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1、磁共振成像的基本原理和概念,武警辽宁省总队医院脑系科 马明,1946 发现磁共振现象 Bloch Purcell Bloch和Purcell因这一贡献而获得1952年的诺贝尔物理奖。1971 发现肿瘤的T1、T2时间长 Damadian 1973 做出两个充水试管MR图像 Lauterbur 1974 活鼠的MR图像 Lauterbur等 1976 人体胸部的MR图像 Damadian 1977 初期的全身MR图像 Mallard 1980 磁共振装置商品化 2003 诺贝尔奖金 Lauterbur Mansfield,时间,发生事件,作者或公司,磁共振发展史,第一节 磁共振成像仪的基本硬件,
2、医用MRI仪通常由主磁体、梯度线圈、脉冲线圈、计算机系统及其他辅助设备等五部分构成。,一、主磁体 主磁体是MRI仪最基本的构件，是产生磁场的装置。根据磁场产生的方式可将主磁体分为永磁型和电磁型。电磁型主磁体是利用导线绕成的线圈，通电后即产生磁场，根据导线材料不同又可将电磁型主磁体分为常导磁体和超导磁体。超导磁体的线圈导线采用超导材料制成，置于液氦的超低温环境中，导线内的电阻抗几乎消失，一旦通电后在无需继续供电情况下导线内的电流一直存在，并产生稳定的磁场，目前中高场强的MRI仪均采用超导磁体。主磁体最重要的技术指标包括场强、磁场均匀度及主磁体的长度。,主磁场的场强可采用高斯（Gauss，G）或特
3、斯拉（Tesla，T）来表示，特斯拉是目前磁场强度的法定单位。距离5安培电流通过的直导线1cm处检测到的磁场强度被定义为1高斯。特斯拉与高斯的换算关系为：1 T=10000 G。1999年以来，3.0 T的超高场强MRI仪通过FDA认证进入临床应用阶段。目前一般把0.5 T以下的MRI仪称为低场机，0.5 T到1.0 T之间的称为中场机，1.0 T到2.0之间的称为高场机（1.5 T为代表），大于2.0 T的称为超高场机（3.0 T为代表）。,二、梯度线圈 梯度线圈是MRI仪最重要的硬件之一，主要作用有：（1）进行MRI信号的空间定位编码；（2）产生MR回波（梯度回波）；（3）施加扩散加权梯度
4、场；（4）进行流动补偿；（5）进行流动液体的流速相位编码。梯度线圈由X、Y、Z轴三个线圈构成（在MR成像技术中，把主磁场方向定义为Z轴方向，与Z轴方向垂直的平面为XY平面）。,梯度线圈是特殊绕制的线圈，以Z轴线圈为例，通电后线圈头侧部分产生的磁场与主磁场方向一致，因此磁场相互叠加，而线圈足侧部分产生的磁场与主磁场方向相反，因此磁场相减，从而形成沿着主磁场长轴（或称人体长轴），头侧高足侧低的梯度场，梯度线圈的中心磁场强度保持不变。X、Y轴梯度场的产生机理与Z轴方向相同，只是方向不同而已。梯度线圈的主要性能指标包括梯度场强和切换率（slew rate）。,梯度场强是指单位长度内磁场强度的差别，通常
5、用每米长度内磁场强度差别的毫特斯拉量（mT/M）来表示。图1为梯度场强示意图,有效梯度场两端的磁场强度差值除以梯度场施加方向上有效梯度场的范围（长度）即表示梯度场强，即：梯度场强（mT/M）梯度场两端的磁场强度差值/梯度场的长度,切换率（slew rate）是指单位时间及单位长度内的梯度磁场强度变化量，常用每秒每米长度内磁场强度变化的毫特斯拉量（mT/M.S）来表示，切换率越高表明梯度磁场变化越快，也即梯度线圈通电后梯度磁场达到预设值所需要时间（爬升时间）越短。图2为梯度场切换率示意图。,梯度场的变化可用梯形来表示，梯形中只有中间的矩形部分才是有效的，矩形部分表示梯度场已经达到预定值并持续存在
6、，梯形的左腰表示梯度线圈通电后梯度场强逐渐增高、直至预定值，用t表示梯度场增高到预定值所需的时间，则梯度场的切换率梯度场预定强度/t实际上就是梯形左腰的斜率。斜率越大，即切换率越高，梯度场爬升越快，所需的爬升时间越短。,梯度线圈性能的提高对于MR超快速成像至关重要，可以说没有梯度线圈的进步就不可能有超快速序列。近几年快速或超快速成像技术的发展可以说是直接得益于梯度线圈性能的改进。1.5T MRI仪最高配置的梯度线圈场强已达60mT/m，切换率超过200 mT/m.s。需要指出的是由于梯度磁场的剧烈变化会对人体造成一定的影响，特别是引起周围神经刺激，因此梯度磁场场强和切换率不是越高越好，是有一定
