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1、磁共振成像 Magnetic resonance imaging, MRI,主要内容: 1、核磁共振原理 2、弛豫过程、特征量T1、T2的意义 3、MRI空间位置编码 4、磁共振信号 5、脉冲序列 6、图像的重建 7、磁共振成像的质量控制,GE 1.5T MRI,GE 2.0T OPEN MRI,磁共振成像 Magnetic resonance imaging, MRI,磁共振成像 Magnetic resonance imaging, MRI,T1 Weighted slice,T2 Weighted slice,磁共振成像 Magnetic resonance imaging, MRI,原
2、子核及其磁特性,原子核的一般特性 同位素：质子数相同，中子数不 同的核构成的元素 H有三种同位素： 只有质子，没有中子 临床MRI主要原子核,自旋（spin)MRI基础 自旋角动量 大小原子核、 质子、中子数 方向自旋轴,自旋磁矩 原子核自旋运动产生的微观磁场 磁旋比，磁矩与角动量之比 约化普朗克常数,净自旋 只有奇数质子或奇数中子数的原 子核产生的自旋磁矩 泡利不相容原理： 原子核内成对质子或中子的自旋 相互抵消,第一节：磁共振现象,一、旋进 （precession)：角动量受到一个与之垂直的力矩的作用，角动量矢量沿一圆周转动的现象。,为进动角速度（反映旋转轴转动的快慢），T为力矩，L为角动
3、量（反映旋转的快慢）。,自旋在磁场中的运动 1.进动,1、核的自旋磁矩,磁场对磁体的作用,磁矩可以理解为由于电荷转动形成的小磁体磁性的强弱，显然其与电荷转动的角动量有关，同时与电荷的大小有关。,2、自旋质子在磁场中的旋进,量子力学告诉我们，质子在磁场中形成定态时，有如图所示的两种状态。这两种状态的能量不同。这称为自旋核能级在外磁场中的劈裂。,无外加磁场时自旋的运动,磁化：磁场中样体在外磁场作用下，在 磁场方向上产生磁性的过程。 大小用磁化强度m表示 磁化率 ：样体在磁场中被磁化产生磁 化的能力。（磁敏感性） 磁化强度来源：原子核自旋磁矩 核外电子分布*,自旋核磁矩在外加磁场中能量,自旋核的能级
4、,自旋核的能级,量子化 自旋系统在外磁场作用下趋于磁场方向 两种能态： 上旋平行于磁场方向的核磁矩 低能态 E（+1/2） 下旋反向磁场方向的核磁矩 高能态 E（-1/2）,磁场对自旋的量子化作用,The Effect of Irradiation to the Spin System,Lower,Higher,Basic Quantum Mechanics Theory of MR,Spin System After Irradiation,Basic Quantum Mechanics Theory of MR,两种能态自旋粒子分布服从波尔兹曼分公式 H :下旋态,上旋态 k波尔兹曼常数，
5、1.3810-23Jk-1 T绝对温度,两种能态自旋粒子分布,两种能态自旋粒子分布,两种能态自旋粒子分布,两种能态自旋粒子分布,两种能态自旋粒子分布,两种能态自旋粒子分布,两种能态自旋粒子分布,原子核系的静磁学,原子核系的静磁学,原子核系的静磁学,剩余自旋与净磁化 剩余自旋：平衡磁场中上旋态核磁 矩与下旋态核磁矩之差 净磁化：平行于磁场方向由剩余自 旋产生的磁化矢量（宏观 磁化矢量）,净磁化的产生,影响净磁化矢量的因素 净磁化矢量M：由于自旋的量子化分布，平 衡态样体在磁力线方向上形 成的稳定磁化矢量。 M=B0N/T 常数 B0磁场强度 N单位体积样体质子数（组织质子密度） T绝对温度,核磁
