磁共振成像基本原理杨正汉卫生部北京医院放射科卫生部北京医院放射科北京大学第五临床医学院北京大学第五临床医学院MRI基本原理基本原理难以理解难以理解非常重要非常重要非常重要非常重要学习学习MRI前应该掌握的知识前应该掌握的知识电学电学磁学磁学量子力学量子力学高等数学高等数学初中数学初中数学初中物理初中物理加减乘除加减乘除平方开方平方开方磁共振成像基本原理一个放射科医生对磁共振成像的理解一个放射科医生对磁共振成像的理解一、一、MRI扫描仪的扫描仪的基本硬件构成基本硬件构成一般的一般的MRI仪由以下几部分组成仪由以下几部分组成主磁体主磁体主磁体主磁体梯度线圈梯度线圈梯度线圈梯度线圈脉冲线圈脉冲线圈脉冲线圈脉冲线圈计算机系统计算机系统计算机系统计算机系统其他辅助设备其他辅助设备其他辅助设备其他辅助设备1、主磁体、主磁体分类分类磁场强度磁场强度磁场均匀度磁场均匀度MRI按磁场产生方式分类按磁场产生方式分类永磁永磁电磁电磁常导常导超导超导主主磁磁体体0.350.35T T 永磁磁体永磁磁体永磁磁体永磁磁体1.51.5T T 超导磁体超导磁体超导磁体超导磁体按磁体的外形可分为按磁体的外形可分为开放式磁体开放式磁体开放式磁体开放式磁体封闭式磁体封闭式磁体封闭式磁体封闭式磁体特殊外形磁体特殊外形磁体特殊外形磁体特殊外形磁体OpenMark OpenMark 30003000MR按主磁场的场强分类按主磁场的场强分类MRIMRI图像信噪比与主磁场场强成正比图像信噪比与主磁场场强成正比图像信噪比与主磁场场强成正比图像信噪比与主磁场场强成正比低场低场: 小于小于0.5T中场：中场：0.5T1.0T高场高场: 1.0T2.0T（1.0T、1.5T、2.0T）超高场强：大于超高场强：大于2.0T（3.0T、4.7T、7T）高斯（高斯（gauss, G）。 Gauss (1777-1855)1 1高斯为距离高斯为距离高斯为距离高斯为距离5 5安培电流的直导线安培电流的直导线安培电流的直导线安培电流的直导线1 1厘米处检测到的磁场强度厘米处检测到的磁场强度厘米处检测到的磁场强度厘米处检测到的磁场强度德国著名数学家，于德国著名数学家，于德国著名数学家，于德国著名数学家，于18321832年首次测量了地球的磁场。年首次测量了地球的磁场。年首次测量了地球的磁场。年首次测量了地球的磁场。5 5安培安培安培安培1厘米1 1高斯高斯高斯高斯地球的磁场强度分布图地球的磁场强度分布图特斯拉（特斯拉（特斯拉（特斯拉（Tesla,TTesla,T）NikolaNikola Tesla (1857- Tesla (1857-1943), 1943), 奥地利电器工程奥地利电器工程奥地利电器工程奥地利电器工程师，物理学家，旋转磁师，物理学家，旋转磁师，物理学家，旋转磁师，物理学家，旋转磁场原理及其应用的先驱场原理及其应用的先驱场原理及其应用的先驱场原理及其应用的先驱者之一。者之一。者之一。者之一。1 T = 10000G 主磁场的均匀度主磁场的均匀度MRIMRI要求磁场高度均匀，要求磁场高度均匀，要求磁场高度均匀，要求磁场高度均匀，?空间定位需要空间定位需要空间定位需要空间定位需要频谱分析（各种代谢物之间的共振频率频谱分析（各种代谢物之间的共振频率频谱分析（各种代谢物之间的共振频率频谱分析（各种代谢物之间的共振频率相差极小）相差极小）相差极小）相差极小）脂肪抑制（脂肪和水分子中的氢质子共脂肪抑制（脂肪和水分子中的氢质子共脂肪抑制（脂肪和水分子中的氢质子共脂肪抑制（脂肪和水分子中的氢质子共振频率很接近）振频率很接近）振频率很接近）振频率很接近）50厘米球表面均匀度应该控制在厘米球表面均匀度应该控制在3 