第4章 磁共振成像

null第四章 磁共振成像第四章 磁共振成像第四章 磁共振成像第四章 磁共振成像主要内容 4.1 概述 4.2 磁共振现象的物理学基础 4.3 磁共振图像的信号 4.4 空间定位和重建技术 4.5 磁共振成像脉冲序列 null 第一节 概述4.1 概述4.1 概述封闭式磁共振机4.1 概述4.1 概述开放式磁共振机4.1 概述4.1 概述线圈4.1 概述Nuclear Magnetic Resonance Imaging 首字母缩写:NMRI为了和原子核及射线的放射性危害区分开来，临床医生建议去掉N，简称为磁共振成像（MRI）4.1 概述4.1.1 MRI4.1.1 MRIMRI：是利用射频（radio frequency，RF）电磁波（脉冲序列）对置于静磁场B0中的含有自旋不为零的原子核（1H）的物质进行激发，发生核磁共振，用感应线圈技术获得组织弛豫信息和质子密度信息（采集共振信号），用梯度磁场进行空间定位、通过图像重建，形成磁共振图像的方法和技术。 4.1.2 MRI的特点 4.1.2 MRI的特点 1．具有较高的组织对比度和组织分辨力：对脑和软组织分辨率极佳，能清楚地显示软组织、软骨结构，解剖结构和病变形态显示清楚、 逼真； 2．多方位成像：能对被检查部位进行横断面 、冠状面、矢状面以及任何斜面成像，且不必变动病人体位； 3． 多参数成像：获取T1加权像（T1WI）；T2加权像（T2WI）、质子密度加权像（PDWI），在影像上取得组织之间、组织与病变之间在T1、T2、T2*和PD上的信号对比，对显示解剖结构和病变敏感；4.1.2 MRI的特点 4.1.2 MRI的特点 4．能进行形态学、功能、组织化学和生物化学方面的研究。 5．多种特殊成像：如各种血管影像、水成像、脂肪抑制成像。血管影像可以显示颅内的大多数血管，可无创性地作出血管性疾病的诊断。 6．以射频脉冲作为成像的能量源：不使用电离辐射，对人体安全、无创； 7． 流动测量：可以对脑脊液和血液的流动作定量分析，可以提供一组有关流动的非形态学信息。 4.1.2 MRI的特点 4.1.2 MRI的特点 4.1.3 MRI的主要用途4.1.3 MRI的主要用途1．用于各种疾病的检查 ：特别适合于中枢神经系统、头颈部、肌肉关节系统以及心脏大血管系统的检查，也适于纵隔、腹腔、盆腔实质器官及乳腺的检查。颅颈交界区、颅底、后颅窝及椎管内病变最佳检查方式。 对脑瘤、脑血管病、感染疾病、脑变性疾病和脑白质病、颅脑先天发育异常等均具有极高的敏感性，发现病变优于CT；4.1.3 MRI的主要用途 4.1.3 MRI的主要用途 2．可以评价血液和脑脊液的流动： MRA（magnetic resonance angiography）技术显示头颈部血管狭窄、闭塞、畸形以及颅内动脉。 3．可进行弥散成像、灌注成像以及脑皮层活动功能成像。 4．可进行MR波谱成像，分析组织的化学结构。 4.1.4 MRI的不足 4.1.4 MRI的不足 1. 空间分辨力较低，尤其是与CT等成像手段相比。 2. 对带有心脏起搏器或体内带有铁磁性物质的病人不能进行检查；危重症病人不能进行检查； 3. 对钙化的显示远不如CT，难以对病理性钙化为特征的病变作诊断； 4. 常规扫描信号采集时间较长，使胸、腹检查受到限制； 5. 对质子密度低的结构，如肺、皮质骨显示不佳； 6. 设备昂贵。4.1.5 主要MRI厂家国际: PHILIPS G.E SIEMENS HITACHI MARCONI ( 原PICHER) TOSHIBA国内: 东大阿尔派(沈阳) 安科(深圳) 麦迪特(深圳) 鑫高益(宁波) 万东(北京) 威达（广东）在磁共振方面，广东威达公司可能不大为人所知，但据行业人士信息，上世纪九十年代国内医院共装配了一百多台威达公司的400高斯磁共振至今仍在使用，而且几乎所有部件都是自己研制生产的。2002年南京的医疗器械展览会上还有模型展出。应该说是在发展国内磁共振事业还是做出了贡献的。故特此提出4.1.5 主要MRI厂家null 第二节 磁共振现象的物理学基础 4.2.1 产生核磁共振现象的基本条件4.2.1 产生核磁共振现象的基本条件核磁共振信号产生的三个基本条件： 1．能够产生共振跃迁的原子核； 2．恒定的静磁场（外磁场、主磁场）； 3．产生一定频率电磁波的交变磁场（射频磁场RF）。 “核” ：共振跃迁的原子核 “磁” ：主磁场B0和射频磁场RF “共振” ：当射频磁场的频率与原子核进动的频率一致时原子核吸收能量，发生能级间的共振跃迁。 4.2.2 原子核的特性4.2.2 原子核的特性（一）原子核的自旋与磁矩 原子组成？原子核组成？ 电子、质子、中子有自旋特性。 自旋(spin) 是原子核具有磁矩的原因。 