7、限制的。,三、脉冲线圈 脉冲线圈也是MRI仪的关键部件，脉冲线圈有发射线圈和接收线圈之分。发射线圈发射射频脉冲（无线电波）激发人体内的质子发生共振，就如同电台的发射天线；接收线圈接收人体内发出的MR信号（也是一种无线电波），就如同收音机的天线。,MR成像对脉冲线圈也有很高的要求，发射线圈应尽可能均匀地发射射频脉冲，激发感兴趣容积内的质子。发射线圈所发射的射频脉冲的能量与其强度和持续时间有关，现代新型的发射线圈由高功率射频放大器供能，所发射的射频脉冲强度增大，因而所需要的持续时间缩短，加快了MRI的采集速度。与MR图像信噪比密切相关的是接收线圈，接收线圈离检查部位越近，所接收到的信号越强，线圈内
8、体积越小，所接收到的噪声越低，因而各产家开发了多种适用于各检查部位的专用表面线圈，如心脏线圈、肩关节线圈、直肠内线圈、脊柱线圈等。,近年来出现的表面相控阵线圈（phased array coils）是脉冲线圈技术的一大飞跃。一个相控阵线圈由多个子线圈单元（element）构成，同时需要有多个数据采集通道（channel）与之匹配。目前临床上推出最新型的相控阵线圈的子单元和与之匹配的数据采集通道为8个以上。利用相控阵线圈可明显提高MR图像的信噪比，有助于改善薄层扫描、高分辨扫描及低场机的图像质量。利用相控阵线圈与平行采集技术相配合，可以进一步提高MRI的信号采集速度。,四、计算机系统 计算机系统
9、属于MRI仪的大脑，控制着MRI仪的脉冲激发、信号采集、数据运算和图像显示等功能。,五、其他辅助设备 除了上述重要硬件设备外，MRI仪还需要一些辅助设施方能完成病人的MRI检查，例如：检查床、液氦及水冷却系统、空调、胶片处理系统等。,第二节 磁共振成像的物质基础,一、原子的结构 原子是由原子核及位于其周围轨道中的电子构成的，电子带有负电荷。原子核由中子和质子构成，中子不带电荷，质子带有正电荷。,二、自旋和核磁的概念 任何原子核都有一个特性，就是总以一定的频率绕着自己的轴进行高速旋转，我们把原子核的这一特性称为自旋（spin）。由于原子核带有正电荷，原子核的自旋就形成电流环路，从而产生具有一定大
10、小和方向的磁化矢量。我们把这种由带有正电荷的原子核自旋产生的磁场称为核磁。因此以前大家也把磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）称为核磁共振成像（neuclear magnetic resonance imaging，NMRI）。,三、磁性和非磁性原子核 并非所有原子核的自旋运动均能产生核磁，根据原子核内中子和质子的数目不同，不同的原子核产生不同的核磁效应。如果原子核内的质子数和中子数均为偶数，则这种原子核的自旋并不产生核磁，我们称这种原子核为非磁性原子核。反之，我们把自旋运动能够产生核磁的原子核称为磁性原子核。磁性原子核需要符合以下条件：（1）中子和质子均
11、为奇数；（2）中子为奇数，质子为偶数；（3）中子为偶数，质子为奇数。,四、用于人体磁共振成像的原子 实际上人体内有许多种磁性原子核，表1.所列的为人体内常见的磁性原子核。,表1 人体内常见的磁性原子核,用于人体磁共振成像的原子核为质子（1H），选择1H的理由有：（1）1H是人体中最多的原子核，约占人体中总原子核数的2/3以上；（2）1H的磁化率在人体磁性原子核中是最高的。从附表1中可以看出，氢原子核（1H）在人体中的摩尔浓度最高，达到99，1H是氢原子核，仅有一个质子而没有中子，由于人体MR图像一般采用1H作为成像对象，因此除非特殊说明，一般所指的MR图像即为1H的共振图像。,第三节 进入主磁
12、场前后人体内质子核磁状态的变化,一、进入主磁场前人体内质子的核磁状态 人体的质子不计其数，每毫升水中的质子数就达31022个。每个质子自旋均能产生1个小磁场，人体内如此多的质子自旋将产生无数个小磁场，那么人体不就象块大磁体了吗？事实并非如此，尽管每个质子均能产生1个小磁场，这种小磁场的排列是随机无序（即杂乱无章）的，使每个质子产生的磁化矢量相互抵消（图3a），因此，人体自然状态下并无磁性，即没有宏观磁化矢量的产生。MRI仪仅能探测到宏观磁化矢量的变化，而不可能区分每个质子微观磁化矢量变化。那么如何产生宏观磁化矢量呢？简单的做法就是把人体放进一个大磁场（即主磁场）中。,图3 进入主磁场前后人体内
