磁共振成像的物理學(xué)原理

1、磁共振成像的物理學(xué)原理,福建醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院影像科技術(shù)組林曉君,MRI的定義弛豫圖像建立,大綱,回顧下一些不同類型的成像示例：a 照相時(shí)，光線（可見(jiàn)光）由物體表面反射回來(lái)，被照相機(jī)內(nèi)的成像板接收。b X成像時(shí)，X線源發(fā)出可以穿透物體的放射線，穿透后的射線被X線成像板所接收。c 在MRI中，低頻率的無(wú)線電波穿透組織，然后由物體內(nèi)磁化的自旋質(zhì)子反射回來(lái)。,磁共振成像（MRI）是啥？,自旋 質(zhì)子,質(zhì)子—?dú)湓雍耍?H

2、）, 一般所指的磁共振圖像即為1H的磁共振圖像。,（一）1H是人體中最多的原子核，約占人體中總原子核的2/3以上，可以產(chǎn)生較強(qiáng)的磁共振信號(hào)；（二）1H的磁化率最高，也可以產(chǎn)生更強(qiáng)的信號(hào)；（三）1H存在人體的各種組織中，因此具有生物代表性。,選擇1H的理由：,自旋,所有磁性原子核（中子數(shù)或質(zhì)子數(shù)至少一項(xiàng)是奇數(shù)）都有一個(gè)特性：總以一定的頻率繞著自己的軸進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，即為自旋。,—自轉(zhuǎn),帶有正電荷的磁性原子核自旋產(chǎn)生的磁場(chǎng)稱為核磁。,前人

3、體內(nèi)氫質(zhì)子狀態(tài),每個(gè)質(zhì)子產(chǎn)生的磁化矢量相互抵消，所以人體在自然狀態(tài)下并無(wú)明顯磁性，因此沒(méi)有宏觀磁化矢量的產(chǎn)生。,磁化,,B0,把人體放進(jìn)一個(gè)大磁場(chǎng)（主磁場(chǎng)Bo）中。人體內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)與主磁場(chǎng)方向一致的宏觀磁化矢量。,磁化,,B0,磁化,,,,B0,,,磁化,,B0,高能級(jí),,常態(tài)下氫質(zhì)子分為高能級(jí)和低能級(jí),低能級(jí),自旋,,主磁場(chǎng)中氫質(zhì)子運(yùn)動(dòng)狀態(tài),,,,∽,主磁場(chǎng)中氫質(zhì)子運(yùn)動(dòng)狀態(tài),,,S,N,,,ω　= γB0,z,處在主磁場(chǎng)的氫質(zhì)子，除了

4、自旋運(yùn)動(dòng)外，還繞著主磁場(chǎng)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，稱為進(jìn)動(dòng)。,ω 為L(zhǎng) armor頻率γ 為磁旋比(常數(shù)，H的γ為42.5MHz/T)B0為主磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng),,B0,橫向磁化分矢量由于相位不同而相互抵消，因此，沒(méi)有宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生。,人體組織進(jìn)入主磁場(chǎng)后被磁化，產(chǎn)生宏觀的縱向磁化矢量，質(zhì)子含量越高則產(chǎn)生的宏觀縱向磁化矢量越大，那就可以區(qū)分含量不同的各種組織了么？ 產(chǎn)生的宏觀縱向磁化矢量盡管對(duì)每個(gè)質(zhì)子的小核磁來(lái)說(shuō)是宏觀的，但是，對(duì)相對(duì)強(qiáng)大的主

5、磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)卻又是非常微小的，這么微小的所謂宏觀縱向磁化矢量重疊在與其方向一致的強(qiáng)大主磁場(chǎng)中，接收線圈就不可能檢測(cè)到宏觀縱向磁化矢量。,如何測(cè)到宏觀縱向磁化矢量？,旋轉(zhuǎn)的宏觀橫向磁化矢量才能切割線圈產(chǎn)生電信號(hào)。 如何讓縱向的磁化矢量偏轉(zhuǎn)成橫向磁化矢量？,射頻脈沖（無(wú)線電波）,條件：與進(jìn)動(dòng)頻率相同微觀實(shí)質(zhì)：能量的傳遞,——引起共振,低能級(jí)的質(zhì)子躍遷到高能級(jí),共振,共振,低能級(jí),高能級(jí),共振,共振,低能級(jí),高能級(jí),共振,磁共振現(xiàn)象宏觀結(jié)

6、果是使縱向磁化矢量發(fā)生偏轉(zhuǎn)，能量越大偏轉(zhuǎn)角度越大。,,90°射頻脈沖的微觀和宏觀效應(yīng),,質(zhì)子密度越高，其宏觀縱向矢量越大，90°脈沖激發(fā)后產(chǎn)生宏觀橫向磁化矢量就越大，切割的接收線圈產(chǎn)生的電信號(hào)越強(qiáng)，MR信號(hào)就越高。這樣MR圖像就可以區(qū)分質(zhì)子密度高低不同的人體組織了。在射頻脈沖關(guān)閉后等待一定時(shí)間并對(duì)信號(hào)進(jìn)行干預(yù)和采集。,磁共振成像是利用射頻電磁波對(duì)置于磁場(chǎng)中的含有自旋不為零的原子核的物質(zhì)進(jìn)行激發(fā)，發(fā)生核磁共振，用感應(yīng)

