磁共振成像基本原理
磁共振成像原理
磁共振成像原理磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是一种非侵入性的医学影像技术，能够提供人体内部高分辨率的图像，并利用不同组织对磁场的响应来获取详细的解剖和功能信息。
本文将介绍磁共振成像的原理和应用。
一、基本原理磁共振成像技术基于核磁共振现象，通过对人体内核自旋的激发和检测，构建出图像。
核磁共振现象是指在外加静磁场和射频场的作用下，原子核自旋状态发生变化。
1.1 磁矩预cession原子核具有一个磁矩，当置于外加静磁场中时，磁矩会进入磁场方向的低能态，即平行于外加磁场。
在平时状态下，磁矩呈现随机分布；然而，当外加射频场作用于系统时，磁矩会被扰动，进入一个高能态。
1.2 回到基态外加射频场撤去后，磁矩会重新回到基态，并释放出能量。
基于这个原理，MRI可以测量出放松时间，进而揭示组织的特性。
二、基本步骤2.1 建立静磁场在MRI扫描过程中，首先需要建立一个强大且稳定的静磁场，通常使用超导磁体产生静磁场。
静磁场方向对应MRI图像的头脚方向。
2.2 射频脉冲激发通过放置射频线圈产生的射频脉冲，对患者体内原子核进行激发。
射频线圈能够产生一个变化的射频场，使核磁矩从基态激发到高能态。
2.3 信号接收当射频场停止后，核磁矩会回到基态，并释放出能量。
这种能量的释放会产生一个弱的电磁信号，由接收线圈感应并转化为电信号。
2.4 信号处理与图像重建经过放大和滤波等处理，电信号被转化为数字信号并进行处理。
最后，通过数学算法重建出高分辨率的MRI图像。
三、优点和应用3.1 优点3.1.1 非侵入性与传统的X射线成像相比，MRI无需使用任何放射线，对人体无害。
3.1.2 高对比度MRI图像能够提供不同组织之间的高分辨率对比度，对于疾病的早期诊断和定量评估有很大帮助。
3.1.3 多参数测量除了提供解剖结构信息外，MRI还可以提供多种参数的测量，如T1和T2弛豫时间、扩散张量成像等，这些参数可用于脑功能活动的研究和疾病的定量评估。
磁共振简易原理、脉冲序列及临床应用
IR序列应用： ①主要用于产生T1WI和PDWI； ②形成重T1WI，成像中完全除去T2作用； ③除重T1WI外，主要用于脂肪抑制和水抑制。
201I9R/6-/1T01WI, 冠状面
SE-T1WI，横断
IR-T1WI，横断面
1.短TI反转恢复序列
脂肪组织T1非常短，IR序列采用短的TI值 （≤300ms）抑制脂肪信号，该序列称短TI反转恢 复序列（short TI inversion recovery，STIR）；
B
长TR 时间ms
PDWI 组织信号高低取决 于质子含量高低； 脂肪及含水的组织 均呈较高信号；
2019/6/10
SE序列 临床应用
腕关节高分辨
2019/6/10
SE－T1WI
左枕叶脑脓肿
2019/6/10
SE－T1WI
SE-T1WI增强扫描
（二）快速自旋回波序列
快速自旋回波（fast spin-echo，FSE）序列：在一个TR 周期内先发射一个90°RF脉冲，然后相继发射多个 180°RF脉冲，形成多个自旋回波；
LAD RCA
RCA LAD
2019/6/10
Courtesy oRf iNgohrtthcworeostnearnryUanritveerysity Ho
在读出梯度方向施加一对强度相同、方向相反的梯度磁场，使 离散的相位重聚而产生回波，该回波被称梯度回波。
2019/6/10
常规GRE序列的结构
