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一、MRI相关

1、MRI

2、磁共振成像的物理学原理 

3、磁共振成像仪相关

4、磁共振成像脉冲序列

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 1、MRI 

        核磁共振成像MRI（Magnetic Reasonance Imaging）是利用利用磁共振的物理原理，来对人体内部结构成像的医学影像检查技术 

        核磁共振对人体内水分含量比较多的软性组织成像质量更好，更加精确清晰。对以往不容易检查的大脑和内部血管，可以更方便的进行成像

讯享网

MAGNETOM Skyra 3T超导型磁共振成像系统  

        具有较高的物质组织对比对和组织分辨力，对软组织分辨率极佳，能清晰地显示软组织、软骨结构、解剖结构和医学上的病变形态，显示清楚、逼真。多方位成像，能对被检查部位进行横断面、冠状面、矢状面以及任何斜面成像

        以射频脉冲作为成像的能量源，不使用电离辐射，对人体安全、无创

核磁共振成像   

        核磁共振可检查无症状性的脑梗塞、脑萎缩、脑动脉瘤、脑血管狭窄、畸形和病变等早期中风风险

        对于肺部、肝脏、肾脏、胰腺、前列腺等脏器的检查，核磁共振不优于CT检查。如对于胃肠消化的检查，胃镜肠镜等内窥镜检查是最直接有效的

磁共振小肠成像（磁共振小肠造影）

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2、磁共振成像的物理学原理

        原子核具有一定的大小和质量，将其视作一个球体。所有的磁性原子核都以一定的频率绕自己的轴进行高速旋转，把磁性原子核的这一特性称为自旋（spin）

        由于原子核表面带有正电荷，磁性原子核的自旋就形成自旋环路，从而产生具有一定大小和方向的磁化矢量

        把这种由带有正电荷的磁性原子核自旋产生的磁场称为核磁，把磁共振成像称为核磁共振成像NMRI（neclear magnetic resonance imaging）

        但并非所有原子核都能自旋产生核磁。若原子核内中子和质子的数目均为偶数，则这种原子核不能自旋产生核磁（非磁性原子核）

人体组织中常见的磁性原子核

选择1H用于常规磁共振成像的理由：

        ①是人体中含量最多的原子核，可以产生较强的磁共振信号

        ②磁化率在人体磁性原子核中最高，可以产生更强的磁共振信号

        ③存在于人体的各种组织中，具有生物代表性

        并非所有的氢质子都能产生MRI信号。常规MRI的信号主要来源于水分子中的氢质子（简称水质子），部分组织的信号可来源于脂肪中的氢质子（简称脂质子）

        人体组织中的结合水是指蛋白质大分子周围水化层中的水分子。这些水分子黏附于蛋白质大分子，其自由运动将受到限制。而自由水则是指未与蛋白质结合在一起，活动充分自由的水分子。人体组织中的结合水和自由水可以互换，处于动态平衡状态

(蛋白质的水化层，引自PNAS, 2002)

        由于化学位移效应，不同分子中的氢质子进动频率存在差别，蛋白质大分子中氢质子的进动频率大多偏离MRI的中心频率（自由水的进动频率）,一般情况下不能被射频脉冲激发（结合水中的氢进动频率范围很宽，多不能被激励），不能产生信号        

        由于自由运动受到限制，蛋白质和结合水的T2值都很短（一般小于1ms），而常规MRI采集回波信号至少需要数毫秒。往往还没来得及采集回波信号，蛋白质和结合水的信号已经全部衰减。因此即便蛋白质和结合水中的氢质子被射频脉冲激发，也不能产生MRI信号

结合水中的多数氢质子不能被激励

被激励的结合水T2太短，信号不能被采集

        平行同向排列为较低能量状态，称之为低能态；平行反向排列为高能态。两个自旋态之间的能量差ΔE可根据塞曼方程计算，两个自旋态的数量可以参考玻尔兹曼分布估算                        

        在接近绝对零度的超低温状态下，可以预测绝大多数自旋会处于低能态。因为热运动会趋于平衡高低能态，随着温度升高，越来越多的自旋会处于高能态

        进入主磁场后处于低能级的氢质子仅比处于高能级的氢质子多出数个ppm，而核磁共振成像利用的就是这略微多出的合成磁矩，称之为净磁化强度

        而对于在体组织来说，其温度相对稳定，因此低能级比高能级多出的氢质子的量主要受主磁场强度的影响。随着主磁场强度的升高，多出的氢质子的量将几乎成比例增多，磁共振成像时可以利用的有效成像氢质子就增多，磁共振信号将增高

高能态

        在进入主磁场后，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和主磁场B0方向平行，而是存在一个角度。质子不仅会保持本身的自旋，还会以B0为轴旋转。

        这种像陀螺一样的运动被称为进动（precession），又称拉莫尔（Lamour）进动 

        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，但对磁共振成像来说进动频率比自旋频率重要得多。

        无论是处于低能级还是处于高能级的氢质子都存在进动。由于进动的存在，质子自旋产生小磁场又可以分解为纵向磁化分矢量和横向磁化分矢量

质子的进动频率与主磁场场强成正比

         质子的纵向磁化分矢量不变，处于高能级者与主磁场方向相反，处于低能级者与主磁场方向相同。

        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

        由于质子在进动，其横向磁化分矢量则以主磁场方向为轴（Z轴）在XY平面作旋转运动，因此其方向处于不断的动态变化中

        尽管每个氢质子的小核磁都有横向磁化分矢量，但各个氢质子的横向磁化分矢量相位不同而相互抵消，没有宏观横向磁化矢量产生

进动使每个氢质子均产生纵向和横向磁化分矢量

        人体组织进入主磁场后被磁化产生宏观的纵向磁化矢量，某一组织（或体素）产生的宏观纵向矢量的大小与其含有的质子数成正相关

        但进入主磁场后组织产生的宏观纵向磁化矢量对相对强度很大的主磁场来说非常微小。其重叠在与其方向一致的强大主磁场中，MR接受线圈就不可能检测到宏观纵向磁化矢量，也就不能区分不同组织之间因质子含量差别而产生的宏观纵向磁化矢量的差别

