MRI基本原理读书笔记

第一章 MRI的基本硬件

一、主磁体

1、 分类

⑴、按照磁场的产生方式：永磁（磁铁）、电磁（常导、超导）

⑵、按照磁体的外形分类：开放式磁体、封闭式磁体

⑶、按照磁场的强度分类：低场（＜0.5T）、中场（0.5T~1.0T）

高场（1.0T~2.0T）、超高场（2.0T~7.0T）

2、 为什么需要高度均匀的磁场

⑴、空间定位

⑵、频谱分析：各种代谢物之间的共振频率相差很小

⑶、脂肪抑制：脂肪氢质子和水分子氢质子之间的共振频率相差很小

3、 磁场强度的单位

⑴、高斯（Gauss）：1G（高斯）＝距离5安培电流的直导线5厘米处的磁场强度

⑵、特斯拉（Tesla）：1T（特斯拉）＝10000G

二、梯度线圈（gradient coils）

1、 作用

⑴、空间定位

⑵、产生信号

2、 X YZ轴梯度磁场的产生

⑴、原理：X轴梯度线圈⇒X轴梯度磁场【以此类推】

⑵、工具：XYZ三维图形【Z轴＝长轴】、ωZ二维图形

3、 性能指标

⑴、梯度场强（mT/M）：＝梯度场两端的磁场强度差/梯度场的有效长度

⑵、切换率：（mT/ms）：＝梯度场的预定磁场强度/爬升时间

三、脉冲线圈

1、 分类

⑴、体线圈：激发并采集MRI信号

⑵、表面线圈：仅仅采集MRI信号

2、 作用

⑴、激发人体产生共振：广播电台的发射天线

⑵、采集MRI信号：收音机的接收天线

四、计算机系统和辅助设备

1、 计算机系统的作用

⑴、数据运算

⑵、控制扫描

⑶、显示图像

2、 辅助设备的分类

⑴、空调

⑵、检查台

⑶、液氮及水冷却系统

⑷、激光照相机

⑸、自动洗片机

第二章 MRI的物理学原理

一、自旋和核磁

1、 原子结构

⑴、电子：负电荷

⑵、质子：正电荷

⑶、中子：无电荷【原子核＝质子＋中子】

2、 自旋和核磁

⑴、自旋（Spin）：原子核总是不停地，以一定的频率绕着自身的轴旋转

⑵、核磁（Nuclear Magnetic）：原子核的质子带有正电荷，其自旋产生的磁场称为核磁

3、 什么样的原子核可以产生核磁？

⑴、性质：质子＝偶数，中子＝偶数⇒不产生核磁

⑵、性质：质子和中子至少有一个＝奇数⇒产生核磁

4、 什么样的原子核可以用于MRI？

⑴、性质：氢质子

⑵、原因：H1的磁化率很高；H1的摩尔浓度很高（占人体原子的绝大多数）

二、主磁场

1、 人体进入主磁场前后，氢质子的核磁状态

⑴、之前：每个氢质子的自旋都将产生一个小的磁场

但呈随机无序排列，其磁化矢量相互抵消

所以，人体没有呈现出宏观磁化矢量

⑵、之后：氢质子的核磁与主磁场方向平行

低能级⇒与主磁场同方向，高能级⇒与主磁场反方向

处于低能级的氢质子，稍稍多于处于高能级的氢质子（PPM数量级）

2、 磁化矢量

⑴、磁化矢量的影响因素：温度（反比）＋主磁场场强＋氢质子浓度

⑵、磁化矢量的分解：纵向磁化矢量【与主磁场平行】＋横向磁化矢量【与主磁场垂直】

3、 进动

⑴、概念：进动（Precessing）＝核磁和主磁场相互作用的结果

⑵、性质：进动频率＜自旋频率，但是比后者更重要

4、 Larmor定律

⑴、定律：ω＝γB

⑵、解释：ω＝进动频率，B＝主磁场场强，γ＝磁旋比（42.5mHz/T）

5、 重要性质

⑴、性质：进动与磁化矢量

进动使得每个氢质子的磁化矢量

可以分解为＝方向稳定的纵向磁化矢量＋旋转的横向磁化矢量

⑵、性质：微观磁化矢量与宏观磁化矢量

由于处于低能级的氢质子，稍稍多于处于高能级的氢质子

⇒产生宏观的纵向磁化矢量；

由于每个氢质子的相位不同，其微观的横向磁化矢量相互抵消

⇒没有产生宏观的横向磁化矢量

⑶、性质：MR与磁化矢量

MR只能检测旋转的横向磁化矢量，不能检测纵向磁化矢量

三、核磁共振

1、 共振

⑴、条件：频率相同

⑵、实质：能量传递

2、 核磁共振

⑴、概念：核磁共振（NM Resonance）

射频线圈发射射频脉冲，射频脉冲的频率＝氢质子的进动频率

⇒氢质子产生共振

⇒处于低能级的氢质子，由于获得能量进入高能级

⑵、射频脉冲的激发效应：使得宏观的纵向磁化矢量发生偏转

其中：偏转程度取决于射频脉冲的强度和持续时间

⑶、90度射频脉冲的激发效应

★★由于处于低能级的氢质子的多出部分，有一半获得能量进入高能级

⇒处于低能级的氢质子＝处于高能级的氢质子

⇒宏观的纵向磁化矢量＝0

★★由于所有氢质子处于同一相位

⇒产生最大的旋转的横向磁化矢量

⇒宏观的横向磁化矢量＞0

3、 MR信号

⑴、性质：MR采集信号

