MRI基础知识——射频脉冲1

Struggle

本文4000个字，7幅图片，9篇相关文章，建议阅读时间15分钟。


磁共振成像中，最不可或缺的一部分就是射频脉冲（RF脉冲），本期内容详细介绍RF脉冲相关知识。


公众号很久都没有写MRI基础知识了，可能前面写了很多文章，大部分文章都写的比较长，而且内容比较概括。随着大家学习的深入，我认为应该把一个小知识点或者部分写得更深入、更细致，特别是对于基础部分，不再追求单纯的广度，而是尽量讲细。
前文链接：


本期内容先介绍MRI成像中最不可或缺的一部分，也就是射频脉冲（RF脉冲）。


一.RF脉冲
对于一个磁共振序列，射频脉冲是不可或缺的，可以说没有射频脉冲就不能产生磁共振信号。电磁振动的传播是电磁波，共振的本质是能量传递，如果我们发射一个射频（Radio Frequency, RF）脉冲（写作RF脉冲），且该射频脉冲的频率等于位于B0磁场环境中的氢质子进动频率（即拉莫尔频率）。则氢质子能够吸收能量，产生能量跃迁，该现象就叫做核磁共振。
我们要使得磁场环境下氢质子吸收能量产生共振，关键的因素在于射频脉冲的频率需要等于氢质子的进动频率。假设射频脉冲的频率为ω1，氢质子的进动频率用ω0来表示，则磁共振产生的技术条件就是：ω1= ω0。
所以，对于磁共振成像，RF脉冲是不可或缺的一个条件。

图1：临床MRI成像中常用到的RF脉冲频率范围

RF脉冲的能量和波长成反比，和频率成正比。临床常用的磁共振，静磁场范围在0.2T~3.0T之间，则我们非常容易计算RF脉冲的频率范围应该在8.5MHz（42.577MHz/T×0.2T）~127.7MHz（42. 577MHz/T×3.0T）之间。而我们习惯用到的接收收音机的调频（Frequency Modulation, FM）广播，其频率范围一般在76MHz~108MHz。和RF射频脉冲频率有很大的重叠范围，这就是磁共振机房为什么需要做严格的屏蔽，以避免外界的不相干电磁波干扰，产生图像伪影。
另外，我们都知道相比于X线和CT检查，磁共振是没有电离辐射的。这也是因为激发人体的RF脉冲的频率波段，波长较长，属于非电离辐射。
前文链接：


二.射频场
大家经常看书，可能会看到MRI中的各种场。静磁场、射频场、B0场、B1场，梯度场，这么多场，有时候这些概念会让大家产生疑惑或者混淆。
RF脉冲本身就是一个电磁波，满足波的特性，其本身传播的过程也会产生一个磁场，我们把这个磁场叫做射频场，用B1表示。以区别于不变的外加磁场B0场，即静磁场。

图2：电场和磁场方向相互垂直

如图2所示，变化的电场可以产生磁场，同样变化的磁场也可以产生电场，这样就在空间上形成了电磁场。电场方向和磁场方向是相互垂直的。这样变化的电场产生变化的磁场，而变化的磁场又产生变化的电场，结果就是变化的电磁场在空间中不停的传播，形成了电磁波。

对于临床常用的1.5T或3.0T磁共振，B1场的大小一般为5~20μT（1 μT=10^-6T），和主磁场相比是非常小的。


三.激发
当RF脉冲的频率等于氢质子的拉莫尔频率时，氢质子吸收能量，产生共振，这个过程又被叫做激发。
RF脉冲在MRI中的一个最重要的功能就是起到激发作用。
从微观来看，当RF脉冲频率和氢质子的进动频率一致时，在B0场中的氢质子吸收能量，低能级的氢质子获得能量后，跃迁到高能级。吸收的能量越多，则高能级氢质子的数目越来越多，低能级氢质子数目越来越少，两者数目之间减少。
从宏观来看，高能级氢质子数目越来越多后，当高低能级氢质子数目相等的时候，则在B0方向（即纵向上），高低能级感生的磁场强度将刚好抵消，宏观磁化矢量在纵向上为0。

图3：RF脉冲的激发作用



激发的最终效果就是将纵向净磁化矢量方向翻转。

可以想象，RF脉冲持续的时间越长，则系统中氢质子吸收的能量越多，越来越多的氢质子获得能量跃迁到高能级，高低能级氢质子数目逐渐缩小。当RF脉冲持续作用，系统继续获得能量时，则有可能高能级氢质子数目反而大于低能级，甚至有可能所有氢质子均跃迁成为高能级。这个时候，宏观的磁化矢量方向有可能从原来的朝向B0方向，变为和B0方向相反，即纵向翻转了180°。系统吸收能量后，宏观磁化矢量逐渐偏离B0方向，其与B0方向的夹角，我们把它叫做翻转角（flip angle）。
前文链接：