        磁共振信号的探测和发电机类似。进入主磁场后，人体组织中产生的宏观磁化矢量保持稳定，其方向不发生变化，将不会切割线圈而产生信号，因此接收线圈探测不到组织中宏观纵向磁化矢量 

        而如果组织中有一个旋转的宏观横向磁化矢量，它将切割接收线圈而产生电信号，因此接受线圈能够探测到的是旋转的宏观横向磁化矢量

       人体进入主磁场后，组织中处于低能级的质子略多于处于高能级的质子

        如果给处于主磁场中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。把这种现象称为磁共振现象

        这时宏观纵向磁化矢量将因部分被抵消而减小

        从微观角度来说，磁共振现象是低能级质子获得能量跃迁到高能级

        进动的倾斜角度被称为翻转角，横向旋转磁场的频率一般在兆赫，属于射频的频率范围，而且通常只开启几毫秒，所以称为射频脉冲

        从宏观角度来说，磁共振现象是使宏观磁环矢量发生偏转，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

通过调整射频脉冲的幅度或持续时间，可以将原有的宏观纵向磁化矢量翻转90°、180°、270°或其他任意角度

         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°脉冲使处于低能态多出高能态的那部分质子的一半获得能量进入高能级状态，两个方向的纵向磁化分矢量相互抵消。宏观纵向磁化矢量为零

        90°脉冲前质子的横向磁化分矢量相位不同，90°脉冲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的旋转宏观横向磁化矢量

组织质子密度越高，其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，切割接收线圈产生的电信号越强，MR信号就越高

        MR图像可以区分质子密度高低不同的组织，但仅仅区分不同组织的质子含量差别对于临床诊断是远远不够的

        一般并不总在射频脉冲激发后马上采集MR信号，而是在射频脉冲关闭后等待一定时间并对信号进行干预和采集

 

90°激励脉冲的宏观及微观效应

        90°射频脉冲激发后的瞬间，组织中没有宏观纵向磁化矢量，而产生了最大的旋转宏观横向磁化矢量；

        90°脉冲关闭，注意到组织中的宏观横向磁化矢量从最大逐渐减小直至完全衰减，而宏观纵向磁化矢量从零逐渐恢复直至最大即平衡状态

        这一过程称为核磁弛豫（横向弛豫、纵向弛豫）

         90°脉冲关闭后，组织中的宏观横向磁化矢量逐渐减小，最后衰减到零

        90°脉冲使组织中原来相位不一致的质子群处于同相位进动，质子小磁场的横向磁化矢量相互叠加，从而产生旋转的宏观横向磁化矢量

        90°脉冲关闭后，因同相位进动的质子群逐渐失去相位一致，其横向磁化分矢量的叠加作用逐渐减弱，因此宏观横向磁化矢量逐渐减小直至完全衰减

        把宏观横向磁化矢量的指数式快速衰减称为自由感应衰减FID（free induction decay），也称T2*弛豫

        T2*衰减的原因是磁场的不均匀导致不同位置处的原子核旋转频率不一样：在磁场强度较低的地方旋转得慢，在磁场强度较高的地方旋转得快。因此经过一定时间后，不同位置处的原子核旋转相位不一样（dephase失相位），它们的磁化向量的方向分布更分散，这些向量之和的幅值就小了

90°脉冲停止后宏观磁化矢量的变化（螺旋式倾倒的复原）

         利用180°聚焦脉冲可以剔除主磁场不均匀造成的宏观横向磁化矢量衰减。组织由于质子群周围磁场微环境随机波动造成的宏观横向磁化矢量的衰减才是真正的横向弛豫（自旋-自旋弛豫spin-spin relaxation），即T2弛豫

        90°射频脉冲的施加使某组织宏观横向磁化矢量达到最大值。以此时刻为起点，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

 

T2弛豫：质子群逐渐失相位，T2值：Mxy从最大衰减到37（1/e）%所需的时间，用于描述组织T2弛豫的快慢

 

         当射频脉冲关闭后，在主磁场的作用下，组织中的宏观纵向磁化矢量将逐渐恢复到激发前的状态（即平衡状态）。把这一过程称为纵向弛豫（自旋-晶格弛豫spin-lattice relaxation），即T1弛豫

        以90°脉冲关闭后某组织的宏观纵向磁化矢量为零为起点，以宏观纵向磁化矢量恢复到最大值的63%为终点，其时间间隔即该组织的T1值

T1弛豫：高能态质子群释放能量回到低能，T1值：Mz从零恢复到最大者63（1-1/e）%所需的时间，描述组织T1弛豫的快慢

         T1弛豫需要把质子群内部的能量传递到质子外的其他分子，所需要的时间较长

        T2弛豫的能量传递发生于质子群内部，即质子与质子之间，所需要的时间较短 

        所有组织的T1值都比其T2值要长很多，一般组织的T1值为数百到数千毫秒，而T2值仅为数十毫秒到一百多毫秒，少数达数百毫秒

        一般情况下，随主磁场强度的增高，组织的T1值延长，T2值改变不明显

T1弛豫 

        在MRI 中，无论是什么脉冲序列，什么加权成像，只要在 MR 信号采集时刻， 某组织的宏观横向磁化矢量越大，其切割接收线圈产生的电信号（磁共振信号）越强，在 MR 图像上该组织的信号强度就越高