• (1)射频脉冲激发角度小于90 ° • (2)回波的产生依靠读出梯度场（即频率编
码梯度场）的切换
2019/6/10
GRE序列的基本特点
（1）采用小角度激发，加快成像速度； （2）采用梯度场切换采集回波信号，进一步加快采集速度； （3）反映的是T2*弛豫信息而非T2弛豫信息； （4）GRE序列的固有信噪比较低； （5）GRE序列对磁场的不均匀性敏感； （6）GRE序列中血流常呈高信号。
核磁共振成像技术原理
核磁共振成像（MRI，磁共振影像）是一种利用原子核在外磁场中的行为来生成高分辨率影像的医学成像技术。
以下是核磁共振成像技术的基本原理：
1. 核磁共振基础：
-原子核中的带电粒子，例如氢原子核（质子），具有自旋。
当这些原子核置于外部磁场中时，它们会产生磁矩，即一个磁场。
在医学成像中，常用的是质子的核磁共振。
2. 激发：
-当磁共振体（通常是人体组织中的水分子）置于强大的外部磁场中时，核磁矩会在外部磁场的作用下产生预cession运动，这是一种旋转运动。
通过应用额外的无线电频率（射频脉冲）来激发这些核磁共振体，使其离开平衡态。
3. 驰豫：
-一旦停止射频激发，核磁矩将重新恢复到平衡态。
这个过程称为核磁共振驰豫。
在这个过程中，核磁矩会释放出能量，产生一个旋转磁场。
4. 信号检测：
-放射出的能量产生的旋转磁场可以被检测。
在MRI中，探测器
会测量这个信号并传递给计算机。
5. 空间编码：
-为了获得空间信息，外加一组梯度磁场。
这些梯度场使得不同位置的核磁体经历不同的共振频率。
通过测量这些频率差异，可以获取关于空间位置的信息。
6. 图像重建：
-计算机将从探测器接收到的信号转换为二维或三维图像。
这涉及到使用数学算法对信号进行处理和图像重建。
总体而言，核磁共振成像技术利用核磁共振现象，通过对核磁体的激发、驰豫和信号检测，结合梯度磁场和计算机处理，实现对人体组织的高分辨率成像。
MRI对软组织有很好的分辨率，而且不涉及使用放射线。
MR常用序列成像基本原理
3 重建算法
使用先进的重建算法抑制 或减少运动伪影的影响。
梯度磁场在空间中创建线性磁场梯度，用于定 位信号的来源位置。
磁共振信号识别原理
通过检测原子核释放的信号，得到组织的磁共 振信号。
原子核磁矩和自旋共振
原子核磁矩的作用
原子核磁矩对外磁场具有自旋力矩，使其与外磁场 相互作用。
自旋共振与磁共振
自旋共振是原子核磁矩在外磁场作用下产生共振现 象，而磁共振是检测这种共振现象并形成图像。
脉冲序列的构成
1
激发脉冲
发射短脉冲使原子核翻转。
梯度脉冲
2
在特定时间和特定梯度条件下，产生空
间编码。
3
回波信号
接收原子核释放信号。
快速成像技术
探测阵列
使用多通道同步采集技术， 提高图像的时间分辨率和空 间分辨率。
平行成像技术
以加速成像为目标，减少扫 描时间，提高成像效率。
并行成像技术
在多通道中同时激励和接收 信号，实现多条同时成像。
T1加权成像和T2加权成像
1 T1加权成像原理
T1加权成像利用不同组织 T1弛豫时间的差异产生对 比，从而揭示组织的解剖 信息。
2 T2加权成像原理
T2加权成像利用不同组织 T2弛豫时间的差异产生对 比，突出病变区域和水分 布。
3 T1加权与T2加权的区
别
T1加权成像在脑脊液中呈 现暗信号，而T2加权成像 中呈现亮信号。
平扫与增强扫描的原理
平扫成像
通过选择不同的脉冲序列参数，获取ຫໍສະໝຸດ 织的基本信 号信息。增强扫描
通过注射对比剂，改变组织信号强度，增强病变显 示。
MR成像图像的格式