13、质子的核磁状态变化图a为进入主磁场前，尽管每个质子自旋都产生一个小磁场，但排列杂乱无章，磁化矢量相互抵消，因此没有宏观磁化矢量产生。图b示进入主磁场后，质子自旋产生的小磁场与主磁场平行排列，平行同向者略多于平行反向者，最后产生一个与主磁场方向一致的宏观纵向磁化矢量。,二、进入主磁场后人体内质子的核磁状态 进入主磁场后，质子产生的小磁场有两种排列方式，一种是与主磁场方向平行且方向相同，另一种是与主磁场平行但方向相反，处于平行同向的质子略多于处于平行反向的质子。从量子物理学的角度来说，这两种核磁状态代表质子的能量差别。平行同向的质子处于低能级，因此受主磁场的束缚，其磁化矢量的方向与主磁场的方向一致
14、；平行反向的质子处于高能级，因此能够对抗主磁场的作用，其磁化矢量尽管与主磁场平行但方向相反。由于处于低能级的质子略多于处于高能级的质子，因此进入主磁场后，人体内产生了一个与主磁场方向一致的宏观纵向磁化矢量,三、进动和进动频率 需要指出的是，进入主磁场后，无论是处于高能级还是处于低能级的质子，其磁化矢量并非完全与主磁场方向平行，而总是与主磁场有一定的角度。如图4a所示，陀螺在自旋力（以虚线为轴）与地球引力的相互作用下，不仅存在旋转运动，而且还出现绕着地球引力（以带箭头的黑实线为轴，箭头表示地球引力方向）的旋转摆动，这种旋转摆动的频率远低于旋转运动。如图4b所示，处于主磁场的质子也是一样，除了自旋
15、运动外，还绕着主磁场轴（虚线，箭头表示主磁场方向）进行旋转摆动，我们把质子的这种旋转摆动称为进动（precession）,图4a 陀螺旋进运动示意图 图4b 质子自旋及进动示意图,进动是磁性原子核自旋产生的小磁场与主磁场相互作用的结果，进动频率明显低于自旋频率，但对于磁共振成像的来说，进动频率比自旋频率重要得多。进动频率也称Larmor频率，其计算公式为：.B，式中为Larmor频率，为磁旋比（对于某一种磁性原子核来说是个常数，质子的约为42.5 mHz/T），B为主磁场的场强，单位为特斯拉（T）。从式中可以看出，质子的进动频率与主磁场场强成正比。,如图5所示，由于进动的存在，质子自旋产生小磁
16、场又可以分解成两个部分，一部分为方向恒定的纵向磁化分矢量（条状虚线箭头），处于高能级者与主磁场方向相反，处于低能级者与主磁场的方向相同；另一部分为以主磁场方向（B0）即Z轴为轴心，在X、Y平面旋转的横向磁化分矢量（圆点虚线箭头）。就纵向磁化分矢量来说，由于处于低能级的质子略多于处于高能级者，最后会产生一个与主磁场同向的宏观纵向磁化矢量。,就横向磁化分矢量来说，如图6所示，我们沿Z轴方向看XY平面上的横向磁化分矢量的分布，圆圈及其箭头表示质子进动产生的横向磁化分矢量是绕Z轴旋转的，圆点虚线箭头代表各质子的横向磁化分矢量，由于每个旋转的横向磁化分矢量所处的的相位不同，磁化矢量相互抵消，因而没有宏观
17、横向磁化矢量产生。,图5 处于低能级和高能级状态下的质子由于进动产生纵向和旋转的横向磁化分矢量 图6 各质子旋转的横向磁化分矢量由于相位不同而相互抵消，没有宏观横向磁化矢量产生,因此，人体进入主磁场后被磁化了，但没有宏观横向磁化矢量产生，仅产生了宏观的纵向磁化矢量，某一组织（或体素）产生的宏观矢量的大小与其含有的质子数有关，质子含量越高则产生宏观纵向磁化矢量越大。我们可能认为MRI已经可以区分质子含量不同的组织了。然而遗憾的是MRI仪的接收线圈并不能检测到宏观纵向磁化矢量，也就不能检测到这种宏观纵向磁化矢量的差别。那么接收线圈能够检测到怎样的宏观磁化矢量呢？,接受线圈能够检测到的是旋转的宏观横
18、向磁化矢量，因为旋转的宏观横向磁化矢量可以切割接收线圈产生电信号。那么如何才能产生接收线圈能够探测到的旋转宏观横向磁化矢量呢？,第四节 磁共振现象,一、共振的概念和磁共振现象 共振是广泛存在于日常生活中的物理学现象，举个例子，一个人手上拿着一个中号音叉，在邻近的实验台上竖放着大号、中号、小号三个音叉，如果用一个锤子轻轻敲击手中的音叉，就会发现实验台上的中号音叉振动并发声，而大号和小号的音叉没有反应，这就是典型的共振现象。物理学上，共振被定义为能量从一个振动着的物体传递到另一个物体，而后者以前者相同的频率振动。从这个概念可以看出，共振的条件是相同的频率，实质是能量的传递。,如果我们给处于主磁场中
19、的人体组织一个射频脉冲，这个射频脉冲的频率与质子的进动频率相同，射频脉冲的能量将传递给处于低能级的质子，处于低能级的质子获得能量后将跃迁到高能级，我们把这种现象称为磁共振现象。从微观角度来说，磁共振现象是低能级的质子获得能量跃迁到高能级。从宏观的角度来说，磁共振现象的结果是使宏观纵向磁化矢量发生偏转，偏转的角度与射频脉冲的能量有关，能量越大偏转角度越大。,射频脉冲能量的大小与脉冲强度及持续时间有关，当宏观磁化矢量的偏转角度确定时，射频脉冲的强度越大，需要持续的时间越短。当射频脉冲的能量正好使宏观纵向磁化矢量偏转90，即完全偏转到X、Y平面，我们称这种脉冲为90脉冲。如果射频脉冲使宏观磁化矢量偏