1．自旋：原子核不停地绕其自身轴进行旋转（spin）(象地球高速绕自转轴旋转)。这种旋转与圆线圈中的电流类似，会产生磁场；4.2.2 原子核的特性4.2.2 原子核的特性（一）原子核的自旋与磁矩 原子组成？原子核组成？ 电子、质子、中子有自旋特性。 自旋(spin) 是原子核具有磁矩的原因。 1．自旋：原子核不停地绕其自身轴进行旋转（spin）(象地球高速绕自转轴旋转)。这种旋转与圆线圈中的电流类似，会产生磁场；4.2.2 原子核的特性4.2.2 原子核的特性2．磁矩 （1）条形磁铁磁矩：将磁极强度m，长度l的条形磁铁放入B0的磁场中， 磁铁会受到一种力偶矩（M）的作用：M=m l B0 条形磁铁的磁矩：μ=ml 。 （2）环形电流的磁矩：通电的环形线圈或螺线管周围都有磁场存在（相当于一块磁），把环形电流平面置入均匀B0中，会受到力偶矩M的作用。该平面与B0方向平行时，磁场作用于环形电流的力偶矩最大：M=Mmax=I S B04.2.2 原子核的特性4.2.2 原子核的特性由于质子带有正电荷，随之旋转的电荷则产生电流，即质子的转动(自旋)就相当于一个环形电流。 转动的质子相当于一个小磁体，具有自身的南、北极及磁力，质子自身具有磁性，在其周围产生磁场，具有自身磁矩。 磁矩μ是矢量，具有方向和大小，μ的方向与自旋轴一致。 环形电流的磁矩μ：μ=IS。I是电流，S是环形电流形成的面积。4.2.2 原子核的特性4.2.2 原子核的特性（二）原子核的自旋角动量 具有磁矩μ的原子核有一定的质量和大小，所以原子核还具有自旋角动量P。 角动量：自旋角动量简称自旋。 自旋角动量P方向与自旋轴重合，其大小： P=h[I(I+1)]1/2 h为普朗克常数，I 为核自旋量子数。 不同的原子核具有不同的I 值，I 的取值由组成原子核的质子和中子的数量决定。4.2.2 原子核的特性4.2.2 原子核的特性自旋量子数I取值与核的中子数和质子数有关： （1）偶偶核：质子数、中子数都是偶数的核，I＝0，成对质子、中子的自旋互相抵消，原子核的总自旋为零。这种核没有自旋，如 ， 等。 （2）奇偶核：质子数和中子数中一个是奇数 、一个是偶数的核，I＝1/2，3/2…等半整数。这种核有自旋，如I为1/2的 ， I为3/2的 等。 （3）奇奇核：质子数、中子数都是奇数的核，I＝1，2…等正整数。这种核也有自旋，如I=1的 以及I＝3的 等。 凡I≠0的核都有自旋，产生核磁共振现象。4.2.2 原子核的特性4.2.2 原子核的特性有1H、13C、19F、23Na、31P等百余种元素。 生物组织中，1H占原子数量的2/3，1H为磁化最高的原子核，目前生物组织的磁共振成像主要是1H成像。 氢核内只有一个质子，不含中子，氢原子核也称氢质子，1H的磁共振图像也称质子像。 具有氢质子等特定原子核的物质（人体）是产生核磁共振的基本条件之一。 4.2.3 静磁场的作用 4.2.3 静磁场的作用 （一）静磁场中的磁化 自然状态下质子的排列处于无序状态，其南、北极的朝向是随机的、瞬间即变的，每一瞬间不同朝向的质子的磁力互相抵消，物质不显示磁性。 4.2.3 静磁场的作用 4.2.3 静磁场的作用 图1 自旋的原子核图8 磁性核在磁场中的旋进图20 磁化前原子群杂乱无章地排列4.2.3 静磁场的作用 4.2.3 静磁场的作用 把物质置入一强大的外磁场B0内时，质子的自身磁场被强大的B0，质子的南、北极向将被迫沿B0方向排列。 一部分低能态质子的磁矩μ与B0方向一致，另一部分高能态质子的μ与B0方向相反，而且与B0同向排列的质子数略多于反向质子数。 物质在B0作用下，在磁场方向上产生磁性的过程称磁化，其大小称为磁化强度。4.2.3 静磁场的作用 4.2.3 静磁场的作用 4.2.3 静磁场的作用4.2.3 静磁场的作用4.2.3 静磁场的作用 4.2.3 静磁场的作用 （二）静磁场中的能级分裂 依照量子物理学原理，原子核磁矩μ进入B0后其空间取向发生量子化，即只能取一些确定的方向。如自旋量子数为I，则只能2I+1个不同方向。 μ在B0方向的投影是一些不连续的数值。 μ的不同取向，形成它与B0相互作用能不同。μ与B0的相互作用能称为位能。在B0中μ的位能为：4.2.3 静磁场的作用 4.2.3 静磁场的作用 γ为原子核的磁旋比。 γ是核磁矩μ与核角动量P之比，是一个原子核固有的特征值。 不同的原子核有不同的γ值，每种原子核的γ是一常数，氢质子的γ=42.5MHz/T； IZ为核磁矩在Z轴方向的投影的自旋量子数 。4.2.3 静磁场的作用 4.2.3 静磁场的作用 （三）自旋核在静磁场中的旋进 自旋核有一定的自旋角动 量P和磁矩μ，在B0作用下， μ将如旋转陀螺在地球引力 场中旋进一样运动，称自 旋核的旋进。 