MRI基本原理

MRI基本原理

文档简介

磁共振成像（MRI）是一种非侵入性成像技术，利用磁场和无线电波创建人体内部的详细图像。

什么是MRI

磁共振成像（MRI）是核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging）的简称，是一种非侵入性的医学影像技术，利用强磁场和无线电波产生人体内部的详细图像。

与X射线、CT等影像技术不同，MRI不会产生有害的电离辐射，对人体无害，可以安全地用于各种人群，包括儿童、孕妇等。

MRI的发展历程

1. 1946年：美国物理学家费利克斯·布洛赫和爱德华·珀塞尔因在核磁共振方面的研究独立获得诺贝尔物理学奖。
2. 1971年：美国科学家保罗·劳特伯发表文章，提出使用梯度磁场来定位核磁共振信号，为MRI技术的诞生奠定了基础。
3. 1973年：英国科学家彼得·曼斯菲尔德首次成功应用梯度磁场获得人体第一张核磁共振图像。
4. 1977年：美国科学家雷蒙德·达马迪安发明了第一台用于医学诊断的MRI扫描仪。
5. 1980年：美国科学家理查德·恩斯特因其在核磁共振波谱学方面的贡献获得了诺贝尔化学奖。
6. 1991年：美国科学家保罗·劳特伯因其在MRI成像方面的贡献获得了诺贝尔生理学或医学奖。

MRI的基本原理

核磁共振

MRI利用原子核在强磁场中的自旋特性，通过射频脉冲激发核磁共振信号，从而获取人体组织的图像。

梯度场

在磁场中加入梯度场，使不同位置的原子核产生不同的共振频率，从而实现空间定位。

图像重建

将采集到的核磁共振信号进行傅里叶变换，并根据空间定位信息，重建人体组织的图像。

磁场的产生

磁共振成像（MRI）依赖于强磁场，这些磁场是由强大的电磁铁产生的。这些电磁铁通常使用超导线圈，在极低温度下运行，以产生强大的磁场。

• 1.5T：常见的磁场强度
• 3T：更高分辨率和信噪比
• 7T：用于研究和特殊成像

磁场的强度单位是特斯拉（T）。临床应用的磁场强度范围通常在0.5-3T之间，而超高场MRI则可以达到7T以上。磁场强度是MRI的关键参数，直接影响信噪比和分辨率。较强的磁场可以提高信噪比，使图像更清晰，同时也能提高分辨率，显示更多细节。超高场MRI能够提供更高的灵敏度和分辨率，但技术难度也更大，成本更高。

核磁共振现象

原子核

原子核带正电，并像一个小磁体，具有磁矩。原子核的自旋运动产生磁矩。

磁场作用

在强磁场中，原子核的磁矩会受到磁场力的作用，排列整齐。

电磁波

特定频率的电磁波可以使原子核的磁矩发生共振。

信号产生

共振后，原子核会释放出信号，被MRI仪器接收，进而生成图像。

共振频率

1. 核磁共振频率取决于原子核的种类和所处磁场的强度，不同的原子核在同一磁场中具有不同的共振频率，氢核的共振频率最高，因此在MRI中应用最广泛。
2. 核磁共振频率可以通过公式f=γB/2π计算，其中f为共振频率，γ为原子核的旋磁比，B为磁场强度。
3. 通过改变磁场强度，可以改变核磁共振频率，这种技术被称为频率调谐，在MRI中，利用频率调谐技术可以区分不同的组织结构。

前述的简单解释核磁共振成像利用了原子核的自旋特性。这些原子核就像微小的磁体，在磁场中会以特定的频率旋转。当外部射频脉冲的频率与原子核自旋频率一致时，就会发生共振，原子核会吸收能量并改变自旋方向。当射频脉冲停止后，原子核会逐渐回到初始状态，释放能量，这个过程可以被检测到，并用来构建图像。

