第三课磁共振成像基本原理和主要新技术 - 上海中医药大学.pdf

第三课 磁共振成像基本原理和主要新技术 3.1 核磁共振物理现象 人体内含有大量氢原子核，亦称质子，质子具有自旋和磁距的特性。与地球绕太阳旋 转一样，质子也不停地绕原子核旋转，称为自旋。氢原子中的质子和其外的电子在自旋过程 中会产生一个小磁场，使氢质子犹如一个小磁体(Spin)，其磁性大小以“磁距”表示，磁距就 是反映小磁场强度的矢量，磁距具有方向性，在无外加磁场时，众多随机运动的质子的净磁 距为零。与自旋强度成正比，常态下人体内众多质子的自旋方向是随机的，呈无规律状态， 各方向的磁距相互抵消，因而总磁距为０。 然而，当给予一个较强大而均匀的外加磁场时，质子的自旋轴方向(磁距)会趋于平行 或反平行于这个磁场方向，数秒钟后就会平衡，即为磁化，磁化的强度也就是所有质子磁距 的总和。但对于某一个质子而言，其磁距的方向并不一定与磁场方向一致，而是以一种特定 的方式绕磁场方向轴旋转，这种旋转运动方式称为进动或旋进。它很象一个自旋轴不平行于 地心引力方向而旋转的驼螺，除了自旋之外还以一定的角度围绕地心引力轴旋转。自旋的质 子，如以侧面投影方式看就很象单摆在左右摆动，此摆动频率即称进动频率，与主磁场强度 直接成正比关系，可用公式进行测算，频率实际值即称为拉莫（Larmor ）频率。病人被送入 主磁体内后不久，其身体各部位的质子即按主磁场强度相应的拉莫频率进行旋进运动和发生 磁化。磁化后的质子，在化学特性上仍然保持不变，所以对人体生理活动并无任何影响。 在特定磁场中“旋进”的质子，当受到一个频率与其旋进频率一致的外加射频脉冲 （radiofrequency, RF ）激发后，射频电脉冲的能量会大量地被吸收，使氢质子旋进角度增大， 质子则跃迁到较高能态，磁距总量的方向将发生改变（增大），90 度的RF 能使纵向磁化从 Z 轴转到XY 平面，而 180 度RF 则从Z 轴旋转180 度至负Z 轴方向。当 RF 激发停止后， 有关的质子的能级和相位都在一定时间后恢复到激发前的状态，氢原子核将释放已吸收的能 量，能量释放和传递的方式具有重要的利用价值，那就是被激发的质子，在RF 停止后将持 续发射与激励RF 频率完全一致的电脉冲信号，这个现象就称为“磁共振现象”。 质子在 RF 中止后的变化，就像拉伸的弹簧，在拉力中止后回缩一样，这个过程称为 “弛豫 （relaxation ）”，所需的时间称为 “弛豫时间”，在弛豫过程中的能级变化和总磁距的 相位变化均能被MRI 信号接受装置测得，并按信号强弱进行图像的重建。 弛豫时间有两种，即T 1 和 T2，T 1 弛豫时间又称为纵向弛豫时间，反映被90 度 RF 激发而处于横向磁化的质子，在RF 停止时刻至恢复到纵向平衡状态所需的时间，一个单位 时间T 1 指恢复纵向磁化最大值的 63 ％所需要的时间。T2 弛豫时间亦称为横向弛豫时间， 指90 度RF 激发后处于横向磁化状态的质子在RF 停止后横向磁化丧失所需的时间，横向 磁化丧失至原有水平的 37 ％时为一个单位时间T2 ，因它不是完全依靠能量释放或传递， 大部分依靠相位变化导致的相干性丧失，故时间远较T1 为短。 3.2 磁共振成像技术 3.2.1 图像亮暗与信号 根据以上物理学原理，首先MRI 需要一个主磁场，目前产生主磁场的磁体有超导型、 阻抗型和永磁型，一般超导型的主磁场强度及均匀度均较另两型为好，MRI 图像质量较高。 磁体中常有匀场装备以使主磁场更均匀。 磁共振图像中每一个小点的亮暗程度，实际上就是信号强度值，这个信号强度由 MRI 成像过程中线圈收集到的回波信号决定，实质上是射频信号，具有频率和强度特点。磁共振 机使用的线圈就是为了接收回波信号的。射频信号通过线圈时，根据法拉第电磁转换定律， 在线圈中肯定会出现一个电流，其强度就与射频信号强度成正比。将线圈中产生的微小电流 转化和放大处理后，传输给MRI 计算机，就实现对回波信号的采集和记录工作。 3.2.2 信号产生和硬件条件 一个回波信号的产生，都是一个特定组织（受检组织）在磁共振成像过程中产生且特有 的，不同组织在受到同一个脉冲激发后产生的回波强度各不相同，相同的组织在受到不同的 脉冲激发后的回波特点也不一样，这是因为组织结构的不同导致的磁共振特性（主要指T 、 1