4.2.3 静磁场的作用 4.2.3 静磁场的作用 取Z轴沿着B0方向，设μ 与B0间的夹角为θ，μ的 各坐标分量如图所示。 μZ为常数，说明μ在Z 轴上的投影是不变的。图9 旋进时核磁矩分量的运动4.2.3 静磁场的作用 4.2.3 静磁场的作用 质子的进动过程，Z轴代B0磁力线方向，箭头代表某一方向的自旋质子的矢量即质子的μ ，其长短代表μ的大小。 质子进动的频率非常快，每秒进动的次数称“进动频率”（precession frequency）。 进动频率不是一个常数，是与所在B0的场强相关，即B0越强进动频率越快，用拉莫方程表示： 1.0Tesla场强中1H的进动频率为42.5MHz。4.2.3 静磁场的作用 4.2.3 静磁场的作用 4.2.3 静磁场的作用 4.2.3 静磁场的作用 （四）静磁场中的宏观效应 所有置于B0内的质子，绝大多数沿与B0平行方向或反平行方向排列，其磁力互相抵消，仅处于低能级的数目略多于处于高能级的那一小部份质子，其磁力没有抵消而得以保持。 这些质子排列方向相同，其μ矢量叠加，形成一个相应的净宏观磁化矢量M0，该磁化矢量与B0方向（Z轴）相同，称“纵向磁化矢量”MZ（longitudinal magnetization）。 MZ可被用于磁共振成像。4.2.3 静磁场的作用 4.2.3 静磁场的作用 4.2.3 静磁场的作用 4.2.3 静磁场的作用 垂直于B0的方向即横向（XY平面），尽管质子的自旋轴与B0方向有一定的夹角，每个质子的磁化在横向均有投影分量，但是质子在不停地进动，每个时刻质子的方向，即相对于某一横轴的夹角（相位）不同，因此横向矢量MXY叠加为零。 外加静磁场B0是由一个庞大的磁体产生的，磁场强度以tesla（T）表示。 临床MRI用的磁体：超导型、永磁型、常导型。4.2.3 静磁场的作用4.2.3 静磁场的作用（五）静磁化强度矢量 1、磁化强度矢量M（magnetization vector）：是单位体积内μ的矢量和。 M的大小和方向用线段的长短和箭头表示，可用M在磁场中的运动规律来表征核的集体行为。4.2.3 静磁场的作用4.2.3 静磁场的作用分析： ①B0=0，自旋核系统中各原子μi方向是杂乱无章的， M=0。 ②原子核放入B0 ，在B0作用下一边自旋，一边又围绕B0方向以一定的角度和角速度旋进，并进行能级分裂。 结果：位于低能级上的核数稍多于位于高能级上的核数，使得μ不能完全抵消。 这时M在Z轴上的分量：MZ ≠ 0 。4.2.3 静磁场的作用4.2.3 静磁场的作用1H核，各磁矩只取与 B0同向或反向两种状 态。这时系统被磁化 了。 4.2.3 静磁场的作用4.2.3 静磁场的作用B0只能确定各磁矩μi旋进轴的取向、旋进角频率ω及其Z坐标，不能确定μ的X和Y坐标，（旋进核的旋进相位）。 对有大量核的系统，每个μ旋进的初相位是随机的。在绕B0方向旋进的过程中，核系统相位分布是等几率，即各核的相位在XY面上是均匀分布的，它们在XY面上的投影MXY相互抵消，MXY＝0。4.2.3 静磁场的作用4.2.3 静磁场的作用MZ叫M的纵向分量， M XY叫M的横向分量， M XY可分解为MX和MY两部分： 平衡状态下：M=MZ ，同B0同向。 定义：原子核在B0中的磁化矢量称静磁化强度矢量（netmagnetization vector）M 04.2.3 静磁场的作用4.2.3 静磁场的作用2．影响M0的因素 （1）与B0、样品所处的绝对温度T有关： 同样T， B0大， M0大； 同样B0中，温度T高，上、下能级间的核 数差小，M0小； （2）与核总数N成正比：单位体积内的μ越多，平衡分布时磁化效果越显著； （3）与γ成正比：γ大的核种，宏观磁化效应M0大。4.2.3 静磁场的作用4.2.3 静磁场的作用4.2.4 射频场的作用 4.2.4 射频场的作用 （一）磁共振的产生 MZ是MR成像中有用的磁化矢量，与B0平行叠加于B0 ，但MZ不是振荡磁场，无法检测出来，不能直接用于成像。 要检测质子的自旋，收集信号，只有在垂直于B0方向上有MXY。 为检测到特定质子群的净磁化矢量，并用于成像，需使MZ偏离B0方向。 MRI中采用射频脉冲（RF）脉冲作为激发源。4.2.4 射频场的作用 4.2.4 射频场的作用 RF脉冲是一种电磁波，MRI中仅作短促的发射。 MRI中的射频脉冲必须具备条件：射频脉冲的频率与质子的旋进频率相同。 已知B0及1H的γ值，可根据拉莫尔方程计算出使B0中的1H产生共振所需要的RF脉冲频率。4.2.4 射频场的作用 4.2.4 射频场的作用 1．