MRI磁共振成像入门.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流MRI磁共振成像入门.精品文档.MRI磁共振成像入门.txt懂得放手的人找到轻松，懂得遗忘的人找到自由，懂得关怀的人找到幸福！女人的聪明在于能欣赏男人的聪明。生活是灯，工作是油，若要灯亮，就要加油！相爱时，飞到天边都觉得踏实，因为有你的牵挂；分手后，坐在家里都觉得失重，因为没有了方向。一、引言 X-CT是利用X射线从一定的方向向人体照射，X射线穿过人体，经各器官不同程度地吸收后被探测，作为信号送往计算机处理，获得人体断层图像。核磁共振成像（MRI）类似于X-CT，它利用一定频率的电磁波，向处于强磁场中的人体辐射。人体中各种组织都含有体液，体液

2、中的氢原子核H在电磁波的作用下发生磁共振（以后会谈到这个词的含义），吸收电磁波能量，随后探测来自H核的电磁波信号。经计算机信号处理得到人体的断层图像。由于H核发出电磁波时，附带了它们周围化学环境的信息，所以从核磁共振信号得到的人体断层图像上可以获得许多X-CT不能得到的生理信息。 二、核磁共振 “核磁共振”顾名思义，是与核和磁有关的一种现象，以下我们就从磁矩说起。 1、原子核磁矩 在人类生活的五彩缤纷的世界中，万物都是由罗列于化学元素周期表中的各类原子组成。每个原子都包含一个原子核，以及多个电子。电子绕着原子核快速旋转，如同月亮绕着地球转动一样，原子核则像地球一样作自我旋转，原子核内的质子因为

3、核自旋运动，产生环形电流并感生出磁场，我们称这样的原子核具有核磁矩。所谓磁矩，形象地说，就像一个个细小的指南针具有磁性、南极、北极等。虽然组成物体的很多原子核都具有磁矩，但平时在一般常见的物体中它们都处于一种无序排列状态，每个磁矩的方向都是随意的，磁矩间的磁性相互抵消，从整体上来讲，我们并未感到自己的身体，书本以及其它物体具有磁性。 指南针总是指向南极，是因为它们总受地球磁场的作用。如果具有磁矩的原子核也受一个磁场的作用，它们也会从一种无序排列变成一种有序排列，磁场愈强磁矩一致取向的倾向愈强烈，物体就会表现出磁性，就好像一个大的指南针，我们称之为宏观磁矩。磁场愈强这个宏观磁矩的磁性也愈大。 2

4、、磁矩在磁场中的运动特性 1）进动 当一个核磁矩处于磁场中时，磁矩受磁场的作用（如指南针受地磁场的作用一样），磁矩将绕磁场方向作“进动”，即原子核绕着自我旋转的同时，又绕磁场方向转动。这个情形如同小孩玩的陀螺，陀螺在旋转的时候，如果其轴偏离垂直方向，它就会一边自旋，一边又绕着垂直方向转动，陀螺进动是受地球重力场的作用，磁矩进动是受外加磁场的作用。 磁矩在磁场中进动时，进动的频率称拉莫而频率，是由著名的拉莫尔方程决定的：=B0其中为拉莫尔频率，B0为外加磁场的磁感应强度，是与原子核性质有关的一个常数， 称为旋磁比。H核的旋磁比=42.58MHz/T，在1500高斯的磁场中，H核磁矩每秒钟将绕磁场

5、转动六百三十万周。磁场越高，磁矩进动的频率就越快。处于磁场中的核磁矩，当其方向与磁场方向之间的夹角越大时，它所处的能量状态越高。 宏观磁矩在磁场中的运动规律与单个核磁矩一样，另外宏观磁矩的能量也与它同磁场的方向的夹角成正比。 在目前人们能制造的各种磁体的磁场强度范围内，原子核的拉莫尔频率都在1千兆周以下，我们称为射频波段。 2）处于强磁场中的宏观磁矩，在无外界因素影响的情况下，将处于顺着磁场方向排列的状态，不会随时间变化而变化，称为稳定平衡状态。如果由于某种原因，宏观磁矩的方向偏离磁场方向，核磁矩就不能长久保持这种状态，它们将由偏离磁场方向的非平衡状态，逐渐变化到顺着磁场方向的稳定状态。这种变

6、化过程反映了原子核与周围环境的相互作用，就是下面要说的“弛豫过程”。为了叙述方便，我们把顺着磁场方向的方向称为纵向，垂直于磁场方向的方向称为横向。 由于人体中的液体是由无数个H原子与其它原子组成，H核磁矩受周围原子核的影响，液体分子本身还在作布朗运动，因为核磁矩与周围环境存在着各种形式的能量交换。宏观磁矩偏离磁场方向之后，在磁场中以拉莫尔频率运动。由于偏离磁场方向后，磁矩处于高能态，它将向周围环境传递能量，其方向也将向磁场方向靠拢，最终停留在磁场方向上，恢复到没有偏离磁场方向以前的状态。另外，每个H核磁矩与周围其它H核磁矩相互作用，各磁矩的进动速度会有一些差异。就像在环形跑到上3000米赛跑一