1 矢状面（Sagittal） 2 冠状面（Coronal） 3 轴状面（Axial）
核磁共振 成像原理
核磁共振成像原理
核磁共振成像（MRI）是一种医学影像技术，它利用人体组织中的原子核在外加磁场和射频场的作用下产生共振现象并进行成像。
核磁共振成像的原理主要涉及到以下几个方面：
1. 磁共振现象，在外加静磁场作用下，人体组织中的原子核会产生磁偶极矩，当施加射频脉冲时，原子核会吸收能量并进入激发态，随后释放能量回到基态。
这个过程中，原子核会发出特定频率的信号，即共振信号。
2. 空间编码，核磁共振成像利用梯度磁场对不同位置的原子核产生不同的共振频率，从而实现对空间位置的编码。
通过在不同方向施加梯度磁场，可以确定原子核共振信号的空间位置。
3. 信号检测，利用接收线圈来接收原子核产生的共振信号，并将信号转换成图像。
综合以上几点，核磁共振成像的原理可以简单概括为，利用外加静磁场和射频场使人体组织中的原子核产生共振现象，通过空间编码和信号检测实现对人体组织的成像。
这种成像技术能够提供高
对比度、高分辨率的解剖结构图像，对于诊断疾病和观察人体内部结构具有重要意义。
mri磁共振成像原理
mri磁共振成像原理
MRI成像是利用核磁共振现象的原理，通过对人体组织内的
水分子进行扫描和观察，得到高清晰度的图像。
具体原理如下：
1. 磁性原子核存在自旋，即核具有旋转的特性。
2. 在外加磁场的作用下，核会以不同的方式排列。
正常情况下，核自旋会沿着磁场方向对齐。
3. 在MRI中，通过在病人身上施加一个强大的磁场，使得人
体内的大部分水分子的核自旋方向与磁场方向一致。
4. 随后，施加一系列的辅助磁场，这些磁场的方向会短暂扰乱水分子自旋的排列。
5. 辅助磁场停止后，水分子的自旋会重新按照其能量状态重新排列。
6. 在此过程中，水分子释放出的能量会被探测器捕捉并转换为电信号。
7. 根据这些电信号的不同，MRI系统可以重建出人体内不同
组织的图像。
此外，MRI还可以通过改变辅助磁场的频率和强度，来获取
不同组织的信号。
这样就可以得到不同的对比度，进一步分辨不同组织的结构和功能。
磁共振成像技术的基本原理及其应用
磁共振成像技术的基本原理及其应用磁共振成像技术是一种常用于医学诊断的无创检查方法，其基本原理是利用磁共振现象上的差异来观察人体内部器官和组织的构成和内部结构，从而获得有关人体疾病和异常情况的信息。
磁共振成像技术的广泛应用，已经大大提高了医学领域的诊断和治疗水平，为人类健康事业做出了重要贡献。
一、磁共振成像技术的基本原理磁共振成像技术利用强磁场和射频脉冲来观察人体内部器官和组织的构成和内部结构。
其基本原理是利用人体内原子核的磁共振现象，即在外磁场中，原子核会预先进入能量较低的状态，而外加射频场会引起原子核的能级变化，当射频场停止时，原子核通过释放能量恢复到预先进入的能量状态，释放出的能量被检测器捕捉并转化成图像。
不同类型的组织和器官原子核之间的信号强度和特殊性质不同，这种差异通过计算和处理后被显示在成像上。
二、磁共振成像技术的应用磁共振成像技术已经成为医学诊断的重要手段，广泛应用于神经学、心脏病学、肿瘤学、骨科、妇科等领域。
在神经学领域，磁共振成像能够对脑部和脊髓进行高分辨率成像，对中风、多发性硬化症、脑肿瘤等疾病的诊断和治疗起到关键作用。
在心脏病学领域，磁共振成像能够检测心肌缺血、心肌肥厚、心包炎等疾病，对于评估心脏功能和预测心血管疾病风险有重要作用。
在肿瘤学领域，磁共振成像能够检测出较小的肿瘤和癌细胞分布，对于肿瘤的评估和治疗起到至关重要的作用。