6、矩在净磁场0作用下 产生力矩 = 0 核磁矩对时间的变化率,核磁矩在净磁场0中的运动 磁矩分解为Z轴、X-Y平面矢量 旋进过程中Z轴矢量方向不变 X-Y平面矢量绕Z轴方向不断变化 X-Y平面矢量相位随机 不形成宏观磁化矢量,进动时核磁矩各分量的运动,在静磁场中，核磁矩围绕0进动，运动轨迹为圆锥 进动的特征频率拉莫频率0 (Larmor frequency) 0=0 拉莫进动核磁矩的进动 0取决于：原子核种类 外加磁场强度,二、磁共振现象,分子、原子或原子核能级在外磁场中劈裂后，当外界电磁场（电磁波）的频率适当（光子能量适当）时，处于低能态的分子、原子或原子核等吸收电磁波的能量跃迁至高能态，这种
7、现象称为磁共振现象。,核磁共振NMR的条件 原子核在进动中吸收外界能量产生能级跃迁现象 外界能量 短射频脉冲激发源 射频磁场RF 自旋磁矩在主磁场中进动.,核磁共振NMR的条件 射频脉冲频率必须与磁场中自旋磁矩的旋进频率相同，与宏观磁化M的固有频率相同，与质子的拉莫频率相同。 射频对自旋系统做功，系统内能增加，在RF激发下，宏观磁化矢量产生共振NMR。,三、磁共振的宏观描述,1、磁化现象：作为宏观物体，包含大量的自旋磁矩，即大量的微小磁体，但是，一般物体并不对外显磁性，是由于这些小磁体杂乱无章的排列，磁性相互抵消，对外不显磁性。在外磁场的作用下，这些磁矩有沿外磁场排列的趋势，从而对外显磁性，这
8、就是我们熟知的磁化现象。,激发射频磁场对自旋系统的作用 过程 核磁共振原子核自旋系统吸收相同频率的射频磁场能量而从平衡态变为激发态的过程 系统激发后特征： MZM0；MXY0,饱和现象(Saturation) 自旋核系统对射频能量的吸收减少或完全不能吸收，导致NMR信号减小或消失的现象 化学位移（chemical shift) 由化学环境不同而引起的共振频率偏移的现象,MRI中的弛豫 原子核系统从受激的不平衡态向 平衡态恢复的过程 包括两方面: 纵向磁化分量MZ的恢复 横向磁化分量 MXY的衰减,磁化强度矢量的弛豫过程,核磁化强度的运动-Bloch方程,核磁化强度的运动-Bloch方程,2、射
9、频电磁波对样品的激励。,如图：在射频电磁波旋转磁场的作用下，磁化强度矢量或宏观磁矩矢量沿着如图所示的曲线变化，从而改变了宏观磁矩的大小和方向。（在磁共振中主要是改变方向。）,角脉冲,射频（RF电磁波）脉冲使磁化矢量偏离外磁场方向的角度，与脉冲时间成正比。,Electromagnetic Excitation Pulse (RF Pulse),0,t,Fo,Fo,Fo+1/ t,Time,Frequency,t,Fo,Fo,DF= 1/ t,FT,FT,3、自由感应衰减信号（free induced decay, FID):射频脉冲停止后样品的射频辐射。,（1）弛豫过程（relaxation p
10、rocess)：磁矩在射频场结束后，在主磁场的作用下，进行“自由旋转”，由于粒子之间的能量交换，所有磁矩将从不平衡态逐渐过渡到平衡态，这一过程称为弛豫过程。这一过程将发生相对独立的纵向弛豫和横向弛豫。下面以90度脉冲后弛豫过程加以说明。,a.横向弛豫：在垂直于主磁场的横向磁化矢量由初始值逐渐复零的过程。满足下式，T2称为横向弛豫时间，经过T2，Mxy减少63%。由于磁矩之间的相互作用，各磁矩的旋进速度不一样，从而使基本一致的取向逐渐消失，变为在横向杂乱无章的排列，从而使横向磁化矢量减小至最后为零。又称自旋自旋弛豫。主要反应样品磁环境的不均匀性。,b.纵向弛豫：和主磁场方向平行的磁化矢量由零逐渐
11、恢复最大值的过程。满足下式，T1称为纵向弛豫时间，经过T1，Mz恢复63%。这是由于热辐射的存在，从低能态跃迁至高能态的磁矩逐渐跃迁至低能态，恢复平衡态。这一驰豫过程常又称热弛豫或自旋晶格弛豫。主要反映局部的能量交换信息 。,一般说来，纵向弛豫时间远大于横向弛豫时间。而且，不同的组织与器官的弛豫时间显著不同，从而对软组织及器官有特殊的分辨能力。在主磁场为0.42T时，人体组织T1103ms，T2102ms。,纵向弛豫与纵向弛豫时间常数的关系 t=T1时, Mz/M0=1-e-1=63%,纵向磁化对比（组织对比） 各种组织在纵向磁化完全恢复之前，已恢复的纵向磁化内产生的不同组织T1不同而形成纵向
