流动补偿


梯度线圈性能的提高 磁共振成像速度加快 没有梯度磁场的进步就 没有快速、超快速成像 技术 加快信号采集速度 提高图像的SNR
梯度、梯度磁场
梯度磁场的产生
Z轴方向梯度磁场的产 生
X、Y、Z轴上梯度磁场的产生
90脉冲激发使质子发生共振，产生最大的旋转 横向磁化矢量，这种旋转的横向磁化矢量切割接 收线圈，MR仪可以检测到。 氢 质 子 多 氢 质 子 少
•非常重要



无线电波激发后，人体内宏观磁场偏 转了90，MRI可以检测到人体发出的 信号。 氢质子含量高的组织纵向磁化矢量大， 90脉冲后偏转到横向的磁场越强， MR信号强度越高。 此时的MR图像可区分质子密度不同 的两种组织。
磁共振基础知识 MRI = Magnetic Resonance Imaging
MRI = 磁-共振-成像(装置)
旧称 NMRI(核磁共振成像装置), 其中N=Nuclear(核)
MRI的历史



1946年由美国斯坦福大学的 Felix Bloch和哈 佛大学的Edward Purcell发现核磁共振现象， 为此获得1952年诺贝尔奖。 1971年Raymond Damadian 发现人体不同组 织及肿瘤的驰豫时间相互存在差异，开始了 磁共振对临床疾病的研究。 1977年英国诺丁汉大学获得第一幅人体头部 的磁共振图像。 1980年MRI装备商品化。 1984年中国第一台MRI装机。
尽管每个质子的进动产生了纵向和横向磁化矢量，但 由于相位不同，因而只有宏观纵向磁化矢量产生，并 无宏观横向磁化矢量产生
由于相位不同，每个质子的横向磁化分矢量 相抵消，因而并无宏观横向磁化矢量产生
•非常重要
进入主磁场后，质子自旋产生的 核磁与主磁场相互作用发生进动
进动使每个质子的核磁存在方向稳定的纵 向磁化分矢量和旋转的横向磁化分矢量
1 T = 10000G
•主磁场的均匀度
•MRI要求磁场高度均匀，???
提高图像信噪比 空间定位准确的需要 减少伪影（磁化率伪影） 大视野扫描 脂肪抑制技术 有效区分MRS的不同代谢产物
磁体的匀场
匀场是通过使用金属片（匀场片）或电磁体（匀场线 圈）来提高磁场均匀度的过程。 被动匀场-被动匀场磁体系统有一套装有小铁片的多 个托盘，用来修正磁场形状，达到一定的磁场均匀度。这 些匀场片放置的位置非常重要。测量磁场的均匀度，计算 机计算匀场片放置的位置，匀场托盘被拉出，匀场片被放 入托盘中托盘重新插入磁体，反复进行此过程。 优 点：一旦完成匀场，维持匀场将不耗费电能。 主动匀场-主动匀场磁体系统在磁体孔径中置有30个 独立的线圈，分别调整各个线圈中的微弱电流，可以修正 磁场形状。电流的调整在计算机的控制下即可完成，匀场 十分简便。 缺 点：在于制作困难，价格昂贵。
微观效应
磁共振现象是靠射频线圈发射无线电波（射频脉冲）激 发人体内的氢质子来引发的，这种射频脉冲的频率必须 与氢质子进动频率相同，低能的质子获能进入高能状态
Байду номын сангаас
射频脉冲激发后的效应是使宏观磁化矢量发生偏转 射频脉冲的强度和持续时间决定射频脉冲激发后的效应
宏观效应
低能量
中等能量
高能量
低能的超出部分的氢质子有一半获得能量进入高能状态， 高能和低能质子数相等，纵向磁化矢量相互抵消而等于零
使质子处于同相位，质子的微观横向磁化矢量相加，产生 宏观横向磁化矢量
90 度 脉 冲 继 发 后 产 生 的 宏 观 和 微 观 效 应
当施加RF脉冲后,质子会发生什么变化？

正常情况下，无线 电波的图形类似一 根鞭子，MRI的 无线电波也起着一 根鞭子样的作用。 它使进动的质子同 步化。
同向进动的质子产生一个新的 横向磁化
–1. 1H的磁化率很高； –2. 1H占人体原子的绝大多数。
•通常所指的MRI为氢质子的MR图像。
人体内常见的磁性原子核
人体元素
1H 14N 31P 13C 23Na 39K
摩尔浓度
99.0
相对磁化率
1.0
1.6
0.35 0.1 0.078 0.045
0.083
0.066 0.016 0.093 0.0005
OPER-0.35T
高斯（gauss, G）。 Gauss (1777-1855)
德国著名数学家，于1832年首次测量了地球的磁场。
1高斯为距离5安培电流的直导线1厘米处检测到的 磁场强度
5安培 1厘米 1高斯
地球的磁场强度分布图
特斯拉（Tesla,T） Nikola Tesla (18571943), 奥地利电器 工程师，物理学家 ，旋转磁场原理及 其应用的先驱者之 一。
常导
超导
能产生高场强； 磁场均匀性好; 稳定性好.
0.5-7T
•按磁体的外形可分为
•开放式磁体 •封闭式磁体 •特殊外形磁体
•MR按主磁场的场强分类
–MRI图像信噪比与主磁场场强成正比
–低场: 小于0.5T –中场：0.5T－1.0T
–高场: 1.0T－2.0T（1.0T、1.5T、2.0T）
–超高场强：大于2.0T（3.0T、4.7T、7T）
通常情况下人体内氢质子的核磁状态
通常情况下，尽管每个质子自旋均产生一个小的 磁场，但呈随机无序排列，磁化矢量相互抵消， 人体并不表现出宏观磁化矢量。
把人体放进大磁场
指南针与地磁、小磁铁与大磁场
矢量的合成与分解
织进 质入 子主 的磁 核场 磁前 状后 态人 体 组
•处于高能状态太费劲，并非人人都能做到
地磁、磁铁、核磁示意图
原 子 核 自 旋 产 生 核 磁
•非常重要
核磁就是原子核自旋产生的磁场
三、所有的原子核都可产生核磁吗？
质子为偶数，中子为偶数 不产生核磁
质子为奇数，中子为奇数 质子为奇数，中子为偶数 产生核磁
质子为偶数，中子为奇数
四、何种原子核用于人体MR成像？
•用于人体MRI的为1H（氢质子），原因有：