第1章 磁共振成像的物理学基础Qcj影像园XCTMR.com1磁共振成像的起源及定义 磁共振成像（MRI）是利用射频（RF）电磁波对置于磁场中的含有自旋不为零的原子核的物质进行激发，发生核磁共振，用感应线圈采集磁共振信号，按一定数学方法进行处理而建立的一种数字图像。 1946年美国教授同时发现了核磁共振现象，发现在物理、化学、生物化学、医学上具有重大意义。19461972年NMR主要用于有机化合物的分子结构分析，即磁共振波谱分析（MRS）。1971年美国纽约州立大学的达曼迪恩教授在科学杂志上发表了题为“NMR信号可检测疾病”和“癌组织中氢的T1 、T2时间延长”等论文。1973年美国人Lauterbur用反投影法完成了MRI的实验室的模拟成像工作。1978年英国第一台头部MRI设备投入临床使用，1980年全身的MRI研制成功。1.1.2.1磁共振影像的特点多参数成像，可提供丰富的诊断信息；高对比成像，可得出祥尽的解剖图谱；任意层面断层，可以从三维空间上观察人体成为现实；人体能量代谢研究，有可能直接观察细胞活动的生化蓝图；不使用对比剂，可观察心脏和血管结构；无电离辐射，一定条件下可进行介入MRI治疗；无气体和骨伪影的干扰，后颅凹病变等清晰可见。1.1.2.2磁共振成像的局限性呈像速度慢；对钙化灶和骨皮质症不够敏感；图像易受多种伪影影响；禁忌证多；定量诊断困难。1.2原子核共振特性1.2.3核磁共振现象 共振是一种自然界普遍存在的物理现象。物质是永恒运动着的，物体的运动在重力作用下将会有自身的运动频率。当某一外力作用在某一物体上时，一般只是一次的作用而没有共振的可能，当外力是反复作用的，而且有固定的频率。如果这个频率恰好与物体的自身运动频率相同，物体将不断地吸收外力，转变为自身运动的能量，哪怕外力非常小。随时间的积累，能量不断被吸收，最终导致物体的颠覆而失去共振状态。这个过程就是共振。 质子在一定的磁场强度环境中，它的磁矩是以Lamor频率作旋进运动的，进动频率是由磁场强度决定的。所以，进动是磁场中磁矩矢量的旋转运动，而单摆运动是重力场中物体的运动，原理是相同的。进动的磁矩，如果把三维的旋转用透视法改为二维运动图，就更清楚地看到它与单摆运动是极其相似的。当在B0作用下以某一恒定频率进动的磁矩，在受到另一个磁场（B1）的重复作用时，当B1的频率与Lamor频率一致，方向与B0垂直，进动的磁矩将吸收能量，改变旋进角度（增大），旋进方向将偏离B0方向，B1强度越大，进动角度改变越快，但频率不会改变。以上就是原子核（MRI中是质子）的磁角动量在外加主磁场（B0）的条件下，受到另一外加磁场（B1）的作用而发生的共振现象，这就是磁共振物理现象。1.3.1弛豫过程1.3.1.1弛豫 原子核在外加的RF（B1）作用下产生共振后，吸收了能量，磁矩旋进的角度变大，偏离B0轴的角度加大了，实际上处在了较高的能态中，在B1消失后将迅速恢复原状，就象被拉紧的弹簧“放松”了。原子核的磁矩的弛豫过程与之有许多相似之处，原子核发生磁共振而达到稳定的高能态后，从外加的B1消失开始，到回复至发生磁共振前的磁矩状态为止，整个变化过程就叫弛豫过程。弛豫过程是一个能量转变的过程，需要一定的时间，磁矩的能量状态随时间延长而改变，磁矩的整个回复过程是较复杂的。但却是磁共振成像的关键部分。磁共振成像时受检脏器的每一个质子都要经过反复的RF激发和弛豫过程。弛豫有纵向弛豫和横向弛豫之分。1.3.1.2纵向弛豫 纵向弛豫是一个从零状态恢复到最大值的过程。磁矩是有空间方向性的，当人体进入B0环境中以后，数秒或数十秒钟后将形成一个与B0方向一致的净磁矩，我们称其为M0，B0方向是一条空间的中心轴线，我们定义它为纵轴。