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基础篇-磁共振原理(上)

 zskyteacher 2018-11-30

首先要了解磁共振特点,以及磁共振设备和其他医学影像设备成像有何不同;

X线、CT、DSAーX线经人体组织吸收后记录衰减密度像(密度)
超声一高频声波到人体反射经传感器探测的回声像(回声)
磁共振一在磁场内人体氧原子核经射频激励后形成自由感应衰减信号成像(信号 )

      磁共振成像特点:是一种无线电波成像,软组织分辨率最高,可适用于全身检查,可提供活体结构和代谢信息。

      磁共振成像定义:是利用射频电磁波对磁场中含有自旋不为零的原子核的物质进行激发,发生核磁共振,然后用感应线圈采集磁共振信号,经过数学方法进行处理而建立的数字图像。(位于静磁场中的人体组织受到射频场的作用产生磁共振信号并利用梯度场进行空间编码实现对信号的定位,通过计算机的重建处理,从而得到图像)人体进入磁场被磁化,通过射频脉冲RF去激发氢质子,射频脉冲停止之后就换产生核磁弛豫从而产生磁共振信号,然后经过线圈去接收磁共振信号。

      磁共振MRI基本成像过程;人体未进入磁场,体内氢质子群自然无规律排列→进入静磁场,所有自旋的氢质子重新排列定向,磁矩指向N或S极→通过射频线圈和静磁场垂直方向施加射频脉冲,受检部位氢质子吸收能量并向一个方向偏转和自旋→射频脉冲停止后核磁弛豫开始,氢质子释放吸收的能量重新回到原来自旋的方向(63%T1值、37%T2值)→释放的电磁能转化为磁共振信号→经梯度磁场做层面选择和相位编码及频率编码→经傅立叶转换和计算机处理形成图像。

    原子核的自旋

    原子核是由质子和中子组成。质子带正电荷,通常与原子核外的电子数相等,以保持原子的电中性,原子核中的质子和中子个数可有不同,质子和中子决定原子的质量,原子核是主要决定该原子物理特特性的。质子中子如不成对,将使质子在旋转产生角动量(自旋)一个质子的角动量具备了“磁性原子核”根据原子核的基本特性质子和中子统称为核子,具有自旋的特性犹如一个小磁体,它们像地球一样在不停地绕轴旋转。

     磁共振成像一般都是利用氢质子成像,那么为什么选择氢质子而不是其他呢?因为原子核中的质子并非是静止状态,以自身的旋转轴作自旋运动,是原子核的一种特性。自旋与质子数目有关。质子和中子只有在基数和偶数不一样的情况下它核才有自旋(如果质子中子都是偶数这个原子核就可能是没有自旋,如果是基数可能有也可能没有)我们需要的是质子和中子不一样的情况下才是有价值的。只有奇数质子元素具备了磁共振研究条件的碳13、磷31、钠23、氟19、H1氢质子只有一个质子,即角动量最强,而且在人体中占的比例最高达65%以上,因此医学磁共振成像主要利用H1氢质子来完成的。

       自然状态下,小磁体自旋轴的排列杂乱无章无一定规律,并随时发生变化。当外加一个强磁场后,则小磁体的自旋轴将按磁场南北极两个方向重新平行排列。如图所示

  

 


     两种不同排列表明其处于两种不同能级状态,低能级与主磁场方向相同,高能级和主磁场方向相反。于主磁场方向一致的低能态的质子磁矩占多一半,于主磁场方向相反的高能态的质子磁矩占小一半。形成两个方向相反的角动量只差,就是宏观组织结构的磁矩。人体进入磁场组织被磁化(称之为纵向磁化)。高低能级两种状态,如图所示

   

     处于强磁场中的质子并非静止的像两个方向平行,而进行“陀螺样的摇摆样运动”质子磁矩这种动态旋转过程称为进动,其旋转频率成为磁共振频率(拉摩Larmor频率)也就是我们经常说的进动频率。


      当人体进入磁场以后,会诱发新的磁化向量,沿外磁场纵轴方向称纵向磁化。因与磁场平行处于同一方向的纵向磁化向量不能直接探测到,需要横向与外磁场的磁化向量。用一个短促的电磁波(即能与质子交换能量的射频脉冲RF)打乱质子的排列状态,产生横向磁化,质子频率与射频脉冲频率相同时,质子吸收能量,发生能态跃迁,产生磁共振,使组织磁化向量位置移动,围绕主磁场方向的进动角度发生变化。(也就是说施加一股能量,RF射频脉冲,让小质子转动一个角度)。停止发射射频脉冲RF后,则被激发的氢原子核把所吸收的能逐步释放出来,其相位和能级都恢复到激发前的状态。ps:如果不理解的话,可以想象在刮风的时候,风可以看做射频脉冲,树就代表质子,当大风来的时候树就会随风的能量而偏移角度比作横向磁化矢量,当风停止的时候也就是射频脉冲停止的时候,树也就是质子,会恢复到风来之前的状态,这样应该就好理解了。还有就是射频脉冲时间的长短、强度的大小决定了进动角度的大小。射频脉冲强度越大,进动角度改变越快。射频脉冲施加时间越长,进动角度越大。射频脉冲较弱或作用时间短时,质子磁矩产生小角度翻转或90度,射频脉冲较强或持续时间长,使质子磁矩由原来顺磁场排列方向翻转180度倒向负Z轴方向。射频脉冲的停止,质子恢复过程称为弛豫过程。而恢复到原来平衡状态所需的时间则称之为弛豫时间。有两种弛豫时间,一种是自旋-晶格弛豫时间,又称纵向弛豫时间反映自旋核把吸收的能传给周围晶格所需要的时间,也是90°射频脉冲质子由纵向磁化转到横向磁化之后再恢复到纵向磁化激发前状态所需时间,63%称T1时间(纵向弛豫时间)。


 另一种是自旋-自旋弛豫时间,又称横向弛豫时间,反映横向磁化衰减、丧失的过程,也即是横向磁化所维持的时间,37%称T2时间(横向弛豫时间)。


T2衰减是由共振质子之间相互磁化作用所引起,与T1不同,它引起相位的变化。人体不同器官的正常组织与病理组织的T1是相对固定的,而且它们之间有一定的差别,T2也是如此。这种组织间弛豫时间上的差别,是MRI的成像基础。就像CT成像,是利用组织间吸收系数(CT值)差别是CT成像基础的道理。但MRI不像CT只有一个参数,即吸收系数,而是有T1、T2和自旋核密度(P)等几个参数,其中T1与T2尤为重要。因此,获得选定层面中各种组织的T1(或T2)值,就可获得该层面中包括各种组织影像的图像。
MRI的成像方法也与CT相似。有如把检查层面分成Nx,Ny,Nz……一定数量的小体积,即体素,用接收器收集信息,数字化后输入计算机处理,获得每个体素的T1值(或T2值),进行空间编码。用转换器将每个T值转为模拟灰度,而重建图像。


来源:存志先生

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