RF脉冲作用 向B0内的1H施加有拉莫尔频率的RF脉冲，发生MR后产生两个作用： （1）低能级质子吸收RF脉冲能量后跃迁到高能级，使在B0中排列方向由同向变为反向，抵消相同数目低能级质子的磁力， MZ变小； （2）受RF脉冲的磁化作用，旋进质子趋向于射频磁场方向变为同步、同速运动，即处于“同相”（inphase）。在XY平面上叠加起来，形成横向磁化（transverse magnetization）矢量MXY， MXY继续绕Z轴旋进。新的M0偏离了Z轴。4.2.4 射频场的作用 4.2.4 射频场的作用 4.2.4 射频场的作用 4.2.4 射频场的作用 图15 核磁矩在旋进圆锥之间的跃迁图16 射频脉冲对质子产生两种效应4.2.4 射频场的作用 4.2.4 射频场的作用 2．共振信号的产生 获得的MXY不与B0叠加在一起， 由于MXY的旋进，相当于线圈内磁场大小和方向的变化。根据法拉第电磁感应原理，通过闭合回路的磁通量发生变化时，产生感应电压。在线圈两端会感应出交流电动势，这个电动势即为线圈接收到的MR信号，该信号同样具有旋进频率。 通过在XY平面设置接收线圈测定可得组织的MR信号（ MXY ）。 4.2.4 射频场的作用 4.2.4 射频场的作用 4.2.4 射频场的作用 4.2.4 射频场的作用 （二）射频脉冲的方式 射频脉冲是一个在XY平面的旋转磁场B1，磁场方向垂直于Z轴，沿XY平面以拉莫尔频率转动。 在B1的作用下，M开始绕B1轴旋进，结果由Z轴逐渐向XY平面靠近； 在B0的作用下，M还要绕B0轴旋进。 在B0和B1的双重作用下，M运动轨迹为螺旋线形，该运动方式称为“章动”。4.2.4 射频场的作用 4.2.4 射频场的作用 RF脉冲发射结束时章动后的M与Z轴之间有一个夹角α，α称为翻转角（flip angle）。 α的大小与RF脉冲的强度及其持续时间τ成正比。 使M翻转到XY平面的RF脉冲称90°脉冲； 使M翻转到B0反方向上的RF脉冲称180°脉冲。 使M偏离B0 α角的RF脉冲称α角脉冲。4.2.4 射频场的作用 4.2.4 射频场的作用 4.2.4 射频场的作用 4.2.4 射频场的作用 图17 RF脉冲激发后磁化矢量的翻转4.2.4 射频场的作用 4.2.4 射频场的作用 （三）射频系统 由脉冲发生器、射频线圈、功率放大器等组成。 1．射频脉冲发生器：由能产生宽带频率的频率合成器发出射频脉冲。 2．射频线圈：由导线绕成的装置，包括： （1）发射线圈：用于发射RF脉冲。 （2）接收线圈：用于检测人体发出的MR信号。 4.2.5 磁体 4.2.5 磁体 1．超导型磁体 由导线缠绕成圆桶状线圈，通电后产生磁场，磁场磁力线方向与磁体圆桶的轴平行，与检查病人的长轴平行。 磁体的导线是由超导材料制成的，没有电阻，不消耗电能。为了保持其超导状态，导线必须浸泡在液氦中（温度为4.2K，即－269℃）。 优点：磁场场强较高，达0.35～7.0T，临床一般使用0.5T～3.0T；磁场的均匀度好，稳定性强。 缺点：不断地消耗液氦等冷却剂，日常维护价格较高。4.2.5 磁体 4.2.5 磁体 2．永磁型磁体 由铁磁性物质组成，制造时通过励磁诱发出较强的磁场，磁场磁力线方向与磁体孔垂直，与检查病人的长轴垂直。 优点：造价及维护费用低，不消耗电能，不需要补充冷却剂；磁力线垂直，可使用螺线管射频线圈，有利于提高图像的信噪比；容易制成开放式磁体，减少了病人幽闭恐惧症的发生，并且有利于关节动态检查和MR导引下的介入治疗。 缺点：磁场场强较低，临床使用的多为0.2～0.35T；磁场的均匀度较差，稳定性低。4.2.5 磁体 4.2.5 磁体 3．常导型磁体 与超导型一样也是由导线缠绕成圆桶状线圈，通电后产生磁场，磁场磁力线方向与磁体圆桶轴平行，与检查病人的长轴平行，也有与之垂直者。 磁体的导线不是由超导材料制成的，有明显的电阻，消耗电能。 优点：造价较低，不需要补充冷却剂；可随时切断电源，关闭磁场。 缺点：需要消耗大量的电能，而且产热量大；磁场只能达到中、低场强，临床使用的多为0.2～0.5T，磁场的均匀度较低。null 第三节 磁共振图像的信号 4.3.1 相位概念4.3.1 相位概念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）：相位不一致； 相位重聚（re-phase）：由不同相位达到同相位的过程； 去相位（de-phase）：由同相位变成不同相位的过程。4.3.1 相位概念4.3.1 相位概念2．磁场中自旋之间的相位 旋进过程中Z轴的矢量方向不变，相位一致的磁矢量叠加成宏观纵向磁化矢量MZ； XY平面的矢量因为绕Z轴旋转使其方向不断发生变化。磁场中磁矩μ在XY平面分量的相位不断变化，没有外界能量介入时自旋系统的M在XY平面内相互抵消，不能形成宏观磁化矢量MXY。 