MRI原理简述：从自旋到序列

忠信

1.物理知识

• 核自旋，自旋是一种量子现象。加入主磁场B0后，会形成一个净磁化矢量M0。这是由于在外加磁场下，会使一部分自旋的方向变为和磁场方向相同，而其余大部分的自旋方向都是混乱的，整体上表现为M0。
  

• 进动：如果对这个M0施加一个扰动，那么就会发生进动，进动频率是拉莫尔频率： \omega=\gamma B_{0}
  

• 共振：在B0的基础上施加一个与B0方向垂直的且不断旋转的磁场B1，而如果B1的旋转频率恰好等于拉莫尔频率，那么就会发生共振：
  

进动的直观表述就是B1的旋转和M0围绕B0的旋转速度正好match上了，那么放在旋转坐标系下，其实就是M0又在围绕B1做一个进动

• 弛豫：
  

在一般的大学物理中，我们知道对于一个角动量来说，如果没有外界的干扰，它会保持运动状态的相对不变。体现我们这里，如果撤去射频场之后，净磁化矢量在x-y平面的话，那它会一直在x-y平面做旋转。但是由于量子力学的一些特性，导致了射频场取消之后，会发生弛豫现象。1H弛豫的主要原因是偶极-偶极相互作用。
描述弛豫现象的方程是Bloch方程，这个方程是一个经验方程并不是理论方程。它描述了宏观的磁化矢量在弛豫过程中的行动。

在射频场B1取消之后，M0会趋向于恢复至初始状态即与B0平行的方向（能量最小最稳定）。因此会在xy平面发生衰减，z方向发生恢复。

2、信号来源

• FID信号：
  

因为x-y平面的Mxy一直在旋转，所以在Z方向放置一个线圈，就会产生磁通量变化产生电流的现象。另一方面，由于Mxy的T2*衰减，所以此信号是一个自由衰减的正弦信号FID：

• 自旋回波(Spin Echo)信号
  

发生T2*衰减的的原因主要是，由于磁场不均匀性导致xy平面内，各原子核旋转的快慢不一，发生失相。通过加一个180°的RF脉冲，可以将整个旋转系统翻转，使得失相变为聚相。这是由于“原子记忆”的存在。

• 梯度回波(Gradient Echo)信号
  

梯度回波是通过先施加一个梯度，使FID信号快速失相，在施加一个相反的梯度用来聚相。

• 受激回波(Stimulated Echo)信号
  

此种回波形成比较复杂，有兴趣同学可以查看这里。

四种MRI信号总结3、2D图像编码

由于磁共振接收到的信号是一个总体的信号，也就是不能区分空间的位置，所以我们需要对其进行空间编码：

• 首先是Z方向是选层：在Z方向开启梯度场，各个位置的拉莫尔频率不相同，通过施加特定频率的射频磁场就会使得某个层发生共振。
  

• 然后是相位编码和频率编码：这个过程比较复杂，相位编码和频率编码的物理过程其实对应了二维傅里叶的数学过程，所以最终接收的到图像就是频率空间KSPACE。这其实是MRI里面非常fascinating的一个环节：经过空间编码后，你接收到的信号就是频率空间的信号了。它非常的奇妙，当然也不是那么容易就能让人理解。
  

经过这样一个过程之后磁共振接收的信号就可以直接填充到K空间里，每次只能填充一行

注意：接收信号是在频率编码的同时进行的

• 多次相位编码完成之后，K空间被填充完了，经过二维傅里叶逆变换就能得到我们想要的图像了：
  

注意：K空间中的各个点（kx，ky ）并不是与图像中的各个像素（x，y）一一对应的。每个K空间点包含关于最终图像中的每个像素的空间频率和相位信息 。相反，图像中的每个像素都映射到K空间中的每个点 。这里可以去看我的另一个回答：
4、MRI序列

序列其实就是执行MRI扫描的过程，其实执行一次MRI，我们所要做的就是控制不同的梯度线圈、射频线圈、接收线圈在合适的地点和时间工作。而把这种时序组合起来就是序列：

• 自旋回波序列SE：
  

• 梯度回波序列GRE：
  

序列其实是MRI里面很有意思的部分，不同的序列所造成的填充k空间的方式是不同的，所带来的图像的对比度、分辨率以及成像时间都是不同的。但是以上两种序列是所有序列的基础。
5、MRI对比度

与CT、PET相比，MRI不仅没有电离辐射，而且提供了丰富的对比度。本质上，组织内部不同物质不同结构有不同的属性，这些属性会影响MRI信号，对获得的信号进行适当的重建，这反映了组织的信息。例如，T1加权图像主要是用了大脑中白质和灰质的T1时间不同。
而DTI通过对扩散的检测可以进行纤维追踪；fMRI通过氧合血红蛋白的磁敏感性进行功能成像，可以检测大脑激活区域；MRA可以对血管进行造影，MRS和CEST可以检测体内生物分子的浓度，灌注（Perfusion）可以反映大脑内血流量的变化。
如此丰富的对比度都使得MRI技术不论是在临床还是科学研究中都有着重要的作用。

6、硬件结构：

MRI扫描仪的硬件结构主要包含：主磁体、梯度线圈（x\y\z）、射频线圈、信号接收线圈、垫片等。为了实现巨大的磁场，还要有超导技术、就会有液氦。

梯度线圈

整体结构以上是对MRI原理的简述。
参考：http://mriquestions.com/index.html


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