在骨科领域，磁共振成像能够检测出骨折、关节炎等骨骼系统的疾病，对于骨髓炎、软骨损伤和脊柱疾病的诊断和治疗也有一定的帮助。
在妇科领域，磁共振成像能够检测妇女的生殖系统和相关疾病，如卵巢囊肿、子宫肌瘤、宫颈癌等。
三、磁共振成像技术的优势与其他成像技术相比，磁共振成像技术具有很多优势。
首先，磁共振成像所用的是非离子辐射，与X射线相比，无辐射危害，不会对人体组织产生伤害。
其次，磁共振成像具有高灵敏度、高分辨率的特点，能够更明确地显示出人体内部组织和器官，对于复杂部位的成像有优势，如脑、脊柱等。
简述MRI成像原理
简述MRI成像原理
MRI全称为磁共振成像，是一种医学影像学的技术。
其原理基于核磁共振现象，利用强磁场和无线电波对人体进行扫描，产生高清晰度三维图像。
具体实现过程包括以下几个步骤：
1. 构建磁场：在MRI扫描过程中，需要产生非常强的磁场。
通常使用超导磁体，其内部绕有电流，可以产生非常强的磁场。
2. 激发磁共振：在强磁场中，人体内的原子核会对磁场进行反应。
使用无线电波来激发原子核的磁共振，使其发生共振吸收和发射。
3. 接收信号：激发原子核后，其会发出无线电信号。
使用接收线圈来捕获这些信号。
4. 信号处理：通过数学算法对接收到的信号进行处理，可以得到一幅高清晰度的三维图像。
MRI成像原理的优势在于它不会对人体造成辐射，适用于对柔软组织的成像，如脑部、胸部、骨骼等。
同时，MRI成像原理也被广泛应用于医学诊断、科学研究和生物医学工程领域。
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•非常重要
•检测到的仅仅是不同组织氢质 子含量的差别，对于临床诊断来 说是远远不够的。
•我们总是在90度脉冲关闭后过 一定时间才进行MR信号采集。
4、射频线圈关闭后发生了什么？
无线电波激发使磁场偏转90度，关闭无线 电波后，磁场又慢慢回到平衡状态（纵向)
•弛豫
•Relaxation
•放松、休息
高能的质子把能量释放给周围的晶格 （分子）
晶格震动频率高于质子进动频率 能量传递慢－－纯水
晶格震动频率接近于质子进动频率
能量传递快－－脂肪，含中小分子蛋白质 晶格震动频率低于质子进动频率 能量传递慢－－含高浓度大分子蛋白
•T1弛豫是由于高能质子的能量释放回到低能状态 •用T1值来描述组织T1弛豫的快慢
第三代为圆形极化相控阵线圈 第四代为一体化全景相控阵线圈
•利 用 2 . 3 c m 显微线圈采 集的指纹MR 图像
3D-FFE Matrix 512×512
FOV
2.5cm
4、计算机系统及谱仪
• 数据的运算
• 控制扫描
• 显示图像
5、其他辅助设备
空调 检查台 激光照相机 液 氦 及 水 冷 却系统 自 动 洗 片 机 等
德国著名数学家，于1832年首次测量了地球的磁场。
1高斯为距离5安培电流的直导线1厘米处检测到的磁场强度
5安培 1厘米 1高斯
地球的磁场强度分布图
特斯拉（Tesla,T）
Nikola Tesla (18571943), 奥地利电器工程 师，物理学家，旋转磁 场原理及其应用的先驱 者之一。
1 T = 10000G
把人体放进大磁场
2、人体进入主磁体发生了什么？
• 没有外加磁场的情况下，质子自旋 产生核磁，每个氢质子都是一个 “小磁铁” ，但由于排列杂乱无章， 磁场相互抵消，人体并不表现出宏 观的磁场，宏观磁化矢量为0。
指南针与地磁、小磁铁与大磁场
组进 织入 质主 子磁 的场 核前 磁后 状人 态体
