MRI基础知识

自旋：质子的自旋运功，有时也指自旋 的质子
晶格：自旋质子的周围环境 PPM：parts per million，1x10-6，百万
分之一
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自旋在磁场中的运动－进动
进动：进入主 磁场后，无论 是处于高能级 还是处于低能 级的质子，其 磁化矢量并非 完全与主磁场 方向平行，而 总是与主磁场 有一定的角度
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质子的运动：进动频率 0 = 0
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进动（precession）
正如陀螺在重力场的运动一样 自旋磁矩在磁场中的运动除了自旋运动外，
还绕着主磁场轴进行旋转摆动 是由于磁场对自旋磁矩的偶合作用所致。 进动频率比自旋频率低的多，但还是很快
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进动频率-拉莫频率（Larmor频率）
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磁共振的量子基础
自旋质子中的部分低能态者吸收相同频率射 频脉冲的能量，而跃迁为高能态的过程
众多自旋矢量的综合表现为宏观磁化矢量 （M0）的转变
平衡态：在温度和磁化强度确定后，物体进 入磁体后按磁体方向排列，形成稳定的磁化 矢量，称为平衡态
平衡态中低能态与高能态自旋质子仍在相互 转换，但处于平衡中
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T2值：确定为横向磁化矢量从由最大衰减 至37%的时间
T2值也是一常数，不同组织有不同的T2值 横向弛豫对比（T2对比）：反应组织T2值
不同而产生的对比为T2对比 T2WI，T2加权图像，通过不同的扫描参数
组合产生的主要反应T2对比的图像
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影响T2值的因素
1H仅有一个质子而没有中子 人体MR图像，除非特殊说明，一般所指
的即为1H的磁共振图像。
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人体进入磁场的结果
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人体进入磁场前
体内各自旋矢量方向是随机分布的，所 以综合的净自旋为0，不显磁性
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人体进入磁场后
磁化：进入外磁场后，在磁场方向上产 生磁性的过程称磁化。
样体在磁场中被磁化产生磁性的能力称 为磁化率x，又称为磁敏感性。
产生净磁化矢量M=x*B0(磁场强度)
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磁化的机理
各自旋按外磁场方向排列 自旋核在磁场中分为不同能态，称为能级劈
裂（塞曼劈裂） 能态级别：2I+1 （I为自旋量子数），氢质
子自旋量子数为1/2，所以有两种能态 低能态多于高能态，产生净磁化，与B0方向
并非所有原子核的自旋运动均能产生核 磁矩
如果原子核内的质子数和中子数均为偶 数，则这种原子核的自旋并不产生核磁 矩
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根据电磁效应，带电粒子旋转产生磁场 质子带正电荷，自旋时能产生磁场 中子呈电中性，但内部电荷分布不均，自旋时
也能产生磁场 由于原子核内粒子自旋的随机性，当有偶数质
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磁共振信号
外来射频脉冲停止后，出现弛豫，横向 磁化矢量消失，纵向磁化矢量恢复
弛豫同时以射频信号的形式放出能量 发出的射频信号被体外线圈接受 经计算机处理后重建成图像
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MR信号
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磁共振成像设备
磁体 梯度线圈 射频发射器，发射线圈，一般也兼有接
收线圈功能 MR信号接受器，接收线圈 计算机 图像显示和储存装置
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质子物理性质
原子核绕核轴线的转动称为自旋（spin） 自旋具有方向性，又称为自旋角动量，是
矢量，常用矢量表示 其方向与自旋轴一致，大小与原子核及原
子的质子和中子数有关，对应于一个自旋 磁动量。
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任何原子核都具有自旋特性
自旋是微观粒子的自然属性，其来源尚 不清，就像万有引力如何使宇宙中星系 旋转运动一样
其进动频率（Larmor频率）相同的外来能 量，从平衡态变为激发态的过程
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磁共振的条件
必须有外加能量源，即射频脉冲 射频脉冲频率须和质子Larmor频率一致 射频磁场对自旋系统的作用称激发或激
