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磁共振成像原理 一、概论二、核磁共振原理三、弛豫四、磁共振信号五、图像的重建磁共振成像原理现代医学影像学现代医学影像学X线、CTX射线经人体组织吸收后记录衰减信息密度成像（密度）超声高频超声波达到人体反射经传感器探测的回声像（回声）磁共振在磁场内人体氢原子核经射频激励后形成自由感应衰减信号成像（信号）核医学人体组织内积蓄的放射性同位素发射的伽玛辐射像（浓聚）MRI的优势的优势1.无线损伤2.软组织对比度分辨率高3.任意方位、多序列、多参数成像4.无颅底骨伪影干扰5.不用造影剂可特殊成像如MRA、MRM、MRCP、MRU等，6.增强扫描时造影剂用量比CT少并且安全7.可提供人体生理、生化及功能方面信息8.开放式MR机减少幽闭恐惧症 成像速度慢对钙化灶不够敏感、对骨骼系统及胃肠道方面有一定的限度、呼吸系统远不如CT检查检查费用较昂贵禁忌症多：体内有铁磁性植入物、心脏起搏器、幽闭恐惧症、早孕三个月的妇女等磁共振成像的局限性磁共振成像的局限性磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是利用射频（radiofrequency，RF）电磁波对置于磁场中的含有自旋原子核的物质进行激发，发生核磁共振（nuclearmagneticresonance，NMR），用感应线圈采集磁共振信号，按一定数学方法进行处理而重建的一种数字图像。磁共振成像的定义磁共振成像的定义磁共振成像的基本过程磁共振成像的基本过程 1.人体进入静磁场前，体内氢质子群磁矩自然无规律排列；2.进入静磁场后，所有自旋的氢质子重新定向排列，磁矩与主磁场方向平行3.通过施加射频脉冲，使受检部位氢质子吸收能量并向一个方向偏转和自旋；4.射频脉冲停止，核磁弛豫开始，氢质子释放吸收的能量重新回到原来自旋的方向；5.释放的电磁能转化为磁共振信号；6.经梯度磁场做层面选择和相位编码及频率编码；7.经傅立叶转换和计算机处理形成MRI图像。RFTransceiverperson in magnetic fieldmagnet人体磁化人体磁化 before transmitting RFperson in magnetic fieldRFTransceiverRF Pulsetransmitting RF核磁共振核磁共振person in magnetic fieldRFTransceiverMR Signal after transmitting RF 一、概论二、核磁共振原理三、弛豫四、磁共振信号五、图像的重建磁共振成像原理原子核由质子和中子组成，统称为核子，具有自旋的特性。根据经典电磁学理论：旋转的电荷可视为环路上的 运动电荷，自旋的运动电荷 应具有磁矩，产生一个小磁 场。无外加磁场时，小磁场方向 是随机的，磁矩相互抵消，净磁矩为0原子核自旋原子核自旋 无外加磁场无外加磁场B0有外加磁场有外加磁场B0低能态，数目多低能态，数目多高能态，数目少高能态，数目少方向随机方向随机无磁化矢量无磁化矢量拉莫尔进动处于强磁场内的质子并非静止地向两个方向平行排列，进行陀螺式的摇摆样运动，质子磁矩矢量这种围绕主磁场旋转运动称为进动（Precession），其旋转频率称共振频率（larmor频率）。磁化矢量磁化矢量MLarmor频率磁共振现象在垂直于磁场B0方向施加与质子进动频率相同的射频脉冲，射频脉冲的能量将传递给低能级的质子，低能级的质子将跃迁到高能级。这个过程成为磁共振。共振条件为：射频脉冲频率与质子进动频率相等 0=B0宏观上讲，磁共振现象的结果是使宏观磁化矢量方向发生偏转。偏转的角度与射频脉冲的能量有关，能量越大，偏转角度越大。氢原子核在不同场强中的共振频率静磁场强度（T）共振频率（MHz）0.15 6.4 0.2 8.5 0.3 12.8 0.5 21.3 0.6 25.5 1.0 42.6 1.5 63.9 2.0 85.3 3.0 127.8翻转角FA射频脉冲时间的长短、强度的大小决定了进动角度射频脉冲时间的长短、强度的大小决定了进动角度的大小。