12、磁化不同的现象。,不同组织的纵向弛豫时间常数,横向弛豫与横向弛豫时间常数的关系 t=T2时, MXY/M0=1/e=37%,在1.0T 磁场中不同组织的横向弛豫时间常数,T2*弛豫有效横向弛豫 T2弛豫效应由于磁场不均匀性所致横向弛豫效应 T2*弛豫由T2弛豫效应和T2弛豫效应共同作用所产生的横向弛豫 1/ T2*=1/ T2+1/ T2,T2 、 T2和 T2* 衰减的关系,T2*加权又称磁敏感加权 磁敏感对比 MRI常采集T2*产生T2*加权图象，用于发现具有磁化率不同的病灶,自由感应衰减信号 （free induction decay signal,FID) 射频脉冲停止横向磁化矢量MX
13、Y在X-Y平面以拉莫频率自由旋进 相位相干逐渐消失 MXY迅速衰减,翻转角,自由感应衰减信号FID 以拉莫频率在X-Y平面内自由旋进的横向磁化矢量，在线圈内感应出与拉莫频率相同、幅度快速衰减的MR的波动信号,自由感应衰减信号,FID不包含位置信息 FID 是NMR信号源 FID又称自由进动衰减 自由进动射频场作用停止后磁化矢量M的运动,自旋回波的信号,1.自旋回波 静磁场的不均匀性所致的自旋磁矩去相位效应T2，可用180翻转脉冲重聚相位而产生回波信号。,相位重聚180翻转脉冲作用后，慢频率自旋磁矩在远位赶上快频率自旋磁矩的过程 自旋回波信号随着相位的重新 聚合， 产生的新的MR信号,Hahn回
14、波沿与激发脉冲垂直方向施加180翻转脉冲，所产生的回波。回波在+Y 方向 CPMG自旋回波序列沿激发脉冲方向施加180翻转脉冲，所产生的回波。回波在-Y 方向,与FID同相位的SE(Hahn回波）,与FID反相的SE(CPMG回波）,回波时间TE 自旋回波信号幅度随相位重聚达到峰值的时间。 回波时间信号的变化 180翻转脉冲只能使由于静磁场不均匀所造成的自旋去相位产生相位重聚,自旋回波信号的变化,四、弛豫时间的测量（自旋回波（SE)法）,在磁共振现象中，物质的宏观磁化强度及变化与自旋核的密度、T1、T2密切相关，但这些信息不能直接测出，只能通过弛豫过程中辐射的射频信号来分析。,180度脉冲的作
15、用：使去相位状态（dephase)变为在相位状态(inphase),考虑自旋核运动（如血流）时,讨论： 自由衰减速信号包含了，T1，T2信息。 不同时刻测得的信号各因素起的作用（权重）不一样。 可以通过不同时刻测得的自由衰减信号联立解方程求出上述三个物理量。这就是核磁共振成像的数理基础。,第二节：图像重建原理,一、加权图像（imagine weight,IW),MR回波信号仅由（自旋核密度）决定。称为加权。,MR回波信号由（自旋核密度）和T2决定。称为T2加权。,MR回波信号由（自旋核密度）和T1决定。称为T1加权,通过的测量可以判断自旋核的密度，例如，人体氢核磁共振图像反映不同组织含水量的多少，T1，T2的测量可能反应自旋核所处的化学环境的差异，如水以自由水还是结合水存在，或者氢核存在于特定的原子团中等。对于揭示能量代谢和生化反应的过程很有帮助，磁共振技术必将在未来的人体检查中发挥越来越重要的作用。,二、空间位置编码,我们测到的MR信号，但如何知道这一信号来自何处呢？收音机给了我们有益的启示。,如果空间两点的磁场强度不同，则与之发生共振的射频频率不同，从而依据共振频率可确定磁场强度，进而确定空间位置。这就是层面选择的原理。,1、层面选择：样品中加一个均匀的主磁场B0后，再在主磁场上加一不均匀的梯度磁场