对于氢核的解释

氢核的组成：氢原子只有一个质子，没有中子，因此氢核仅由一个质子构成。

自旋和磁矩：氢核具有自旋，并产生磁矩，其大小和方向与自旋角动量相关。

横向磁化和纵向磁化：

1. 纵向磁化：氢核自旋方向与外磁场方向一致
2. 横向磁化：氢核自旋方向与外磁场方向垂直
3. 磁化矢量：表示磁化强度和方向的矢量
4. 磁化过程：外磁场使氢核自旋方向趋于一致

纵向磁化反映了氢核自旋方向与外磁场方向一致的程度，横向磁化反映了氢核自旋方向与外磁场方向垂直的程度。磁化矢量的方向和大小决定了MRI信号的强度和相位。

自旋和磁矩

原子核自旋：原子核内部带电粒子运动产生自旋，如同地球自转。

磁矩产生：自旋运动会产生磁矩，类似于一个小磁铁，具有南北极。

磁场方向：磁矩的方向取决于原子核自旋的方向，形成一个微小的磁场。

磁场强度：磁矩的大小决定了磁场强度，不同的原子核具有不同的磁矩。

自旋系综的态势

在MRI中，大量的氢原子核的自旋方向并非完全一致，而是呈现随机分布。这些自旋方向的随机性导致总体磁矩相互抵消，因此在没有外磁场的情况下，物质整体上不会表现出磁性。当外磁场施加后，氢原子核的自旋方向会发生变化，部分氢原子核的自旋方向会与外磁场方向一致，产生磁化。这种现象称为自旋系综的态势，是MRI成像的基础。

激发和放松过程

激发

应用射频脉冲，使自旋系综中的核磁矩发生共振，从而改变核磁矩方向，使其不再指向Z轴。

能量吸收：氢核从低能级跃迁至高能级，吸收射频能量。

弛豫

射频脉冲结束后，核磁矩不再受到外力，逐渐恢复到初始状态，即沿Z轴方向排列。

能量释放：氢核从高能级跃迁至低能级，释放能量，并以无线电波的形式发出信号。

T1和T2的概念

1. T1弛豫时间：从纵向磁化完全消失到恢复到63%所需的时间。
2. T2弛豫时间：从横向磁化完全消失到恢复到37%所需的时间。
3. 概念区别：T1和T2分别描述了纵向和横向磁化的恢复时间，反映了不同的物理过程。

T1弛豫和T2弛豫

T1弛豫：T1弛豫是指纵向磁化恢复到平衡状态的时间常数。它取决于组织的水含量和分子运动速度。T1加权成像可以显示组织的解剖结构。

T2弛豫：T2弛豫是指横向磁化衰减到零的时间常数。它取决于组织的氢离子浓度和分子运动速度。T2加权成像可以显示组织的水分含量和病理变化。

自旋回波现象

自旋回波现象是指当磁场梯度脉冲结束后，氢原子核自旋逐渐恢复到平衡状态时，由于核磁共振信号的衰减而形成的信号回波。自旋回波信号的衰减速度与组织的弛豫时间相关，因此可以用来区分不同的组织类型。

编码原理

空间编码：通过改变磁场梯度，实现对不同空间位置的信号进行编码。

频率编码：利用不同频率的射频脉冲，对不同空间位置的信号进行编码。

相位编码：通过改变相位编码梯度，对不同空间位置的信号进行编码。

梯度场的作用

空间定位：梯度场会使不同位置的磁场强度不同。通过改变梯度场的强度和方向，可以将信号源的空间位置编码为不同的频率。

图像重建：通过对不同梯度场下获取的信号进行处理，可以重建出组织的二维或三维图像。

切片选择：梯度场可以用于选择特定的切片进行成像。

其他功能：梯度场还可以用于多种成像技术的实现，例如扩散加权成像和磁敏感加权成像。

图像重建的基本原理

1. 数据采集：获取空间位置和信号强度
2. 数据处理：进行傅里叶变换
3. 图像显示：将信号转换为像素

MRI图像重建过程主要分为三个步骤：数据采集、数据处理和图像显示。

影像构建的几种方式

1. 频谱编码：利用不同频率的信号，对图像进行编码，并根据频率信息重建图像。
2. 相位编码：利用不同相位的信号，对图像进行编码，并根据相位信息重建图像。
3. 空间编码：利用不同的空间位置，对图像进行编码，并根据空间信息重建图像。
4. 傅里叶变换：对编码后的信号进行傅里叶变换，将信号从时域变换到频域，并根据频域信息重建图像。

