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MRI基础知识1.磁共振原理1.1MR信号的产生MRI系统的基本原理是基于质子的核磁共振，每个质子都具有自旋和磁矩，当它处于一个均匀稳恒的外磁场Bz中时，自旋的小磁矩绕Bz作拉莫（Larmor）进动，进动频率ω0=γBzγ为旋磁比，对于每种原子是一个常数，质子的γ=42.56MHz/T。一部分小磁矩沿着Bz方向，处于低能态；另一部分与Bz方向相反，处于高能态（图1.1）。图1.1当用频率为ω0的电磁波照射时，质子会吸收电波从低能态跃迁到高能态，这叫做“核磁共振”。医疗磁共振系统的Bz通常为0.05—3T，对应的共振频率为2.13MHz—127.68MHz。在平衡态下，沿着Bz方向的质子数目稍微多于反方向的质子，这些质子处于不停的热运动中，它们的拉莫进动相位是异相的（宏观磁矩Mxy=0），小磁矩的总和表现为宏观磁矩Mz=M0（图1.1）。图1.2•当沿X轴加上频率为ω0的射频（RF）场B1时，从宏观看，B1对M0施加的力矩为M0×B1，它使M0偏离Z轴。偏离Z轴的M0又受到力矩M0×Bz的作用而绕Z轴进动，进动频率为ω0。在B1和Bz共同作用下，在实验室坐标系中，宏观磁矩M0以螺旋方式倒向X-Y平面（图1.2）。在量子水平上，有的质子会吸收射频场的能量，从低能态跃迁到高能态，这导致Mz分量减小，Mxy分量增大，同时质子进动相位逐渐趋于同相。当Mz减小为零，Mxy达到最大时，所有的质子同相。•一旦RF场B1被关掉，质子吸收的能量释放出来，这会产生一个（NMR）信号（图1.3）。从高能级跳回到低能级时，自旋进动的相位逐渐异相，这导致Mz恢复，Mxy衰减，这个过程称为“核磁弛豫”。核磁弛豫过程用两个时间常数描述，T1和T2.TurnOfftheTransmitterWhatHappens•RFenergyisretransmitted-Thisisthe“NMR”singnal-Attheresonancefrequency-SignalproportionaltoProtonDensity•Mzbeginstorecover-ExponentialrecoverofMz-TimeconstantiscalledT1-LongitudinalorSpin-LattileRelaxation•Spins(Mxy)begintodephase-Exponentialdecayofsignal-TimeconstantiscalledT2orT2*-TransverseorSpin-SpinRelaxationRotatingMagneticVector=EMRadiationMz一旦离开“Z”轴，它将以Wo绕Bo做拉莫进动，一个旋转的磁场产生RF电磁辐射。因此，被吸收的RF能量再被发射出去，产生了NMR信号。YZXMxyBoRFRotatesatwo图1.3LaboratoryFrameMzRecoversviaT1RelaxationHHNSPhotonSNBoZYXMxyRotatesatWoLaboratoryFrameMzRF图1.4自旋与晶格相互作用这个过程是受激质子或自旋所吸收的能量释放到周围晶格，重新回复到热平衡态T1恢复曲线Mz=M0（1－e－t/T1）图1.50.20.40.60.81.21.00.200.400.600.801.000.00.00T1=200T1=400t,secMz另一个是由自旋与自旋相互作用决定的横向Mxy弛豫时间T2（图1.6），SlowsDownSpeedsUpBothspinsspeedupastheymovetogetherAddsAddsAddsSubtractsCase1Case2Spin-SpinInteraction图1.6HHHHNSNSSNSN•T2衰减曲线图1.7Mxy=M0·e－t/T2若同时考虑到磁场的不均匀性，横向Mxy弛豫时间变为T2＊。图1.701002003004005000.000.200.400.600.801.00t,msecMxyT2=170T2=80FreeInductionDecaySignalEnvelope=M0·e－t/T2ThesignalitselfisoscillationintheMHzrange(theresonancefrequency)图1.8FID:AnNMRSignalintheabsenceofanymagneticgradients.AnFIDdecaysexponentiallyAtt=T2,63.2%ofsignalhasbeenlost.Thedecaycurveisthesignalenvelope.TheactualsignalisoscillatingattheresonancefrequencyintheMHzrange.•现在，以自旋回波为例，让我们看一看磁共振（MR）信号是如何获得的（图1.9）。（a）加上一个90○RF脉冲后的t=0时刻，在与M0一同旋转的坐标系（X´-Y´-Z´）中，M0指向Y´轴，所有自旋（小磁矩）同相。如果我们在垂直于Y（固定坐标系）放置一个接受线圈，随着时间的推移我们会受到一个自由感应衰减（FID）信号。（b）通过T2＊机制自旋异相，经过一个TE/2时间，在t=TE/2时刻，沿X´方向加180○RF脉冲，使异相的矢量关于X´轴反转同时相异变号。（c）由于磁场均匀性不变，进动速度不变，经过TE/2时间后，小磁矩逐渐同相.(d)在t=TE时，所有小磁矩同相，则在－Y方向获得自旋回波。(a)(b)(c)(d)X'Y'X'Y'X'Y'X'Y'T2*T2t=0t=TEt=TE/2TE/2TE/2•图1.9自旋回波的形成1.2空间编码如何确定MR信号来自哪里？这就需要利用空间编码技术，包括：•层片选择；•频率编码；和•相位编码。•层片选择定位如果在静磁场Bz方向上叠加一个线性梯度场Gz(图1.10)。