第二章磁共振成像原理2．1MRI信號產(chǎn)生基本原理一、基本概念二、磁共振信號產(chǎn)生第1頁一、基本概念原子結(jié)構(gòu)電子：負電荷中子：無電荷質(zhì)子：正電荷第2頁原子核自旋（spin）核磁就是原子核自旋產(chǎn)生磁場第3頁磁距（Moment）角動量（AngularMomentum）磁旋比（Gyromagneticratio）第4頁無外加磁場時，質(zhì)子群中各個質(zhì)子以任意方向自旋，單位體積內(nèi)其宏觀磁距=0。第5頁原子核能態(tài)：

每個原子核含有特定能級，能級狀態(tài)數(shù)與自旋量子數(shù)S特征相關(guān)。能態(tài)數(shù)=2S+1原子核三個特征：質(zhì)子數(shù)、核質(zhì)量、自旋量子數(shù)第6頁人體中一些原子核特征原子核自旋量子數(shù)S磁旋比(MHz/T)含量1H1/242.60.6319F1/240.023Na3/211.30.0004113C1/210.70.009417O5/25.80.2631P1/217.250.0024氫原子能態(tài)數(shù)=2S+1=2第7頁何種原子核用于人體MR成像？

用于人體MRI為1H（氫質(zhì)子），原因有：1、1H質(zhì)子數(shù)為奇數(shù)；2、1H占人體原子絕大多數(shù),水和脂肪。通常所指MRI為氫質(zhì)子MR圖像通常情況下，盡管每個質(zhì)子自旋均產(chǎn)生一個小磁場，但呈隨機無序排列，磁化矢量相互抵消，人體并不表現(xiàn)出宏觀磁化矢量。第8頁StudyQuestions:1.Whatisspinofnucleus?2.WhatistheMagneticMoment?WhatistheAngularMomentum?3.gyromagneticratio?WhyisitimportantforMRI?第9頁靜磁場中自旋進入主磁場后人體被磁化了，不一樣組織因為氫質(zhì)子含量不一樣，磁化程度也不一樣。第10頁能態(tài)處于高能狀態(tài)太費勁，并非人人都能做到處于低能狀態(tài)略多一點第11頁高能態(tài)低能態(tài)Bo

進入磁場質(zhì)子分布在高和低能量水平處于低能態(tài)原子核數(shù)目略多于高能態(tài)原子核數(shù)目。這兩種能態(tài)原子核會相互跳來跳去，當樣品溫度恒定時，它們跳來跳去數(shù)目相等，即兩種能態(tài)原子核數(shù)目差是恒定，這種狀態(tài)稱為熱平衡狀態(tài)。第12頁低能態(tài)與高能態(tài)原子核數(shù)目之間相對差與主磁場強度相關(guān)。

盡管二者之間相對差很小，但因為人體中H原子核數(shù)目非常巨大，所以絕對差也是很巨大。如，1立方厘米水在1T場強中二者絕對差到達:1023X6X10-6=6X1017個，即60億億個。第13頁進動(precession)例子：陀螺依據(jù)陀螺原理---含有自旋物體受到某個方向作用力后，此物體將沿著垂直于作用力和自旋軸所形成平面方向運動，能夠知道原子核自旋在外磁場中將繞主磁場方向作進動。第14頁進動頻率顯著低于質(zhì)子自旋頻率，但比后者更為主要。進動是核磁（小磁場）與主磁場相互作用結(jié)果第15頁進動頻率（LamorFrequency）