RF脉冲激发后，使处于激发态并在XY平面继续绕Z轴进动的自旋的相位趋于一致，叠加形成横向磁化矢量MXY，此时M的方向发生变化，离开平衡态位置。4.3.1 相位概念4.3.1 相位概念4.3.2 自旋弛豫 4.3.2 自旋弛豫 （一）弛豫概念 当向置于B0中的人体发射RF脉冲后激发1H群，改变1H群的进动状态，MZ逐渐变小，同时在XY平面产生MXY，产生MR信号。 平衡态：人体进入B0后形成并保持稳定的MZ的状态。这是一种动态平衡，处于高、低两种能级的质子之间不断地交换。 激发态：系统吸收射频能量后的不稳定状态。 4.3.2 自旋弛豫4.3.2 自旋弛豫实际成像中RF对自旋系统的激发作用是瞬间即逝，一旦RF脉冲停止，质子即迅速由激发态向原来的平衡状态恢复， “弛豫”（relaxation）：系统由激发态恢复至平衡状态的过程。 弛豫过程中同步发生： 纵向弛豫（longitudinal relaxation）：纵向磁化矢量MZ逐步恢复的过程； 横向弛豫（transverse relaxation）：横向磁化矢量MXY逐步消失的过程。4.3.2 自旋弛豫4.3.2 自旋弛豫纵向弛豫过程中，吸收了RF脉冲能量跃迁到高能级的质子把能量传递给周围的晶格，重新成为低能级的质子，低能级的质子数量增多而叠加产生MZ 。4.3.2 自旋弛豫4.3.2 自旋弛豫图27 M的驰豫过程（90度脉冲）4.3.2 自旋弛豫4.3.2 自旋弛豫4.3.2 自旋弛豫4.3.2 自旋弛豫（二）纵向弛豫 纵向弛豫：RF脉冲停止后，MZ由最小恢复到原来大小的过程（自旋-晶格弛豫spin-lattice relaxation或T1弛豫）。 纵向弛豫时间T1 ：T1=纵向磁化矢量Mz从最小值恢复到平衡态磁化矢量63%的时间 。 纵向弛豫过程： 其中，MZ为t时刻的纵向磁化矢量值，M0为平衡态的纵向磁化矢量值，t为弛豫时间。 当t=T1时，MZ=M0(1－e-1)= M0 63% 。4.3.2 自旋弛豫4.3.2 自旋弛豫4.3.2 自旋弛豫4.3.2 自旋弛豫2．影响T1因素 （1）纵向弛豫时间T1具有场强依赖性。 在较强磁场中质子的进动频率较快，同种组织，B0的场强越高，T1就越长；反之则短。 （2） T1与组织分子的大小有关。 中等大小的分子（脂肪分子）弛豫较快， T1较短； 大分子（蛋白质）的热运动频率较慢， 水和蛋白的弛豫较慢，T1较长。4.3.2 自旋弛豫4.3.2 自旋弛豫3．“饱和”的概念 射频脉冲激发后，纵向磁化矢量MZ被翻转，然后MZ会慢慢恢复。 但如果射频脉冲之间的时间 t 间隔过短，则MZ仅有部分恢复，称作部分饱和，组织信号有所降低； 若纵向磁化MZ没有恢复，称作完全饱和，组织信号为零。4.3.2 自旋弛豫4.3.2 自旋弛豫（三）横向弛豫 1．横向弛豫概念：RF脉冲停止后，MXY由最大逐步消失的过程（自旋-自旋弛豫spin-spin relaxation或T2弛豫）。 横向弛豫过程没有能量交换，是不同质子的进动失去同步、同速，即失去相位一致性。4.3.2 自旋弛豫4.3.2 自旋弛豫图30 横向驰豫的相位发散4.3.2 自旋弛豫4.3.2 自旋弛豫2．横向弛豫时间T2 T2=横向磁化矢量减少到最大值的37%的时间。 T2过程公式： t为弛豫时间。 t=T2时， ， 即MXY衰减至最大值的37%时所经历的时间等于 T2值。4.3.2 自旋弛豫4.3.2 自旋弛豫3．影响T2因素 （1）组织的成份和结构：μ大小不同，自旋-自旋作用的强度和时间不同，T2弛豫的速度也不同。小分子（如纯水）的分子运动很快，质子维持处于同相的状态的时间可较长，T2值较长；大分子物质分子运动较慢，质子处于同相状态维持时间较短，T2值即较短。 （2）T2值的大小与B0场强大小无关。4.3.2 自旋弛豫4.3.2 自旋弛豫4．T2*弛豫 T2*称为准T2或有效横向弛豫时间。 讨论横向弛豫时间时，假设B0是绝对均匀的，但是任何磁体产生的B0都不可能是绝对均匀的。 B0不均匀的影响要比组织本身小磁矩产生的影响大，由于B0不均匀引起的MXY衰减的速度要比单纯由于组织内部磁场不均匀引起的横向磁化衰减速度快得多。这种情况下测得的横向磁化弛豫时间叫做T2* ，比T2短得多。 4.3.2 自旋弛豫4.3.2 自旋弛豫4.3.2 自旋弛豫4.3.2 自旋弛豫（四）T1值和T2值比较 纵向弛豫和横向弛豫是同时发生的，T2值比T1值短，短多少依赖于组织的物理和化学结构。 纯水中，T2值接近于T1值； 在多数组织中， T2值比T1值短得多。