MRI原理(精).ppt

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1、 （二）原子核的磁矩 磁矩是矢量，有大小和方向。并非所有的原子核均可发生磁共振现象，只有具有磁矩的原子核才能在一定的条件下发生磁共振现象。 氢质子具有两个能态：低能态和高能态。这意味着一些氢质子绕自身轴进行自旋，产生一个磁场。另外一些氢质子以相反的方向自旋，并产生相反方向的磁场。 如果原子核内有偶数个质子，则这些配对质子的磁场将会抵消，总磁场为零；当原子核内有奇数个质子时，则都会产生一个净磁场，使原子核具有磁矩。实际上，任何存在奇数质子、中子或质子数与中子数之和为奇数的原子核均存在磁矩。二、静磁场 （一）静磁场的作用 人体中有很多的氢质子，质子都有自身的一个小磁场，并且绕自己的轴进行旋转，具有

2、磁矩。一般状态下质子的自旋是随机分布的，磁矩相互抵消，净磁场强度为零。 如果把人体放入一个强大的静磁场（B0）中将会出现：质子将沿着静磁场的方向排列，产生净磁化矢量；质子在自旋的同时，以静磁场的磁力线为轴进行进动（或称旋进）。 1净磁化矢量的形成 2质子在静磁场中的进动 无静磁场（B0）时，质子绕自身的轴旋转，产生一个自身的小磁场。当我们把自旋质子放入B0内时，质子开始摇摆，不仅绕自身的轴进行自旋，同时也绕B0的轴进行旋转，这样的运动状态称之为进动。质子绕B0轴的进动频率可以通过拉莫方程计算： 质子在B0的进动，使质子的旋转轴与B0轴存在着进动角，因而质子的磁化矢量在垂直于B0 的方向XY平面

3、上有一个磁化分量。但质子的运动是随机的，其在XY 平面上的投影相互抵消而没有横向磁场分量存在。 （二）静磁场的类型1根据磁体的设计分类（1）常导型磁体：根据线圈内的环形电流产生磁场的原理设计，磁场可以被开启和关闭。（2）超导型磁体：根据用超导材料性能设计一个强大磁场，使用液氮或液氦作为制冷剂。磁场可以被开启和关闭。（3）永磁型磁体：磁体由铁磁性物质组成，磁场持续存在，不能被关闭。2根据磁体的场强分类 根据磁体的场强分为：超高场（4.07.0T）；高场（1.53.0T）；中场（0.51.4T）；低场（0.20.4T）；超低场（0.2T）。超高场主要用于研究，高、中场常见于超导型扫描仪，低场见于常

4、导型和永磁型扫描仪。三、射频脉冲 射频脉冲（RF）是一种交变电磁波（其磁场用B1 表示）。当静磁场（B0）的场强为0.2T3.0T时，根据拉莫方程，处于B0中自旋质子的进动频率为8.5127MHz，它属于电磁波谱内无线电波的频率范围；又因为它在MRI 中仅做短暂的发射，因此称为射频脉冲。 （一）射频脉冲的作用 1翻转纵向磁化矢量 章动导致M0向XY 平面翻转，与Z轴形成一定的角度（）： 式中： 1为射频脉冲进动频率（ ），t 为RF 脉冲的作用时间。我们可以通过控制RF 脉冲 的强度和作用时间，确定M0的翻转角度。（1）90翻转：当RF 脉冲的能量一定时：因为 ，所以：根据式上式如果保持射频脉

5、冲的作用时间为t/2，MZ 就会被翻转90。产生90 翻转的脉冲称为90RF 脉冲。（2）180翻转：用上式可以计算出M0产生180翻转所需要的脉冲持续时间：为了实现M0的180翻转，可以使用一个相同强度射频脉冲但具有90射频脉冲两倍的作用时间；或者具有90射频脉冲两倍的强度但作用时间相同的脉冲。（3）部分翻转：M0的翻转角度小于90，可以通过降低射频脉冲的强度或持续时间来实现。M0的三种翻转形式在MRI 中都有具体的应用，它决定MR 成像序列，影响图像显示病变的敏感性及图像的质量。 2形成横向磁化矢量 处于B0中的自旋质子所产生的纵向矢量M0在受到90射频脉冲作用后，翻转到XY 平面，每一个

6、质子仍然以一定的频率绕B0进动，并且所有质子的磁矢量指向同一方向。因此，每个质子的磁矢量在XY 平面内叠加而在宏观上形成了一个新的磁化矢量，即横向磁化矢量MXY。 （二）射频脉冲的特征参量 1频率 使进动频率与RF 脉冲频率相同的质子发生磁共振。 2带宽 频率的范围，决定扫描时的层面厚度及预饱和。 3强度和作用时间 决定Mz 的翻转角度。第三节 磁共振图像的信号一、相位的概念 1相位 平面内旋转的矢量与某一参照轴的夹角称为相位。 同相位（in-phase）：多个矢量在空间的方向一致； 离相位（out of phase）：多个矢量在空间的方向不一致； 聚相位（re-phase）：由不同相位达到同