⑵、解释：90度射频脉冲的激发，使得氢质子发生共振，产生最大的旋转的横向磁化矢量

由于这种旋转的横向磁化矢量与接收线圈切割

⇒MR能够采集到人体发出的信号

⑶、性质：MR信号与氢质子密度

此时的MR图像可以区分，不同氢质子密度的两种组织

⑷、解释：组织的氢质子密度越高，产生宏观的纵向磁化矢量越大

⇒经过90度射频脉冲的激发，产生宏观的横向磁化矢量越大

⇒M采集到的信号越强

四、弛豫时间

1、 核磁弛豫

⑴、概念：核磁弛豫（NM Relaxation）

关闭射频脉冲以后，在主磁场的作用下

宏观的横向磁化矢量逐渐减少到零，宏观的纵向磁化矢量逐渐回到平稳状态

⑵、性质：核磁弛豫分解为＝横向弛豫＋纵向弛豫

2、 横向弛豫

⑴、概念：横向弛豫（T2弛豫）【宏观的横向磁化矢量逐渐减少到零的过程】

⑵、原因：同相位的氢质子失相位

⑶、解释：每个氢质子自旋产生的小磁场

暴露在大的主磁场和其它邻近氢质子自旋产生的小磁场当中

⇒由于分子运动，每个氢质子周围的小磁场，由于不断波动所以并不相同

⇒根据Larmor定律，磁场强度高的氢质子进动频率高

磁场强度低的氢质子进动频率低

⑷、性质：不同组织的横向弛豫时间不同（T2值不同）

3、 纵向弛豫

⑴、概念：纵向弛豫（T1弛豫）【宏观的纵向磁化矢量逐渐回到平衡状态的过程】

⑵、原因：处于高能级的氢质子，由于释放能量进入低能级

⑶、解释：处于高能级的氢质子，将能量释放给周围的晶格（分子）

如果晶格振动频率＞氢质子的进动频率⇒能量传递慢（纯净水）

如果晶格振动频率＝氢质子的进动频率⇒能量传递快（脂肪，小分子蛋白质）

如果晶格振动频率＜氢质子的进动频率⇒能量传递慢（大分子蛋白质）

⑷、性质：不同组织的纵向弛豫时间不同（T1值不同）

4、 重要性质

⑴、性质：T2＜＜T1

⑵、性质：不同的组织，具有不同的氢质子密度、不同的T1和T2

⇒MRI显示解剖结构和病变的基础

五、加权成像

1、 基本概念

⑴、概念：T1加权成像（T1WI）：突出组织的纵向弛豫的差别

⑵、概念：T2加权成像（T2WI）：突出组织的横向弛豫的差别

⑶、概念：质子密度加权成像（PDWI）：突出组织的氢质子密度的差别

2、 基本原理：对于任何序列的图像

旋转的横向磁化矢量越大，MR信号越强

3、 T1加权成像

⑴、性质：T1值小⇒纵向磁化矢量恢复快⇒ MR信号高（白）

T1值大⇒纵向磁化矢量恢复慢⇒MR信号低（黑）

⑵、典例：水的T1值＝3000ms ⇒ MR信号低

脂肪的T1值＝250ms⇒ MR信号高

4、 T2加权成像

⑴、性质：T2值小⇒横向磁化矢量减少快⇒残留的横向磁化矢量小⇒MR信号低（黑）

T2值大⇒横向磁化矢量减少慢⇒残留的横向磁化矢量大⇒MR信号高（白）

⑵、典例：水的T2值＝1600ms ⇒ MR信号高

脑的T2值＝100ms⇒ MR信号低

5、 病变检测

⑴、性质：大多数的病变组织，T1值和T2值都大于相应的正常组织

⑵、推论：对于T1WI加权成像，病变组织比正常组织黑

对于T2WI加权成像，病变组织比正常组织白

六、空间定位

1、 层面和层厚（第一梯度场）

⑴、层厚算法：Step1：梯度场强【从头到脚；由高到低】

Step2：进动频率【Larmor定律：ω＝γB】

Step3：单位进动频率【＝进动频率/身高；mHz/cm】

Step4：层厚【＝射频脉冲的带宽/单位进动频率；cm】

⑵、性质：层面＝射频脉冲的位置

层厚＝射频脉冲的带宽＋梯度场强

2、 空间定位编码

⑴、原理：MR采集到的每一个信号，都含有整个层面的信息

⇒必须进行层面内的空间定位编码，才能将整个信息分配到各个像素

⑵、分类：空间定位编码＝频率编码＋相位编码

3、 频率编码（第二梯度场）

⑴、原理：利用傅里叶变换，将一个信号分解为不同的频率分量

⑵、编码：施加水平方向的Gx梯度场

⇒将一个MR信号，分解为若干个列信号

4、 相位编码（第三梯度场）

⑴、原理：利用傅里叶变换，可以将一个信号分解为不同的相位分量

⑵、编码：施加垂直方向的Gy梯度场

⇒将一个列信号，分解为若干个行信号

5、 K空间：采集到的模拟信号，经过数字化和空间定位编码

⇒填充到K空间，形成数字点阵

⇒利用傅里叶变换，分解出不同频率、相位、强度的信号

⇒分配到各个像素，形成图像点阵

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/0bfa19ca86254b35eefdc8d376eeaeaad0f3165e.html