在外加的RF（B1）作用下，B0将发生偏离纵轴的改变，此时B0方向上的磁矩将减少，当B1终止后，纵轴（B0轴）上的分磁矩又将逐渐恢复，直至回复到RF作用前的状态，这个过程就叫纵向弛豫，所需要的时间就是纵向弛豫时间。由于要使纵向磁矩恢复到与激发前完，全一样的时间很长，有时是一个无穷数。因此，我们人为地把纵向磁矩恢复到原来的63%时，所需要的时间为一个单位T1时间，也叫T1值。“T”就是Time，T1值一般以秒或毫秒为表示单位。T1是反映组织纵向磁矩恢复快或慢的物理指标，人体各种组织因组成成份不同而具有不同的T1值。1.3.1.3横向弛豫 横向弛豫是一个从最大值恢复至零状态的过程。在RF作用下，纵向的磁矩发生了偏离，与中心轴有了夹角，横向上则出现了分磁矩（Mxy），当B1终止后，横向（XY平面）上的分磁矩（Mxy）又将逐渐减少，直至回复到RF作用前的零状态，这个过程就叫横向弛豫。所需要的时间为横向弛豫时间。与T1值一样的原因，我们将横向磁矩减少至最大时的37%时所需要的时间为一个单位T2时间，也叫T2值。横向弛豫与纵向弛豫是同时发生的。1.3.2核磁共振信号 MR信号是MRI机中使用的接收线圈探测到的电磁波，它具有一定的相位、频率和强度。根据这个信号的相位、频率和强度的特征，结合它出现的时间先后秩序，可以用来进行计算机空间定位处理和信号强度数字化计算及表达，在MRI图像上反映出不同组织的亮暗特征。各种形态特征组织具有不同的信号特点，将共同组成一幅亮度对比良好、信噪比较高、空间分辨率适中的MRI图像。MRI成像过程中，每个组织都将经过磁共振物理现象的全过程。组织经过B1激发后，吸收能量，磁矩发生偏离B0轴的改变，横向（XY平面）上出现了磁矩，处于高能态中。B1终止后，横向上的磁矩将很快消失，恢复至激发前的零状态，其中B1激发而吸收的能量将通过发射与激发RF频率相同的电磁波来实现能量释放，这个电磁波就是MR信号的来源，也叫回波，是MRI的基础。磁共振中的回波信号，实质上是射频信号，具有频率和强度的特点。 磁共振成像设备中，接收信号用的线圈可以是同一线圈，也可以是方向相同的两个线圈。线圈平面与主磁场B。平行，其工作频率需要尽量接近Larmor频率，线圈发射RF脉冲对组织进行激励，在停止发射RF脉冲后进行接收，RF脉冲停止作用后组织出现弛豫过程，磁化矢量只受主磁场B。的作用时，这部分质子的进动即自由进动因与主磁场方向一致，所以无法测量。而磁共振过程中受到射频激励而产生的横向磁化矢量垂直，并围绕主磁场B。方向选进，按照电磁感应定律（即法拉第定律），横向磁化矢量Mxy的变化，能使位于被检体周围的接收线圈产生随时间变化的感应电流，其大小与横向磁化矢量成正比，这个感应电流经放大即为MR信号。由于弛豫过程中Mxy的幅度按指数方式不断衰减，决定了感应电流为随时间周期性不断衰减的振荡电流，因为它是自由进动感应产生的，所以称之为自由感应衰减（FID）。90RF脉冲后，由于受纵向弛豫时间T 1和横向弛豫时间T2的影响，磁共振信号以指数曲线形式衰减，因此它是一种自由衰减信号，其幅度随时间指数式衰减的速度就是横向弛豫速率（1/T2）。 自由感应衰减（FID）信号描述的是信号瞬间幅度与时间的对应关系。实际上各质子群的FID过程并不相同，所叠加在一起的总信号也不会是一个简单的指数衰减曲线。因此，有必要将振幅随时间变化的函数变成振幅随频率分布变化的函数。“傅立叶变换”就是将时间函数变换成频率函数的方法。FID信号不仅提供幅值和频率，它还提供幅值和频率相关的相位的信息。 一个自由感应衰减（FID）信号的产生，都是一个特定组织（受检组织）在磁共振成像过程中产生且特有的。不同组织在受到同一个脉冲激发后产生的回波各不相同，相同的组织在受到不同的脉冲激发后的回波特点也不一样，这是因为组织结构的不同导致的磁共振特性（主要指T1、T2值）不同所致，而不同的脉冲序列就是要充分发掘和显示组织的内在特性不同而设计的。