核磁共振成像原理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 核磁共振成像原理,本章主要讲述内容：,磁共振信号的产生,磁共振信号的获取与傅立叶变换,像素位置信息确实定梯度,像素灰度信息信号幅度确实定,序列参数对图像权重的影响,磁共振成像序列,进动频率(Precession Frequency),拉莫尔方程,其中：0：进动的频率 Hz或MHz B0：外磁场强度(单位T，特斯拉)。：旋磁比；质子的为 42.5MHz/T。,核的种类,(质子数中子数),质子数或,原子序数(,Z,),中子数(,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,spin,r,/2,(MHz/T),自然產率(,%),體內含量,相對靈敏度,1,H,1/2,42.58,99.98,100,M,1,13,C,1/2,10.71,1.108,10,mM,3,10,-3,14,N,1,3.08,99.63,10,mM,2,10,-7,19,F,1/2,40.05,100,10,mM,9,10,-5,23,Na,3/2,11.26,100,80,mM,1,10,-3,31,P,1/2,17.23,100,10,mM,4,10,-5,39,K,3/2,1.99,93.1,45,mM,1,10,-4,各种MR核的比照,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鼓励撤销后回到原本原始、平衡状态的性质；这种从鼓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；,弛豫过程是鼓励过程的反过程,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,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,a、射频结束瞬间，横向磁化到达最大,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，横向磁化矢量为零,横向弛豫过程,纵向恢复时间T1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。弛豫快慢遵循指数递增规律，把从0增大到最大值的63%的所需时间称定义为,纵向驰豫时间(T1),。,弛豫时间T,纵向驰豫时间T1,T1,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。,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差异较大，对能量传递有效性差，因此T1较长。上图中白线表示的脑脊液的t1为3秒。,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，因此T1较短。上图中红线代表的脑白质的t1为0.9秒,横向恢复时间T2是由于相位同步质子的又开始变得不同步,所以横向磁化减小。弛豫快慢遵循指数递减规律，把从最大下降到最大值的37%的时间定义为,横向驰豫时间(T2),。,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。,几种常见组织在不同场强下的T1，T2及质子密度值,组织,T1,T2,质子密度(%),0.2T,1.0T,1.5T,脂肪,240,-,-,60,9.6,白质,390,620,718,76,10.6,灰质,490,810,998,91,10.6,脑脊液,1400,2500,3000,140,10.8,肌肉,370,730,860,50,9.3,驰豫过程的综合表示三种运动的综合过程,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,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？,FID,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时间差异表达在图像的灰度差异，那么能够到达区分正常组织和病变组织的目的，完成对疾病的诊断；,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；,根本理论为：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；,根本理论为：Bloch方程；,在理解和应用时需区分场合，相得益彰；,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到达平衡时采集信号；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；,扫场法,扫频法,核磁共振波谱仪结构,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,Amplitude,第三节 磁共振信号的空间定位,MRS：MR Spectroscopy,MRI：MR Imaging,核磁共振的2大用途：,核磁共振谱图：分子结构的“指纹,组成灰度数字图像的根本单元是像素,像素只有两个根本信息：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,加快磁共振成像时间的途径,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，使每秒获取的图像到达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；,梯度的转换速度要到达今天常规梯度的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。,震荡梯度Gr,主要用于功能MRI,RF,Gp,回波链,Gr,回波链,自旋回波EPI,梯度回波EPI,2次激发EPIMS-EPI序列及其K空间,