MRI信号分析基础：信号产生、本质及读片原则_杨正汉
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友谊放射
24
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
25
（1）纵向磁化矢量的恢复----纵向弛豫
• 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
26
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
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
友谊放射
27
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
28
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
3
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
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）
14
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
• 实质
– 能量传递
17 18
线圈不能检测到Mz，但能检测到旋转的Mxy
友谊放射
3
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
19
低能量 小角度脉冲 友谊放射
友谊放射
22
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
23
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
• 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
15
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
16
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
29
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
30
5
（2）横向磁化矢量的衰减
90度脉冲 90度激发脉冲关闭后，Mx源自很快衰减 自由感应衰减（FID）
友谊放射
31 32
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
8
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
10
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
11
友谊放射
12
2
先看纵向磁化分矢量
高能与低能状态质子的进动
13
• 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
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
21
氢质子少
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
4
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
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
33
根据Lamor定律
相对磁化率 1.0 0.083 0.066 0.016 0.093 0.0005 0.029 0.096 0.83
6
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
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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
25
（1）纵向磁化矢量的恢复----纵向弛豫
• 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
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
友谊放射
27
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
28
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
3
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
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）
14
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
• 实质
– 能量传递
17 18
线圈不能检测到Mz，但能检测到旋转的Mxy
友谊放射
3
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
19
低能量 小角度脉冲 友谊放射
友谊放射
22
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
23
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
• 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
15
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
16
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
29
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
30
5
（2）横向磁化矢量的衰减
90度脉冲 90度激发脉冲关闭后，Mx源自很快衰减 自由感应衰减（FID）
友谊放射
31 32
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
8
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
10
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
11
友谊放射
12
2
先看纵向磁化分矢量
高能与低能状态质子的进动
13
• 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
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
21
氢质子少
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
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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
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
33
根据Lamor定律
相对磁化率 1.0 0.083 0.066 0.016 0.093 0.0005 0.029 0.096 0.83
6
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