4.3.2 自旋弛豫4.3.2 自旋弛豫4.3.3 自由感应衰减信号 4.3.3 自由感应衰减信号 当在X－Y平面设置一接收线圈时，由于MXY的进动和弛豫，在线圈两端就会感应出交流电势，线圈接收到的电势V的大小与MXY的大小有关：V∝MXYcosωt V与MXY成正比，以拉莫频率振荡变化。 自由感应衰减（free induction decay，FID）： 90º脉冲后，在弛豫过程中，由于T2弛豫的影响，MXY随时间衰减，磁共振信号呈指数曲线形式衰减的这个信号。 4.3.3 自由感应衰减信号4.3.3 自由感应衰减信号FID信号的强度按指数规律衰减，强度的大小与T1、T2以及组织的ρ有关，FID是MRI系统的信号源。 MR信号除FID，还有：自旋回波信号、梯度回波信号、刺激回波信号等，这些信号需要使用特定的射频脉冲和 梯度脉冲。4.3.4 磁共振图像的对比 4.3.4 磁共振图像的对比 不同组织之间信号强度的差异形成组织间对比，对比度的主要决定因素是： ①T1的固有差别，即组织间T1值的差别； ②T2的固有差别，即组织间T2值的差别； ③组织氢质子密度的差别； ④流动效应引起的差别。4.3.4 磁共振图像的对比4.3.4 磁共振图像的对比MR图像 组织T1值越短，信号越高， T1值越长，信号越低； 组织T2值越长，信号越高， T2值越短，信号越低； 组织质子密度越高，信号越高。骨皮质与空气（气腔）质子密度值很低，在所有成像序列中均无信号，呈黑色。4.3.4 磁共振图像的对比4.3.4 磁共振图像的对比流动效应（flow effect） 主要来自血流复杂的流动方式，血液的一些特性产生了血管影像的不同表现。 最重要的特性： ①在T1加权像上，血流方式影响信号强度； ②在T2和T2*加权像上，血液的氧化状态影响信号强度。 血液含水量多，血液具有较高的质子密度和较长的T1值（依赖于血球的含量）；4.3.4 磁共振图像的对比4.3.4 磁共振图像的对比T2值则依赖于血液的氧化状态，因脱氧血红蛋白具有强顺磁性，在1.5T磁场中，当氧饱和度由30%～96%变化时，T2值则由30～250ms变化， 动脉血具有较长的T2值， 静脉血具有较短的T2值， 脑功能成像是利用血液的这一特性。null 第四节 空间定位和重建技术4.4.1 梯度磁场 4.4.1 梯度磁场 （一）MRI系统的坐标系 按B0方向，MRI磁体分纵向磁场磁体和横向磁场磁体，超导磁体都采用纵向磁场。 纵向磁场系统，Z轴定义为磁体的轴向，Z轴与被检者体轴平行。 X轴、Y轴及其正向通过右手规则定义，即以右手握住Z轴，当右手的四个手指从正向X轴以90°转向正向Y轴时，大拇指的指向是Z轴正向。4.4.1 梯度磁场 4.4.1 梯度磁场 4.4.1 梯度磁场 4.4.1 梯度磁场 （二） 梯度磁场 梯度磁场是一个很弱的磁场，其峰值一般在10～25mT/m（新型的高档机要高些），梯度磁场是由置于磁体内的额外的梯度线圈产生的。 与高度均匀的B0不同的是，梯度磁场具有空间位置依赖性，即在一定方向上梯度磁场强度随空间位置的变化而不同。4.4.1 梯度磁场 4.4.1 梯度磁场 位于磁场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。一对线圈在一个方向上产生一个强度呈线性变化的梯度磁场，一个线圈产生的磁场使B0增加一定的强度，而另一个线圈则使B0减小同样的程度。 梯度磁场的作用：使沿梯度方向的自旋质子具有不同的磁场强度，因而有不同的共振频率。 某一位置的磁场是梯度磁场与B0叠加的结果。4.4.1 梯度磁场 4.4.1 梯度磁场 4.4.1 梯度磁场 4.4.1 梯度磁场 在FT成像中使用三个正交方向的梯度磁场进行空间定位： ①一个方向的梯度用于RF脉冲选择性的激发一个层 面内质子的自旋； ②第二个梯度对沿层面内一个方向的MR信号进行频 率空间编码； ③第三个梯度对沿层面内另一个方向的MR信号进行 相位空间编码。 一般层面选择方向为Z，频率编码方向为X，相位编码方向为Y。对于不同方向的层面，X、Y、Z的取向是不同的。 4.4.2 层面选择梯度 4.4.2 层面选择梯度 应用层面选择（slice selection）梯度后，组织质子的共振频率与沿Z轴方向的位置成线性相关。特定的共振频率对应于特定平面的质子，这些平面垂直于Z轴。 如果在使用平面选择梯度G的同时发射特定频率的RF脉冲，则只有对应于那个频率的平面内的质子发生共振。 被激发的质子的位置依赖于RF脉冲的频率，通过增加或减少RF脉冲的频率可以移动被激发平面的位置。 4.4.2 层面选择梯度4.4.2 层面选择梯度短时发射的RF脉冲是由一定范围的频率构成的，这个频率范围称作脉冲的带宽。 一个RF脉冲可以激发共振频率处于RF脉冲带宽范围内的所有自旋质子。结果是在层面选择梯度G存在的情况下，RF脉冲激发一个具有有限厚度的组织层面。 