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1、MRI基础原理基础原理MRI发展重要事件及贡献者发展重要事件及贡献者n n美国斯坦福大学FelixBloch和哈佛大学的EdwardPurcell在1946年各自独立发现核磁共振现象n n两人共同研制出第一台NMR谱仪，用于物质分子结构的研究n n为此共同获得1952年诺贝尔物理学奖n n美国纽约州立大学RaymondDamadian，一位物理学家、内科医生n n1970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n n1977发明了第一台磁共振成像仪n n扫描采集了第一幅人体图像，耗时近5小时n n美国纽约州立大学PaulLauterburn n1973创造了梯度磁场用于选
2、择定位系统n n创立了投影重建成像方法n n1988年raymonddamadian和Paullauterbur获得里根颁发的国家技术勋章n n英国诺丁汉大学petermansfieldn n1973年几乎与Paullauterbur同时撰文提出梯度磁场，用于空间定位n n提出具体的理论演算及解决方案n nPaulLauterbur和peterMansfield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质子物理性质质子物理性质n n原子核绕核轴线的转动称为自旋（spin）n n自旋具有方向性，又称为自旋角动量，是矢量，常用矢量表示n n其方向与自旋轴一致
3、，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。n n任何原子核都具有自旋特性n n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n n并非所有原子核的自旋运动均能产生核磁矩n n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n n根据电磁效应，带电粒子旋转产生磁场根据电磁效应，带电粒子旋转产生磁场n n质子带正电荷，自旋时能产生磁场质子带正电荷，自旋时能产生磁场n n中子呈电中性，但内部电荷分布不均，自旋时中子呈电中性，但内部电荷分布不均，自旋时也能产生磁场也能产生磁场n n由于原子核内粒子自旋的随机性，当有偶数质由于原
4、子核内粒子自旋的随机性，当有偶数质子及中子数时，因相互抵销，原子核不表现有子及中子数时，因相互抵销，原子核不表现有净自旋磁矩净自旋磁矩n n只有奇数质子和只有奇数质子和/ /或奇数中子时，原子核才可有或奇数中子时，原子核才可有净自旋磁矩净自旋磁矩n n磁矩磁旋比磁矩磁旋比* *角动量角动量n n磁共振成像使用氢原子核，即氢质子磁共振成像使用氢原子核，即氢质子选择氢原子的理由选择氢原子的理由n n1H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n n1H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n n1H仅有一个质子而没有中子n n人体MR图像，除非特殊说明，一
5、般所指的即为1H的磁共振图像。人体进入磁场的结果人体进入磁场的结果人体进入磁场前人体进入磁场前n n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，不显磁性人体进入磁场后人体进入磁场后n n磁化：进入外磁场后，在磁场方向上产生磁性的过程称磁化。n n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。n n产生净磁化矢量M=x*B0(磁场强度)磁化的机理磁化的机理n n各自旋按外磁场方向排列各自旋按外磁场方向排列n n自旋核在磁场中分为不同能态，称为能级劈自旋核在磁场中分为不同能态，称为能级劈裂（塞曼劈裂）裂（塞曼劈裂）n n能态级别：能态级别：2I+12I+1（I I为自旋量
6、子数），氢质为自旋量子数），氢质子自旋量子数为子自旋量子数为1/21/2，所以有两种能态，所以有两种能态n n低能态多于高能态，产生净磁化，与低能态多于高能态，产生净磁化，与B0B0方向方向一致一致n n根据波尔兹曼公式，根据波尔兹曼公式，T=300K(T=300K(室温室温) )，B0=1TeslaB0=1Tesla，低能态比高能态自旋粒子多，低能态比高能态自旋粒子多6.59x106.59x10-7-7倍倍影响净磁化矢量影响净磁化矢量M0的因素的因素n n与组织的质子密度成正比n n与磁场强度成正相关n n与绝对温度成负相关n n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n n