•处于高能状态太费劲，并非人人都能做到
4、射频线圈关闭后发生了什么？
无线电波激发使磁场偏转90度，关闭无线 电波后，磁场又慢慢回到平衡状态（纵向)
• 射频脉冲停止后，在主磁场的作用下， 横向宏观磁化矢量逐渐缩小到零，纵向 宏观磁化矢量从零逐渐回到平衡状态， 这个过程称为核磁弛豫。 • 核磁弛豫又可分解为两个部分： • 横向弛豫 • 纵向弛豫
•处于低能状态的略多一点，007
进入主磁场后磁化矢量的影响因素
温度、主磁场强度、质子含量
•温度
•温度升高，磁化率降低
•主磁场场强
•场强越高，磁化率越高，场强几乎与磁化 率成正比
•质子含量
•质子含量越高，与主磁场同向的质子总数 增加（磁化率不变）
处于低能状态的质子到底比处于高能 状态的质子多多少？？？
“重点突出”
– T1 加权成像（ T1WI ） ---- 突出组织 T1 弛豫 （纵向弛豫）差别 – T2 加权成像（ T2WI ） ---- 突出组织 T2 弛豫 （横向弛豫）差别 – 质子密度加权成像（ PD ）－突出组织氢质 子含量差别
• MR只能采集旋转的横向磁化矢量
MR不能检测到纵向磁化矢量，但能检测到旋转的横向磁化矢量
= .B ：进动频率
Larmor 频率
：磁旋比
42.5兆赫 / T
B：主磁场场强
由于在主磁场中质子进动，每个氢质子均 产生纵向和横向磁化分矢量，那么人体进 入主磁场后到底处于何种核磁状态？
高 能 与 低 能 状 态 质 子 的 进 动
•处于低能状态的质子略多于处于高能状态 的质子，因而产生纵向宏观磁化矢量
–1、1H的磁化率很高；
–2、1H占人体原子的绝大多数。
•通常所指的MRI为氢质子的MR图像。
人体元素
1H 14N 31P 13C 23Na 39K
摩尔浓度
99.0
相对磁化率
1.0
1.6
0.35 0.1 0.078 0.045
0.083
0.066 0.016 0.093 0.0005
17O
2H 19F
室温下（300k）
0.2T：1.3 PPM 0.5T：4.1 PPM
处于低能状态的氢 质子仅略多于处于 高能状态的质子
PPM为百万分之一
1.0T：7.0 PPM
1.5T：9.6 PPM
在主磁场中质子的磁化矢量方向是绝 对同向平行或逆向平行吗？？？
Precessing (进动)
•非常重要
进动是核磁（小磁场）与主磁 场相互作用的结果 进动的频率明显低于质子的自 旋频率，但比后者更为重要。
OpenMark 3000
•MR按主磁场的场强分类
–MRI图像信噪比与主磁场场强成正比
–低场: 小于0.5T –中场：0.5T－1.0T
–高场: 1.0T－2.0T（1.0T、1.5T、2.0T）
–超高场强：大于2.0T（3.0T、4.7T、7T）
高斯（gauss, G）。 Gauss (1777-1855)
二、MRI的物理学原理
1、人体MR成像的物质基础
• 原子的结构
电子：负电荷 中子：无电荷
质子：正电荷
原子核总是绕着自身的轴旋转－－自旋 ( Spin )
自旋与核磁
•地球自转产生磁场 •原子核总是不停地按一定频率绕着自身的 轴发生自旋 ( Spin ) •原子核的质子带正电荷，其自旋产生的磁 场称为核磁，因而以前把磁共振成像称为 核磁共振成像（NMRI）。
尽管每个质子的进动产生了纵向和横向磁化矢量，但 由于相位不同，因而只有宏观纵向磁化矢量产生，并 无宏观横向磁化矢量产生
Hale Waihona Puke 由于相位不同，每个质子的横向磁化分矢量 相抵消，因而并无宏观横向磁化矢量产生
•非常重要
