磁共振成像的原理及临床应用

MRI发展概况 第一节 MRI发展概况
在医学影像学方面，1973年Lauterbur研究出 MRI所需要的空间定位方法，也就是利用梯度场。 他的研究结果是获得水的模型的图像。 在以后的10年中，人们进行了大量的研究工作来 制造磁共振扫描机，并产生出人体各部位的高质 量图像，先ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ通过MR扫描，获得手、胸、头和腹 部的图像。 1980年商品化MRI装置问世。
当有两种可能的排列状态时，耗能少的、 处于低能态的排列状态占优势。
一、原子核及其在磁场内的特性 原子核及其在磁场内的特性
低能量级的、平行于静磁场方向的 质子与高能量级的、反平行于静磁 场方向的质子来回翻转，相互抵消， 而产生平衡的磁化量Ｍ0，也就是在 一定量的组织中，所有氢核的磁化 量的总和。 这一净平衡磁化量的指向与外加静 磁场是一致的。要使置于外加静磁 场内的组织标本达到磁化，需要足 够的时间（约为：5～10秒）。
（二）质子的T2弛豫 质子的T
当射频脉冲的激励刚一停止，所有质于的进动频 率一致，即相位一致，此时信号最强。 由于外加静磁场强度的不均匀以及存在空间定位 的梯度场，从而使质子的进动频率发生变化，而 失去其相位一致性，称失相位。 第三种因素则反映人体组织的固有特性，那就是 磁化的质子间的相互作用，以及与由于分子和巨 分子所建立的磁环境的相互作用，而引起的相位 不一致，这样产生的相位不一致是不可逆的。
三、弛豫时间
若要充分认识一幅MRI图像中强弱信号的 意义，必须对射频脉冲以及射频脉冲去 除后，在静磁场作用下，从高能状态 （与磁场垂直的位置）到低能状态（与 磁场平行的位置）的恢复过程，即弛豫 过程，有所认识。
（一）质子（氢核）的T1弛豫 质子（氢核）
质于在受到射频脉冲激励后，吸收能量； 当射频脉冲一停止，纵向磁化开始恢复，质子释放能量； 此时，将在接收线圈中产生RF信号；
共振频率与外磁场强度成正比。地球的两极场强 最强，赤道最弱。 在赤道与两极之间，磁场强度逐渐变化，称梯度 磁场或简称梯度。 如果指南针在赤道摆动的频率为１周/秒，越向 北其摆动的频率越快。这是因为北极滋场强度较 赤道大2.3倍。
一、原子核及其在磁场内的特性 原子核及其在磁场内的特性
这个简单的例子可以帮助我们了解磁共 振成像中的基本要点：
MRI发展概况 第一节 MRI发展概况
1946年美国斯坦福（Stanford）大学的Felix Bloch和哈佛（Harvard）大学的Edward Purcell 各自进行研究，检测到大块物质内核磁共振吸收， 更清楚地阐述了原子核自旋(Spin)的存在，几乎同 时发表他们的研究成果，为此，他们共同获得了 1952年诺贝尔物理学奖。 NMR的应用逐渐地从物理和化学领域，扩大到更为 广泛的学科，如考古学直至医学。
• ①指南针置于磁场中与外磁场的方向作定向 排列； • ②指南针的共振频率与外磁场强度成正比； • ③当有梯度磁场时，根据指针摆动频率的变 化可以推断其在磁场中所处的位置。
一、原子核及其在磁场内的特性 原子核及其在磁场内的特性
众多的氢核（质子）就是许多微观的磁偶极子， 在没有外加磁场影响下，它们的磁矩是任意指向， 杂乱无章地排列着。 在这种情况的组织标本中，净磁量为零。
二、磁共振是怎样发生的
场强与进动频率的关系以Larmor公式表示： ω０＝γＢ０ ω0＝质子的共振频率（MHz）（进动频率） Ｂ0＝外加静磁场场强，单位是Tesla，简称Ｔ γ＝旋磁比，是一个常数，氢核的旋磁比为 42.58MHz/T 从上述公式可知，场强为1T时，那么进动频率 （ω0）即等于γ值（旋磁比）。
三、弛豫时间
与X线和CT成像的原理不同，MRI没有X线 辐射，而主要利用质子密度与质子的弛豫 时间（T1 与T2 ）的差异成像，尤其是弛豫 时间更为重要。 因为质子在人体中的差异仅10％，但弛豫 时间可相差百分之数百。
三、弛豫时间
弛豫时间可反映分子水平上的差别，从 而发现人体生物化学与生理学的早期改 变。 这样就不同于过去仅从病理解剖学的基 础上来表达疾病的传统概念，而是能更 早期发现人体内生理、生化的改变。