的大小。FA=B1t射频脉冲强度越大，翻转角度改变越快。射频脉冲强度越大，翻转角度改变越快。射频脉冲施加时间越长，翻转角度越大。射频脉冲施加时间越长，翻转角度越大。常见反转角如常见反转角如90、180脉冲脉冲 一、概论二、核磁共振原理三、弛豫四、磁共振信号五、图像的重建磁共振成像原理弛豫射射频频脉脉冲冲一一停停止止，组组织织磁磁化化恢恢复复原原来来的的状状态态，即即发生弛豫（发生弛豫（Relaxation）。）。磁磁共共振振成成像像时时受受检检脏脏器器的的每每一一个个质质子子都都要要经经过过反反复的复的RF激发和弛豫过程。激发和弛豫过程。弛豫有纵向弛豫和横向弛豫。弛豫有纵向弛豫和横向弛豫。纵向弛豫纵向弛豫纵向弛豫射射频频脉脉冲冲停停止止，纵纵向向弛弛豫豫恢恢复复到到原原来来大大小小平平衡衡的的状状态态，纵向弛豫是能量变化的过程。纵向弛豫是能量变化的过程。纵向弛豫是一个从零状态恢复到最大值的过程。纵向弛豫是一个从零状态恢复到最大值的过程。纵纵向向磁磁化化向向量量恢恢复复原原来来数数值值所所经经历历的的时时间间过过程程称称纵纵向向弛弛豫时间（豫时间（T1）。）。纵向弛豫过程表现为一种指数递增曲线。纵向弛豫过程表现为一种指数递增曲线。T1值值被被定定义义为为从从零零恢恢复复到到原原来来纵纵向向磁磁化化向向量量63%的的时时间间。4-5倍的倍的T1值时间才能达到完全恢复。值时间才能达到完全恢复。人体各种组织因组成成份不同而具有不同的人体各种组织因组成成份不同而具有不同的T1值。值。影响T1的因素不不同同组组织织分分子子结结构构T1弛弛豫豫时时间间不不同同，由由它它们们本本身身进进动动频频率率不不同同所所决决定定。大大部部分分组组织织T1值值在在200-300msec之之间间，（如如：脂脂肪肪质质子子的的弛弛豫豫比比水水分分子子要要快快，T1时时间间就就短短，脂脂肪肪T1为为100-200ms。纯纯水水为为3000ms，组织含水越多，组织含水越多，T1时间越长。时间越长。磁磁场场强强度度影影响响。磁磁场场强强度度增增大大使使共共振振频频率率增增大大，T1弛豫时间随之延长。弛豫时间随之延长。横向弛豫横向弛豫射射频频脉脉冲冲停停止止，横横向向磁磁化化向向量量开开始始逐逐渐渐消消失失的的过过程程。横横向弛豫不是能量变化的过程，是进动相位失去的过程。向弛豫不是能量变化的过程，是进动相位失去的过程。横向磁化向量逐渐消失的过程称横向弛豫时间（横向磁化向量逐渐消失的过程称横向弛豫时间（T2）。）。其其衰衰减减过过程程也也表表现现为为一一个个指指数数曲曲线线，与与 T1 不不同同的的是是递递减曲线。减曲线。T2值值被被定定义义为为横横向向磁磁化化向向量量从从最最大大到到其其原原来来 37%的的时时间。间。4-5倍倍T2值时间完全消失。值时间完全消失。T2弛弛豫豫时时间间内内氢氢质质子子将将吸吸收收的的RF能能量量以以电电磁磁波波形形式式的的信信号释放出来（号释放出来（FID）。）。横向弛豫影响T2因素主主磁磁场场T2弛弛豫豫时时间间比比 T1 要要短短许许多多。人人体体组组织织中中T2 值值的的范范围围大大约约在在 50-100 ms之之间间。（脑脑脊脊液液较较为为特特殊殊，具具有有 2000 ms 的的 T2 值值）。在在含含水水多多的的组组织织中中也也有有较较长长的的 T2 弛豫时间（如：炎症，水肿，恶性肿瘤等）。弛豫时间（如：炎症，水肿，恶性肿瘤等）。与与 T1 相相比比，T2对对主主磁磁场场强强度度不不敏敏感感，但但是是对对磁磁场场均均匀匀度敏感。度敏感。磁场不均匀时，磁场不均匀时，1/T2*=1/T2+BT1、T2对磁共振信号的影响磁共振信号与T1、T2关系 一、概论二、核磁共振原理三、弛豫四、磁共振信号五、图像的重建磁共振成像原理自由感应衰减信号FID90RF脉冲之后，核自旋开始自由进动和弛豫，这时产生的共振信号叫自由感应衰减（Free Induction Decay）信号，简称FID信号自旋回波信号在90RF脉冲之后，经时间后再加180脉冲，再经过时间会出现一个回波信号，称为自旋回波信号。