磁共振成像(MRI).

磁共振成像磁共振成像是利用原子核在强磁场内发生共振所产生的信号经图像重建的—种成像核磁共振(nuelearmagneticresonanceNMR)亦称磁共振(magneticresonance，MR)是一种核物理现象。1946年BlockPurcell报道了这种现象，并应用于波谱学。Lauterburl973年开发了MR成像技术，使核磁共振应用于临床医学领域。近年来，核磁共振成像技术发展十分迅速，并日臻成熟完善。检查范围基本上覆盖了全身各系统。为了准确反映其成像基础，消除该项检查有核辐射之虞，现称之为磁共振成像。MRI成像基本原理磁共振现象和利用磁共振信号重建MRI，其理论与技术均比较复杂。为了说明MRI的成像基本原理与技术，从MRI成像的操作步骤入手，认识在检查过程中所发生的物理现象可能较易理解。操作步骤如下：将患者摆在强的外磁场中；发射无线电波，瞬间即关掉无线电波；接收由患者体内发出的磁共振信号；用磁共振信号重建图像。原子核由中子与质子组成，但氢核只有一个质子，没有中子。在人体内氢核丰富，而且用它进行MRI的成像效果最好。因此，当前MRI都用氢核或质子来成像。质子有自己的磁场，是一个小磁体。人体进入外磁场前，质子排列杂乱无章，放人外磁场中，则呈有序排列。质子作为小磁体，同外磁场磁力线呈平行和反平行的方向排列。平行于外磁场磁力线的质子处于低能级状态，数目略多。反平行于外磁场的质子则处于高能级状态。有序排列的质子不是静止的，而是作快速的锥形旋转运动，称为进动(precession)(图1-5-3)。进动速度用进动频率(precessionfrequency)表示，即每秒进动的次数。进动频率取决于质子所处的外磁场场强，外磁场场强越强，进动频率越高。与外磁场磁力线平行的质子磁矩指向上，反平行的质子磁矩指向下，前者略多于后者，结果指向上与指向下的磁力互相抵消，余下一些指向上的质子磁矩。这些指向上质子的磁矢量叠加起来就成为顺外磁场磁力线方向的净(总)磁矢量患者放进MR机磁体内，患者本身成为一个磁体，它有自己的磁场，即发生了磁化。这种磁化沿着外磁场纵轴(Z轴)方向，为纵向磁化横向磁化向患者发射短促的无线电波，称之为射频脉冲[radiofrequency(RF)pulse]，如RF脉冲与质子进动频率相同，就能把其能量传给质子，出现共振。进动频率可由Larmor方程算出。Larmor方程，其中：进动频率(单位Hz)；T：旋磁比；Bo：外磁场强度，场强单位为特斯拉(Tesla，T)。质子吸收RF脉冲的能量，由低能级(指向上)跃迁到高能级(指向下)。指向下质子抵消了指向上质子的磁力，于是纵向磁化减小。与此同时，RF脉冲还使进动的质子不再处于不同的相位，而作同步、同速运动，即处于同相位(inphase)。这样，质子在同一时间指向同一方向，其磁矢量也在该方向叠加起来，于是出现横向磁化纵向磁化恢复，其过程为纵向弛豫；而横向磁化消失，其过程则为横向弛豫。纵向磁化由零恢复到原来数值的63％所需的时间，为纵向弛豫时间简称T1。横向磁化由最大减小到最大值的37％所需的时间，为横向弛豫时间，简称T2。T1与T2是时间常数，而不是绝对值。弛豫与弛豫时间中止RF脉冲，则由RF脉冲引起的变化很快回到原来的平衡状态，即发生了弛豫Tl的长短同组织成分、结构和磁环境有关，与外磁场场强也有关系。T2的长短同外磁场和组织内磁场的均匀性有关MRI成像人体不同器官的正常组织与病理组织的Tl是相对恒定的，而且它们之间有一定的差别，T2也是如此.这种组织间弛豫时间上的差别，是MRI的成像基础。在CT，组织间吸收系数(CT值)差别是CT的成像基础。但MRI的成像不像CT只有一个参数，即吸收系数，而是有Tl、T2和自旋质子密度(protondensity，Pd)等几个参数，获得选定层面中各种组织的T，(或T2、Pd)的差别，就可获得该层面中包括各种组织影像的图像。