二、磁共振是怎样发生的
射频激励脉冲实际上是另一个磁场（B1）
• B1方向垂直于Bo及作用非常短的时间 • B1磁场的作用是使磁化沿其进动，从垂直方 向转向Mxy平面
二、磁共振是怎样发生的
净磁化(M) 有两个矢 量成分：横向面的 Mxy和纵向面的Mz 只有在XY平面的成 分能被探测到 调整射频脉冲强度和 时间，使磁化从平衡 状态翻转90度时，可 获得最大磁共振信号
二、磁共振是怎样发生的
每个质子为细小的自 旋磁体，当受到外加 静磁场的作用时，静 磁场对质子的磁矩产 生扭转作用，这样就 使质子顺着外加静磁 场的中轴旋转，称为 进动； 它如同旋转的陀螺受 地心引力一样。
二、磁共振是怎样发生的
以坐标系来表示每个质子受到外加静 磁场的作用时的磁力的方向大小。
二、磁共振是怎样发生的
二、磁共振是怎样发生的
用射频线圈做天线接收器，将释放出来 的能量转化为信号。 在进行人体磁共振成像时，信号的强度 取决于质于的数量，也即质子的密度。 脂肪、肌肉、血液以及骨胳中质子含量 的不同，决定磁共振图像中各种组织信 号的强弱和对比，这种图像即称为质于 密度像。
二、磁共振是怎样发生的
除了组织中质于含量的不同对成像起作 用以外，还有其他的组织特性对磁共振 图像的信号有更为重要的影响，这就是 组织磁化的弛豫时间。
二、磁共振是怎样发生的
频率（ω0）非常重要，其原因如下：
• ①在病人作MRI检查时，必须用这样频率的电磁波（RF脉 冲），方可激励原子核； • ②MR仪的接收器必须调谐至此频率，以便接收来自病人的 信号。
二、磁共振是怎样发生的
当给一定磁场中含氢的标本以一个与 Larmor频率相匹配的射频脉冲激发时， 质子吸收能量，又将吸收的能量以相 同频率的无线电波形式释放出来。这 一吸收能量的过程称激励。
MRI的基本原理 第二节 MRI的基本原理
本节介绍核磁共振这一物理现象最基本 的理论知识，我们应用一般物理学、力 学及磁学的原理阐述。
一、原子核及其在磁场内的特性
人体由很多分子组成，分子由原子组成； 所有原子的核心都是原子核；
• 带正电荷和中性粒子的集合体； • 占原子质量的绝大部分；
一、原子核及其在磁场内的特性
平衡状态中，净磁化矢量并不在接受线圈中产生 感应电流 要获得自旋信息，净磁化矢量必须被搅乱或激励
• 可用射频脉冲
• 一种短促的无线电波，与感兴趣核的拉莫尔频率一致
• 净磁化从平衡方向产生不同程度的偏转角度 • 射频脉冲激励时，净磁化以拉莫尔频率或共振频率沿 主磁场方向进动
二、磁共振是怎样发生的
射频脉冲激励时，净磁化以拉莫尔频率 或共振频率沿主磁场方向进动
（二）质子的T2弛豫 质子的T
T2弛豫时间又称横向弛豫时间，又称自旋-自旋 弛豫时间。自旋一词取自核的自旋； T2总是比T１短约为T１的10％－20％。
三、弛豫时间
应用一空间坐标系X-，Y-，Z-轴加以叙述，磁矢量Ｍ，代表 一个小范围组织内也即一个体积元（体素）内所有质子的磁 化强度及方向。
横向及纵向成分的弛豫过程 a 90°脉冲； b 90°脉冲刚停止，横向成分最大； c,d 弛豫过程： 横向成分迅速衰减，纵向成分缓慢增长；e 纵向成分最大。
一、原子核及其在磁场内的特性 原子核及其在磁场内的特性
由于1Ｈ只有一个质子，没有中子，所以氢核的 成像也称质子成像。 氢核有两个特性：
• 其一是它含有一个不在核中心的正电荷； • 其二是它有角动量或自旋。Pauli理论，具有奇数原 子质量或奇数原子数的核均具有角动量及具有特征 性的、大于零的自旋量子数。
二、磁共振是怎样发生的
在 Larmor 频 率 条 件下，质子吸收 及释放能量的过 程 称为核 磁共振 。
二、磁共振是怎样发生的
核即原子核，磁有两种含义：
• ①外加静磁场B0； • ②由射频脉冲产生的激励磁场B1。
B0 与B1 有以下方面的不同：首先，B0 的场强 大约是B1 的10000倍；其次，B0 是恒定的， 方向与磁体扫描膛平行，B1磁场迅速转动， 方向总是与B0垂直。
一、原子核及其在磁场内的特性 原子核及其在磁场内的特性
自旋的氢核其正电荷沿着一近似圆形路线运动， 犹如电流通过环形线圈一样，从而在其周围产 生一磁场。此滋场的大小与方向用磁矩 来表 示，形成一个微观的磁体偶极子。