PPM45厘米球体均匀度可控制在厘米球体均匀度可控制在T2重重要要提提示示不同组织有着不同不同组织有着不同质子密度质子密度横向横向(T2)弛豫速度弛豫速度纵向纵向(T1)弛豫速度弛豫速度这这是是MRI显显示示解解剖剖结结构和病变的基础构和病变的基础5、磁共振磁共振“加权成像加权成像”T T1 1WIWIT T2 2WIWIPDPD所所谓谓的的加加权权就就是是“重重点点突突出出”的意思的意思T1T1加加加加权权权权成成成成像像像像（T1WIT1WI）-突突突突出出出出组组组组织织织织T1T1弛弛弛弛豫豫豫豫（纵向弛豫）差别（纵向弛豫）差别（纵向弛豫）差别（纵向弛豫）差别T2T2加加加加权权权权成成成成像像像像（T2WIT2WI）-突突突突出出出出组组组组织织织织T2T2弛弛弛弛豫豫豫豫（横向弛豫）差别（横向弛豫）差别（横向弛豫）差别（横向弛豫）差别质质质质子子子子密密密密度度度度加加加加权权权权成成成成像像像像（PDPD）突突突突出出出出组组组组织织织织氢氢氢氢质质质质子含量差别子含量差别子含量差别子含量差别何为加权？何为加权？MRMR不能检测到纵向磁化矢量，但能检测到不能检测到纵向磁化矢量，但能检测到不能检测到纵向磁化矢量，但能检测到不能检测到纵向磁化矢量，但能检测到旋转旋转旋转旋转的横向磁化矢量的横向磁化矢量的横向磁化矢量的横向磁化矢量MR只能采集只能采集旋转的横向磁化矢量旋转的横向磁化矢量在任何序列图像上，信号采集时刻在任何序列图像上，信号采集时刻旋转横旋转横向的磁化矢量越大向的磁化矢量越大，MR信号越强信号越强T2加权成像加权成像（T2WI) T2T2值值值值小小小小 横横横横向向向向磁磁磁磁化化化化矢矢矢矢量量量量减减减减少少少少快快快快 残残残残留留留留的的的的横横横横向向向向磁磁磁磁化化化化矢矢矢矢量量量量小小小小 MRMR信号信号信号信号低（黑）低（黑）低（黑）低（黑） T2T2值值值值大大大大 横横横横向向向向磁磁磁磁化化化化矢矢矢矢量量量量减减减减少少少少慢慢慢慢 残残残残留留留留的的的的横横横横向向向向磁磁磁磁化化化化矢矢矢矢量量量量大大大大 MRMR信号信号信号信号高（白）高（白）高（白）高（白） 水水水水T2T2值约为值约为值约为值约为16001600毫秒毫秒毫秒毫秒 MRMR信号信号信号信号高高高高 脑脑脑脑T2T2值约为值约为值约为值约为100100毫秒毫秒毫秒毫秒 MRMR信号信号信号信号低低低低反映组织反映组织横向弛豫横向弛豫的快慢！的快慢！T T2 2WIWI平平衡衡状状态态90度度激激发发后后采采集集信信号号时时刻刻脑脑水水T1加权成像加权成像(T1WI)T1T1值越值越值越值越小小小小 纵向磁化矢量恢复越纵向磁化矢量恢复越纵向磁化矢量恢复越纵向磁化矢量恢复越快快快快 已经恢复的已经恢复的已经恢复的已经恢复的纵向磁化矢量纵向磁化矢量纵向磁化矢量纵向磁化矢量大大大大 MRMR信号强度越信号强度越信号强度越信号强度越高（白）高（白）高（白）高（白）T1T1值越值越值越值越大大大大 纵向磁化矢量恢复越纵向磁化矢量恢复越纵向磁化矢量恢复越纵向磁化矢量恢复越慢慢慢慢 已经恢复的已经恢复的已经恢复的已经恢复的纵向磁化矢量纵向磁化矢量纵向磁化矢量纵向磁化矢量小小小小MRMR信号强度越信号强度越信号强度越信号强度越低（黑）低（黑）低（黑）低（黑）脂肪的脂肪的脂肪的脂肪的T1T1值约为值约为值约为值约为250250毫秒毫秒毫秒毫秒 MRMR信号信号信号信号高（白）高（白）高（白）高（白）水的水的水的水的T1T1值约为值约为值约为值约为30003000毫秒毫秒毫秒毫秒 MRMR信号信号信号信号低（黑）低（黑）低（黑）低（黑）反反映映组组织织纵纵向向弛豫的快慢！弛豫的快慢！T1WI脂脂水水平平衡衡状状态态90纵纵向向弛弛豫豫90重要提示重要提示!人体人体大多数病变大多数病变的的T1值、值、T2值均较相应值均较相应的的正常组织正常组织大，因而在大，因而在T1WI上比正常组上比正常组织织“黑黑”，在，在T2WI上比正常组织上比正常组织“白白”。