励
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为什么需要相同频率呢？ 相同频率的脉冲可看作旋转磁场，相对
自旋质子是静止的，使质子除了绕B0进 动还绕B1进动，从而诱导MZ转向MXY
代谢产物
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梯度线圈
主要指标：梯度场强、梯度切换率 梯度场强（mT/M）：梯度场两端的磁场强度
差值/梯度场的长度 切换率（slew rat）：是指单位时间及单位长
度内的梯度磁场强度变化量，常用每秒每米 长度内磁场强度变化的毫特斯拉量（mT/M.S） 来表示 切换率越高表明梯度磁场变化越快，也即梯 度线圈通电后梯度磁场达到预设值所需要时 间（爬升时间）越短
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T1值：确定为纵向磁化矢量从0恢复到 平衡态的63％的时间
T1值：是一常数，各种组织因为质子周 围环境不同而有不同的T1值
5个T1值的时间后，纵向磁化矢量基本 上完全恢复
纵向磁化对比（T1对比）：反应组织T1 值不同而产生的对比为T1对比
T1WI：T1加权图像，通过不同的扫描 参数组合产生的主要反应T1对比的图像
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磁体
MR核心和基础 MR造价一半以上 最主要指标：磁场强度，磁场均匀度 磁体强度：tesla=10000gauss
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高场强的优势
主磁场场强高提高质子的磁化率，增强MR信 号，增加图像的信噪比
在保证信噪比的前提下，可缩短MRI信号采集 时间
增加化学位移使磁共振频谱（MRS）对代谢产 物的分辨力提高
射频脉冲的聚相位作用有关
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弛豫
接受射频脉冲后，自旋质子并不会维持 在激发态，会很快恢复到平衡态，这一 过程就是弛豫
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纵向弛豫（T1弛豫）
也称自旋-晶格弛豫 量子基础：部分自旋质子从高能态恢复
到低能态的能量释放过程，能量需释放 到周围晶格中，所以也称为自旋-晶格 弛豫 周围晶格中存在无数的随机波动磁场， 只有Larmor频率的晶格波动磁场才能接 受自旋质子释放的能量，实现T1弛豫
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射频脉冲
外来能量源：有大小和持续时间 通过脉冲强度大小和持续时间决定宏观
磁化矢量（M0）的翻转角 射频结束时，净磁化矢量M与Z轴的角
度称为翻转角(Flip angle) 磁共振信号是检测物体的宏观磁化信号，
所以一般考察宏观磁化矢量变化 接受射频脉冲后，M0转向XY平面还与
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磁场均匀度
高均匀度的场强有助于提高图像信噪比 场强均匀是保证MR信号空间定位准确性的前
提 场强均匀可减少伪影，特别是磁化率伪影 高度均匀度磁场有利于进行大视野扫描，尤
其肩关节等偏中心部位的MRI检查 只有高度均匀度磁场才能充分利用脂肪饱和
技术进行脂肪抑制扫描 高度均匀磁场才能有效准确区分MRS的不同
增加化学位移使脂肪饱和技术更加容易实现 磁敏感效应增强，从而增加血氧饱和度依赖
（BOLD）效应，使脑功能成像的信号变化更 为明显 SWI图像质量更佳
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高场强的缺点
设备生产成本增加，价格提高 噪音增加 SAR值问题：因为射频特殊吸收率（SAR）与
主磁场场强的平方成正比，高场强下射频脉 冲的能量在人体内累积明显增大，在3.0 T的 超高场强机上表现得尤为突出 各种伪影增加，运动伪影、化学位移伪影及 磁化率伪影等在3.0 T超高场机上更为明显
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影响T1值的因素
组织分子大小：T1弛豫涉及自旋向晶格 的能量传递，大分子及小分子运动频率 明显小于或大于Larmor频率，能量传递 困难，T1值长；中等分子运动频率接近 Larmor频率，T1值短
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晶格物理状态：通常固体晶格振动频率极 高，分子转动频率极低，能量传递极为困 难，T1值极长（长的可达10几个小时）
分子大小：大分子物质移动慢，自旋干扰及 热运动所致的局部磁场不均匀性容易产生， T2值短；小分子物质移动快，容易均匀，T2 值长
物理状态：固体晶格固定，局部磁场不均匀 性稳定存在，致T2值极短。液体分子布朗运 动活跃，局部磁场不均匀性能很快得到平衡， T2值很长
场强、温度：一般认为很少有影响
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MRI基础原理
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MRI发展重要事件及贡献者