20、转的角度小于90，我们称这种脉冲为小角度脉冲。如果射频脉冲脉冲的能量足够大，使宏观磁化矢量偏转180，即产生一个与主磁场方向相反的宏观纵向磁化矢量，我们把这种射频脉冲称为180脉冲。,二、90射频脉冲的微观和宏观效应 如前一节所述，接收线圈仅能接收旋转的宏观横向磁化矢量，因此在MR成像中必须有宏观横向磁化矢量的产生。在各种角度的射频脉冲中，90射频脉冲产生的横向宏观磁化矢量最大。90脉冲是MRI序列中最常用的射频脉冲之一，让我们来看看90脉冲激发后的微观效应。,图7所示为90脉冲的微观效应。从微观上讲，90脉冲的效应可以分解成两个部分来理解：（1）90脉冲使处于低能级多出处于高能级的那部分质子
21、，有一半获得能量进入高能级状态，这就使处于低能级和高能级的质子数目完全相同，两个方向的纵向磁化分矢量相互抵消，因此宏观纵向磁化矢量等于零。（2）90脉冲前，质子的横向磁化分矢量相位不同，90脉冲可使质子的横向磁化分矢量处于同一相位，因而产生了一个最大旋转宏观横向磁化矢量。,图7 90脉冲激发前后微观和宏观磁化矢量的变化,X、Y、Z虚线坐标分别代表X、Y、Z轴。左图为90脉冲激发前，表示平衡状态下，处于低能级的质子略多于处于高能级者（图中标出多出6个），从而产生与主磁场同向的宏观纵向磁化矢量（纵向空箭），但由于质子相位不同，没有宏观横向磁化矢量产生。右图为90脉冲激发后，低能级超出高能级的质子有
22、一半（3个）获得能量越迁到高能级，此时处于高能级和低能级的质子数完全相同，宏观纵向磁化矢量消失；同时由于90脉冲的聚相位效应，产生了旋转的宏观横向磁化矢量（横向空箭）。,90脉冲激发后所产生的横向宏观磁化矢量的大小与脉冲激发前（即平衡状态下）的宏观纵向磁化矢量的大小有关。宏观纵向磁化矢量越大，90脉冲激发后产生的宏观横向磁化矢量越大，MR信号就越强；宏观纵向磁化矢量越小，90脉冲激发后产生的旋转宏观横向磁化矢量越小，MR信号就越弱。在本章第三节我们已经提到，平衡状态下宏观纵向磁化矢量的大小与组织中的质子含量（即质子密度）有关，由于90脉冲能够使宏观纵向磁化矢量偏转到X、Y平面，产生旋转的宏观横
23、向磁化矢量，这样MRI就能区分质子密度不同的人体组织了。但是仅区分不同组织的质子含量差别，对于临床诊断来说是远远不够的，所以我们一般不是在90脉冲后马上采集MR信号，而是在90脉冲关闭后等待一定时间再进行信号采集。,第五节 核磁弛豫,在这一节中让我们来看看90脉冲关闭后人体组织中的质子的核磁状态又发生了什么变化。90脉冲关闭后，组织的宏观磁化矢量逐渐又回到平衡状态，我们把这个过程称为核磁弛豫。核磁弛豫又可分解成两个相对独立的部分：（1）横向磁化矢量逐渐减小直至消失，称为横向弛豫；（2）纵向磁化矢量逐渐恢复直至最大值（平衡状态），称为纵向弛豫。,一、自由感应衰减和横向弛豫 90脉冲关闭后，横向磁
24、化矢量将逐渐减小，最后将衰减到零。前面第四节我们已经讲到，90脉冲产生宏观磁化矢量的原因是使质子小磁场的横向磁化分矢量聚相位。90脉冲关闭后，宏观横向磁化矢量衰减的原因与之相反，即处于同相位的质子发生了相位的离散（失相位），其横向磁化分矢量逐渐相互抵消，因此宏观横向磁化矢量衰减直至到零（图8）。,致使质子失相位的原因有两个：（1）质子周围磁环境随机波动。每个质子都暴露在周围无数个其他原子核和电子的磁环境中，而周围这些带电粒子一直处于热运动状态，这样质子感受到的磁场就会有轻微波动，且这种波动是随机的，由于质子周围磁环境的这种随机的轻微波动，各个质子所感受到的磁场就会有差别，也就造成了质子之间的进
25、动频率出现差别，其结果引起质子逐渐的失相位，宏观横向磁化矢量逐渐衰减；,（2）主磁场的不均匀。尽管我们追求主磁场的绝对均匀，但实际上这是不可能，主磁场总是一定程度的不均匀，这种不均匀性一般认为是较为恒定的，也就是说某处一直轻微偏高，而另一处则一直轻微偏低，主磁场的这种不均匀同样会造成质子失相位，引起宏观磁化矢量的衰减。,图8 横向弛豫示意图 图a示90脉冲使质子聚相位，产生宏观横向磁化矢量（水平空箭）；图b图c示90脉冲关闭后，质子逐渐失相位，宏观横向磁化矢量逐渐衰减（水平空箭）,由于受上述两个方面磁场不均匀的影响，实际上90脉冲关闭后，宏观横向磁化矢量将呈指数式衰减，我们把宏观横向磁化矢量的
26、这种衰减称为自由感应衰减（free induction decay，FID），也称T2*弛豫（图9）。,图9 组织自由感应衰减（FID）和T2弛豫的差别 纵坐标为横向磁化矢量（Mxy）的大小（以表示），横坐标为时间（以ms表示）。受横向弛豫和主磁场不均匀的双重影响，横向磁化矢量很快衰减，称为FID（圆点虚曲线）；剔除主磁场不均匀造成的质子失相位，得到的横向磁化矢量衰减为真正的T2弛豫（实曲线）。从图中可以看出，同一组织的T2弛豫要远远慢于FID。以该组织的T2弛豫曲线为准，以90脉冲后横向磁化矢量达到最大值（100%）的时间点为t0，以横向磁化矢量衰减到最大值的37%的时间点为t/，t0与t/
27、的时间间隔为该组织的T2值。,图10 不同组织的T2弛豫差别 纵坐标为横向磁化矢量（Mxy）的大小（以表示），横坐标为时间（以ms表示）。不同的组织由于结构不同，T2弛豫快慢不同。图中细曲线为甲组织的T2弛豫曲线，粗曲线为乙组织的T2弛豫曲线。以90脉冲后横向磁化矢量达到最大值（100%）的时间点为t0，以甲组织的横向磁化矢量衰减到最大值的37%的时间点为t/，t0与t/的时间间隔为甲组织的T2值；以乙组织的横向磁化矢量衰减到最大值的37%的时间点为t/，t0与t/的时间间隔为乙组织的T2值。由于甲组织T2弛豫快，其T2值短于乙组织。,剔除了主磁场不均匀的影响（利用180复相脉冲，详见SE序列
28、），质子周围其他磁性原子核的随机运动引起的宏观横向磁化矢量的衰减才是真正的横向弛豫，即T2弛豫，也称自旋自旋弛豫（spin-spin弛豫），我们用T2值来描述组织横向弛豫的快慢（图9）。90脉冲后，某组织宏观横向磁化矢量达到最大值，以90脉冲关闭后的零时刻为起点，以T2弛豫造成的横向磁化矢量衰减到最大值的37%为终点，起点与终点之间的时间间隔即为该组织的T2值（图9）。不同的组织由于质子周围微观磁环境不同，T2弛豫速度存在差别，即T2值存在差别（图10，表2）。同时需要指出的是，即便是同一组织，在不同的主磁场场强下，T2值也会发生改变，一般场强越高，组织的T2值越短。但组织的T2值受主磁场场强
29、的影响不如T1值受后者的影响大。,表2 1.5T场强下正常人体组织的T1、T2参考值,二、纵向弛豫 如前所述，射频脉冲给予低能级质子能量，后者获能跃迁到高能级，结果根据射频脉冲的能量大小，宏观纵向磁化矢量发生不同的变化。如30的小角度激发，宏观纵向磁化矢量缩小；90脉冲激发，宏观纵向磁化矢量消失；180脉冲激发，则宏观纵向磁化矢量方向反转，变成与主磁场方向相反，但大小不变。无论是多少角度的激发，射频脉冲关闭后，在主磁场的作用下，宏观纵向磁化矢量将逐渐恢复到平衡状态，我们把这一过程称为纵向弛豫，即T1弛豫。,图11 不同组织的纵向弛豫 纵坐标为纵向磁化矢量（Mz）的大小（以表示），横坐标为时间（
30、以ms表示）。图中细曲线为甲组织的纵向弛豫曲线，粗曲线为乙组织的纵向弛豫曲线。以90脉冲后横向磁化矢量达到最大值（100%）的时间点为t0，以甲组织的纵向磁化矢量恢复到最大值的63%的时间点为t/，t0与t/的时间间隔为甲组织的T1值；以乙组织的纵向磁化矢量恢复到最大值的63%的时间点为t/，t0与t/的时间间隔为乙组织的T1值。由于甲组织纵向弛豫快，其T1值短于乙组织的T1值。,以90脉冲为例，90脉冲使宏观纵向磁化矢量消失，射频脉冲关闭后，纵向磁化矢量将从零开始逐渐恢复直到与主磁场同向的最大值（即平衡状态）（图11）。我们用T1值来描述组织的纵向弛豫速度。以90脉冲关闭后某组织的宏观纵向磁
31、化矢量为零，以此为起点，以宏观纵向磁化矢量恢复到最大值的63为终点，起点和终点的时间间隔即该组织的T1值（图11）。,射频脉冲的作用是使低能级的质子获能跃迁到高能级，即发生核磁共振现象。纵向弛豫为其反过程，即获能后处于高能级的质子释放出能量回到低能级。高能级的质子释放能量的速度与其周围分子的自由运动频率有关，周围分子的自由运动频率与质子的进动频率越接近，能量的释放越快，组织的纵向弛豫就越快。周围分子的自由运动频率明显高于或低于质子的进动频率，则这种能量释放很慢，组织的纵向弛豫所需时间就很长。磁共振物理学中，常把质子周围的分子称为晶格，因此纵向弛豫也称自旋-晶格弛豫。不同的组织由于质子周围的分子