6、MRI的空间定位的空间定位MRI空间定位空间定位X轴、轴、Y轴、轴、Z轴三维空间定位轴三维空间定位层面层厚选择层面层厚选择频率编码频率编码相位编码相位编码由于地球磁场存在从赤道到南北极逐渐减弱的梯度由于地球磁场存在从赤道到南北极逐渐减弱的梯度由于地球磁场存在从赤道到南北极逐渐减弱的梯度由于地球磁场存在从赤道到南北极逐渐减弱的梯度在地球上可根据所处位置的磁场强度来确定其位置在地球上可根据所处位置的磁场强度来确定其位置在地球上可根据所处位置的磁场强度来确定其位置在地球上可根据所处位置的磁场强度来确定其位置MRIMRI的三维空间定位也通过的三维空间定位也通过的三维空间定位也通过的三维空间定位也通过三个三个三个三个梯度场强来实现梯度场强来实现梯度场强来实现梯度场强来实现层面层厚选择层面层厚选择发发射射的的射射频频 脉脉 冲冲 不不可可 能能 是是 单单一频率一频率我我们们可可以以控控制制和和调调整整射射频频脉脉冲冲的的带宽带宽射射频频脉脉冲冲有有一一定定的的频频率率范范围围（带带宽）宽）CTCT的的的的层层层层面面面面选选选选择择择择和和和和层层层层厚厚厚厚控制靠床位和准直器控制靠床位和准直器控制靠床位和准直器控制靠床位和准直器层层 面面 层层厚选择厚选择第第第第一一一一个个个个梯梯梯梯度度度度场场场场 1 1mHZmHZ / / cm cm 6464 65mHZ65mHZ层厚层厚层厚层厚1 1cmcm 1 1mHZmHZ / / cm cm 6464 64.5mHZ64.5mHZ层厚层厚层厚层厚0.50.5cmcm 2 2mHZmHZ / / cm cm 646465mHZ65mHZ层厚层厚层厚层厚0.50.5cmcm射频脉冲射频脉冲63.5-64.5 MHZG0射频脉冲射频脉冲64.5-65.5 MHZG0射频脉冲射频脉冲 63.75-64.25 MHZG0射频脉冲射频脉冲63.5-64.5 MHZG0梯度场强不变梯度场强不变 射射射射频频频频带带带带宽宽宽宽越越越越宽宽宽宽层层层层厚越厚厚越厚厚越厚厚越厚射频带宽不变射频带宽不变 梯梯梯梯度度度度场场场场强强强强越越越越高高高高层层层层厚越薄厚越薄厚越薄厚越薄决定层厚的因素决定层厚的因素1.梯度场强梯度场强梯度场强梯度场强2.射频带宽射频带宽射频带宽射频带宽调调调调整整整整射射射射频频频频脉脉脉脉冲冲冲冲的的的的带带带带宽宽宽宽、梯梯梯梯度度度度场场场场强强强强的的的的强强强强度度度度和和和和位位位位置置置置，即即即即可可可可随随随随意意意意选选选选择择择择层层层层面面面面的的的的位置和层厚位置和层厚位置和层厚位置和层厚层面内的空间定位层面内的空间定位体素（体素（Voxel）像素（像素（Pixel）MR采采集集到到的的每每一一个个信信号号均均含含有有全层信息全层信息必必须须进进行行层层面面内内的的空空间间定定位位编编码码才能把整个信息分配到各个像素才能把整个信息分配到各个像素空空间间定定位位编编码码包包括括频频率率编编码码和和相相位编码位编码频率编码频率编码频率编码依靠梯度磁场频率编码依靠梯度磁场 带有不同频率的带有不同频率的带有不同频率的带有不同频率的MRMR信号，通过付立叶转换可以区分信号，通过付立叶转换可以区分信号，通过付立叶转换可以区分信号，通过付立叶转换可以区分6464mHZmHZ6464mHZmHZ6464mHZmHZ第二个梯度场第二个梯度场第二个梯度场第二个梯度场相位编码相位编码相位编码还是依靠梯度磁场相位编码还是依靠梯度磁场第三个梯度场第三个梯度场第三个梯度场第三个梯度场相位编码相位编码付立叶转换可区分不同相位的付立叶转换可区分不同相位的付立叶转换可区分不同相位的付立叶转换可区分不同相位的MRMR信号信号信号信号付付立立叶叶转转换换只只能能区区分分相相位相差位相差180度的度的MR信号信号付立叶转换只能区分相位相差付立叶转换只能区分相位相差付立叶转换只能区分相位相差付立叶转换只能区分相位相差180180度的度的度的度的MRMR信号信号信号信号矩矩矩矩阵阵阵阵为为为为256*256256*256的的的的图图图图像像像像需需需需要要要要进进进进行行行行256256次次次次相位编码，也即采集相位编码，也即采集相位编码，也即采集相位编码，也即采集256256条相位编码线条相位编码线条相位编码线条相位编码线7、K空间及其特性空间及其特性KK空空空空 