回波形状：两个FID信号背对背对接起来。t=0到t=，为散相运动，My衰减；t=到t=2，聚相运动；在t=2时刻，达到相位完全相干，形成回波峰值T2之后，又是散相。自旋回波回波峰值：因为有弛豫，横向磁化强度有衰减回波信号的优势：90脉冲关闭时，基线有跳动，此时采集FID信号比较麻烦，采回波信号更可靠回波时间（Echo Time）TE:自旋回波达到峰值的时间 TE=2回波信号的衰减 一、概论二、核磁共振原理三、弛豫四、磁共振信号五、图像的重建磁共振成像原理采集数据脉冲序列 RFGsSGpGrTE/2 TE/2 TRFIDEcho90 090 0180 0MRI数据采集方法激励激励 射频脉冲激励做射频脉冲激励做 Gz 层面选择。层面选择。相位编码相位编码 在在Y轴增加梯度磁场轴增加梯度磁场 Gy，使，使Y坐标上坐标上 质子处于不同相位。质子处于不同相位。频率编码频率编码 Gy 关闭后，立即加上关闭后，立即加上Gx 频率编码梯频率编码梯 度，自旋质子进动，含有频率和相位度，自旋质子进动，含有频率和相位 编码的混合编码的混合MR 信号经二维傅立叶转信号经二维傅立叶转 换，分出每个体素在矩阵中的位置和换，分出每个体素在矩阵中的位置和 信号强度，最后重建成图像。信号强度，最后重建成图像。层面选择梯度层面选择梯度Gz相位编码梯度相位编码梯度Gy频率编码梯度频率编码梯度Gx增加梯度磁场的目的从接受线圈接收人体质子群发出的磁共振信号是从接受线圈接收人体质子群发出的磁共振信号是成千上万的杂乱无章的信息，这些信号群只有强成千上万的杂乱无章的信息，这些信号群只有强度和频率，无空间和方位的信息。应用梯度磁场度和频率，无空间和方位的信息。应用梯度磁场的目的，是提供磁共振成像的空间定位信息，解的目的，是提供磁共振成像的空间定位信息，解决图像重建和层面选择及空间定位的难题。决图像重建和层面选择及空间定位的难题。磁共振的拉莫尔（磁共振的拉莫尔（Larmor）定律，人体组织在不）定律，人体组织在不同的磁场强度下，其共振频率就会不同，这就形同的磁场强度下，其共振频率就会不同，这就形成了根据梯度磁场的变化达到空间定位的理论和成了根据梯度磁场的变化达到空间定位的理论和实际应用基础。实际应用基础。选层Gz层厚=（B0+GzZ）=GzZ频率越宽，层面越厚频率越宽，层面越厚梯度越大，层面越薄梯度越大，层面越薄平面信号空间编码梯度场应用解决了从一个层面采集信号和选择层梯度场应用解决了从一个层面采集信号和选择层面厚度问题。但不能分辨该层面内信号来自什么面厚度问题。但不能分辨该层面内信号来自什么位置。为确定层面内信号的坐标，进行另外的空位置。为确定层面内信号的坐标，进行另外的空间编码技术即选用两种不同梯度磁场进行编码：间编码技术即选用两种不同梯度磁场进行编码：频率编码梯度频率编码梯度相位编码梯度相位编码梯度空间编码前相位编码相位编码频率编码频率编码K空间按相位和频率两种坐标组成了另一种虚拟的空间位置排列矩阵，这个位置按相位和频率两种坐标组成了另一种虚拟的空间位置排列矩阵，这个位置不是实际的空间位置，只是计算机根据相位和频率不同而给予的暂时识别不是实际的空间位置，只是计算机根据相位和频率不同而给予的暂时识别定位，这就是定位，这就是“K空间空间”。K空间每一点包含了所有体素的信号，但不能区分各个体素的信号。空间每一点包含了所有体素的信号，但不能区分各个体素的信号。K空间所有点通过傅立叶变换，可以求出各个体素信号的大小。空间所有点通过傅立叶变换，可以求出各个体素信号的大小。K空间和图像域关系FFTK-空间对图像的影响K-空空间间特特点点：远远离离中中心心线线的的上上下下方方为为高高空空间间频频率率，其其决决定定图图像像的的空空间间分分辨辨率率；在在中中心心线线的的低低空空间间频频率率则则决决定定图图像像的对比度。的对比度。K空间中心部空间中心部决定图像的对比和总体质量！决定图像的对比和总体质量！K空间边缘部空间边缘部决定图像的分辨率和细节！决定图像的分辨率和细节！