7、样，起跑时选手们都在同一线上，以后由于各个赛跑着速度不同而拉开距离，直到均匀地分布在整个跑到上。磁矩在“非稳定”到稳定的变化过程中，也经历这种“分散”的过程。各磁矩在横向的磁性将相互抵消，宏观磁矩的横向分量最后变为0，以上宏观磁矩从非稳定状态到稳定状态的变化过程反映了“弛豫”（relaxation）。其中，宏观磁矩在纵向上的分量，从小到大变化，最后达到磁矩没有偏离磁场方向以前的宏观磁矩值，这过程称为“纵向弛骤”。宏观磁矩横向上的分量从非稳定状态初始值变到零的过程为“横向弛豫”。 从图上看，无论横向弛豫还是纵向弛骤，开始时变化都非常快，以后逐渐缓慢，最后横向宏观磁矩分量趋向零，而纵向宏观磁矩分量

8、趋向于稳定状态时的值。纵向宏观磁矩分量达到平衡状态时的63所需的时间称为纵向弛豫时间常数，用T1表示。横向宏观磁矩分量从非稳定状态初始值变化到初始值得37处所需的时间称为横向弛豫时间常数，用T2表示。T1，T2大，弛豫进行的慢，T1，T2小，弛豫进行的快。由于弛豫速度是由原子核所处的周围环境决定的，人体各组织中H核所处的化学环境各不相同，因而一般来说，各组织的T1，T2值都不相同。 3、核磁共振现象及磁共振信号的探测 共振现象是自然界普遍存在的，比如荡秋千，如果你坐在秋千上，另一个人在推你，秋千来回荡起来，你荡到他前面时，就推你一下，这样秋千越荡越高。假如推的频率同你荡秋千的频率不一样的话，他

9、就推不着你，你和他总是不同步，他每次推都只能推到空气，你的秋千也就不会越荡越高。推的频率和秋千的频率一致，秋千得到能量，越摆越高，这就是一种“共振”现象。 处于磁场中H核磁矩类似于秋千。磁矩绕着磁场反复地进动，进动频率是拉莫尔频率。若在一时刻有电磁波向它辐射，而且电磁波频率与拉莫尔频率一致时，核磁矩与电磁波之间也会发生共振。不过，不同于秋千共振时越荡越高，核磁矩在共振时的表现是：它一方面绕磁场方向作快速进动，另一方面磁矩与磁场方向间的夹角在不断变大。如果电磁波的频率与拉莫尔频率不同的话，如同推秋千的人推不到秋千一样，电磁波不会与核磁矩之间发生作用。如果我们在瞬间用拉莫尔频率的电磁波使磁矩方向与

10、磁场方向的夹角变化角时，我们就称这个电磁波是一个角的电磁脉冲，如90O射频脉冲使磁矩方向与磁场方向成90O，角越大磁矩的能量也增加越多（180O）。 共振电磁波停止辐射之后，氢原子核要放出它吸收的电磁能量，磁矩将逐渐恢复到未受电磁波辐射之前的状态（弛豫）。如果把一线圈放置于磁矩边上，由于宏观磁矩在进动，线圈两端会因宏观磁矩横向分量的旋转而感应产生电信号。因横向弛豫宏观磁矩横向分量越来越小，因而感应产生的电信号是一个逐渐衰减的振荡信号。这种信号称为核磁共振信号。由于这种信号是宏观磁矩在磁场中自由进动产生的，所以又称为自由感应衰减信号（free induction decay简称FID）。如果电磁

11、波与核磁矩之间没有共振，宏观磁矩仍沿磁场方向，电磁波脉冲发射完之后，感应线圈中因无宏观磁矩在进动，不会产生任何信号。 三、核磁共振成像用核磁共振信号成像的基本步骤是：首先把人体安置于强磁场之中，人体中的H原子核磁矩趋于一种有规律排列，然后使人体的某一层面上体液中的H核磁矩，在电磁波辐射下发生共振，再给吸收了电磁波的核磁矩附加上一定的空间位置“标记”，并根据这种标记，从接收到的总核磁共振信号中分离平面上不同位置上的信号值，在显示器上用不同亮度显示出来。每处的信号大小与该处H核的密度，以及弛豫时间T1、T2有关，由于各种组织的H核密度及H核的T1、T2值不一样，各组织的亮度不一样，因此可以得到一幅