进入主磁场后，质子自旋产生的 核磁与主磁场相互作用发生进动
进动使每个质子的核磁存在方向稳定的纵 向磁化分矢量和旋转的横向磁化分矢量
0.031
0.015 0.0066
0.029
0.096 0.83
•人体内有无数个氢质子（每毫升水含氢 质子3×1022）
•每个氢质子都自旋产生核磁现象 •人体象一块大磁铁吗？
矢量的合成与分解
通常情况下人体内氢质子的核磁状态
通常情况下，尽管每个质子自旋均产生一个小的 磁场，但呈随机无序排列，磁化矢量相互抵消， 人体并不表现出宏观磁化矢量。
如何才能产生横向宏观磁化矢量？
3、什么叫共振，怎样产生磁共振？
• 共振 ：能量从一个震动着的物体传递到另一 个物体，而后者以前者相同的频率震动。
共 振
• 条件
– 频率一致
• 实质
– 能量传递
体内进动的氢质子怎样才能发生共振呢？
给低能的氢质子能量，氢质子获得能 量进入高能状态，即核磁共振。
怎样才能使低能氢质子获得能量， 产生共振，进入高能状态？
一、MRI扫描仪的 基本硬件构成
• 一般的MRI仪由以下几部分组成
– – – – – 主磁体 梯度线圈 脉冲线圈 计算机系统 其他辅助设备
1、主磁体
分类 磁场强度 磁场均匀度
•MRI按磁场产生方式分类
主 磁 体
永磁
常导
电磁 超导
0.35T 永磁磁体
1.5T 超导磁体
•按磁体的外形可分为
•开放式磁体 •封闭式磁体 •特殊外形磁体
不同组织有不同的T1弛豫时间
人体各种组织的T2弛豫要比T1弛豫快得多
T2 <<< T1
•重
• 不同组织有着不同
– 质子密度 – 横向(T2)弛豫速度 – 纵向(T1)弛豫速度
要 提 示
• 这是 MRI 显示解剖结 构和病变的基础
5、磁共振“加权成像”
T1WI
PD
T2WI
何为加权？？？
• 所谓的加权就是 的意思
•脉冲线圈的分类
•按作用分两类 –激发并采集MRI信号（体线圈） –仅采集MRI信号，激发采用体线 圈进行（绝大多数表面线圈）
接收线圈与MRI图像SNR密切相关
接收线圈离身体越近，所接收到的信号越强 线圈内体积越小，所接收到的噪声越低
按与检查部位的关系分
体线圈 表面线圈
第一代为线性极化表面线圈
第二代为圆形极化表面线圈
使质子处于同相位，质子的微观横向磁化矢量相加，产生 宏观横向磁化矢量
度 脉 冲 继 发 后 产 生 的 宏 观 和 微 观 效 应
90度脉冲激发使质子发生共振，产生最大的旋转 横向磁化矢量，这种旋转的横向磁化矢量切割接 收线圈，MR仪可以检测到。 氢 质 子 多 氢 质 子 少
•非常重要
• 无线电波激发后，人体内宏观磁场偏转了 90度，MRI可以检测到人体发出的信号 • 氢质子含量高的组织纵向磁化矢量大，90 度脉冲后磁化矢量偏转，产生的旋转的宏 观横向矢量越大，MR信号强度越高。 • 此时的MR图像可区分质子密度不同的两 种组织
地磁、磁铁、核磁示意图
原 子 核 自 旋 产 生 核 磁
•非常重要
核磁就是原子核自旋产生的磁场
所有的原子核都可产生核磁吗？
质子为偶数，中子为偶数 不产生核磁
质子为奇数，中子为奇数 质子为奇数，中子为偶数 产生核磁
质子为偶数，中子为奇数
何种原子核用于人体MR成像？
•用于人体MRI的为1H（氢质子），原因有：
磁共振成像基本原理
杨正汉
卫生部北京医院放射科 北京大学第五临床医学院
•MRI基本原理
•非常重要 •难以理解
•非常重要
学习MRI前应该掌握的知识
• • • • 电学 磁学 量子力学 高等数学 • • • • 初中数学 初中物理 加减乘除 平方开方