Lamor方程：0=B0或f0=B0/2

0、f0---進動角頻率、頻率B0---磁場強度

---磁旋比3T場強中氫原子核進動頻率為（Lamor

頻率）：

42.6X3=127.8MHz不一樣場強、不一樣原子核決定了不一樣進動頻率。這也是MRI能進行多核種成像基礎(chǔ)。第16頁縱向磁化（Longitudinalmagnetization）與橫向磁化（Transversemagnetization）在外加磁場中質(zhì)子排列方向平行于主磁場Bo，同向為低能位；反向為高能位；處于低能狀態(tài)質(zhì)子略多于處于高能狀態(tài)質(zhì)子，因而產(chǎn)生縱向宏觀磁化矢量二者之間差產(chǎn)生縱向磁化。第17頁盡管每個質(zhì)子進動產(chǎn)生了縱向和橫向磁化矢量，但因為相位不一樣，因而只有宏觀縱向磁化矢量產(chǎn)生，并無宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生。第18頁StudyQuestions1.Whatisnetmagnetization?Whatisprecession?2.Whatisthedifferencebetweenlongitudinalmagnetizationandtransversemagnetization?第19頁射頻（RF-radiofrequency）MRI射頻脈沖：

0=B0波段名稱波段（波長范圍）頻段（頻率范圍）頻段名稱超長波100km~10km3kHz~30kHz甚低頻VLF長波10km~1km30kHz~300kHz低頻LF中波1000m~200m0.3MHz~1.5MHz中頻MF短波200m~10m1.5MHz~30MHz高頻HF米波10m~1m30MHz~300MHz甚高頻VHF分米波100cm~10cm0.3GHz~3GHz特高頻UHF厘米波10cm~1cm3GHZ~30GHz超高頻SHF毫米波10mm~1mm30GHz~300GHz極高頻EHF亞毫米波1mm~0.1mm300GHz~3000GHz超級高頻第20頁激發(fā)(Excitation)共振：射頻頻率=進動頻率第21頁共振：能量從一個震動著物體傳遞到另一個物體，而后者以前者相同頻率震動。共振第22頁低能氫質(zhì)子能夠經(jīng)過外來射頻取得能量，產(chǎn)生共振，進入高能狀態(tài)。第23頁磁共振現(xiàn)象是靠射頻線圈發(fā)射無線電波（射頻脈沖）激發(fā)人體內(nèi)氫質(zhì)子來引發(fā)，這種射頻脈沖頻率必須與氫質(zhì)子進動頻率相同，低能質(zhì)子獲能進入高能狀態(tài)微觀效應(yīng)第24頁射頻強度與連續(xù)時間第25頁射頻脈沖激發(fā)后效應(yīng)是使宏觀磁化矢量發(fā)生偏轉(zhuǎn)射頻脈沖強度和連續(xù)時間決定射頻脈沖激發(fā)后效應(yīng)低能量中等能量(90o脈沖)高能量(180o脈沖)宏觀效應(yīng)第26頁經(jīng)過外來射頻給低能氫質(zhì)子能量，氫質(zhì)子取得能量進入高能狀態(tài)，即核磁共振。射頻取消，氫質(zhì)子回到低能狀態(tài)。第27頁馳豫現(xiàn)象與馳豫時間（Relaxation）射頻脈沖停頓后，在主磁場作用下，橫向宏觀磁化矢量逐步縮小到零，縱向宏觀磁化矢量從零逐步回到平衡狀態(tài)，這個過程稱為核磁弛豫。核磁弛豫又可分解為兩個部分：橫向弛豫:橫向磁化矢量降低,直至到0狀態(tài)過程。縱向弛豫:縱向磁化矢量開始恢復(fù)，直至恢復(fù)到平衡狀態(tài)過程。第28頁Studyquestions:1. Whatisthedifferencebetweenlongitudinalmagnetizationandtransversemagnetization?2. WhatistheLarmorFrequency?Howdoesitrelatetothegyromagneticratio?Howdoesitrelatetomagneticresonance?3. Howdoesthenetmagnetizationofaspinsystem(e.g.,asetofatomicnucleiinavoxel)changeovertimewhenexposedtoastrongmagneticfield?4. Whydoesthenetmagnetizationneedtobetippedfromthelongitudinalplanetothetransverseplane?第29頁二、磁共振信號產(chǎn)生第一步：靜磁場

