簡(jiǎn)介:磁共振成像的物理學(xué)原理,福建醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院影像科技術(shù)組林曉君,MRI的定義弛豫圖像建立,大綱,回顧下一些不同類型的成像示例A照相時(shí),光線(可見光)由物體表面反射回來,被照相機(jī)內(nèi)的成像板接收。BX成像時(shí),X線源發(fā)出可以穿透物體的放射線,穿透后的射線被X線成像板所接收。C在MRI中,低頻率的無線電波穿透組織,然后由物體內(nèi)磁化的自旋質(zhì)子反射回來。,磁共振成像(MRI)是啥,自旋質(zhì)子,質(zhì)子氫原子核(1H),一般所指的磁共振圖像即為1H的磁共振圖像。,(一)1H是人體中最多的原子核,約占人體中總原子核的2/3以上,可以產(chǎn)生較強(qiáng)的磁共振信號(hào);(二)1H的磁化率最高,也可以產(chǎn)生更強(qiáng)的信號(hào);(三)1H存在人體的各種組織中,因此具有生物代表性。,選擇1H的理由,自旋,所有磁性原子核(中子數(shù)或質(zhì)子數(shù)至少一項(xiàng)是奇數(shù))都有一個(gè)特性總以一定的頻率繞著自己的軸進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn),即為自旋。,自轉(zhuǎn),帶有正電荷的磁性原子核自旋產(chǎn)生的磁場(chǎng)稱為核磁。,前人體內(nèi)氫質(zhì)子狀態(tài),每個(gè)質(zhì)子產(chǎn)生的磁化矢量相互抵消,所以人體在自然狀態(tài)下并無明顯磁性,因此沒有宏觀磁化矢量的產(chǎn)生。,磁化,,B0,把人體放進(jìn)一個(gè)大磁場(chǎng)(主磁場(chǎng)BO)中。人體內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)與主磁場(chǎng)方向一致的宏觀磁化矢量。,磁化,,B0,磁化,,,,B0,,,磁化,,B0,高能級(jí),,常態(tài)下氫質(zhì)子分為高能級(jí)和低能級(jí),低能級(jí),自旋,,主磁場(chǎng)中氫質(zhì)子運(yùn)動(dòng)狀態(tài),,,,∽,主磁場(chǎng)中氫質(zhì)子運(yùn)動(dòng)狀態(tài),,,S,N,,,ΩΓB0,Z,處在主磁場(chǎng)的氫質(zhì)子,除了自旋運(yùn)動(dòng)外,還繞著主磁場(chǎng)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)擺動(dòng),稱為進(jìn)動(dòng)。,Ω為L(zhǎng)ARMOR頻率Γ為磁旋比常數(shù),H的Γ為425MHZ/TB0為主磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng),,B0,橫向磁化分矢量由于相位不同而相互抵消,因此,沒有宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生。,人體組織進(jìn)入主磁場(chǎng)后被磁化,產(chǎn)生宏觀的縱向磁化矢量,質(zhì)子含量越高則產(chǎn)生的宏觀縱向磁化矢量越大,那就可以區(qū)分含量不同的各種組織了么產(chǎn)生的宏觀縱向磁化矢量盡管對(duì)每個(gè)質(zhì)子的小核磁來說是宏觀的,但是,對(duì)相對(duì)強(qiáng)大的主磁場(chǎng)來說卻又是非常微小的,這么微小的所謂宏觀縱向磁化矢量重疊在與其方向一致的強(qiáng)大主磁場(chǎng)中,接收線圈就不可能檢測(cè)到宏觀縱向磁化矢量。,如何測(cè)到宏觀縱向磁化矢量,旋轉(zhuǎn)的宏觀橫向磁化矢量才能切割線圈產(chǎn)生電信號(hào)。如何讓縱向的磁化矢量偏轉(zhuǎn)成橫向磁化矢量,射頻脈沖(無線電波),條件與進(jìn)動(dòng)頻率相同微觀實(shí)質(zhì)能量的傳遞,引起共振,低能級(jí)的質(zhì)子躍遷到高能級(jí),共振,共振,低能級(jí),高能級(jí),共振,共振,低能級(jí),高能級(jí),共振,磁共振現(xiàn)象宏觀結(jié)果是使縱向磁化矢量發(fā)生偏轉(zhuǎn),能量越大偏轉(zhuǎn)角度越大。,,90°射頻脈沖的微觀和宏觀效應(yīng),,質(zhì)子密度越高,其宏觀縱向矢量越大,90°脈沖激發(fā)后產(chǎn)生宏觀橫向磁化矢量就越大,切割的接收線圈產(chǎn)生的電信號(hào)越強(qiáng),MR信號(hào)就越高。這樣MR圖像就可以區(qū)分質(zhì)子密度高低不同的人體組織了。在射頻脈沖關(guān)閉后等待一定時(shí)間并對(duì)信號(hào)進(jìn)行干預(yù)和采集。,磁共振成像是利用射頻電磁波對(duì)置于磁場(chǎng)中的含有自旋不為零的原子核的物質(zhì)進(jìn)行激發(fā),發(fā)生核磁共振,用感應(yīng)線圈采集磁共振信號(hào),按一定數(shù)學(xué)方法進(jìn)行處理而建立的成像方法。,磁化,自旋質(zhì)子,射頻脈沖,弛豫是指自旋減少到它們的最低能態(tài)或返回到平衡狀態(tài)。