MRI信号分析基础：信号产生、本质及读片原则_杨正汉

• 仅略多一点点 • 多出的质子才能成像
• MRI信号非常微弱
• 场强越高，多出的质子越多
• 场强越高，信噪比越高
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每个质子小核磁都有旋转的横向磁化分矢量 由于相位不同，相互抵消，没有形成宏观横向磁场（Mxy） 友谊放射
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线圈能检测到怎样的磁化矢量呢？
？
友谊放射
共
• 条件
振
– 频率一致 频率 致
友谊放射
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4
核磁弛豫（Relaxation）
射频脉冲关闭后，宏观磁场逐渐恢复到平衡状态 （激励前）的过程或现象 横向宏观磁化矢量逐渐缩小直到零 纵向宏观磁化矢量逐渐增大直到最大（平衡态） 核磁弛豫可分解为两个部分（关联由相对独立） 横向弛豫 纵向弛豫
友谊放射
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（1）纵向磁化矢量的恢复----纵向弛豫
友谊放射
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MRI信号探测
• 射频脉冲激励后组织产生Mxy • 线圈可探测到组织信号 • 区分氢质子含量（质子密度）不同的组织 • 仅仅区分质子密度不同远远不够 • 通常不是脉冲激励后立刻采集MR信号 • 等待一段时间才进行MR信号采集
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射频脉冲关闭后发生了什么？
• 90度脉冲激励使Mz偏转90度到xy平面 • 脉冲关闭后，磁场又慢慢回到平衡状态
友谊放射
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组织进入磁场前后的核磁状态改变
磁场中质子核磁是绝对同向或逆向平行吗？
友谊放射
9
友谊放射
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Precession (进动)
= .B
：进动频率
：磁旋比
Larmor 频率 42.5兆赫 / T
B：外磁场场强
友谊放射
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友谊放射
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2
先看纵向磁化分矢量
高能与低能状态质子的进动
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• 进动使每个质子产生纵向和旋转横向磁化分矢量 • 人体组织进入主磁场后到底处于何种核磁状态？ 友谊放射
脂肪组织
晶格振动频率明显高于质子进动频率，T1弛豫较慢
纯水样液体
纵向弛豫实际上也是个共振过程， 同样遵循共振的原则
Fra Baidu bibliotek友谊放射
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晶格振动频率明显低于质子进动频率，T1弛豫较慢
高浓度大分子蛋白 友谊放射
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T1弛豫：高能态质子群释放能量回到低能状 T1值
友谊放射 描述组织T1弛豫的快慢 Mz从零恢复到最大者63%所需的时间
友谊放射 友谊放射
？
2
概要
• MRI信号的产生 • MRI信号模式 • MRI基本对比的产生 • MRI的信号直接来源 • MRI信号强度的影响因素 • MRI的读片原则
友谊放射
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1. MRI信号的产生
• 核磁
–磁性原子核自旋产生的磁场
• 磁性原子核
–质子为奇数，中子为奇数 –质子为奇数，中子为偶数 –质子为偶数，中子为奇数
中等能量 90度脉冲
高能量 20 180度反转脉冲
90度脉冲激励产生的Mxy能被线圈探测
氢质子多
友谊放射 友谊放射
MRI信号的本质
• 激励使组织产生旋转的宏观横向磁场（Mxy） • MRI线圈能够探测到旋转的Mxy • MRI信号实际上就是Mxy • 任何MRI、MRS，探测到的信号都是Mxy
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氢质子少
相对磁化率 1.0 0.083 0.066 0.016 0.093 0.0005 0.029 0.096 0.83
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通常所指的MRI为氢质子的MR图像
友谊放射
5
17O 2H
友谊放射
19F
1
通常情况下人体内氢质子的核磁状态
把人体放进大磁场
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， 7 人体并不表现出宏观磁化矢量。 友谊放射
国家级I类CME项目，2016-09-01-252 《磁共振信号分析与图像解读》 2016年9月1~4日，北京
我们每天的工作
临床MRI信号分析基础（1）
----产生 产生、来源、本质、原则 、来源、本质、原则 来源 本质 原则
杨正汉
首都医科大学附属北京友谊医院放射科 首都医科大学附属北京友谊医院放射科 消化疾病国家临床医学中心消化影像部 消化 疾病国家临床医学中心消化影像部
友谊放射
处于低能的质子略多于处于高能的质子 相互抵消后产生纵向宏观磁化矢量（Mz）
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低能的质子比高能的质子多出多少？
室温下（300k）
0 2T：1.3 0.2T 1 3 PPM 0.5T：4.1 PPM 1.0T：7.0 PPM 1.5T：9.6 PPM
PPM为百万分之一 友谊放射
再看横向磁化分矢量
• 也称为T1弛豫 • Mz逐渐恢复，直至最大（平衡态）的过程
90度 脉冲
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友谊放射
纵向弛豫的机理
90度激发 纵向弛豫 低能的质子群获能进入高能状 高能的质子群释放能量
高能质子群把能量释放给谁？
高能的质子群把能量释放给周围的分子（晶格） T1弛豫（纵向弛豫）也称自旋—晶格弛豫 也是共振过程，遵循共振的原则 晶格振动频率接近质子进动频率，T1弛豫较快
每个质子感受的磁场不均匀
Mxy衰减是因为 质子群逐渐失去 相位一致
友谊放射
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根据Lamor定律
• 实质
– 能量传递
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线圈不能检测到Mz，但能检测到旋转的Mxy
友谊放射
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磁共振现象的微观效应
磁共振现象的宏观效应
脉冲激励后，宏观磁化矢量发生偏转 偏转角度取决于脉冲的能量（脉冲强度和持续时间）
• 给予与氢质子进动频率一致的射频激励 友谊放射 • 低能态的质子获能进入高能态
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低能量 小角度脉冲 友谊放射
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不同的组织
质子群周围晶格特征不同 T1弛豫快慢不同 友谊放射 T1值不同
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（2）横向磁化矢量的衰减
90度脉冲
90度激发脉冲关闭后，Mxy很快衰减 自由感应衰减（FID）
友谊放射
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友谊放射
Mxy衰减的原因
1、自旋质子暴露于不均匀的主磁场中 2、自旋质子暴露在临近自旋质子、其他自旋原子核、电 子的微磁场环境中；由于分子的运动，质子周围的微磁场 不断波动 --------导致真正的横向弛豫（T2弛豫）
友谊放射
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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：
–1H的磁化率很高； –1H占人体原子的绝大多数 –存在于各种有机物中，具有生物代表性
人体组织中常见的磁性原子核
人体元素
1H 14N 31P 13C 23Na 39K
摩尔浓度 99.0 1.6 0.35 0.1 0.078 0.045 0.031 0.015 0.0066