核磁共振成像原理学校教学

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1、第二章 核磁共振成像原理本章主要讲述内容：v磁共振信号的产生v磁共振信号的获取与傅立叶变换v像素位置信息的确定（梯度）v像素灰度信息（信号幅度）的确定v序列参数对图像权重的影响v磁共振成像序列1专业课 进动频率(Precession Frequency)00B其中：其中：0 ：进动的频率：进动的频率 （Hz或或MHz） B0 ：外磁场强度：外磁场强度(单位单位T，特斯拉，特斯拉)。 ：旋磁比；：旋磁比；质子质子的为的为 42.5MHz / T。2专业课核的种类(质子数中子数)质子数或原子序数(Z Z)中子数(N N)核的自旋偶偶核偶数偶数无奇偶核奇数偶数有偶奇核偶数奇数有奇奇核奇数奇数有3专业

2、课spinr /2(MHz/T)自然產率(%)體內含量相對靈敏度1H1/242.5899.98100M113C1/210.711.10810mM310-314N13.0899.6310mM210-719F1/240.0510010mM910-523Na3/211.2610080mM110-331P1/217.2310010mM410-539K3/21.9993.145mM110-4各种MR核的对比4专业课 如果此时去掉RF脉冲，质子将会恢复到原来状态，当然恢复有一个时间过程，这个过程就叫弛豫过程。弛豫：Relaxation;自然界的一种固有属性；即任何系统都有在外界激励撤销后回到原本（原始、平

3、衡）状态的性质；这种从激励状态回到平衡状态的过程就是弛豫过程弛豫快慢：用弛豫时间T来进行度量；5专业课弛豫过程是激励过程的反过程,因此也包括2个分过程：1、放出能量，从高能级向低能级跃迁；纵向磁化逐渐增加；纵向弛豫过程，T1弛豫过程2、相位分散，横向磁化矢量逐渐减小；横向弛豫过程，T2弛豫过程6专业课a、射频结束瞬间，纵向磁化为零，横向磁化最大b、反平行质子释放能量跃迁回平衡态，纵向磁化逐渐增大c、最后回归原始状态，纵向磁化恢复到最大纵向弛豫过程7专业课a、射频结束瞬间，横向磁化达到最大,进动相位一致b、c、内部小磁场的不均匀性使得进动相位分散，横向磁化矢量逐渐减小d 、最终相位完全分散，横向

4、磁化矢量为零横向弛豫过程8专业课 纵向恢复时间纵向恢复时间T1是由于被激发的反平行于静磁场是由于被激发的反平行于静磁场的质子恢复到平行状态，所以纵向磁化增大。弛豫快慢的质子恢复到平行状态，所以纵向磁化增大。弛豫快慢遵循指数递增规律，把从遵循指数递增规律，把从0增大到最大值的增大到最大值的63%的所需的所需时间称定义为时间称定义为纵向驰豫时间纵向驰豫时间(T1)。弛豫时间T9专业课 纵向驰豫时间T1T1与静磁场的强度大小有关，一般静磁场强度越大， T1就大T1长短取决于组织进行能量传递的有效性。10专业课一般大分子一般大分子（如生物蛋白）和小分子（如水）由于共振频率与拉莫尔频率（如生物蛋白）和小

5、分子（如水）由于共振频率与拉莫尔频率差别较大，对能量传递有效性差，因此差别较大，对能量传递有效性差，因此T1较长。上图中白线表较长。上图中白线表示的脑脊液的示的脑脊液的t1为为3秒。秒。中等分子中等分子（如脂肪）的共振频率接近于拉莫尔频率，能量传递越有效，（如脂肪）的共振频率接近于拉莫尔频率，能量传递越有效，因此因此T1较短。上图中红线代表的脑白质的较短。上图中红线代表的脑白质的t1为为0.9秒秒11专业课 横向恢复时间横向恢复时间T2是由于相位同步质子的又开始是由于相位同步质子的又开始变得不同步变得不同步,所以横向磁化减小。弛豫快慢遵循指数所以横向磁化减小。弛豫快慢遵循指数递减规律，把从最大