层厚依赖于： ①层面选择梯度的大小（斜率）； ②射频脉冲的带宽。4.4.2 层面选择梯度4.4.2 层面选择梯度层面选择梯度G的大小是调整层面厚度的主要方法。 当层面选择梯度G增大时，跨越给定距离频率范围增加了，使具有固定带宽的一个RF脉冲仅能激发较少的自旋质子，层厚较小。 使用较小的层面选择梯度G和同样的RF脉冲可以激发一个较厚层面。4.4.2 层面选择梯度4.4.2 层面选择梯度4.4.2 层面选择梯度4.4.2 层面选择梯度层面选择方法 层面选择是通过三个梯度的不同组合来实现的。如果是任意斜面成像，层面的确定要两个或三个梯度的共同作用。 层面选择应用选择性激励（selective excitation）原理，用一个有限频宽（窄带）的RF脉冲仅对共振频率在该频带范围的质子进行共振激发的技术。 例：横轴位成像，GZ作为选层梯度。4.4.2 层面选择梯度4.4.2 层面选择梯度在Z向施加GZ后，沿Z轴各层面上质子的旋进频率： ωZ=γ（B0+Z GZ） ωZ为Z坐标的函数，即垂直于Z轴的所有层面均有不同的共振频率，对每个层面来说，层面(等自旋面)内所有质子的共振频率均相同。 如果用一个宽带脉冲实施激发，有可能选中多个层面甚至所有层面。 必须选用窄带脉冲进行激发，才能实现每次只激发一层的选层的目的。4.4.2 层面选择梯度4.4.2 层面选择梯度4.4.3 层面内信号的定位 4.4.3 层面内信号的定位 经过选层，MR信号已被限定在指定平面内，这时MR线圈中可得到成像层面内所有质子同时发出的复合共振信号。此时能否重建出二维图像？ 2D FT成像技术中，相位编码梯度和频率编码梯度为平面内定位梯度。 设GX和GY分别为频率编码和相位编码梯度，设GX和GY分别位于图像矩阵的列和行方向，nX和nY分别为矩阵的列数和行数。4.4.3 层面内信号的定位4.4.3 层面内信号的定位4.4.3 层面内信号的定位4.4.3 层面内信号的定位1．相位编码 phase encoding：先利用相位编码梯度场GY造成质子有规律的旋进相位差，然后用此相位差来标定体素空间位置的方法。 RF脉冲终止后，每个体素内的质子均发生横向磁化，M倒向XY平面旋进（90°RF脉冲），旋进的相位与M所处的场强有关。 加入GY使各体素Mi的相位发生规律性的变化，利用这种相位特点实现体素位置的识别。4.4.3 层面内信号的定位4.4.3 层面内信号的定位4.4.3 层面内信号的定位4.4.3 层面内信号的定位4.4.3 层面内信号的定位4.4.3 层面内信号的定位原理：v1、v2、v3相位编码方向上三行相邻的体素。设开始时所有体素的M1、M2、M3…同相位，以相同频率旋进。某时刻GY开启。在GY作用下，相位编码方向上各行体素将处于不同的磁场中，行方向上Mi以不同频率ωY旋进： ωY=γ(B0+YGY) Mi的旋进频率ωY为Y的函数，Y坐标越大，质子的旋进速度越快。4.4.3 层面内信号的定位4.4.3 层面内信号的定位ωY不同导致旋进相位不同，设相位编码梯度的持续时间tY，tY时间后相位编码方向上各体素的旋进相位ΦY： ΦY=ωYtY=γ(B0+YGY) tY Φ1、Φ2、Φ3表示相位编码梯度结束时Ml、M2和M3的旋进相位。产生的相位差ΔΦY： ΔΦY=γ·Y GYtY=ΔωYYtY ΔΦY是相位编码坐标Y，即GY的函数。 在GY作用下信号中包含了沿Y方向的位置信息。4.4.3 层面内信号的定位4.4.3 层面内信号的定位在t＝tY时刻GY关断，这时各体素再次置于相同的B0中，ωY均恢复至GY作用前的同频率。 GY所诱发的旋进相位差保留下来，这是相位编码的“相位记忆”功能。 相位编码就是通过梯度磁场G对选中层面内各行间的体素进行相位标定，实现行与行间体素位置识别的技术。 作用：确定层面内一维方向的体素。 4.4.3 层面内信号的定位4.4.3 层面内信号的定位4.4.3 层面内信号的定位4.4.3 层面内信号的定位在每个数据采集周期中，相位编码梯度只是瞬间接通，总是工作于脉冲状态。 有多少个数据采集周期，该梯度就接通多少次，梯度脉冲的幅度变化多少次。 相位编码梯度的一次变化称一个相位编码步(phase encoding step)。 128×128的图像需要128个相位编码步才能完成。 梯度值是逐次等刻度递增的。4.4.3 层面内信号的定位4.4.3 层面内信号的定位在GY作用期间，体素所发出的MR信号并不利用。相位编码梯度又叫准备梯度Gpe。 Gpe的波形如图所示（设nY＝9），图中用多个不同幅度的梯度脉冲表明幅值不断变化，也表示序列中一个周期要多次重复才能完成。 图像在相位编码方向上的步数直接关系到扫描时间的长短。