32、自由运动频率不同，其纵向弛豫速度存在差别，即T1值不同（表2；图11）。人体组织的T1值受主磁场场强的影响较大，一般随场强的增高，组织的T1值延长。,第六节 磁共振加权成像,前面几节我们已经知道，不同的组织存在质子含量（质子密度）的差别、T1值差别及T2值的差别，这正是常规MRI能够显示正常解剖结构及病变的基础。下面我们看看如果利用不同组织间的这些差别来显示解剖和病变。,一、“加权”的含义 所谓加权即“突出重点”的意思，也即重点突出某方面特性。之所以要加权是因为在一般的成像过程中，组织的各方面特性（例如：质子密度、T1值、T2值）均对MR信号有贡献，几乎不可能得到仅纯粹反映组织一个特性的MR图
33、像，我们可以利用成像参数的调整，使图像主要反映组织某方面特性，而尽量抑制组织其他特性对MR信号的影响，这就是“加权”。T1加权成像（T1-weighted imaging，T1WI）是指这种成像方法重点突出组织纵向弛豫差别，而尽量减少组织其他特性如横向弛豫等对图像的影响；T2加权成像（T2-weighted imaging，T2WI）重点突出组织的横向弛豫差别；质子密度（proton density，PD）图像则主要反映组织的质子含量差别。,下面来看看加权成像是如何实现的，由于我们还没有涉及到具体的序列，这里仅介绍MR加权成像的基本原理，具体的参数设置将在脉冲序列一章中介绍。已如前述，MRI仪
34、的接收线圈不易检测到宏观纵向磁化矢量，而只能检测到旋转的宏观横向磁化矢量。这里还要补充一点，在MR成像中，无论是什么序列，什么加权成像，在MR信号采集时刻，组织的宏观横向磁化矢量越大，MR信号就越强。,二、质子密度加权成像 质子密度图主要反映不同组织间质子含量的差别。质子密度图很容易实现，以甲、乙两种组织为例，甲组织质子含量高于乙质子，进入主磁场后，质子含量高的甲组织产生的宏观纵向磁化矢量大于乙组织（图12a）；90脉冲后甲组织产生的旋转宏观横向磁化矢量就大于乙组织（图12b），这时马上检测MR信号，甲组织产生的MR信号将高于乙组织（图12c）。即质子密度越高，MR信号强度越大，这就是质子密度
35、加权成像。,图12 质子密度加权成像示意图 图a示由于甲组织的质子含量高于乙组织，进入主磁场所产生的宏观纵向磁化矢量（Mz）将大于乙组织；图b示90脉冲后，甲组织产生的宏观横向磁化矢量也大于乙组织；图c示接收线圈探测甲组织的MR信号大于乙组织。,三、T2加权成像 T2WI主要反映组织横向弛豫的差别。以甲、乙两种组织为例，假设这两种组织质子密度相同，但甲组织的横向弛豫比乙组织慢（即甲组织的T2值长于乙组织），进入主磁场后由于质子密度一样，甲乙两种组织产生的宏观纵向磁化矢量大小相同（图13a），90脉冲后产生的宏观横向磁化矢量的大小也相同（图13b），我们不马上检测MR信号；甲乙两种组织的质子将发
36、生横向弛豫，由于甲组织横向弛豫比乙组织慢，到一定时刻，甲组织衰减掉的宏观横向磁化矢量少于乙组织，其残留的宏观横向磁化矢量将大于乙组织（图13c），这时检测MR信号，甲组织的MR信号强度将高于乙组织（图13d），这样就实现了T2WI。在T2WI上，组织的T2值越大，其MR信号强度越大。,图13 T2加权成像示意图 图a示由于甲乙两种组织的质子密度相同，进入主磁场后产生的宏观纵向磁化矢量（Mz）也相同；图b示90脉冲激发后两种组织产生的宏观横向磁化矢量（Mxy）也相同，但此时不探测MR信号；图c示经过一定时间后，甲组织由于横向弛豫速度比乙组织慢，残留的横向磁化矢量（Mxy）大于乙组织；图d示此时接
37、收线圈探测到甲组织的MR信号强度大于乙组织。,四、T1加权成像 T1WI主要反映组织纵向弛豫的差别。我们还是以甲、乙两种组织为例，假设这两种组织质子密度相同，但甲组织的纵向弛豫比乙组织快（即甲组织的T1值短于乙组织）。进入主磁场后由于质子密度一样，甲乙两种组织产生的纵向磁化矢量大小相同（图14a），90脉冲后产生的宏观横向磁化矢量的大小也相同，我们先不去理会这种横向磁化矢量，也不马上检测MR信号。射频脉冲关闭后，甲乙两种组织将发生纵向弛豫，由于甲组织的纵向弛豫比乙组织快，过一定时间以后，甲组织已经恢复的宏观纵向磁化矢量将大于乙组织（图14b）。由于接收线圈不能检测到这种纵向磁化矢量的差别，必须