7、相位的过程； 失相位（de-phase）：由同相位变成不同相位的过程。 2磁场中自旋之间的相位 在静磁场（B0）中进动的自旋质子的磁矩与B0存在着进动角，因此自旋磁矩可分解为Z 轴与XY 平面的两个矢量。在任意时刻，自旋质子的磁矩在Z 轴的矢量将始终指向同一方向（即同相位），因而叠加形成宏观纵向磁化矢量M0。XY 平面内的矢量则随机分布处于不同的方向（即离相位），因而磁化矢量在XY 平面内相互抵消，不能形成宏观磁化矢量。在射频脉冲的作用下，M0被翻转到XY 平面的同时，绕Z 轴进动的自旋磁矩的相位趋于一致（即聚相位），磁化矢量的叠加形成宏观横向磁化矢量MXY。二、自旋质子弛豫 （一）驰豫的概念

8、 驰豫（relaxation）：是指自旋质子的能级由激发态恢复到它们稳定态（平衡态）的过程。 驰豫过程包含着同步发生但彼此独立的两个过程：纵向驰豫（longitudinal relaxation）；横向驰豫（transverse relaxation） （二）纵向驰豫 射频脉冲停止以后，纵向磁化矢量M0由最小恢复到原来大小的过程称纵向驰豫。在驰豫过程中总的净磁化矢量也程螺旋形运动，与射频激发后的运动正好相反。1纵向驰豫机制 纵向驰豫过程中，吸收了射频脉冲能量跃迁到高能级的自旋质子把能量释放到周围的晶格中，回到它们的稳定状态。因而，纵向驰豫也称为自旋-晶格驰豫。纵向驰豫过程中M0 恢复的程度是随

9、时间的变化而逐步增长，用T1 来表示M0 恢复速率特征的时间常数（M0 恢复到某一程度时所需要的时间）。因此，纵向驰豫又称为T1驰豫。2纵向驰豫时间 90射频脉冲之后，净磁化矢量M0被翻转到XY 平面，随后以T1速率特征进行恢复，呈指数曲线增长形式。T1驰豫过程中MZ是时间的函数，符合：式中：MZ（t）为t 时刻的纵向磁化矢量值，M0 为平衡态时的净磁化矢量值，t 为驰豫时间，T1 为纵向驰豫时间常数。 T1纵向磁化矢量MZ从最小恢复到平衡态磁化矢量M0的63的时间 不同组织的T1值是不同的。B0强度不同，同一组织的T1值也是不同的（表6-1）。B0越大，组织的T1值越大。 以上讨论了使用90

10、oRF 脉冲时的T1驰豫过程。如果在90o脉冲之前再施加一个180oRF 脉冲，这将使纵向磁化矢量M0被翻转180o至B0的负方向，然后按照组织的T1速率进行恢复。 （三）横向驰豫 1横向驰豫机制 MXY 的形成是由于射频脉冲激发后，自旋质子处于激发态并在XY 平面继续绕Z 轴进动，其相位趋于一致而叠加形成宏观磁化矢量。在磁场中，每个自旋都受到静磁场B0 和临近自旋磁矩产生的局部磁场的影响。 （三）横向驰豫 1横向驰豫机制 MXY 的形成是由于射频脉冲激发后，自旋质子处于激发态并在XY 平面继续绕Z 轴进动，其相位趋于一致而叠加形成宏观磁化矢量。在磁场中，每个自旋都受到静磁场B0 和临近自旋磁

11、矩产生的局部磁场的影响。 （2）自旋质子间的相互作用： 两个自旋相邻时，一个为(1)的自旋顺B0方向排列，另一个为(2)的自旋逆B0方向排列。由于这两个自旋之间的相互作用，(1)受到B0加上另一个质子所产生的小磁场（B）的影响，其进动频率将会略微增加；(2)受到与B0相反的略低磁场的影响，总磁场强度有所减小，因而其进动频率也将减小。 正是由于自旋质子间的相互作用引起的磁场均匀性的改变，造成质子进动频率的差异，导致在XY 平面内进动的净磁化矢量的失相位。 因此，横向驰豫也称为自旋-自旋驰豫。横向驰豫是横向磁化矢量MXY 逐步衰减的过程，用T2来表示MXY 衰减速率特征的时间常数。横向驰豫又称为T