7、線圈采集磁共振信號(hào)，按一定數(shù)學(xué)方法進(jìn)行處理而建立的成像方法。,磁化,自旋質(zhì)子,射頻脈沖,弛豫是指自旋減少到它們的最低能態(tài)或返回到平衡狀態(tài)。,弛豫,橫向弛豫,縱向弛豫,弛豫：一個(gè)過(guò)程,橫向矢量逐漸消失；,縱向矢量逐漸恢復(fù)。,兩個(gè)同時(shí)發(fā)生但相互獨(dú)立的過(guò)程,弛豫,,橫向弛豫,導(dǎo)致質(zhì)子群失相位的主要原因： A 質(zhì)子周圍磁環(huán)境隨機(jī)波動(dòng)（自旋-自旋相互作用，即內(nèi)在的不均勻性） B 主磁場(chǎng)的不均勻 ——受這兩方面磁場(chǎng)不均勻的影響稱

8、為自由感應(yīng)衰減（FID）,也稱為T2*弛豫。 利用180°聚焦脈沖剔除主磁場(chǎng)的不均勻造成的衰減才是真正的衰減即T2弛豫。,橫向弛豫,T2*弛豫=T2弛豫+主磁場(chǎng)的不均勻T2值：90°脈沖施加，橫向矢量最大值為起點(diǎn)，T2弛豫造成的衰減到最大值的37%為終點(diǎn)，起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的間隔為T2值。 T2=橫向弛豫時(shí)間T2=自旋-自旋弛豫時(shí)間 一般組織T2值僅為數(shù)十毫秒到一百多毫秒，少數(shù)達(dá)數(shù)百毫秒。,橫向弛

9、豫,,,不同的組織T2值存在差別，磁共振的T2加權(quán)像方能區(qū)分不同的解剖結(jié)構(gòu)，并能區(qū)分正常組織與病變組織。,加權(quán)即突出重點(diǎn)T2加權(quán)像（T2WI）重點(diǎn)突出的是不同組織之間的橫向弛豫差別。T2WI上，組織的T2值越大，其信號(hào)強(qiáng)度越強(qiáng)。,射頻關(guān)閉后，在主磁場(chǎng)的作用下，組織中的宏觀縱向弛豫將逐漸恢復(fù)到激發(fā)前的狀態(tài)及平衡狀態(tài)，即縱向（T1）弛豫。 脈沖關(guān)閉后，宏觀縱向矢量為零，以此為起點(diǎn)，恢復(fù)到最大值得63%為終點(diǎn)，起點(diǎn)和終點(diǎn)的時(shí)間間

10、隔即T1值。,縱向弛豫,T1=縱向弛豫時(shí)間T1=自旋-晶格弛豫時(shí)間,T1弛豫是釋放能量的過(guò)程，把質(zhì)子內(nèi)部的能量傳遞到質(zhì)子外的其他分子，所需要時(shí)間較長(zhǎng)，一般組織的T1值為數(shù)百到數(shù)千毫秒。 T1加權(quán)像重點(diǎn)突出的是縱向弛豫的差別。 T1值越小，MR的信號(hào)強(qiáng)度越大。 T1值存在的差別，磁共振的T1加權(quán)像方能區(qū)分不同的解剖結(jié)構(gòu),,灰質(zhì)的T1值大于白質(zhì)，因此T1WI上灰質(zhì)的信號(hào)強(qiáng)度低于白質(zhì)。,其他加權(quán)成像,質(zhì)子密度加權(quán)成像主要反映單位體積不

11、同組織間質(zhì)子含量的差別。 彌散加權(quán)成像（DWI）反映活體組織中水分子的布朗運(yùn)動(dòng)。 灌注加權(quán)成像(PWI),磁敏感加權(quán)成像（SWI）,磁共振信號(hào)：宏觀橫向矢量越大，其切割產(chǎn)生的電信號(hào)即磁共振信號(hào)也越強(qiáng)。一自由感應(yīng)衰減信號(hào)二自旋回波信號(hào)三梯度回波信號(hào),圖像建立,自由感應(yīng)衰減信號(hào)：利用磁共振接收線圈直接記錄橫向磁化矢量的自由感應(yīng)衰減(t2弛豫和主磁場(chǎng)的不均勻)，得到的磁共振信號(hào)。自旋回波信號(hào)：射頻脈沖產(chǎn)生了宏觀橫向磁化矢量，脈

12、沖關(guān)閉后，在Ti時(shí)間施加一個(gè)180°聚焦脈沖，以剔除主磁場(chǎng)不均勻的影響，得到的磁共振信號(hào)。,圖像建立,,圖254,梯度回波信號(hào)：利用讀出梯度場(chǎng)切換，宏觀橫向磁化矢量經(jīng)歷從零到最大又從最大到零的過(guò)程，得到的一個(gè)回波信號(hào)。,圖像建立,空間定位包括: 1.層面的選擇 2.頻率編碼 3.相位編碼 三維的空間定位利用梯度線圈產(chǎn)生的梯度磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。（層面選擇梯度線圈，頻率編碼梯度，相位編碼梯度）,,X

13、,Y,Z,O,圖像建立,發(fā)射一個(gè)不符合拉莫頻率的射頻脈沖（層面選擇梯度），不會(huì)激發(fā)人體內(nèi)的任何質(zhì)子，但會(huì)使磁場(chǎng)隨位置而變化，每個(gè)位置有自己的共振頻率。,層面選擇,帶寬=頻率范圍（決定了層面的厚度）,頻率編碼,頻率編碼梯度在MR信號(hào)采集過(guò)程中同時(shí)施加頻率 位置,相位編碼,梯度場(chǎng)施加方向與頻率編碼的垂直相位編碼梯度磁場(chǎng)必須在信號(hào)采集前施加,射頻激發(fā) + 空間編碼,線圈采集得到的MR模擬信號(hào),,傅里葉變換分解