38、使用第二个90脉冲。第二个90脉冲后，甲、乙两组织的宏观纵向磁化矢量将发生偏转，产生宏观横向磁化矢量，因为这时甲组织的纵向磁化矢量大于乙组织，其产生的横向磁化矢量将大于乙组织（图14c），这时马上检测MR信号，甲组织产生的MR信号将高于乙组织（图14d），这样就实现了T1WI。在T1WI上，组织的T1值越小，其MR信号强度越大。,图14 T1加权成像示意图 图a示由于甲乙两种组织的质子密度相同，进入主磁场后产生的宏观纵向磁化矢量（Mz）也相同；90脉冲将使宏观纵向磁化矢量变成零，90脉冲关闭后两种组织发生纵向弛豫（即Mz从零开始逐渐恢复），由于甲组织T1值比乙组织短，到图b所示的时刻，甲组织已
39、经恢复的宏观纵向磁化矢量大于乙组织；图c示施加第二个90脉冲后，甲乙两组织的纵向磁化矢量偏转到XY平面，甲组织产生的宏观横向磁化矢量大于乙组织，此时立刻采集MR信号；图d示接收线圈探测到甲组织的MR信号强度大于乙组织。,第七节 磁共振信号的空间定位,在前面的章节我们已经知道，对于二维MR成像来说，接收线圈采集的MR信号含有全层的信息，我们必须对MR信号进行空间定位编码，让采集到MR信号中带有空间定位信息，通过数学转换解码，就可以将MR信号分配到各个像素中。MR信号的空间定位包括层面和层厚的选择、频率编码、相位编码。MR信号的空间定位编码是由梯度场来完成的，我们将以头颅横断面为例介绍MR信号的空
40、间定位。,一、层面的选择和层厚的决定 我们通过控制层面选择梯度场和射频脉冲来完成MR图像层面和层厚的选择。以1.5 T磁共振仪为例，在1.5 T的场强下，质子的进动频率约为64MHZ。图15所示为人头正面像，我们将进行横断面扫描，要进行层面的选择，必须在上下方向（即Z轴方向）上施加一个梯度场，Z轴梯度线圈中点位置（G0）由于磁场强度仍为1.5 T，因而该水平质子的进动频率保持在64MHZ。,从G0向头侧磁场强度逐渐降低，因而质子进动频率逐渐变慢，头顶部组织内质子的进动频率最低；从G0向足侧磁场强度逐渐增高，则质子进动频率逐渐加快，下颌部最高。单位长度内质子进动频率差别的大小与施加的梯度场强度有
41、关，施加梯度场强越大，单位长度内质子进动频率的差别越大。如果我们施加的梯度场造成质子进动频率的差别为1MHZ/cm，而我们所用的射频脉冲的频率为63.5 64.5MHZ，那么被激发的层面的位置（层中心）就在Z轴梯度线圈中点（G0），层厚为1cm，即层厚范围包括了Z轴梯度线圈中点上下各0.5cm的范围（图15a）。,图15 层面和层厚选择示意图 图中横实线表示层中心位置；两条虚横线之间距离表示层厚。图a示梯度场强造成的质子进动频率差别1 MHZ/cm，射频脉冲的频率范围为63.4-64.5 MHZ，则层中心在梯度场中点（G0），层厚1 cm；图b示梯度场保持不变，射频脉冲的频率范围为64.5-6
42、5.5 MHZ，则层厚保持1 cm，层中心向足侧移1 cm；图c示梯度场保持不变，射频脉冲的频率范围改为63.75-64.25 MHZ，则层中心位置不变，层厚变成0.5 cm；图d示射频脉冲的频率范围保持不变，梯度场强增加一倍，即造成的质子进动频率差别为2 MHZ/cm，则层中心保持不变，层厚变成0.5 cm。,我们对射频脉冲的频率及带宽和Z轴梯度场作不同的调整，层面和层厚将发生如下变化：（1）梯度场不变，射频脉冲的频率改成64.5 65.5MHZ，则层厚保持不变，层面中心向足侧移动1cm（图15b）；（2）梯度场不变，射频脉冲的频率范围（带宽）变成63.75 64.25MHZ，则层面中心不变
43、，层厚变薄为0.5cm（图15c）；（3）射频脉冲仍保持63.5 64.5MHZ，梯度场强增加使质子进动频率差达到2MHZ/cm，则层面中心保持不变，层厚变薄为0.5cm（图15d）。因此在检查部位与层面选择梯度线圈的相对位置保持不变的情况下，层面和层厚受梯度场和射频脉冲影响的规律如下：（1）梯度场不变，射频脉冲的频率增加，则层面的位置向梯度场高的一侧移动；（2）梯度场不变，射频脉冲的带宽加宽，层厚增厚；（3）射频脉冲的带宽不变，梯度场的场强增加，层厚变薄。,二、频率编码 前面的层面选择仅仅确定了被激发和采集的层面和层厚，可这时采集的MR信号包含有全层的信息，我们必须把采集的MR信号分配层面内
44、不同的空间位置上（即各个像素中），才能显示层面内的不同结构。因此在完成了层面选择后我们还必须进行层面内的空间定位编码。层面内的空间定位编码包括频率编码和相位编码。我们先介绍频率编码。,在介绍频率编码前，让我们先复习一下太阳光的特性。无色的太阳光经一块三棱镜的折射后可以分解出红、橙、黄、绿、青、兰、紫等七种颜色的光线，这七种颜色的光线代表7种不同的频率，红色频率最低，紫色频率最高。其实三棱镜之所以能从无色的太阳光中分辨出七种有色的光线，是因为无色的太阳光中本身就带有这七种频率的光线，只是各种频率的光线混杂在一起无法分辨而已，而通过三棱镜的折射则能分辨这七种不同频率的光线。,其实频率编码的原理与此