4.4.3 层面内信号的定位4.4.3 层面内信号的定位4.4.3 层面内信号的定位4.4.3 层面内信号的定位2．频率编码 频率编码（frequency encoding）：利用梯度磁场造成相关方向上各Mi旋进频率的不同，并以此来标记体素空间位置的编码方法。 GX使成像层面中频率编码方向上的体素列位于不同的场强中，这时与X轴平行的各列体素的旋进频率：ωX=γ(B0+XGX) ωX为X坐标的函数，即不同的X决定了不同的旋进频率（RF信号中编码了X坐标的位置信息） 。4.4.3 层面内信号的定位4.4.3 层面内信号的定位4.4.3 层面内信号的定位4.4.3 层面内信号的定位相位编码形成的是一行行与GY相垂直的等自旋线（相位编码线） ， 频率编码的结果出现一列列与GX垂直的等自旋线（频率编码线）。 等自旋线上所有体素Mi的旋进频率均相同。 频率编码梯度每个周期的频率编码脉冲均相同，即频率编码梯度以相同的幅度周期性重复出现。 频率编码梯度一般只在MR信号出现时施加，又叫读出梯度或测量梯度，简写为Gro。4.4.3 层面内信号的定位4.4.3 层面内信号的定位MRI线圈中接收到的信号是受激层面内各体素所产生的MR信号的总和。 在二维成像技术中由于相位编码梯度和频率编码梯度的共同作用，各相邻体素产生的信号在频率和相位上存在细微的差别，这种差别表现在相位编码方向上是旋进相位的不同，在频率编码方向上是旋进频率的不同。 通过2D FT，就可使以频率和相位表示的差别转换为体素空间位置的差别。4.4.4 图像重建技术 4.4.4 图像重建技术 傅里叶变换： 测量的MR信号代表一个层面内的无数个原子核发出的信号的总和，这个复合信号的大小是时间的函数，但是原子核的位置信息已经以频率和相位方式被编码到信号中。如何从以时间变化的信号（时间域）中提取出特定的频率成分（频率域），采用FT方法。 FT中计算机进行解码运算，解码过程类似于人的耳朵能够分辨出不同频率的声音。FT分解出在读出期间每个频率的信号。 4.4.4 图像重建技术4.4.4 图像重建技术FT应用于每个频率编码列的数据，提取出信号的频率成分，确定沿X轴的不同位置的信号强度。再将信号强度以灰度值表示出来形成图像。 如果仅使用频率编码梯度，只能区分1D的空间位置，这种方法称为1D FT图像重建。 MRI中，经RF脉冲激发和梯度磁场空间编码后获得复合图像，然后还需由计算机将采集到的复合信号经一系列过程转换成图像信号，复合信号转换成MR图像的方法称为图像重建。 4.4.4 图像重建技术4.4.4 图像重建技术相位编码识别Y方向不同行的像素的位置，并将相位编码方向进行FT，计算相应行的信号强度。但是MR对相应的识别有限，每次只识别一种相位，所以要完成多行的数据采集，必须重复多次相位编码及测量，得到每行每列体素的信号强度，以及相应的灰度值（即MR图像），这是2D FT。 MRI中有多次的相位编码，每次使用的相位编码梯度的大小和持续时间都有一定改变。这些额外的相位编码通常要求额外的RF脉冲激发，这些多次激发使MRI需要较长时间。null 第五节 磁共振成像脉冲序列4.5.1 脉冲序列基本概念4.5.1 脉冲序列基本概念4.5.1 脉冲序列基本概念4.5.1 脉冲序列基本概念 自旋回波脉冲序列基本结构图4.5.1 脉冲序列基本概念4.5.1 脉冲序列基本概念4.5.1 脉冲序列基本概念4.5.1 脉冲序列基本概念4.5.2 MRI序列分类4.5.2 MRI序列分类4.5.2 MRI序列分类4.5.2 MRI序列分类1、自由感应衰减序列1、自由感应衰减序列2、饱和恢复序列2、饱和恢复序列nullnullnull3、自旋回波序列（spin echo, SE）3、自旋回波序列（spin echo, SE）900脉冲激发组织产生横向磁化矢量3、自旋回波序列（spin echo, SE）3、自旋回波序列（spin echo, SE）3、自旋回波序列（spin echo, SE）3、自旋回波序列（spin echo, SE）3、自旋回波序列3、自旋回波序列3、自旋回波序列3、自旋回波序列null3、自旋回波序列3、自旋回波序列T2*与T2的差别SE序列结构SE序列结构nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullSE序列特点SE序列特点SE序列对比参数调整SE序列对比参数调整4.5.2.2 自旋回波类序列4.5.2.2 自旋回波类序列颈椎间盘突出颈椎间盘突出nullnull4、快速自旋回波4、快速自旋回波nullnull4.5.2.3 快速自旋回波4.5.2.3 快速自旋回波nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull