第三课磁共振成像基本原理和主要新技术-上海中医药大学

第三课磁共振成像基本原理和主要新技术

3.1 核磁共振物理现象

人体内含有大量氢原子核，亦称质子，质子具有自旋和磁距的特性。与地球绕太阳旋转一样，质子也不停地绕原子核旋转，称为自旋。氢原子中的质子和其外的电子在自旋过程中会产生一个小磁场，使氢质子犹如一个小磁体(Spin)，其磁性大小以“磁距”表示，磁距就是反映小磁场强度的矢量，磁距具有方向性，在无外加磁场时，众多随机运动的质子的净磁距为零。与自旋强度成正比，常态下人体内众多质子的自旋方向是随机的，呈无规律状态，各方向的磁距相互抵消，因而总磁距为０。

然而，当给予一个较强大而均匀的外加磁场时，质子的自旋轴方向(磁距)会趋于平行或反平行于这个磁场方向，数秒钟后就会平衡，即为磁化，磁化的强度也就是所有质子磁距的总和。但对于某一个质子而言，其磁距的方向并不一定与磁场方向一致，而是以一种特定的方式绕磁场方向轴旋转，这种旋转运动方式称为进动或旋进。它很象一个自旋轴不平行于地心引力方向而旋转的驼螺，除了自旋之外还以一定的角度围绕地心引力轴旋转。自旋的质子，如以侧面投影方式看就很象单摆在左右摆动，此摆动频率即称进动频率，与主磁场强度直接成正比关系，可用公式进行测算，频率实际值即称为拉莫（Larmor）频率。病人被送入主磁体内后不久，其身体各部位的质子即按主磁场强度相应的拉莫频率进行旋进运动和发生磁化。磁化后的质子，在化学特性上仍然保持不变，所以对人体生理活动并无任何影响。

在特定磁场中“旋进”的质子，当受到一个频率与其旋进频率一致的外加射频脉冲（radiofrequency, RF）激发后，射频电脉冲的能量会大量地被吸收，使氢质子旋进角度增大，质子则跃迁到较高能态，磁距总量的方向将发生改变（增大），90度的RF能使纵向磁化从Z轴转到XY平面，而180度RF则从Z轴旋转180度至负Z轴方向。当RF激发停止后，有关的质子的能级和相位都在一定时间后恢复到激发前的状态，氢原子核将释放已吸收的能量，能量释放和传递的方式具有重要的利用价值，那就是被激发的质子，在RF停止后将持续发射与激励RF频率完全一致的电脉冲信号，这个现象就称为“磁共振现象”。

质子在RF中止后的变化，就像拉伸的弹簧，在拉力中止后回缩一样，这个过程称为“弛豫（relaxation）”，所需的时间称为“弛豫时间”，在弛豫过程中的能级变化和总磁距的相位变化均能被MRI信号接受装置测得，并按信号强弱进行图像的重建。

弛豫时间有两种，即T1和T2，T1弛豫时间又称为纵向弛豫时间，反映被90度RF 激发而处于横向磁化的质子，在RF停止时刻至恢复到纵向平衡状态所需的时间，一个单位时间T1指恢复纵向磁化最大值的63％所需要的时间。T2弛豫时间亦称为横向弛豫时间，指90度RF激发后处于横向磁化状态的质子在RF 停止后横向磁化丧失所需的时间，横向磁化丧失至原有水平的37％时为一个单位时间T2 ，因它不是完全依靠能量释放或传递，大部分依靠相位变化导致的相干性丧失，故时间远较T1为短。

3.2 磁共振成像技术

3.2.1 图像亮暗与信号

根据以上物理学原理，首先MRI需要一个主磁场，目前产生主磁场的磁体有超导型、阻抗型和永磁型，一般超导型的主磁场强度及均匀度均较另两型为好，MRI图像质量较高。磁体中常有匀场装备以使主磁场更均匀。

磁共振图像中每一个小点的亮暗程度，实际上就是信号强度值，这个信号强度由MRI 成像过程中线圈收集到的回波信号决定，实质上是射频信号，具有频率和强度特点。磁共振机使用的线圈就是为了接收回波信号的。射频信号通过线圈时，根据法拉第电磁转换定律，在线圈中肯定会出现一个电流，其强度就与射频信号强度成正比。将线圈中产生的微小电流转化和放大处理后，传输给MRI计算机，就实现对回波信号的采集和记录工作。

3.2.2 信号产生和硬件条件

一个回波信号的产生，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强度各不相同，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，回波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。

脉冲序列指成像时采用的组合RF形式，以一个脉冲重复时间（TR）时间为单位重复进行，有SE、FSE、IR、EPI、GR等。MRI图像每个像素的信号的空间定位由梯度线圈完成，梯度线圈有三组，即X、Y、Z 轴方向上均按规律递增或递减，使不同空间位置上的组织产生的信号的频率、相位和出现时间均有微小差别而被计算机测出，并被确定为某一位置，用计算机记忆、表达，共同组成MRI图像。

射频发生器、线圈和MR信号采集系统均与被检器官的MRI图像中的信号获得有关，某种人体组织的MR信号强度，与它的质子密度、T1时间、T2时间及血流等因素有关，但成像时选择的参数如TR、回波收集时间（TE）及脉冲序列等也影响MRI图像中的信号组成。

磁共振机主要包括MR信号产生、数据采集与处理及图像显示等许多部分。

1、主磁体：有常导型、永磁型、超导型三种。场强分四级：超低磁场（＜0.1Ｔ）；低场（0.1－0.3 T）；中场（0.3－1.0 T）；高场（＞1.0 T）。磁场强度、均匀度和稳定性直接影响MRI技术性能和图像质量，目前，超导磁体已经成为主流。

2、梯度场系统：由X、Y、Z三个梯度磁场线圈组成，产生梯度磁场，为人体MR信号提供空间定位的三维编码。

3、射频发射器和MR信号接受器。射频发生器产生不同脉冲序列，以激发人体内氢原子核产生MR信号，被MR信号接受器接受。

4、计算机和应用软件。

5、辅助设备：数据存储装置、磁体冷却系统、激光照相机。

3.3 信号差别与组织特性

3.3.1 什么叫T1时间?

T1时间就是指纵向弛豫时间，上一节中我们已解释了纵向弛豫的概念。假设给予的是900脉冲，纵向磁距在900射频脉冲作用下发生900偏位，使纵向上的磁距变为零，横向上出现了磁距。如果脉冲终止，它将逐渐恢复到RF激发前的状态，纵向上的磁距将从零逐渐升高到RF激发前的量值，这个过程我们叫纵向弛豫，所需要的时间就是纵向弛豫时间。由于要使纵向磁距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距恢复到原来的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是反映组织纵向磁距恢复快或慢的物理指标，人体各