進入主磁場后，質(zhì)子自旋產(chǎn)生核磁與主磁場相互作用發(fā)生進動進動使每個質(zhì)子核磁存在方向穩(wěn)定縱向磁化分矢量和旋轉(zhuǎn)橫向磁化分矢量因為相位不一樣，只有宏觀縱向磁化矢量產(chǎn)生，并無宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生第30頁第二步：靜磁場+射頻射頻激發(fā)后，人體內(nèi)宏觀磁場偏轉(zhuǎn)了90度，MR能夠檢測到人體發(fā)出信號氫質(zhì)子含量高組織縱向磁化矢量大，90度脈沖后偏轉(zhuǎn)到橫向磁場越強，MR信號強度越高。此時MR圖像可區(qū)分質(zhì)子密度不一樣兩種組織第31頁第32頁第三步：射頻消失無線電波激發(fā)使磁場偏轉(zhuǎn)90度，關(guān)閉無線電波后，磁場又慢慢回到平衡狀態(tài)（縱向)第33頁縱向弛豫時間T1

指90度脈沖關(guān)閉后，在主磁場作用下，縱向磁化矢量開始恢復(fù)，直至恢復(fù)到平衡狀態(tài)縱向磁場強度63%所需時間，反應(yīng)組織T1弛豫快慢。第34頁不一樣組織有不一樣T1弛豫時間第35頁橫向弛豫時間T2

指90度脈沖關(guān)閉后，橫向最大磁化矢量降低了63%所需時間，反應(yīng)組織T2弛豫快慢。第36頁第37頁不一樣組織橫向弛豫速度不一樣（T2值不一樣）第38頁人體各種組織T2弛豫要比T1弛豫快得多T2<<T1第39頁主要提醒不一樣組織有著不一樣質(zhì)子密度(如:氫)橫向(T2)弛豫速度30-150ms縱向(T1)弛豫速度300-ms這是MRI顯示解剖結(jié)構(gòu)和病變基礎(chǔ)第40頁第四步：MR信號接收第41頁磁共振“加權(quán)成像”所謂加權(quán)就是“重點突出”意思T1加權(quán)成像（T1WI）----突出組織T1弛豫（縱向弛豫）差異T2加權(quán)成像（T2WI）----突出組織T2弛豫（橫向弛豫）差異質(zhì)子密度加權(quán)成像（PD）－突出組織氫質(zhì)子含量差異T1WIT2WIPD第42頁在任何序列圖像上，信號采集時刻旋轉(zhuǎn)橫向磁化矢量越大，MR信號越強第43頁T1加權(quán)成像(T1WI)T1值越小

縱向磁化矢量恢復(fù)越快

MR信號強度越高（白）T1值越大

縱向磁化矢量恢復(fù)越慢

MR信號強度越低（黑）脂肪T1值約為250毫秒

MR信號高（白）水T1值約為3000毫秒

MR信號低（黑）反應(yīng)組織縱向弛豫快慢！第44頁T1WI腦水平衡狀態(tài)90縱向弛豫90第45頁T2加權(quán)成像（T2WI)T2值小

橫向磁化矢量降低快

MR信號低（黑）T2值大

橫向磁化矢量降低慢

MR信號高（白）水T2值約為3000毫秒

MR信號高腦T2值約為100毫秒

MR信號低反應(yīng)組織橫向弛豫快慢！第46頁T2WI平衡狀態(tài)90度激發(fā)后采集信號時刻腦水第47頁人體大多數(shù)病變T1值、T2值均較對應(yīng)正常組織大，因而在T1WI上比正常組織“黑”，在T2WI上比正常組織“白”。第48頁普通說來，一個組織T2值小于其T1值。T1值較大組織，其T2值普通也較大；即T1值與T2值有某種程度上相關(guān)性。

T1Whitematter390Graymatter520CSFSkeletalMuscle600