脉冲序列如何获得选定层面中各种组织的T1、T2或Pd的差别，从而得到不同的MRI图像，首先要了解脉冲序列。施加RF脉冲后，纵向磁化减小、消失，横向磁化出现。使纵向磁化倾斜900脉冲为900脉冲，而倾斜1800的脉冲则为1800脉冲。施加900脉冲，等待一定时间，施加第二个900脉冲或1800脉冲，这种连续施加脉冲为脉冲序列。使用900脉冲，产生横向磁化，中止脉冲横向磁化开始消失，因为质子失去相位一致性。在某一定时间，例如1／2回波时(echotime，TE)，施加一个1800脉冲，使质子改向相反的方向上进动，再等1／2TE，质子再次接近同相位，又引起较强的横向磁化，再次出现较强的信号，这个强信号叫作回波或自旋回波。接着质子又一次失去相位一致性，可再用1800脉冲使之再重聚。如此，重复进行，可获得一个以上的信号，即自旋回波。自旋回波脉冲序列900脉冲一等待TE／2—1800脉冲一等待TE／2一记录信号，这是一个自旋回波脉冲[spinecho(SE)pulsesequence]序列MRI设备MRI设备包括主磁体、梯度线圈、射频发射器及MR信号接收器，这些部分负责MR信号产生、探测与编码；模拟转换器、计算机、磁盘与磁带机等，则负责数据处理、图像重建、显示与存储磁共振成像（MRI）的原理磁共振现象：某些特定的原子核在外界静磁场中受一个适当的射频脉冲激励后吸收或释放电磁能的现象一、磁共振成像机的基本结构磁体梯度系统射频系统计算机系统检查床与操作控制台主磁体，直接关系到磁场强度、均匀度和稳定性，影响MRI的图像质量，非常重要。通常用主磁体类型来说明MRI设备的类型。主磁体的场强要相当强。场强单位为特斯拉(T)或高斯(GaussG)。主磁体的场强要求均匀。根据主磁体的结构可分为永久磁体(permanentmagnets)、阻抗磁(resistivemag—nets)和超导磁体(superconductingmagnets)三种。1、磁体永久0.3T阻抗超导：0.35~2T场强：超低场：002~009；低场：01~03中场：03~10；高场：10~2T磁场强度：磁力在空间某处的强度。1Tesla=10000gause，约地球磁场强度的20000多倍。均匀性：成像磁场空间一定范围的磁场强度的标准差与主磁场强度的比。以ppm为单位（百万分之一）。稳定性：磁场强度在单位时间内的相对变化率。2、梯度系统一个绝对均匀的磁场不能提供任何空间信息。因为所有的质子都具有相同的共振频率，发射出不能区分的MR信号。要确定共振的质子相应空间位置必须改变磁场的空间结构。它由梯度放大器及X、Y、Z三组梯度线圈组成。梯度线圈改变主磁体场强，产生梯度场，用作选层和信息的空间定位。因为是三维空间，故需要有三套相应的梯度线圈。3、射频系统射频线圈:发射线圈:发送射频脉冲，激发自旋。原子核自旋系统吸收相同频率的RF磁场能量而从平衡态变为激发态的过程称MR。接收线圈：小线圈具有较好的信噪比。射频放大器：调制不同类型的射频并通过发射线圈发射至兴趣区。射频接收放大器：将MR信号先放大再进行数字化及进一步处理。射频屏蔽：防止外界电磁波对MR影响而产生伪影;避免RF对磁体室外接收器产生干扰。射频发射器与MR信号接收器为射频系统，主要由线圈组成。射频发射器是为了产生不同的脉冲序列，以激发体内氢原子核，产生MR信号。射频发射器很像一个短波发射台及发射天线，向人体发射脉冲，人体内氢原子核相当一台收音机接收脉冲。脉冲停止发射后，人体氢原子核变成一个短波发射台而MR信号接受器则成为一台收音机接收MR信号。体积线圈(volumecoil)完全包绕需要成像的部位，大小与扫描部位的大小相仿。