间间间间 为为为为MRMR图图图图 像像像像 原原原原始始始始数数数数据据据据的的的的填填填填充充充充储储储储存存存存空空空空间间间间格格格格式式式式，填填填填充充充充后后后后的的的的资资资资料料料料经经经经傅傅傅傅立立立立叶叶叶叶转转转转换换换换，重重重重 建建建建 出出出出 MRMR图像。图像。图像。图像。SESE序列序列序列序列常规常规常规常规KK空间的填充形式（对称、循序填充）空间的填充形式（对称、循序填充）空间的填充形式（对称、循序填充）空间的填充形式（对称、循序填充）K空间的特性空间的特性矩阵为矩阵为256*256的的图像需要采集图像需要采集256条相位编码线来完条相位编码线来完成成K空间的填充，空间的填充，K空间的数据点阵空间的数据点阵与图像的点阵不是与图像的点阵不是一一对应的一一对应的, K空空间中每一个点具有间中每一个点具有全层信息全层信息K空间的特性空间的特性K空间具有对空间具有对称性称性相位编码方向相位编码方向的镜像对称的镜像对称频率编码方向频率编码方向的对称的对称K空间特性空间特性填充填充填充填充KK空间中央空间中央空间中央空间中央区域的相位编码区域的相位编码区域的相位编码区域的相位编码线决定图像的对线决定图像的对线决定图像的对线决定图像的对比比比比填充填充填充填充KK空间周边空间周边空间周边空间周边区域的相位编码区域的相位编码区域的相位编码区域的相位编码线决定图像的解线决定图像的解线决定图像的解线决定图像的解剖细节剖细节剖细节剖细节K空空间间的的其其他他填填充充方方式式螺旋式填充螺旋式填充螺旋式填充螺旋式填充放射状填充放射状填充放射状填充放射状填充激发编码激发编码激发编码激发编码信号采集信号采集信号采集信号采集KK空间填充空间填充空间填充空间填充付立叶转换付立叶转换付立叶转换付立叶转换图像显示图像显示图像显示图像显示8、自自旋旋回回波波序序列列自旋回波（自旋回波（自旋回波（自旋回波（spin echospin echo，SESE）序列结构图序列结构图序列结构图序列结构图激发脉冲激发脉冲激发脉冲激发脉冲层面选择梯度层面选择梯度层面选择梯度层面选择梯度频率编码梯度频率编码梯度频率编码梯度频率编码梯度相位编码梯度相位编码梯度相位编码梯度相位编码梯度MRMR信号信号信号信号9090度脉冲激发组织产生横向磁化矢量度脉冲激发组织产生横向磁化矢量度脉冲激发组织产生横向磁化矢量度脉冲激发组织产生横向磁化矢量SESE序列图序列图序列图序列图180度脉冲的作用？度脉冲的作用？9090度度度度激激激激发发发发脉脉脉脉冲冲冲冲关关关关闭闭闭闭后后后后，所所所所产产产产生生生生的的的的横横横横向向向向磁磁磁磁化化化化矢量很快衰减自由感应衰减（矢量很快衰减自由感应衰减（矢量很快衰减自由感应衰减（矢量很快衰减自由感应衰减（FIDFID）横向磁化矢量的衰减是由于质子失相位横向磁化矢量的衰减是由于质子失相位横向磁化矢量的衰减是由于质子失相位横向磁化矢量的衰减是由于质子失相位质子失相位的原因质子失相位的原因1.质质质质子子子子小小小小磁磁磁磁场场场场的的的的相相相相互互互互作作作作用用用用造造造造成成成成磁磁磁磁场场场场不不不不均均均均匀匀匀匀（随机随机随机随机）真正的）真正的）真正的）真正的T2T2弛豫弛豫弛豫弛豫2.