具有磁矩的 快速自旋核 可以看成为 极小磁棒
一、原子核及其在磁场内的特性 原子核及其在磁场内的特性
（二）质子的T2弛豫 质子的T
a紧接施加90°RF脉冲后，原子核的磁化偶极子均相位一致地进动， 横向磁向量Mxy为最大值。b随时间进展，磁化偶极子失相位，有些 进动较快，有些则进动较慢，这是由于局部磁环境所致。这种失相 位导致了净横向磁化量衰减。c接收线圈中所记录的信号逐渐衰减， T2为横向磁化衰减至原有值的37％所需的时间。
共振是一种常见的现象。指南针是我们最熟悉 的磁体，地球是一个磁场。 指南针在地球表面作定向排列，即在静止状态 下指北。 如果我们用手指轻击指南针，使之来回摆动， 直到指南针从我们手指上得到的能量全部放出 后，又回到原来的位置，指北。这就是共振现 象。针摆动的频率为共振頻率。
一、原子核及其在磁场内的特性 原子核及其在磁场内的特性
三、弛豫时间
当人体被置于一外加静磁场中，磁矢量Ｍ沿Z轴取向，与静 磁场方一致.以箭头Ｍ为标志，箭头长短与体素内所含氢质 子数成正比。 加一个90°脉冲，Ｍ就偏离Z，转90°至与静磁场垂直的位 置，在X-Ｙ平面遂产生一个横向磁矢量Ｍ。 此时在接收线圈内产生感应，因而可以用电流表测得此信号。 当90°脉冲停止后，在弛豫过程中，磁矢量Ｍ分离成纵向成 分Ｍz，与横向成分Ｍxy。 由于静磁场并非均匀一致，而且分子间、分子与原子间又存 在的内磁场，因此横向成分Ｍxy从最强很快衰减至零，即T2 弛豫。
（一）质子（氢核）的T1弛豫 质子（氢核）
纵向磁化的恢复率是以纵向弛豫时间（T1）来表示的； T1 就是沿静磁场方向的纵向磁化恢复约2/3（63％）所 需的时间。
（一）质子（氢核）的T1弛豫 质子（氢核）
T1是时间常数，生物组织的T1值从大约50毫秒到 几秒不等 不同的组织具有不同的T1值：脂肪为150～250ms。 而脑脊液则为2～3s。 T1弛豫又称纵向弛豫、热弛豫，自旋-晶格弛豫。 它是纵向磁化恢复的过程，在这过程中有能量传 递，是以热的形式逸散。它又反映了分子运动频 率与Larmor频率之间的关系，如果二者相同，T1 弛豫有效，并且迅速，如果不相同，T1弛豫无效。
磁共振成像的原理及临床应用
What is MRI ?
磁共振成像的原理及临床应用
磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging ,MRI)， 又称核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance ,NMR），是一种新的、非创伤性的成像 方法，它不用电离辐射而可以显示出人体内部解剖 结构。 利用一定频率的射频信号（radio frequency，RF） 在一外加静磁场内，对人体的任何平面，产生高质 量的切面成像（cross sectional imaging）。
从理论上讲，很多元素都可以用核磁共振 来成像。也就是任何一个原子核，只要其 所含的质子或中子的任何一个为奇数时， 就具备磁性，就可以产生磁共振信号。
一、原子核及其在磁场内的特性 原子核及其在磁场内的特性
MRI主要是应用于氢核的成像，这是出于： 一是Ｈ对其磁共振信号的敏感性高；Ｈ的旋磁比 最高，因此最敏感，即MR信号被测出的效率，随 共振信号频率的增加而改善。 二是它在自然界含量丰富。氢存于水和脂肪中， 因而在人体中极为丰富，每立方毫米软组织中含 有约1019个Ｈ原子，其所产生的磁共振信号要比 其他原子强1000倍。
（二）质子的T2弛豫 质子的T
相位不一致，一些质子进动快，一些则进动慢， 这是受局部磁环境的影响所致，其结果是净横 向磁化衰减（decay）。 此时，在接收器线圈中所得到的信号减少，以 至完全丧失。 衰减63％的横向磁化所需的时问，亦即横向磁 化衰减至其原有值的37％所需时间，即为T2 弛 豫时间。
一、原子核及其在磁场内的特性 原子核及其在磁场内的特性
将这些指向杂乱无章的质 于置于强大的静磁场(B0) 中时，质于群的磁矩将会 沿静磁场的方向作定向排 列。 略超过半数的质子与静磁 场B0 平行排列，略少于半 数的质子则指向相反（与 静磁场呈反平行方向排 列)。
一、原子核及其在磁场内的特性 原子核及其在磁场内的特性