作为发射RF脉冲之用，也作为接收线圈(receivecoil)表面线圈(surfacecoil)直接放在兴趣区部分，形状与受检部位相适应，专用作接收线圈，接收来自附近结构的信号，对深部结构的信号接收能力差4、计算机系统：图像的重建与显示5、检查床与操作控制台MRI设备中的数据采集、处理和图像显示，除图像重建用Fourier变换代替了反投影以外，与CT设备相似二、怎样的原子核产生磁场自旋特性的原子核，且质子与中子必须一个是奇数自旋是自然界普遍存在的现象，但16O、12C不能用于MRI（磁矢量为零）；自然界2/3的同位素具有奇数质子或中子1H、13C、19F、23Na、31P有净核自旋称自旋磁体。三、自旋质子在磁场中的运动1、质子的进动：圆锥（陀旋）运动2、自旋质子须保持一个恒定的频率-拉莫频率：Larmor公式：w0(f)=rB0质子产生信号（被接收与利用）3、自旋弛豫：从激发态恢复至平衡态的一个动态自然过程。附：名词解释晶格：MRI中原子核周围的环境称为晶格。平衡态：质子在温度与磁场强度不变的情况下充分磁化后，磁化矢量保持衡定，这种稳定状态为平衡态。激发态：质子吸收能量(RF)后的不稳定状态为激发态。四、病人（质子）进入外加磁场时会发生什么情况1、质子在正常情况下是随意排列的（杂乱无章），宏观磁化矢量和为零.“自由态”2、质子进入外加磁场时会发生二种情况：顺、逆外加磁场的方向。(磁化）3、顺磁场方向的低能态，逆磁场方向的高能态（磁化）稳定状态四、病人（质子）进入外加磁场时会发生什么情况4、质子进动（圆锥运动）Larmor公式：w0(f)=rB05、自旋质子弛豫微观上讲:共振即诱发两种质子能态间的越迁,产生磁共振所需能量即为质子两种基本能态之差.能量来源于射频脉冲.五、核磁共振现象微观上：共振即诱发质子二种能态间的跃迁，产生磁共振所需能量即为质子二种基本能态之差.RF频率仅在与质子群的进动频率一致时，才出现共振.六、核磁共振现象宏观上：受RF激励的质子群发生共振时，其磁化矢量M不再与主磁场B0平行。RF越强，持续时间越长，RF停止时，M偏离B0越远。七、自旋质子弛豫90ºRF停止时，M垂直于B0,Mz=0，平行于xy平面，Mxy最大。180ºRF停止时，M平行于B0，但方向相反，横向磁化矢量Mxy=0，Mz最大。小结①质子带有正电荷，并不停地作旋转运动。②旋转着的质子产生磁场犹如一个小磁棒。③病人入磁场后，体内的质子（小磁场）以二种方式排列（顺低能态，逆高能态）。④RF激励质子进动，如陀螺在重力下旋转⑤进动频率可依Larmor公式计算；外加磁场愈强，进动频率愈高。⑥磁共振现象：指某些特定的原子核置于静磁场内，并受到一个适当的RF磁场的激励时，所出现的吸收和放出RF磁场的电磁能的现象。八、产生MR的三个条件外加磁场：质子：自旋特性的原子核（质、中子之一）为奇数。RF：频率须与质子进动频率相同。九、核磁弛豫RF符合Larmor频率，被激励的质子群发生共振，宏观磁化矢量M离开平衡状态。但RF停止后，M又自发地回复到平衡状态，这个过程称为“核磁弛豫”90ºRF停止后，M围绕B0轴旋转，M末端沿着上升螺旋逐渐靠向B0。RF结束的一瞬间，Mxy达最大值，Mz=0。恢复到平衡时，Mz达最大值，Mxy=0在弛豫过程中磁化矢量M强度并不恒定，纵、横向部分必须分开讨论。弛豫过程可用两个时间值描述，即纵向弛豫时间（T1）和横向弛豫时间（T2）纵向弛豫（自旋晶格弛豫）纵向弛豫时间（T1）：指90ºRF后，达到原纵向磁化矢量63%的时间.质子从RF波吸收能量，处于高能态（即被激励）的质子数目增加。T1弛豫是质子群释放已吸收的能量以恢复原来高、低能态平衡的过程.在恢复过程中，质子处于一个磁波动环境中，受到分子的Brown氏运动的影响.MR成像：磁波动的频率与RF一致时，激发高能态的质子，使其能量扩散到周围环境（晶格），两种高能态的质子恢复到平衡状态.横向弛豫（自旋-自旋弛豫）横向弛豫时间（T2）指90ºRF后，原横向磁化矢量值衰减到37%的时间组织中水分子的热运动持续产生磁场的小波动，周围磁环境的任何波动可造成质子共振频率的改变，使质子振动稍快或稍慢，使质子群由相位一致变为互异，即热运动的作用使质子间的旋进方位和频率互异，但无能量的散出。