磁共振成像基本原理

磁共振成像基本原理杨正汉卫生部北京医院放射科北京大学第五临床医学院•MRI基本原理•难以理解•非常重要•非常重要学习MRI前应该掌握的知识•电学•磁学•量子力学•高等数学•初中数学•初中物理•加减乘除•平方开方磁共振成像基本原理•一个放射科医生对磁共振成像的理解一、MRI扫描仪的基本硬件构成•一般的MRI仪由以下几部分组成–主磁体–梯度线圈–脉冲线圈–计算机系统–其他辅助设备1、主磁体分类磁场强度磁场均匀度•MRI按磁场产生方式分类永磁电磁常导超导主磁体0.35T永磁磁体1.5T超导磁体•按磁体的外形可分为•开放式磁体•封闭式磁体•特殊外形磁体OpenMark3000•MR按主磁场的场强分类–MRI图像信噪比与主磁场场强成正比–低场:小于0.5T–中场：0.5T－1.0T–高场:1.0T－2.0T（1.0T、1.5T、2.0T）–超高场强：大于2.0T（3.0T、4.7T、7T）高斯（gauss,G）。Gauss(1777-1855)1高斯为距离5安培电流的直导线1厘米处检测到的磁场强度德国著名数学家，于1832年首次测量了地球的磁场。5安培1厘米1高斯地球的磁场强度分布图特斯拉（Tesla,T）NikolaTesla(1857-1943),奥地利电器工程师，物理学家，旋转磁场原理及其应用的先驱者之一。1T=10000G•主磁场的均匀度•MRI要求磁场高度均匀，???•空间定位需要•频谱分析（各种代谢物之间的共振频率相差极小）•脂肪抑制（脂肪和水分子中的氢质子共振频率很接近）–50厘米球表面均匀度应该控制在3PPM–45厘米球体均匀度可控制在1PPM频率半高宽2、梯度线圈•作用：–空间定位–产生信号–其他作用•梯度线圈性能的提高磁共振成速度加快•没有梯度磁场的进步就没有快速、超快速成像技术梯度、梯度磁场梯度磁场的产生Z轴方向梯度磁场的产生X、Y、Z轴上梯度磁场的产生•梯度线圈性能指标–梯度场强25/60mT/m–切换率120/200mT/m.s有效梯度场长度50cm梯度两端磁场强度差值梯度场中点梯度场强（mT/M）＝梯度场两端的磁场强度差值/梯度场的长度1000mT1010mT990mT梯度场强＝（1010mT-990mT）/0.5M=40mT/M1000mT梯度场强爬升时间切换率＝梯度场预定强度/爬升时间3、脉冲线圈•脉冲线圈的作用•如同无线电波的天线–激发人体产生共振（广播电台的发射天线）–采集MR信号（收音机的天线）•脉冲线圈的分类•按作用分两类–激发并采集MRI信号（体线圈）–仅采集MRI信号，激发采用体线圈进行（绝大多数表面线圈）按与检查部位的关系分体线圈表面线圈第一代为线性极化表面线圈第二代为圆形极化表面线圈第三代为圆形极化相控阵线圈第四代为一体化全景相控阵线圈接收线圈与MRI图像SNR密切相关接收线圈离身体越近，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3D-FFEMatrix512×512FOV2.5cm•利用2.3cm显微线圈采集的指纹MR图像4、计算机系统及谱仪•数据的运算•控制扫描•显示图像5、其他辅助设备空调检查台激光照相机液氦及水冷却系统自动洗片机等二、MRI的物理学原理1、人体MR成像的物质基础•原子的结构电子：负电荷中子：无电荷质子：正电荷原子核总是绕着自身的轴旋转－－自旋(Spin)•地球自转产生磁场•原子核总是不停地按一定频率绕着自身的轴发生自旋(Spin)•原子核的质子带正电荷，其自旋产生的磁场称为核磁，因而以前把磁共振成像称为核磁共振成像（NMRI）。自旋与核磁地磁、磁铁、核磁示意图原子核自旋产生核磁核磁就是原子核自旋产生的磁场•非常重要所有的原子核都可产生核磁吗？质子为偶数，中子为偶数质子为奇数，中子为奇数质子为奇数，中子为偶数质子为偶数，中子为奇数产生核磁不产生核磁•用于人体MRI的为1H（氢质子），原因有：–1、1H的磁化率很高；–2、1H占人体原子的绝大多数。