12、人体断层像，下面我们仔细谈谈成像过程。 1） 选片 把人安置于一个均匀磁场中，磁场的方向为Z方向。在均匀磁场的基础上，再加另一个磁场：磁场的方向与均匀磁场方向一致，但磁场的强度沿Z方向由小到大均匀变化如图6所示，这种磁场称为梯度磁场。垂直于Z轴的平面上磁场强度都一样，不同平面如甲，乙平面上磁场强度不同，相应的拉莫尔进动频率也不一样。若有一频率为甲平面的拉莫尔进动频率的电磁波向人体辐射，甲平面上的H核均发生共振。乙，丙平面上的磁矩因拉莫尔频率不同于电磁波频率，不会发生共振。把电磁波的频率分别设置为其它平面的拉莫尔频率时，也可使其它平面分别发生核磁共振。这种技术称为“选片”，用来完成选片的梯度场称

13、为选片梯度。 2） 相位编码和频率编码 “编码”就是对某物体中各部分编上记号，如剧院中每个座位都有“排”，“号”的标记，这就是一种编码。有了（排，号）这种编码，观众就根据编码就座。对所选片层进行的X与Y两个方向的编码是用这两个轴方向变化的梯度磁场来完成的。 经过“选片”过程后，磁矩在磁场中进动，此时沿Y轴施加一梯度磁场，磁场沿Y轴由小到大均匀变化。共振面中垂直于Y轴的各条直线上磁场不一样，磁矩进动的速度也不同。如果我们以Y=0处的磁矩为参考，站在这个磁矩上，经过一段时间后，便会看到Y为不同值的直线上的磁矩逐渐前后分开。这种进动过程中前后位置的不同称为“相位”差异。如果从小到大均匀变化Y方向的梯

14、度磁场，不同Y值处相位随梯度场变化而变化的幅度不一样。用这种相位变化率（相位/梯度）来作为一种标志，可识别每一直线的核磁共振信号。这种标记的方法叫“相位编码”。 在一定的时间内施加Y方向的梯度磁场后，各磁矩带着相位差异继续以相同的拉莫尔频率在均匀磁场中的运动。若在人体周围也放置一接收线圈就可以观察到核磁共振信号。由于各磁矩运动频率一样，它们在接收线圈中感应的电信号的频率也一样。若接收信号时再加一沿X轴由小到大均匀变化的梯度场，这时，共振面垂直于X轴的各条直线上的磁矩进动频率就不同了，它们在接收线圈中感应出的电信号的频率也各不相同。磁矩进动频率的差异，也可作为一种“标记”，用于识别信号来自垂直于

15、X轴的哪条直线。这种技术称为“频率编码”。 3） 回波 在实际的MR成像过程中，核磁共振信号的数据采集是用采集回波来完成的，而不是采集FID信号。下面介绍两种回波：自旋回波和梯度回波。、 自选回波方法需向人体施加一个90度射频脉冲和180度脉冲。90度脉冲使磁矩倒向横向，然后施加一X方向的梯度磁场。不同X处的核磁矩所处的磁场不同，有的磁矩落后，有的超前。随后，180度脉冲使所有的磁矩前后位置颠倒，超前者变为落后者。再施加同方向的梯度场，使各磁场逐渐回聚，然后又再次前后分离。这个过程中，宏观磁矩横向分量随各磁矩的分散，回聚，分散而经历由大变小，有小变大，再变成零的过程。第二次施加梯度场时，宏观磁

16、矩横向分量（小大小）的过程叫回波。 梯度回波仅需一射频脉冲，使磁矩倒向横向方向。然后在X方向施加一段正向梯度场和一段负向梯度场。第一段梯度场使不同X处的磁矩前后分散，第二段梯度场时，原来进动快的磁矩现在进动慢，原来进动慢的磁矩现在进动快，不同X处的磁矩逐渐回聚到一处，最后再次前后分散。宏观磁矩横向分量将经历大小大小的过程，在第二段梯度时探测到的信号也是（小大小）变化。这就是梯度回波。 一般都在回波产生时探测信号。 4） 图像重建 通过相位与频率编码，在产生磁共振信号的层面内不同X，Y光标处的核磁矩就赋于了不同的标记，就如剧院里的排号一样了。但是，接收线圈探测到的是各个带有相位与频率特征的核磁共

17、振信号的总和。为了了解共振面上各点的信号大小，需根据相位编码和频率编码，把各点的信号分离出来，这个过程叫“解码”，是由计算机完成的。计算机对探测到数据信号进行二维付里叶变换（2DFT）的处理，得到一定的（相位，频率）特征的核磁共振信号大小，然后根据（相位，频率）与共振平面各点的对应关系，把各点的信号大小用显示器上的亮度表示出来，信号大，则亮度也大，这样就可以得到一幅核磁共振的平面像。 5） 综述 这个过程在MRI系统中被编写成程序，由计算机控制进行。从选片到信号采集这类过程在MRI中称为“序列”，以下就是常用的自旋回波序列： MRI系统还有多种成像方式，并能通过选择序列参数，获得医学诊断中要求的各种图像。如T1加权像，T2加权像，质子密度像等。