医学影像学———核磁共振MRI原理解析

温脑

我在本科期间就已经学过核磁共振的相关内容，但学到弛豫时间后总是对一些问题一知半解，现在研究生再次学到这个点，想一次把它学透。这篇博文是我的理解体会，我会在最近不断更新，希望大家批评指正！
 
# MRI介绍
## 1.成像特点：
软组织对比分辨率最高
具有任意方向直接切层的能力
无创伤、无射线辐射（这里的"核"指的是人体中的"氢核"）
成像参数多（如一系列弛豫参数的选择），因而成像潜力巨大
具有较高的空间分辨率
对钙化不敏感？
速度慢，运动伪影
 
## 成像总体流程
首先，将人体置于一个强磁场（目前医院设备磁场强度大多达到3特斯拉（T），1特斯拉（T）=10000高斯（Gs），地磁场强度约为0.5Gs）中；
目的：改变氢原子的宏观磁化矢量（具体后面说）
第二步，施加一个梯度磁场（磁场强度随距离线性变化，但远小于之前的强磁场）
目的：空间编码，就是可以利用不同位置的磁场强度不同这一点，改变之后射频信号的频率，达到获取不同位置信息的能力。
第三步：感应线圈接受信号，经过计算机处理后，得到人体的断层成像。
目的：成像。
 
# 原理解释
## 质子在无外加磁场下的运动：如果某种原子核中的质子数或中子数存在为奇数的情况（只要有一个是奇数就行），那么此原子核便具有自选的特性。显然，MRI中使用到的氢原子因为含有1个质子和0个中子满足这个条件，因而它能自旋。
质子绕着某一轴线转动，即意味着产生了环形电流，因而便产生了磁场，如图所示。(由于氢原子核只有单一质子，具有最强的磁矩，旋磁比高，信号灵敏度高；氢质子在人体内分布广，数量多，MRI均选用氢为靶原子核)

                               
登录/注册后可看大图

在常规条件下，宏观物质中的原子核的磁矩（可发生自转的前提下）是无规则排列的，从而相互抵消，所以一般的宏观物质并不表现有磁性。

                               
登录/注册后可看大图

## 质子在外加磁场中的运动：外加强磁场B0（现在医用一般为3T）
自旋的氢质子在B0的作用下发生进动（极化），质子的宏观磁化矢量（氢原子净磁矩和M0
）平行于B0方向（主磁场方向）。（受激发后，大部分氢原子（处于低能态）的净磁场平行于B0，少部分氢原子（处于高能态）凡平行于B0。

 

 

说明：1.氢原子的旋磁比为常数42.60MHz/T，旋磁比是原子的自身特性
2.宏观磁化矢量M0的大小与低能态和高能态的原子核数目差成正比，即与主磁场强度和原子核密度成正比。通俗来讲，设备的B0越高，接收到的信号越强；检测部位氢原子含量高，接收到的信号越强。
#二.层面选择
## 原因：我们希望将不同横截面的人体组织分开成像，所以使用了线性变化的磁场来对应人体的不同部位。例如下图在平行于人体径向的基础上又加入了一个梯度磁场，方向由头的下部指向踝关节的上部，磁场强度由头到脚线性减少。注意，此处梯度磁场在各点的方向仍平行于主磁场B0，而不是斜着的！！！

                               
登录/注册后可看大图

同时我们可以根据公式：

 

                               
登录/注册后可看大图

氢原子的进动频率 = 氢原子的旋磁比 * 氢原子所在位置的磁场强度

得知：我们之前施加的梯度磁场可以使不同位置的氢原子具有不同的进动频率。
## 选片梯度
在上述基础上，接着，我们如何让不同位置的氢原子发出信号，从而反馈其所在位置的影像信息呢？
首先，请让我介绍一个概念：共振。能量从一个震动着的物体传递到另一个物体，而后者与前者需要具有相同的频率震动。
好的，既然如此，那我们就可以通过控制发射的射频信号的频率来激发特定层面的氢原子（该层面中氢原子由于所处磁场强度相同，因而具有相同的进动频率），继而这个层面中的氢原子向外发射信号，我们就能获知这个位置的影像信息了。
后记：选层磁场的梯度大小会影响到层与层之间的分辨率，以及信噪比。
如下图所示，当我们固定射频信号的带宽，当选层梯度大时，覆盖的成像组织就薄，反之，当选层梯度小时，覆盖的成像组织就厚。显然，梯度越大，不同层之间的区别越大，分辨率因此也会更好。但是由于梯度高的磁场成像的范围小，导致随机信号的抵消就不如梯度小时磁场成像范围大的情况。

 

 
 
 
#三.射频脉冲
 
 
# 四.弛豫时间