总的来说，组织在MRI上的亮暗差别随回波信号不同而不同，FID信号的表现特点要受到组织本身的质子密度、T1值、T2值、运动状态、磁敏感性等因素影响，成像时采用的不同脉冲组合序列及其相关的TR、TE值、翻转角等都是为了显示组织特性的。1.4磁共振成像的空间定位1.4.1 MRI的数据采集方法1.4.1.1梯度磁场 利用梯度磁场（G）实现MRI的空间定位，共有三种梯度磁场：横轴位（Gz）、矢状位（Gx）和冠状位（Gy）。梯度磁场是在主磁场基础上外加的一种磁场，使成像时感兴趣人体段块受到的磁场强度出现微小的差别。根据磁共振的拉莫尔（Lamor）定律，人体组织在不同的磁场强度下，其共振频率就会不同，这就形成了根据梯度磁场的变化达到空间定位的理论和实际应用基础。 MRI的空间定位主要由梯度磁场来完成。在相对均匀的主磁场基础上施加梯度磁场，将使人体不同部位的氢质子处于不同的磁场强度下，因而具有不同的拉莫尔（Lamor）频率。用不同的RF激发，结果将选择性地激发对应的质子，不断变化的梯度磁场与对应变化的RF发生放大器配合，将达到空间定位的目的。 根据梯度磁场的变化来确定位置时，不需受检病人的移动，这是与CT成像明显不同。梯度磁场性能是磁共振机性能的一个重要指标，它可提高图像分辨能力和信噪比，可做更薄层厚的磁共振成像，提高空间分辨率，减少部分容积效应。同时梯度磁场的梯度爬升速度越快，越有利于不同RF频率的转换。1.4.1.2层面选择 磁共振成像是多切面的断层显像。要使某一段大块的人体组织分层面显示，就要进行层面定位，人为地分解组织器官成为许多具有一定层厚的断面。横轴位（Gz）、失状位（Gx）和冠状位（Gy）的梯度磁场可作为层面选择梯度场，根据要求做矢状面、冠状面还是横断面，只要通过电脑控制启动某一轴上的梯度场即可。如果采用第一层对应梯度强度和频率的RF激发，RF停止后出现的具有特定频率的回波信号，将被计算机认为是第一层面质子的信号，然后再采用第二层对应频率的RF激发，如此重复，至最后一层，可以达到层面选择的目的，所以MRI做任何断面都不需移动病人，只是启动不同的梯度场即可1.4.2 MRI断层平面信号的空间编码 以上仅对不同层面进行分辨，出现的回波信号仅仅为一个层面的总和。一个层面中有128256或256256个像素，如何分辨？对一个层面而言，平面上位置有左右和上下不同，可以再用相位和频率两种编码方法来实现定位。 层面分辨梯度是Z轴方向的话，我们可以在Y轴的上下方向上施加第二个梯度磁场，将上下空间位置的体素用不同相位状态来分辨，我们称这个梯度磁场为相位编码梯度磁场。一个128256矩阵可用128种不同相位来编码，这时成像时间就与相位编码数直接相关。这样，我们用梯度磁场使层面的Z轴上和上下的Y轴上均有不同。但是，此时某一次激发后的回波仍是左右方向上一排像素（128或256个）的总和，这一排如何分？这一排像素要用频率编码的方法来区分，在一个RF激发停止后，立即在这一排像素所在方向上再施加另一梯度磁场，称为频率编码梯度磁场。使这一排上不同像素的质子在弛豫过程中出现频率不同，计算机可以识别此频率的差异而确定不同质子的位置。频率编码与成像总时间没有直接关系，故频率编码上的矩阵点数一般都为256。层面梯度、相位编码梯度和频率编码梯度的时间先后排列和协同工作，可以达到对某一成像体积中不同空间位置体素的空间定位。由以上可知，一次RF激发是对某一层面中的某一排（一般256个）像素的同时激发，而且要间隔一个TR时间后再进行该层面下一排像素的第二次激发，时间就与TR、层数、像素数有关。这个定位过程是一个反复的过程，较CT的定位更复杂。1.4.3 MR图像重建理论1.4.3.1 K空间填充技术 一次RF激发是相同相位编码位置上的一排像素的同时激发，这一排像素的不同空间位置是由频率编码梯度场的定