主主主主磁磁磁磁场场场场的的的的不不不不均均均均匀匀匀匀（恒恒恒恒定定定定），后后后后者者者者是是是是造造造造成成成成质子失相位的主要原因质子失相位的主要原因质子失相位的主要原因质子失相位的主要原因1+21+2产生的横向磁化矢量衰减实际上为产生的横向磁化矢量衰减实际上为产生的横向磁化矢量衰减实际上为产生的横向磁化矢量衰减实际上为T2*T2*弛豫弛豫弛豫弛豫180180度度度度复复复复相相相相脉脉脉脉冲冲冲冲可可可可以以以以抵抵抵抵消消消消主主主主磁磁磁磁场场场场恒恒恒恒定定定定不不不不均均均均匀匀匀匀造造造造成成成成的信号衰减，从而获得真正的的信号衰减，从而获得真正的的信号衰减，从而获得真正的的信号衰减，从而获得真正的T2T2弛豫图像弛豫图像弛豫图像弛豫图像180180度度度度脉脉脉脉冲冲冲冲可可可可使使使使因因因因主主主主磁磁磁磁场场场场恒恒恒恒定定定定不不不不均均均均匀匀匀匀造造造造成成成成失失失失相相相相质子的质子的质子的质子的相位重聚相位重聚相位重聚相位重聚，产生自旋回波产生自旋回波产生自旋回波产生自旋回波3124123412342 23 31 14 49090度度度度脉冲脉冲脉冲脉冲180180度度度度脉冲脉冲脉冲脉冲复复相相脉脉冲冲的的作作用用模模拟拟T2*与与T2的差别的差别用用用用180180度度度度复复复复相相相相脉脉脉脉冲冲冲冲采采采采集集集集回回回回波波波波（MRMR信信信信号号号号）的序列称为自旋回波序列（的序列称为自旋回波序列（的序列称为自旋回波序列（的序列称为自旋回波序列（SESE序列）序列）序列）序列）90180回波回波回波回波90180TETRTE：回波时间回波时间TR：重复时间重复时间SE序列结构序列结构TR决定图像的决定图像的T1成分成分TE决定图像的决定图像的T2成分成分很很很很长长长长的的的的TRTR所所所所有有有有的的的的组组组组织织织织T1T1完完完完全全全全弛弛弛弛豫剔除图像的豫剔除图像的豫剔除图像的豫剔除图像的T1T1弛豫差别弛豫差别弛豫差别弛豫差别很短的很短的很短的很短的TETE可基本剔除图像的可基本剔除图像的可基本剔除图像的可基本剔除图像的T2T2成分成分成分成分长长长长TRTR（2000ms2000ms）长长长长TETE（50ms50ms）T T2 2WIWIMxy100100%时间（时间（ms）选择合适长的选择合适长的TE获得最好的获得最好的T2对比对比合适长的合适长的合适长的合适长的TETET2对比对比一般一般一般一般TETE选择两种组织生物选择两种组织生物选择两种组织生物选择两种组织生物T2T2值附近可获得最好的值附近可获得最好的值附近可获得最好的值附近可获得最好的T2T2对比对比对比对比短短短短TRTR（200-500ms200-500ms）短短短短TETE（20ms2000ms2000ms） 短短短短TETE（20ms20ms）PDPD短短短短TRTR（200-500ms200-500ms）、短）、短）、短）、短TETE（20ms2000ms2000ms）、长）、长）、长）、长TETE（50ms50ms）长长长长TR TR （2000ms2000ms） 、短、短、短、短TETE（20ms20ms）T T1 1WIWIT T2 2WIWIPDPDT1WIT1WIT2WIT2WIPDPD总结一下总结一下MR成像的过程成像的过程把把病病人人放放进进磁磁场场 人人体体被被磁磁化化产产生生纵纵向向磁化矢量磁化矢量 发发射射射射频频脉脉冲冲 人人体体内内氢氢质质子子发发生生共共振振从而产生横向磁化矢量从而产生横向磁化矢量 关关掉掉射射频频脉脉冲冲 质质子子发发生生T1、T2弛弛豫豫（同时进行空间定位编码同时进行空间定位编码） 线线圈圈采采集集人人体体发发出出的的MR信信号号 计计算算机机处处理（理（付立叶转换付立叶转换） 显示图像显示图像