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1、MRI技术简介及其发展,生物物理-蒋刚,一，MRI基本原理，基本概念,1、人体MR成像的物质基础,通常所指的MRI为氢质子的MR图像,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）。,地磁、磁铁、核磁示意图,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。,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
2、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。,进入主磁场前后人体组织质子的核磁状态,1H产生了能级分裂，处在低能级的1H总是占多数,在磁场内-质子排列有序，质子自旋产生的磁场方向平行于（指向上）或者是反平行于（指向下）磁力线。,处于高能状态太累了，并非人人都能做到,处于低能状态的略多一点,进动和进动频率：,1.当我们开启外磁场B0，质子会像陀螺一样，不仅围绕自己自身的轴自旋，同时也绕外磁场B0的轴向旋转-进动。2.质子每秒进动的次数-进动频率。拉莫方程：B0，是比例常数，对于1H,(H)=42.6MHz/T。,纵向磁化,1.
3、指向上与指向下质子的磁矢量抵消，余下指向上质子的总矢量为纵向矢量。磁化沿外磁场纵轴方向而得名。病人成了一个大磁体。2.质子相位不同，而已质子在X-Y平面的水平矢量总和为0.,3.射频电磁波对质子的作用,进入主磁场后人体被磁化了，产生纵向宏观磁化矢量不同的组织由于氢质子含量的不同，宏观磁化矢量也不同磁共振不能检测出纵向磁化矢量,？,如何产生一个X-Y平面的磁矢量-沿X轴方向加入磁场B1。,施加B1后，因初始状态M0与 B0平行，所以B0对M0的力矩为零；但初始状态M0与B1垂直，则将产生一力矩，此力矩将使磁矩以M0为为初始磁化矢量绕B1旋进，结果是与B0的夹角不断增加。M在B1和B0作用下，运动
4、轨迹为从球面顶点开始逐渐展开的螺旋线。沿X轴方向施加的旋转磁场B1就是MRI设备中所产生并施加到被检体的射频脉冲电磁波即RF电磁波。即向被检体施加射频脉冲。因其频率与进动频率相同，H核吸收能量而发生共振,射频脉冲(RF)的效应(一),纵向磁化减小：质子吸收能量后，从低能级（指向上)跃迁到高能级(指向下)，指向下抵消指向上的质子的磁力，引起纵向磁化减小。,射频脉冲(RF)的效应(二),横向磁化：引起质子同步，同速运动，处于同相，在XY平面上产生新的磁化，即横向磁化。（旋转坐标系）,角脉冲及磁共振信号,RF电磁波对样品激励的宏观表现是：磁化强度矢量以M0为初矢量逐渐偏离外磁场方向。角越大，获能越多
5、。常用的基本脉冲：90、180。90脉冲表现为从M0开始逐渐展开成半球面螺旋线。,低能的超出部分的氢质子有一半获得能量进入高能状态，高能和低能质子数相等，纵向磁化矢量相互抵消而等于零,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,90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通过接收线圈，MR仪可以检测到。,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度脉冲后偏转道横向的磁场越强，MR信号强度越高。此时的MR图像可区分质子密
6、度不同的两种组织。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),在横向上,自旋核从相对有序状态向相对无序状态的过渡。开始时为聚焦状态，因每个自旋核相当于一个小磁体，彼此之间的相互作用很快使自旋核由聚焦的方向上分散开来。,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T2：就是横向磁化矢量Mxy
7、减少到M0的37%的时间。纵向弛豫T1：就是纵向磁化矢量Mz恢复到M0的63%的过程。,不同的组织横向弛豫速度不同不同的组织T2值不同,不同组织有不同的纵向弛豫速度不同组织T1值不同,不同组织有着不同质子密度横向(T2)弛豫速度纵向(T1)弛豫速度这是MRI显示解剖结构和病变的基础,重要提示,在任何序列图像上，信号采集时刻旋转横向的磁化矢量越大，MR信号越强,T2加权成像（T2WI),反映组织横向弛豫的快慢！,T2值小 横向磁化矢量减少快 MR信号低（黑）T2值大 横向磁化矢量减少慢 MR信号高（白）水T2值约为3000毫秒 MR信号高脑T2值约为100毫秒 MR信号低,T1加权成像(T1WI
8、),反映组织纵向弛豫的快慢！,T1值越小 纵向磁化矢量恢复越快 MR信号强度越高（白）T1值越大 纵向磁化矢量恢复越慢 MR信号强度越低（黑）脂肪的T1值约为250毫秒 MR信号高（白）水的T1值约为3000毫秒，MR信号低（黑）,重要提示!,人体大多数病变的T1值、T2值均较相应的正常组织大，因而在T1WI上比正常组织“黑”，在T2WI上比正常组织“白”。,二、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,主磁体,磁共振最基本的构建 产生磁场的装置 最重要的指标为磁场强度和均匀度,MRI按磁场产生方式分类,永磁,电磁,常导,超导,主磁
9、体,0.35T 永磁磁体,1.5T 超导磁体,梯度线圈,梯度线圈性能的提高 磁共振成速度加快作用：空间定位产生信号没有梯度磁场的进步就没有快速、超快速成像技术,脉冲线圈,作用：如同无线电波的天线激发人体产生共振（广播电台的发射天线）采集MR信号（收音机的天线）,脉冲线圈的分类激发并采集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）,计算机系统及谱仪,数据的运算控制扫描显示图像,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,三、MRI进展方向,成像速度更快常规SE、T2WI序列 15-25分钟快速超快速梯度回波 1秒以内EPI 100毫秒以内,分秒
10、,秒,空间分辨率更高常 规：256256高分辨：512 512，1024 1024,512 512,脑功能成像,磁共振波谱分析,从单纯形态学分析向功能成像转变脑功能成像心功能成像肝功能成像肾功能成像磁共振波谱分析（MRS）,核磁共振谱,人脑部水抑制质子谱,？,为何不是一根垂直于水平轴的直线？,一，谱线为什么会变宽？1，量子力学的不确定关系导致频带变宽；2，外磁场不均匀导致谱线变宽；3，谱线具有一定宽度，所以就具有一定形状，因而可以求代谢物浓度和含量,二，为什么单一的谱线变为多根位置不同的谱线？不同原子基团核外的电子云对核的屏蔽作用不同，导致不同，因而不同的基团核的共振频率会有微小区别，称之为化学位移。总结：MRS反映了物质深层次的化学信息，对外磁场B0的要求比MRI高两个数量级，要求更为严格。意义：很多疾病在早期时，代谢的变化比病理形态出现的更早，做到早诊断，早预防，早治疗。,Thanks!,