,弛豫,橫向弛豫,縱向弛豫,弛豫一個(gè)過程,橫向矢量逐漸消失;,縱向矢量逐漸恢復(fù)。,兩個(gè)同時(shí)發(fā)生但相互獨(dú)立的過程,弛豫,,橫向弛豫,導(dǎo)致質(zhì)子群失相位的主要原因A質(zhì)子周圍磁環(huán)境隨機(jī)波動(dòng)(自旋自旋相互作用,即內(nèi)在的不均勻性)B主磁場(chǎng)的不均勻受這兩方面磁場(chǎng)不均勻的影響稱為自由感應(yīng)衰減(FID),也稱為T2弛豫。利用180°聚焦脈沖剔除主磁場(chǎng)的不均勻造成的衰減才是真正的衰減即T2弛豫。,橫向弛豫,T2弛豫T2弛豫主磁場(chǎng)的不均勻T2值90°脈沖施加,橫向矢量最大值為起點(diǎn),T2弛豫造成的衰減到最大值的37為終點(diǎn),起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的間隔為T2值。T2橫向弛豫時(shí)間T2自旋自旋弛豫時(shí)間一般組織T2值僅為數(shù)十毫秒到一百多毫秒,少數(shù)達(dá)數(shù)百毫秒。,橫向弛豫,,,不同的組織T2值存在差別,磁共振的T2加權(quán)像方能區(qū)分不同的解剖結(jié)構(gòu),并能區(qū)分正常組織與病變組織。,加權(quán)即突出重點(diǎn)T2加權(quán)像(T2WI)重點(diǎn)突出的是不同組織之間的橫向弛豫差別。T2WI上,組織的T2值越大,其信號(hào)強(qiáng)度越強(qiáng)。,射頻關(guān)閉后,在主磁場(chǎng)的作用下,組織中的宏觀縱向弛豫將逐漸恢復(fù)到激發(fā)前的狀態(tài)及平衡狀態(tài),即縱向(T1)弛豫。脈沖關(guān)閉后,宏觀縱向矢量為零,以此為起點(diǎn),恢復(fù)到最大值得63為終點(diǎn),起點(diǎn)和終點(diǎn)的時(shí)間間隔即T1值。,縱向弛豫,T1縱向弛豫時(shí)間T1自旋晶格弛豫時(shí)間,T1弛豫是釋放能量的過程,把質(zhì)子內(nèi)部的能量傳遞到質(zhì)子外的其他分子,所需要時(shí)間較長(zhǎng),一般組織的T1值為數(shù)百到數(shù)千毫秒。T1加權(quán)像重點(diǎn)突出的是縱向弛豫的差別。T1值越小,MR的信號(hào)強(qiáng)度越大。T1值存在的差別,磁共振的T1加權(quán)像方能區(qū)分不同的解剖結(jié)構(gòu),,灰質(zhì)的T1值大于白質(zhì),因此T1WI上灰質(zhì)的信號(hào)強(qiáng)度低于白質(zhì)。,其他加權(quán)成像,質(zhì)子密度加權(quán)成像主要反映單位體積不同組織間質(zhì)子含量的差別。彌散加權(quán)成像(DWI)反映活體組織中水分子的布朗運(yùn)動(dòng)。灌注加權(quán)成像PWI,磁敏感加權(quán)成像(SWI),磁共振信號(hào)宏觀橫向矢量越大,其切割產(chǎn)生的電信號(hào)即磁共振信號(hào)也越強(qiáng)。一自由感應(yīng)衰減信號(hào)二自旋回波信號(hào)三梯度回波信號(hào),圖像建立,自由感應(yīng)衰減信號(hào)利用磁共振接收線圈直接記錄橫向磁化矢量的自由感應(yīng)衰減T2弛豫和主磁場(chǎng)的不均勻,得到的磁共振信號(hào)。自旋回波信號(hào)射頻脈沖產(chǎn)生了宏觀橫向磁化矢量,脈沖關(guān)閉后,在TI時(shí)間施加一個(gè)180°聚焦脈沖,以剔除主磁場(chǎng)不均勻的影響,得到的磁共振信號(hào)。,圖像建立,,圖254,梯度回波信號(hào)利用讀出梯度場(chǎng)切換,宏觀橫向磁化矢量經(jīng)歷從零到最大又從最大到零的過程,得到的一個(gè)回波信號(hào)。,圖像建立,空間定位包括1層面的選擇2頻率編碼3相位編碼三維的空間定位利用梯度線圈產(chǎn)生的梯度磁場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)的。(層面選擇梯度線圈,頻率編碼梯度,相位編碼梯度),,X,Y,Z,O,圖像建立,發(fā)射一個(gè)不符合拉莫頻率的射頻脈沖(層面選擇梯度),不會(huì)激發(fā)人體內(nèi)的任何質(zhì)子,但會(huì)使磁場(chǎng)隨位置而變化,每個(gè)位置有自己的共振頻率。,層面選擇,帶寬頻率范圍(決定了層面的厚度),頻率編碼,頻率編碼梯度在MR信號(hào)采集過程中同時(shí)施加頻率位置,相位編碼,梯度場(chǎng)施加方向與頻率編碼的垂直相位編碼梯度磁場(chǎng)必須在信號(hào)采集前施加,射頻激發(fā)空間編碼,線圈采集得到的MR模擬信號(hào),,傅里葉變換分解出不同頻率、相位、強(qiáng)度的信號(hào),填入K空間形成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)陣,模擬轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào),分配到各個(gè)像素中形成圖像點(diǎn)陣得到MR圖像,圖像建立,謝謝觀賞,今日所述純屬個(gè)人理解,不足之處請(qǐng)多多指正,
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