•通常所指的MRI为氢质子的MR图像。何种原子核用于人体MR成像？人体元素1H14N31P13C23Na39K17O2H19F摩尔浓度99.01.60.350.10.0780.0450.0310.0150.0066相对磁化率1.00.0830.0660.0160.0930.00050.0290.0960.83•人体内有无数个氢质子（每毫升水含氢质子3×1022）•每个氢质子都自旋产生核磁现象•人体象一块大磁铁吗？矢量的合成与分解通常情况下人体内氢质子的核磁状态通常情况下，尽管每个质子自旋均产生一个小的磁场，但呈随机无序排列，磁化矢量相互抵消，人体并不表现出宏观磁化矢量。把人体放进大磁场2、人体进入主磁体发生了什么？•没有外加磁场的情况下，质子自旋产生核磁，每个氢质子都是一个“小磁铁”，但由于排列杂乱无章，磁场相互抵消，人体并不表现出宏观的磁场，宏观磁化矢量为0。指南针与地磁、小磁铁与大磁场进入主磁场前后人体组织质子的核磁状态•处于高能状态太费劲，并非人人都能做到•处于低能状态的略多一点，007进入主磁场后磁化矢量的影响因素温度、主磁场强度、质子含量•温度•温度升高，磁化率降低•主磁场场强•场强越高，磁化率越高，场强几乎与磁化率成正比•质子含量•质子含量越高，与主磁场同向的质子总数增加（磁化率不变）处于低能状态的质子到底比处于高能状态的质子多多少？？？室温下（300k）0.2T：1.3PPM0.5T：4.1PPM1.0T：7.0PPM1.5T：9.6PPMPPM为百万分之一处于低能状态的氢质子仅略多于处于高能状态的质子在主磁场中质子的磁化矢量方向是绝对同向平行或逆向平行吗？？？Precessing(进动)进动是核磁（小磁场）与主磁场相互作用的结果进动的频率明显低于质子的自旋频率，但比后者更为重要。•非常重要=.B：进动频率Larmor频率：磁旋比42.5兆赫/TB：主磁场场强高能与低能状态质子的进动由于在主磁场中质子进动，每个氢质子均产生纵向和横向磁化分矢量，那么人体进入主磁场后到底处于何种核磁状态？•处于低能状态的质子略多于处于高能状态的质子，因而产生纵向宏观磁化矢量尽管每个质子的进动产生了纵向和横向磁化矢量，但由于相位不同，因而只有宏观纵向磁化矢量产生，并无宏观横向磁化矢量产生由于相位不同，每个质子的横向磁化分矢量相抵消，因而并无宏观横向磁化矢量产生进入主磁场后，质子自旋产生的核磁与主磁场相互作用发生进动•非常重要进动使每个质子的核磁存在方向稳定的纵向磁化分矢量和旋转的横向磁化分矢量由于相位不同，只有宏观纵向磁化矢量产生，并无宏观横向磁化矢量产生•进入主磁场后人体被磁化了，产生纵向宏观磁化矢量•不同的组织由于氢质子含量的不同，宏观磁化矢量也不同•磁共振不能检测出纵向磁化矢量MR能检测到怎样的磁化矢量呢？？？MR不能检测到纵向磁化矢量，但能检测到旋转的横向磁化矢量NS如何才能产生横向宏观磁化矢量？3、什么叫共振，怎样产生磁共振？•共振：能量从一个震动着的物体传递到另一个物体，而后者以前者相同的频率震动。共振•条件–频率一致•实质–能量传递体内进动的氢质子怎样才能发生共振呢？给低能的氢质子能量，氢质子获得能量进入高能状态，即核磁共振。怎样才能使低能氢质子获得能量，产生共振，进入高能状态？磁共振现象是靠射频线圈发射无线电波（射频脉冲）激发人体内的氢质子来引发的，这种射频脉冲的频率必须与氢质子进动频率相同，低能的质子获能进入高能状态微观效应射频脉冲激发后的效应是使宏观磁化矢量发生偏转射频脉冲的强度和持续时间决定射频脉冲激发后的效应低能量中等能量高能量宏观效应90度脉冲继发后产生的宏观和微观效应低能的超出部分的氢质子有一半获得能量进入高能状态，高能和低能质子数相等，纵向磁化矢量相互抵消而等于零使质子处于同相位，质子的微观横向磁化矢量相加，产生宏观横向磁化矢量90度脉冲激发使质子发生共振，产生最大的旋转横向磁化矢量，这种旋转的横向磁化矢量切割接收线圈，MR仪可以检测到。