四.章动
章动是对RF脉冲作用后，净磁化矢量改变方向改变过程的描述。

图4：章动示意图



如图所示，我们先建立一个XYZ坐标系。Z轴方向和外加磁场B0方向一致，XY垂直于Z轴方向。在没有RF脉冲作用之前，氢质子群在外加磁场B0的环境中，绕着B0方向进行进动（也就是绕着Z轴方向进动），宏观磁化矢量M0和Z轴方向一致。当垂直于Z轴方向，如图所示在X方向再施加RF脉冲，也就是再给与一个B1场时。如果RF脉冲的频率ω1= ω0，则将产生共振现象，氢质子吸收能量。进动的氢质子同时受到了两个外加磁场的影响，氢质子群不仅绕着Z轴做旋转运动，还会绕着B1方向做旋转运动（也就是绕着X轴做另一个方向的进动）。这种质子既绕着Z轴方向旋转，又绕着X轴方向旋转的运动，我们把它叫做章动（Nutation）。章动是质子同时在两个方向进动的宏观反应。


五.线极化及圆极化
要满足激发条件，不仅要求RF脉冲的频率和拉莫尔频率相等（相似），还要求射频场方向和旋转磁场方向一致。这就要求产生的B1场是一个旋转磁场，且频率等于拉莫尔频率。
旋转的射频场如何产生？一般是通过线极化（线偏振）（Linear Polarized, LP）或者圆极化（圆偏振）（Circularly Polarized, CP）。




六.RF脉冲分类
射频脉冲的作用不单单只是激发，其主要包括三个作用：激发（excitation）、反转（inversion）、重聚（refocusing）及储存磁化矢量（store）。
大部分RF脉冲的主要作用是激发，也就是作用后使得纵向净磁化矢量翻转，产生横向磁化矢量，从而产生MRI信号，这种RF脉冲又可以叫做激发脉冲。激发的效果一般用翻转角（Flip Angle）或者激发角度来表示。翻转角的大小取决于射频脉冲的能量，而它的能量又是其射频脉冲强度和持续时间的乘积。所以，如果能够缩短射频脉冲的作用时间，则可以提高扫描速度。要达到这个目的，可以采用两种方法，如下图所示：缩小翻转角，比如采用梯度回波序列。或者在同样的翻转角情况下，提高射频脉冲的能量。

图5：不同翻转角的激发效果



图中a和b比较，如果射频脉冲能量相同的话，采用30°翻转角的射频脉冲作用时间相比90°的缩短1/3；如果翻转角相同，图中a和c，则提高射频脉冲的能量能够缩短其作用的时间。
180°RF脉冲可以使得纵向磁化矢量M0反转到负的方向，此时的RF脉冲又可以叫做反转脉冲。反转脉冲一般是用于反转恢复序列及磁化准备阶段的准备脉冲。
当然，180°RF脉冲还有一个很重要的作用，就是重聚，它可以使得水平方向的质子群翻转180°到镜像位置。对质子的相位进行重聚产生自旋回波信号，这一点在自旋回波类序列中得以体现。
所以，即使同样是180°的RF脉冲，有可能其功能不同，则分类不同。有可能是反转脉冲，有可能是重聚脉冲。

当然，我们在磁共振参数的故事里讲过，要达到信号重聚产生自旋回波的效果，不一定必须要用180°的RF脉冲，非180°的RF脉冲也可以达到重聚信号的作用。
前文链接：


另外，非180°的RF脉冲，还有储存磁化矢量在纵向的功能，这种情况常用于非180°的RF重建脉冲并且可以产生受激回波。如果是非180°的射频脉冲，会将水平方向的磁化矢量部分翻转到纵向上，从而达到储存磁化矢量的作用，等下一个射频脉冲后可以产生受激回波信号。在3D的自旋回波序列中，采用连续的小角度射频脉冲得到信号就利用了这一点。

前文链接：


七.射频线圈
RF脉冲一般是由各种射频线圈产生的，这部分在磁共振线圈里有写，这里就不过多赘述了。
前文链接：






今天这部分内容就介绍到这里，希望对大家有所帮助。这个月欧洲杯足球赛，可能很多老师熬夜看球，注意身体。我到没有怎么看球，但是我也熬夜，熬夜写文章。这篇文章写完已经凌晨04:50了。
公众号写了这么多篇文章，70%的是磁共振相关的，最近又学习了一下，感觉自己好像不懂磁共振了。新序列、新技术太多，而我做MRI放疗定位其实很久都没有了解新技术和新序列了。压力比较大，非常焦虑，感觉自己的知识体系有点脱节了。所以要恶补一下。
我自己写公众号，其实我也看别人的公众号，特别是关于放疗内容的。我发现有几个公众号也是写了很多放射治疗的知识，而且从最简单的开始写，我连续看了2天，基本上是很多知识从0开始，感觉收获很大。感谢这些无私写严肃题材公众号的作者。








2021.6.20       凌晨           于       北京
          Viktor   Lee  李懋


关注懋式百科全书，更多的精彩原创内容。
Welcome to subscribe my WeChat Official Account (personal blog).

来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/382473118
免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！