45、类似，傅里叶变换可以区分出不同频率的MR信号，但首先必须让来自不同位置的MR信号包含有不同的频率，采集到混杂有不同频率的MR信号后，通过傅里叶变换才能解码出不同频率的MR信号，而不同的频率代表不同的位置。,以头颅的横断面为例，一般以前后方向为频率编码方向，我们在MR信号采集的时刻在前后方向上施加一个前高后低的梯度场（图16a），这样在前后方向上质子所感受到的磁场强度就不同，其进动频率即存在差别，前部的质子进动频率高，而后部的质子进动频率低（图16b）。这样采集的MR信号中就包含有不同频率的空间信息，经傅里叶转换后不同频率的MR信号就被区分出来，分配到前后方向各自的位置上。,图16 频率编码示意
46、图 图a示颅脑一横断面，施加了一前高后低的梯度场，G0代表梯度场中点；图b仅以三行三列9个体素作为示意，中间一行由于位于梯度场中点（G0），质子进动频率保持64 MHZ，最前面一行由于磁场强度升高，质子进动频率加快到65 MHZ，最后面一行由于磁场强度降低，质子进动频率减慢为63 MHZ。MR信号采集后经傅里叶转换即可解码出不同频率的MR信号，而不同频率代表前后方向上的不同位置。需要指出的是图中为了说明的简便起见，用63 MHZ、64 MHZ、65 MHZ来代表频率编码方向上3个不同体素内质子的进动频率，实际上真正的频率编码时，体素间的质子进动频率差别不可能有这么大。,三、相位编码 在前后方向
47、上施加了频率编码梯度场后，经傅里叶转换的MR信号仅完成了前后方向的空间信息编码，而左右方向上的空间定位编码并未能实现（图17a）。我们必须对左右方向的空间信息进行相位编码，才能完成层面内的二维定位（图17b）。,和频率编码一样，相位编码也使用梯度场，但与频率编码梯度场不同的是：（1）梯度场施加方向不同，应该施加在频率编码的垂直方向上，还以颅脑横断面为例，如果频率编码梯度场施加在前后方向，则相位编码梯度场施加在左右方向上（图17b）。（2）施加的时刻不同，频率编码必须在MR信号采集的同时施加，而相位编码梯度场必须在信号采集前施加，在施加相位梯度场期间，相位编码方向上（以左右方向为例）的质子将感受
48、到不同强度的磁场（如左高右低），因而将出现左快右慢的进动频率，由于进动频率的不同，左右方向各个位置上的质子进动的相位将出现差别（图17b）。,这时关闭左右方向的相位编码梯度场，左右方向的磁场强度的差别消失，各个位置的质子进动频率也恢复一致，但前面曾施加过一段时间梯度场造成的质子进动的相位差别被保留下来（图17c），这时采集到的MR信号中就带有相位编码信息，通过傅里叶转换可区分出不同相位的MR信号，而不同的相位则代表左右方向上的不同位置。,图17 相位编码示意图 仍以图16的颅脑横断面为例，但仅以图16中的进动频率为64 MHZ的一行体素作为相位编码的示意。图a示在施加相位编码梯度前，左右方向上
49、各体素中质子的进动频率均为64 MHZ，相位也一致（空箭所示）；图b示在左右方向上施加一个左高右低的梯度场，位于相位编码梯度场中点（G0）的体素内的质子进动频率仍为64 MHZ，而最左边体素内的质子进动频率增加到65 MHZ，最右边体素内的质子进动频率减低到63 MHZ。这个梯度场施加一段时间后，左右方向上各体素内的质子由于进动频率不同出现相位差异（空箭所示）。图c示在MR信号采集前，把相位编码梯度场关闭，左右方向上体素内的质子进动频率又回到64 MHZ，即左右方向的进动频率差别消失，但由于相位编码梯度场造成的左右方向上各体素内质子的相位差别（空箭所示）被保留下来。MR信号被采集后经傅里叶转换
50、，就可以解码出左右方向上的相位差别。,由于傅里叶转换的特性，它区分不同频率的MR信号能力很强，但区分MR信号相位差别的能力较差，只能区分相位相差180的MR信号。所以MR信号的相位编码需要多次重复进行，如果是矩阵为256256的MR图像需进行256次相位编码方能完成，也就是说需要用不同的相位编码梯度场重复采集256个MR信号，不同的相位编码梯度场得到的MR信号也称相位编码线，填充在K空间相位编码方向上的不同位置上（图18a），经过傅里叶转换，才能重建出空间分辨力合乎要求的图像。K空间的基本概念和特点请参阅下一节。以刚才的左右方向为相位编码的颅脑横断面为例，这256种不同的相位编码梯度场一般情况