12、2驰豫。 2横向驰豫时间 90RF 脉冲关闭后，在XY 平面内的MXY 以T2速率特征进行驰豫，呈指数衰减曲线形式，如下图所示。 T2驰豫过程符合： 式中：MXY（t）为t 时刻的横向磁化矢量值，M0为平衡态的磁化矢量值，t 为驰豫时间，T2 为驰豫时间常数。 上式中当tT2时，MXYM0e-1=37% M0，即MXY 衰减至最大值的37时所经历的时间等于T2 值：T2横向磁化矢量MXY 衰减至最大值63的时间。不同组织的T2值不同。 3T2*驰豫 T2*称为准T2或有效驰豫时间。T2是在绝对均匀的静磁场（B0）中的驰豫，T2衰减主要取决于自旋-自旋相互作用。但是任何磁体产生的磁场都不可能是绝

13、对均匀的，因此横向驰豫受到不均匀的B0和自旋-自旋相互作用的双重影响，我们把在不均匀的B0中的横向驰豫称为T2* 驰豫。T2*是不固定的，随B0的均匀性而改变。T2*衰减速度总是快于T2衰减速度。三、自由感应衰减信号 使用一个90RF 脉冲来激发自旋质子，使M0 翻转到XY 平面。90RF 脉冲关闭后，自旋质子在XY 平面内进动，并且处于相同的相位；MXY 开始随时间衰减；自旋在接收线圈内感应产生一个电流。当t0 时，信号有最大值；t1 时，信号为零；t2 时，信号有反向最大值；t=3 时，信号为零。因此，产生震荡磁场，其在接收线圈内产生震荡的感应电流（磁共振信号）。信号的强度取决于MXY：

14、接收到的信号如下图所示。呈指数曲线形式衰减的震荡信号称为自由感应衰减（FID）信号，信号的强度与组织的T1、T2 及组织的质子密度有关。FID 信号是在90oRF 脉冲之后采集的信号，该信号的衰减符合T2* 方式。第四节 磁共振图像的空间定位 一、梯度磁场的概念 因为人体内所有自旋质子具有相同的拉莫频率，受射频脉冲激发后接收到的信号包含受检者整个身体的信息，我们不能够确定信号每个成分的特定起源点，即空间位置信息。为了获取信号的空间位置信息，在MRI 中采用了梯度磁场的方法。 梯度磁场：是一个随位置、以线性方式变化的磁场。与静磁场（B0）叠加后，可以暂时造成磁场的不均匀，使沿梯度方向的自旋质子具

15、有不同的磁场强度，因而有不同的共振频率，从而获得关于位置的信息。 梯度磁场是由置于磁体内的额外线圈所产生的，这种线圈叫做梯度线圈。位于磁体内的梯度线圈一般为成对线圈，每对线圈内的电流大小相等，极性相反。 为获得各个方向的空间位置信息，需要在X、Y、Z 方向上分别施加一个梯度，根据它们的功能，这些梯度被称为：层面选择梯度；频率编码或读出梯度；相位编码梯度。二、层面选择（一）层面选择应用层面选择梯度之后，磁场强度随位置而变化，在Z 轴方向上，每个位置上的自旋质子都具有自己的共振频率。如果现在向被检者发射一个特定频率的射频脉冲，沿Z 轴方向上与射频脉冲具有相同频率的自旋质子被激发，我们将会接收到来自

16、于人体内，与Z 轴方向垂直的相应位置层面的信号。改变射频脉冲的频率或线性梯度磁场的斜率，可以改变被激发平面的位置。（二）层面厚度选择在梯度磁场的作用下，如果发射一个单一频率的射频脉冲，将会激发以该频率进动的相应磁场位置的信号，但它是一个无限薄的平面。为获得一定厚度的层面，需要射频脉冲具有一定的频率范围（带宽）。改变射频脉冲的带宽或梯度磁场的斜率，可以选择不同层面的厚度。三、空间编码 使用层面选择梯度确定了成像平面，但是还不能在选定的层面内确定信号来源的空间位置。为了能够进行层面的图像重建，还需要知道扫描矩阵内每个体素所产生的信号的位置和大小。解决这一问题的方法，就是对信号进行空间编码，包括：频率编码；相位编码。 （一）频率编码 频率编码：目的是为了区分信号来自于扫描矩阵中的那一列。在读出信号之前，沿X 施加一个频率编码梯度。由于梯度磁场的作用：磁场在右边一列有最大值，自旋质子有较快的进动频率；磁场在左边一列有最小值，自旋质子有较慢的进动频率；中间一列磁场无变化，检测到的信号为自旋质子按照原来的频率进动。 （二）相位编码 在2D-FT 技术中，除了使用层面选择和频率编码两个梯度进行层面选择及在X 方向上进行编码以外，还需要在Y 方向上施加一个梯度，对信号进行编码，以确定信号来自二维空间的那一行。这个梯度称为相位编码梯度。相位编码梯度应用于层面激发之后，频率编码读出信号之前。