脉冲序列的种类

• 自旋回波序列：是最常用的序列之一，产生高质量的图像，但扫描时间较长。
• 梯度回波序列：扫描速度快，适用于动态图像，但图像质量略逊于自旋回波序列。
• 反转恢复序列：用于区分不同组织的T1弛豫时间，常用于脑部扫描。
• 弥散加权成像：用于观察组织内部的水分子运动，常用于脑肿瘤检测。

T1加权和T2加权成像

T1加权成像

T1加权成像以组织的T1弛豫时间为基础。T1弛豫时间是指组织从低能级状态到高能级状态的时间，它与组织的组成成分有关。例如，脂肪组织的T1弛豫时间较短，在T1加权图像中表现为明亮信号。

T2加权成像

T2加权成像以组织的T2弛豫时间为基础。T2弛豫时间是指组织从高能级状态到低能级状态的时间。例如，水组织的T2弛豫时间较长，在T2加权图像中表现为明亮信号。

扫描过程

1. 定位：患者进入扫描仪，躺在一张可移动的床上，床会滑入扫描仪的中心，并将身体移动到扫描区域。
2. 扫描开始：扫描过程开始后，患者需要保持静止，避免身体晃动或移动，以免影响图像质量。
3. 图像采集：扫描完成后，扫描仪会将采集到的信号数据传输到计算机，并通过复杂的算法重建成图像。

扫描参数的选择

• 层厚：层厚决定了图像的横向分辨率和信噪比。层厚越薄，分辨率越高，但信噪比越低。
• 重复时间（TR）：TR决定了每个层面的扫描时间。TR越短，扫描速度越快，但信噪比越低。
• 回波时间（TE）：TE决定了扫描时间。TE越长，信噪比越低，但图像对比度越高。
• 视野（FOV）：FOV决定了图像的空间范围。FOV越大，图像分辨率越低，但图像细节可能丢失。

成像质量的影响因素

• 磁场均匀性：磁场均匀性影响图像清晰度和准确性。不均匀的磁场会导致图像失真和伪影。
• 梯度场线性度：梯度场线性度影响图像的空间分辨率。非线性梯度场会导致图像模糊和伪影。
• 脉冲序列设计：脉冲序列的设计决定了图像的对比度和信噪比。合理的脉冲序列设计可以提高图像质量。
• 扫描参数设置：扫描参数设置，如扫描时间、层厚和矩阵尺寸，都会影响图像质量。合理的参数设置可以提高图像质量。

MRI系统的组成

• 磁体系统：磁体系统产生强磁场，将人体内的氢原子核排列整齐。
• 射频系统：射频系统发射射频脉冲，激发氢原子核产生共振。
• 梯度系统：梯度系统产生空间梯度磁场，用于对不同位置的信号进行编码。
• 数据采集和处理系统：数据采集和处理系统接收、处理、重建信号，生成MRI图像。

MRI成像的应用领域

1. 神经系统疾病：脑肿瘤、脑卒中、脑积水、多发性硬化症、癫痫等疾病的诊断。
2. 肌肉骨骼系统疾病：关节炎、韧带损伤、骨折、肌肉损伤等疾病的诊断。
3. 心脏病：心脏结构异常、心肌病变、心脏瓣膜疾病等诊断。
4. 肿瘤诊断：各种肿瘤的诊断和分期，以及疗效评估。

存在的问题和未来展望

• 成本问题：MRI设备昂贵，扫描成本较高，阻碍了其普及。
• 技术局限：MRI扫描时间较长，对部分患者不适用，如金属植入患者。