7、自旋：质子的自旋运功，有时也指自旋的质子n n晶格：自旋质子的周围环境n nPPM：partspermillion，1x10-6，百万分之一自旋在磁场中的运动进动自旋在磁场中的运动进动n n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质子的运动：进动频率质子的运动：进动频率质子的运动：进动频率质子的运动：进动频率 0 0 0 0 = = = = 0 00 0进动（进动（precession）n n正如陀螺在重力场的运动一样n n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n n是由于磁场对自旋磁矩的
8、偶合作用所致。n n进动频率比自旋频率低的多，但还是很快进动频率进动频率-拉莫频率（拉莫频率（Larmor频率）频率） n n自旋磁体绕外加磁场方向旋进的特性频率自旋磁体绕外加磁场方向旋进的特性频率n n拉莫频率决定于两个因素：拉莫频率决定于两个因素：n n原子核的种类原子核的种类n n外加磁场的强度外加磁场的强度n n 0 = 0 = 0 0 （ 为磁旋比常数，为磁旋比常数， 0 0为拉莫频为拉莫频率）率）n n外加磁场越强，拉莫频率越高外加磁场越强，拉莫频率越高净宏观磁化矢量（净宏观磁化矢量（M0）n n存在于Z轴方向n nXY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n n相
9、位：平面内旋转的矢量与某一参照轴的夹角称相位n n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n n从同相位到离相位的过程称为聚相位，反之为失相位核磁共振现象核磁共振现象n n共振是自然界普遍规律n n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n n核磁共振：也就是磁化的自旋质子接受与其进动频率（Larmor频率）相同的外来能量，从平衡态变为激发态的过程磁共振的条件磁共振的条件n n必须有外加能量源，即射频脉冲n n射频脉冲频率须和质子Larmor频率一致n n射频磁场对自旋系统的作用称激发或激励n n为什么需要相同频率呢？n n相同频率的脉冲可看作旋
10、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磁共振的量子基础磁共振的量子基础n n自旋质子中的部分低能态者吸收相同频率射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频脉冲的能量，而跃迁为高能态的过程n n众多自旋矢量的综合表现为宏观磁化矢量众多自旋矢量的综合表现为宏观磁化矢量（M0M0）的转变）的转变n n平衡态：在温度和磁化强度确定后，物体进平衡态：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，称为平衡态矢量，称为平衡态n n平衡态中低能态与高能态自旋质子仍
11、在相互平衡态中低能态与高能态自旋质子仍在相互转换，但处于平衡中转换，但处于平衡中射频脉冲射频脉冲n n外来能量源：有大小和持续时间n n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n n射频结束时，净磁化矢量M与Z轴的角度称为翻转角(Flipangle)n n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n n接受射频脉冲后，M0转向XY平面还与射频脉冲的聚相位作用有关弛豫弛豫n n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，这一过程就是弛豫纵向弛豫（纵向弛豫（T1弛豫）弛豫）n n也称自旋-晶格弛豫n n量子基础：部分自旋质子从高能态恢复到
12、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n n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n nT1值：确定为纵向磁化矢量从0恢复到平衡态的63的时间n nT1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n n5个T1值的时间后，纵向磁化矢量基本上完全恢复n n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n nT1WI：T1加权图像，通过不同的扫描参数组合产生的主要反应T1对比的图像影响影响T1值的因素值的因素n n组织分子大小：T1弛豫涉及自旋向晶格的能量传递，大