美国斯坦福大学Felix Bloch和哈佛大学 的Edward Purcell在1946年各自独立发 现核磁共振现象
两人共同研制出第一台NMR谱仪 ，用 于物质分子结构的研究
为此共同获得1952年诺贝尔物理学奖
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美国纽约州立大学Raymond Damadian， 一位物理学家、内科医生
大分子的影响：大分子与水分子结合可降 低水分子运动频率至Larmor频率附近，降 低其T1值，就是所谓结合水
温度：温度越高，T1值越长，因为晶格中 分子运动活跃，频率宽，相对可传递能量 的频率范围内分子少
场强：越强，T1值越长，所以T1弛豫也称 场强依赖弛豫
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饱和
由于在实际应用中，射频重复时间（TR） 几乎总是小于T1弛豫完全的时间
相位：平面内旋转的矢量与某一参照轴 的夹角称相位
多个旋转矢量在空间中的方向一致时为 同相位，不一致时为离相位
从同相位到离相位的过程称为聚相位， 反之为失相位
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核磁共振现象
共振是自然界普遍规律 音叉的共振：一个振动的音叉可以将振动
能量传递给相同振动频率的另一个音叉 核磁共振：也就是磁化的自旋质子接受与
一致 根据波尔兹曼公式，T=300K(室温)，
B0=1Tesla，低能态比高能态自旋粒子多 6.59x10-7倍
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影响净磁化矢量M0的因素
与组织的质子密度成正比 与磁场强度成正相关 与绝对温度成负相关
净磁化矢量是MR信号产生的基础。因此场 强越高，信噪比越好
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T2*弛豫，也称有效横向弛豫
T2弛豫＋磁场不均匀所致失相位 磁场不均匀致各部位质子进动Larmor频
率不一，致失相位，所以T2*<<T2 T2*衰减就是自由感应衰减 T2*衰减过程中接收的MR信号就是自由
感应信号
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磁场不均匀的因素
主磁场（B0）不均匀 组织磁化的不均匀性，如骨、空气、金
属异物等与软组织的磁化率差异很大， 破坏磁场均匀度 梯度场的施加
磁场不均匀因素可被SE序列180度脉冲 消除
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T1弛豫与T2弛豫机理不同，T1值≠T2值 一般：T1值>>T2值，但纯水T2值可接
近T1值 任何组织T2值不会>T1值 T1弛豫一定程度上影响T2弛豫，T2弛
豫不影响T1弛豫
多个TR后，纵向磁化矢量会逐渐较少， 并达到一个相对稳定的数值，称为部分 饱和
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横向弛豫（T2弛豫）
也称自旋-自旋弛豫 量子基础：由于各个自旋质子的相互干
扰，分子随机热运动，造成局部磁场波 动，从而各个局部自旋的进动频率不一 致，造成失相位，所以也称为自旋-自 旋弛豫
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自旋磁体绕外加磁场方向旋进的特性频率 拉莫频率决定于两个因素： 原子核的种类 外加磁场的强度 0 = 0 （为磁旋比常数， 0为拉莫频
率） 外加磁场越强，拉莫频率越高
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净宏观磁化矢量（M0）
存在于Z轴方向 XY平面由于各自旋相位随机分布相互抵消，
不显示宏观磁化矢量
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子及中子数时，因相互抵销，原子核不表现有 净自旋磁矩 只有奇数质子和/或奇数中子时，原子核才可有 净自旋磁矩 磁矩＝磁旋比*角动量 磁共振成像使用氢原子核，即氢质子
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选择氢原子的理由
1H是人体中最多的原子核，约占人体中 总原子核数的2/3以上
1H在人体中的自然丰度高、 摩尔浓度最 高、磁化率在磁性原子核中也是最高的
1970年观测到恶性肿瘤的T1时间延长， 并认为NMR信号可用于诊断疾病
1977发明了第一台磁共振成像仪 扫描采集了第一幅人体图像，耗时近5
小时
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美国纽约州立大学Paul Lauterbur 1973创造了梯度磁场用于选择定位系统 创立了投影重建成像方法
1988年raymond damadian和Paul lauterbur获得里根颁发的国家技术勋章
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英国诺丁汉大学peter mansfield 1973年几乎与Paul lauterbur同时撰文提出
梯度磁场，用于空间定位 提出具体的理论演算及解决方案
Paul Lauterbur和 peter Mansfield 共同获得 2003年诺贝尔生理学和医学奖，以表彰他 们在磁共振成像技术领域的突破性成果