氢质子多氢质子少•无线电波激发后，人体内宏观磁场偏转了90度，MRI可以检测到人体发出的信号•氢质子含量高的组织纵向磁化矢量大，90度脉冲后磁化矢量偏转，产生的旋转的宏观横向矢量越大，MR信号强度越高。•此时的MR图像可区分质子密度不同的两种组织•非常重要•检测到的仅仅是不同组织氢质子含量的差别，对于临床诊断来说是远远不够的。•我们总是在90度脉冲关闭后过一定时间才进行MR信号采集。•非常重要4、射频线圈关闭后发生了什么？无线电波激发使磁场偏转90度，关闭无线电波后，磁场又慢慢回到平衡状态（纵向)•Relaxation•弛豫•放松、休息4、射频线圈关闭后发生了什么？无线电波激发使磁场偏转90度，关闭无线电波后，磁场又慢慢回到平衡状态（纵向)•射频脉冲停止后，在主磁场的作用下，横向宏观磁化矢量逐渐缩小到零，纵向宏观磁化矢量从零逐渐回到平衡状态，这个过程称为核磁弛豫。•核磁弛豫又可分解为两个部分：•横向弛豫•纵向弛豫横向弛豫•也称为T2弛豫，简单地说，T2弛豫就是横向磁化矢量减少的过程。90度脉冲T2弛豫的原因自旋质子磁场暴露在大磁场与临近自旋质子的小磁场中由于分子的运动，质子周围的小磁场不断波动每个质子感受的磁场不均匀磁场高－质子进动快场强低－质子进动慢同相位进动的质子失相位根据Lamor定律•T2弛豫是由于进动质子的失相位•用T2值来描述组织T2弛豫的快慢不同的组织横向弛豫速度不同（T2值不同）纵向弛豫•也称为T1弛豫，是指90度脉冲关闭后，在主磁场的作用下，纵向磁化矢量开始恢复，直至恢复到平衡状态的过程。90度脉冲纵向弛豫的机理90度激发低能的质子获能进入高能状态纵向弛豫高能的质子释放能量晶格震动频率低于质子进动频率能量传递慢－－含高浓度大分子蛋白晶格震动频率接近于质子进动频率能量传递快－－脂肪，含中小分子蛋白质高能的质子把能量释放给周围的晶格（分子）晶格震动频率高于质子进动频率能量传递慢－－纯水•T1弛豫是由于高能质子的能量释放回到低能状态•用T1值来描述组织T1弛豫的快慢不同组织有不同的T1弛豫时间人体各种组织的T2弛豫要比T1弛豫快得多T2T1•重要提示•不同组织有着不同–质子密度–横向(T2)弛豫速度–纵向(T1)弛豫速度•这是MRI显示解剖结构和病变的基础5、磁共振“加权成像”T1WIT2WIPD•所谓的加权就是“重点突出”的意思–T1加权成像（T1WI）----突出组织T1弛豫（纵向弛豫）差别–T2加权成像（T2WI）----突出组织T2弛豫（横向弛豫）差别–质子密度加权成像（PD）－突出组织氢质子含量差别何为加权？？？MR不能检测到纵向磁化矢量，但能检测到旋转的横向磁化矢量•MR只能采集旋转的横向磁化矢量•在任何序列图像上，信号采集时刻旋转横向的磁化矢量越大，MR信号越强T2加权成像（T2WI)•T2值小横向磁化矢量减少快残留的横向磁化矢量小MR信号低（黑）•T2值大横向磁化矢量减少慢残留的横向磁化矢量大MR信号高（白）•水T2值约为1600毫秒MR信号高•脑T2值约为100毫秒MR信号低反映组织横向弛豫的快慢！T2WI平衡状态90度激发后采集信号时刻脑水T1加权成像(T1WI)•T1值越小纵向磁化矢量恢复越快已经恢复的纵向磁化矢量大MR信号强度越高（白）•T1值越大纵向磁化矢量恢复越慢已经恢复的纵向磁化矢量小MR信号强度越低（黑）•脂肪的T1值约为250毫秒MR信号高（白）•水的T1值约为3000毫秒MR信号低（黑）•反映组织纵向弛豫的快慢！T1WI脂水平衡状态90纵向弛豫90重要提示!!!•人体大多数病变的T1值、T2值均较相应的正常组织大，因而在T1WI上比正常组织“黑”，在T2WI上比正常组织“白”。6、MRI的空间定位•MRI空间定位•X轴、Y轴、Z轴三维空间定位•层面层厚选择•频率编码•相位编码由于地球磁场存在从赤道到南北极逐渐减弱的梯度在地球上可根据所处位置的磁场强度来确定其位置MRI的三维空间定位也通过三个梯度场强来实现层面层厚选择•发射的射频脉冲不可能