13、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n n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）n n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n n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n n场强：越强，T1值越长，所以T1弛豫也称场强依赖弛豫饱和饱和n n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n n多个TR
14、后，纵向磁化矢量会逐渐较少，并达到一个相对稳定的数值，称为部分饱和横向弛豫（横向弛豫（T2弛豫）弛豫）n n也称自旋-自旋弛豫n n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n nT2值：确定为横向磁化矢量从由最大衰减至37%的时间n nT2值也是一常数，不同组织有不同的T2值n n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n nT2WI，T2加权图像，通过不同的扫描参数组合产生的主要反应T2对比的图像影响影响T2值的因素值的因素n n分子大小：大分子物质移动慢，自旋干扰
15、及分子大小：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，热运动所致的局部磁场不均匀性容易产生，T2T2值短；小分子物质移动快，容易均匀，值短；小分子物质移动快，容易均匀，T2T2值长值长n n物理状态：固体晶格固定，局部磁场不均匀物理状态：固体晶格固定，局部磁场不均匀性稳定存在，致性稳定存在，致T2T2值极短。液体分子布朗运值极短。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，动活跃，局部磁场不均匀性能很快得到平衡，T2T2值很长值很长n n场强、温度：一般认为很少有影响场强、温度：一般认为很少有影响T2*弛豫，也称有效横向弛豫弛豫，也称有效横向弛豫n nT2弛豫
16、磁场不均匀所致失相位n n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值，但纯水T2值可接近T1值n n任何组织T2值不会T1值n nT1弛豫一定程度上影响T2弛豫，T2弛豫不影响T1弛豫磁共振信号磁共振信号n n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n n弛豫同时以射频信号的形式放出能量n n发出的射频信号被体外线圈接受n n经计算机处理后重建成图像MRMR信号信号信号信号磁共振成像设备磁共振成像设备n n磁体n n梯度线圈n n射频发射器，发射线圈，一般也兼有接收线圈功能n nMR信号接受器，接收线圈n n计算机n n图像显示和储存装置
17、磁体磁体n nMR核心和基础n nMR造价一半以上n n最主要指标：磁场强度，磁场均匀度n n磁体强度：tesla=10000gauss高场强的优势高场强的优势n n主磁场场强高提高质子的磁化率，增强主磁场场强高提高质子的磁化率，增强MRMR信信号，增加图像的信噪比号，增加图像的信噪比n n在保证信噪比的前提下，可缩短在保证信噪比的前提下，可缩短MRIMRI信号采集信号采集时间时间n n增加化学位移使磁共振频谱（增加化学位移使磁共振频谱（MRSMRS）对代谢产）对代谢产物的分辨力提高物的分辨力提高n n增加化学位移使脂肪饱和技术更加容易实现增加化学位移使脂肪饱和技术更加容易实现n n磁敏感效应
18、增强，从而增加血氧饱和度依赖磁敏感效应增强，从而增加血氧饱和度依赖（BOLDBOLD）效应，使脑功能成像的信号变化更）效应，使脑功能成像的信号变化更为明显为明显 n nSWISWI图像质量更佳图像质量更佳高场强的缺点高场强的缺点n n设备生产成本增加，价格提高设备生产成本增加，价格提高n n噪音增加噪音增加n nSARSAR值问题：因为射频特殊吸收率（值问题：因为射频特殊吸收率（SARSAR）与）与主磁场场强的平方成正比，高场强下射频脉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，在冲的能量在人体内累积明显增大，在3.0T3.0T的的超高场强机上表现得尤为突出超高场强机上