共振频率与坐标z就有一一对应关系了，Gz称为选片梯度。如果我们要选择某特定层片，那么我们就发射一个具有对应中心频率的窄带RF脉冲，而且选片梯度Gz只在RF脉冲发射期间打开。0.35T0.36T0.352T0.358T0.3545T0.3555T15.09MHz15.14MHz15.33MHz14.90MHz14.99MHz15.24MHz0.34T0.345TSelectedSliceReceiverBW•图1.8层片选择层片厚度---ΔzBandwidth（BW）：TherangeoffrequencyinanRfpulseBWisinHzGradientGz：GzisinmT/cmωo=γBΔω=γΔBΔB=GzΔzBW=Δω=γΔB=γGzΔzΔz=BW/γGzRFPeriodandBandwidth/SliceProfileBandwidth=1/PeriodRFEnvelope(Sincpulse)RFPulseCetert=0SliceProfilePeriod=2msecBW=500HzPeriod=1msecBW=1000Hz理想的层片形状：希望带宽内每一个频率都存在并且强度相等，而带宽外面的频率立刻降到零。频率为ωo的Rf的包洛为Sinc脉冲，Sinc脉冲的周期数越多，层片形状越接近矩形。Sinc（t）=Sin（t）/tSliceRephasing250Hz125Hz0Hz-125Hz-250Hz+250Hz0-250Hz2msecBW=500Hzor±250Hzand±250Hz=±1cycleper4msecor±180°in2msec在有梯度场Gz情况下，加上90度RF脉冲，所有自旋都倒向XY平面同时是异相的。±250Hz=±250cycle/sec=±250cycle/1000msec=±1cycle/4msecGz加上4msec，异相的情况如左图下部时钟所示。SliceDephasing2ms2ms500Hz/cm-500Hz/cm-250Hz-125Hz125Hz250Hz0Hz±250Hz=±1cycleper4msecor±180°in2msec加上负半叶梯度；条件是面积相等•频率编码ThefourierTransformTimeDomainFrequencyDomainFTFTFT时域信号；频域信号；傅立叶变换。又如何产生所选层片的二维图像呢？如图1.9所示•图1.9TimeDomainSignalApplygradientduringcollectionorreadingofsignalselectedslabVialsofwaterxzyFrequency(orImage)DomainSignalGxFouriertransform•在采集MR信号期间，如果我们在X方向上加上频率编码梯度（读出梯度）Gx，那么质子将以依赖于沿Gx的位置的频率进动。收到的信号是来自于各种频率的质子信号的和，较大的小瓶其中有较多的质子，所以它对全信号的贡献较大。然后用付立叶变换把合成信号分为它的单独的频率分量。每个位置的信号通过其特征的频率对应来识别。如果我们在读出梯度前在Y方向上施加短暂的相位编码梯度Gy，引起所有进动质子的一个相位变化。在一次采集数据（频率编码）期间，相位是不变的，因此要识别Y向的256行，就要施加256次相位编码。1.3成像序列•首先，让我们把到目前已经讨论过的内容作个小结。在空间定位中，我们单独地查看了每个轴。在这节里，脉冲序列图将给出所有三个轴的联合。图1.10图解出了自旋回波脉冲序列的摘要。下边是脉冲事件的摘要。--++TE/2TRTE90°180°E.A.O.S.E.A.O.S.E.A.O.S.RFexcitationSliceSelectGradientPhaseEncodeGradientFrequencyEncode(Read)GradientMRSignal•图1.10自旋回波脉冲序列图•1.我们加上900和1800RF脉冲，二个脉冲之间的间隔为TE/2ms;•2.在900RF脉冲后，经过TE时间，我们获得一个自旋回波；•3.在二个RF脉冲发射期间，我们打开选片梯度(Gz)。用选择RF脉冲具有适当频率和宽度的方法，我们能够选择一个具有特定厚度在特定位置的片层；•4.在我们收到回波前，我们施加相位编码梯度(Gy).。用于相位编码梯度的符号如图1.8所示，这种符号表示多次相位编码步骤，当我们完成整个采集循环时，这些步骤是必需的；•5.在收到回波的时间周期期间，打开频率编码梯度(Gx)；•6.再接下去TR循环里，除了这次的相位编码使用稍微弱一点场梯度外，我们做完全相同的事情。•在900脉冲的中点，考虑一个有限持续时间的RF脉冲计时地作用在自旋上，它们不同的拉莫频率会引起它们彼此去相位。异相的量是梯度幅值与其持续时间的乘积，当施加一个相反极性和宽度相同的梯度时，能够反转这个过程。也就是反极性重聚相位梯度和宽度之积精确地抵消了去相位的乘积。梯度的形状没必要完全相同，只要它们各自面积相等而符号相反（EAOS=等面积相反符号）就能消除选片和读出梯度的去相位效应。1.4MR图像重建•图1.11相位编码产生的K空间FOVBACΔGy0ΔGy-1ΔGy1ΔGy2ΔGy3Gytx·GyΔtx-1Δtx0Δtx1Δtx2Δtx3Kx-1Kx0Kx1Kx2Kx3Ky0Ky-1Ky1Ky2Ky3GxKyKx•对选择的一个层面（FOV）首先使用相位编码梯度Gy，使自旋沿该梯度方向产生相位差，ty时间内，在ΔGy1的作用下，B点比A点超前一个周相（图1.9）。在相位编码方向产生了空间频率为1Hz（Ky1=1Hz/FOV）的MR信号分布。下一步，相位编码梯度按相同幅度增加为ΔGy2，使B点比A点超前二个周相，在相位编码方向产生了空间频率为2Hz（Ky2=2Hz/FOV）的MR信号分布……。随着Gy的不断增加，则相位编码方向的空间频率也相应增加，256个相位编码梯度将产生256个Ky空间频率。•在某个相位编码ΔGy下，再在频率编码方向（X方向）上施加读出梯度Gx