6、下降到最大值的递减规律，把从最大下降到最大值的37%的时间定义的时间定义为为横向驰豫时间横向驰豫时间(T2)。12专业课 组织T2时间的分析。T2的长短取决于组织内部的局部小磁场的均匀性对小磁化散相的有效性。T2与磁场强度无关。不同成分和结构的组织T2不同，例如水的T2值要比固体的T2值长。13专业课几种常见组织在不同场强下的T1，T2及质子密度值组织T1T2质子密度(%)0.2T1.0T1.5T脂肪240-609.6白质3906207187610.6灰质4908109989110.6脑脊液14002500300014010.8肌肉370730860509.314专业课驰豫过程的综合表示（三种

7、运动的综合过程）磁化矢量的进动纵向磁化的逐渐增大过程横向磁化的逐渐减小过程15专业课磁共振信号的获取与傅立叶变换磁共振信号的获取与傅立叶变换 如果在垂直于XY平面，加一个接收线圈，会接收到什么信号？FID16专业课补充说明3点组织的弛豫时间是组织的一种固有属性，与组织的密度类似，在场强和环境确定后其时间是一个确定不变的值；病变组织相对于正常组织的一个典型变化是含水量增加；由于水具有长T2和长T1值，因此病变组织的T2时间比正常组织的长；（Damadian发表在Science上的文章）；如果能将上面的T2时间差别体现在图像的灰度差别，则能够达到区分正常组织和病变组织的目的，完成对疾病的诊断；17

8、专业课核磁共振的两种解释 量子理论（Pucell） 微观角度 波函数在哈米尔顿能量算符的作用下，从而造成量子化能量的吸收和释放； 较容易初步理解，容易说明极化传递和相干转移等现象； 基本理论为：含时微扰理论； 二者相互补充，各有优缺点； 经典电磁学理论(Bloch) 宏观角度 宏观磁化矢量在各种磁矩的作用下的运动； 较难理解，但在说明磁共振信号产生方面有优越性； 基本理论为：Bloch方程； 在理解和应用时需区分场合，相得益彰；18专业课核磁共振的三种方法 连续波核磁共振：连续施加与拉莫尔频率相等的射频电磁波，在射频作用于弛豫作用达到平衡时采集信号；根据共振条件的调节又分为： 调频法：固定场不

9、变，调节射频频率； 调场法：固定射频不变，改变调场电流从而改变场强； 脉冲傅立叶变换法：时间短暂的射频脉冲后进行信号采集；相当于多道连续波核磁共振，因此灵敏度高，目前都采用；19专业课扫场法20专业课扫频法21专业课核磁共振波谱仪结构22专业课傅立叶变换的作用：复杂的时间域信号简单的频率域信号傅立叶变换傅立叶变换傅立叶变换Amplitude23专业课24专业课第三节第三节 磁共振信号的空间定位磁共振信号的空间定位MRS：MR SpectroscopyMRI：MR Imaging核磁共振的2大用途：25专业课核磁共振谱图：分子结构的“指纹”26专业课组成灰度数字图像的基本单元是像素像素只有两个基

10、本信息：像素位置信息和像素灰度信息像素位置信息表示图像中的该像素对应人体内的体素位置像素灰度信息表示对应体素的检测信息的强度对磁共振而言,实现像素与体素对应的手段是施加三个维度上的梯度磁场;对磁共振而言,检测的生物体信息是磁共振信号27专业课加快磁共振成像时间的途径28专业课回波平面序列 使成像时间由常规的扫描序列的秒级提高到了亚秒级；30ms之内采集一幅完整的图像，使每秒获取的图像达到20幅 ；心脏电影 成为可能并进入临床；从原理上讲，EPI应归属于GRE类序列，但现在已自成体系了 ；分为梯度回波EPI 和自旋回波EPI ；梯度的转换速度要达到今天常规梯度的4倍，梯度的幅值也需提出1倍。这样的梯度就是前面所说的振荡梯度，而振荡梯度的代价是高昂的。 29专业课震荡梯度Gr主要用于功能MRIRFGp回波链回波链Gr回波链回波链30专业课自旋回波EPI31专业课梯度回波EPI32专业课 2次激发EPI（MS-EPI）序列及其K空间 33专业课