19、表现得尤为突出n n各种伪影增加，运动伪影、化学位移伪影及各种伪影增加，运动伪影、化学位移伪影及磁化率伪影等在磁化率伪影等在3.0T3.0T超高场机上更为明显超高场机上更为明显 磁场均匀度磁场均匀度n n高均匀度的场强有助于提高图像信噪比高均匀度的场强有助于提高图像信噪比n n场强均匀是保证场强均匀是保证MRMR信号空间定位准确性的前信号空间定位准确性的前提提n n场强均匀可减少伪影，特别是磁化率伪影场强均匀可减少伪影，特别是磁化率伪影n n高度均匀度磁场有利于进行大视野扫描，尤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其肩关节等偏中心部位的MRIMRI检查检查n n只有高度
20、均匀度磁场才能充分利用脂肪饱和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技术进行脂肪抑制扫描n n高度均匀磁场才能有效准确区分高度均匀磁场才能有效准确区分MRSMRS的不同的不同代谢产物代谢产物梯度线圈梯度线圈n n主要指标：梯度场强、梯度切换率主要指标：梯度场强、梯度切换率n n梯度场强（梯度场强（mT/MmT/M）：梯度场两端的磁场强度）：梯度场两端的磁场强度差值差值/ /梯度场的长度梯度场的长度 n n切换率（切换率（slewratslewrat）：是指单位时间及单位长）：是指单位时间及单位长度内的梯度磁场强度变化量，常用每秒每米度内的梯度磁场强度变化量，常用每秒每米长度
21、内磁场强度变化的毫特斯拉量长度内磁场强度变化的毫特斯拉量（mT/M.SmT/M.S）来表示）来表示n n切换率越高表明梯度磁场变化越快，也即梯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）越短间（爬升时间）越短 n n梯度线圈性能的提高对于梯度线圈性能的提高对于MRMR超快速成像至关超快速成像至关重要，可以说没有梯度线圈的进步就不可能重要，可以说没有梯度线圈的进步就不可能有超快速序列有超快速序列n nSS-RARESS-RARE、Turbo-GRETurbo-GRE及及EPIEPI等超快速序列以等超快速序列以及水
22、分子扩散加权成像对梯度场的场强及切及水分子扩散加权成像对梯度场的场强及切换率都有很高的要求换率都有很高的要求n n高梯度场及高切换率不仅可以缩短回波间隙高梯度场及高切换率不仅可以缩短回波间隙加快信号采集速度，还有利于提高图像的加快信号采集速度，还有利于提高图像的SNRSNRn n因而近几年快速或超快速成像技术的发展可因而近几年快速或超快速成像技术的发展可以说是直接得益于梯度线圈性能的改进。以说是直接得益于梯度线圈性能的改进。 梯度线圈的作用梯度线圈的作用n n进行MRI信号的空间定位编码n n产生MR回波（梯度回波）n n施加扩散加权梯度场n n进行流动补偿n n进行流动液体的流速相位编码。n
23、 n梯度线圈由X、Y、Z轴三个线圈构成n n把主磁场方向定义为Z轴方向，与Z轴方向垂直的平面为XY平面n n发射线圈：发射射频脉冲（无线电波）激发人体内的质子发生共振，就如同电台的发射天线n n接收线圈：接收人体内发出的MR信号（无线电波），就如同收音机的天线n n有的线圈可同时作为发射线圈和接受线圈，如装在扫描架内的体线圈和头颅正交线圈n n大部分表面线圈只能作为接受线圈，而由体线圈来承担发射线圈的功能n n接收线圈：接收线圈离检查部位越近，所接收到的接收线圈：接收线圈离检查部位越近，所接收到的信号越强；线圈内体积越小，所接收到的噪声越低信号越强；线圈内体积越小，所接收到的噪声越低n n因而
24、开发了各检查部位的专用表面线圈，如心脏线因而开发了各检查部位的专用表面线圈，如心脏线圈、肩关节线圈、直肠内线圈、脊柱线圈等圈、肩关节线圈、直肠内线圈、脊柱线圈等 n n表面相控阵线圈（表面相控阵线圈（phasedarraycoilsphasedarraycoils）是脉冲线圈）是脉冲线圈技术的一大飞跃技术的一大飞跃n n相控阵线圈由多个子线圈单元（相控阵线圈由多个子线圈单元（elementelement）构成，同）构成，同时需要有多个数据采集通道（时需要有多个数据采集通道（channelchannel）与之匹配）与之匹配n n利用相控阵线圈可明显提高利用相控阵线圈可明显提高MRMR图像的信噪比，有助图像的信噪比，有助于改善薄层扫描、高分辨扫描及低场机的图像质量于改善薄层扫描、高分辨扫描及低场机的图像质量n n利用相控阵线圈与平行采集技术相配合，可以进一利用相控阵线圈与平行采集技术相配合，可以进一步提高步提高MRIMRI的信号采集速度的信号采集速度
