核磁共振原理(二)-成像方式

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好久没写东西了，一直在忙于找工作。也算是尘埃落定了。更新更新下叭。
核磁共振有三种成像方式T1WI(T1 Weighted Image)、T2WI(T2 Weighted Image)和PDWI(Proton Density Weighted Image)
那么这一篇就写写这三种成像方式。
为什么需要不同的成像方式呢？因为不同的病灶有不同的特点。我们需要根据其特点成出一个更有利于诊断的图像。
比方下面两张图像。就是对同一个部位进行T1WI和T2WI成像。
T1WI中我们就可以很清晰的看出各个区域的轮廓。
T2WI中就有一个很明显的亮点，这可能是因为这个病灶伴随着水肿。水在T2WI是高信号，因此呈现出亮点。

T1WI、T2WI那么为什么有的组织在T1WI是高信号，而有的组织在T2WI是高信号呢？
这是组织之间的T1弛豫时间和T2弛豫时间互不相同。
T1、T2是由质子所处的组织属性决定的。
下表就展示了组织之间的T1、T2时间的差异

表一 1.5T磁场下的各个组织T1、T2时间我们可以看到各个组织之间的T1、T2互不相同，特别是脑脊液（主要成分是水）与其他组织差别特别大。
我们就可以利用这个差异，使他们在呈现不同的信号强度。最终在图像上就能分辨出各个组织的轮廓。
这三种成像方式的侧重点分别是：
T1WI是反映组织间T1弛豫时间的差别
T2WI是反映组织间T2弛豫时间的差别
PDWI是反映区域粒子浓度的差异。
那这一篇就写写如何利用各个组织的弛豫时间不同来实现这三种成像方式。
核磁共振流程

横向磁化

人体进入核磁共振仪，在强大磁场的作用下，质子的自旋方向会被改变。大量低能态质子的自旋方向会顺着磁场的方向。少量高能态质子的自旋方向会逆着磁场方向。

纵向磁化这个时候核磁共振仪发射射频脉冲，与低能态质子产生共振，低能态质子吸收射频脉冲，能级跃迁进入高能级。控制好射频脉冲的能量，使得低能态质子的数量与高能态质子的数量一致，纵向磁场就被抵消了。

横向磁化而射频脉冲还会将氢质子堆积在一起。同步旋转，低能态质子与高能态氢质子共同产生一个横向的磁场。
弛豫

撤走了脉冲后，会同时发生两种弛豫效应。
T1弛豫

同时处于高能态的低能态质子也会在T1中重新回到低能态，纵向磁场恢复。

T1弛豫T2弛豫

质子将在T2中分开，横向磁场衰减。

T2弛豫这两个弛豫所需要的时间就如表一所示。

T1、T2

那么一个组织的T1、T2时间是如何定义的呢？
M_{xy}=M_0\times e^{-\frac{t}{T_2}} （公式1）
M_z=M_0\times(1-e^{-\frac{t}{T_1}}) （公式2）
M_0 是未加脉冲前的纵向磁场磁场强度。 M_{xy} 是横向磁场强度。 M_z 是纵向磁场强度。
上面两个公式就是在告诉我们 M_0与 M_{xy}和 M_z 的关系。
关于公式1，为什么 M_0 后面乘了一个e的负x次方函数呢？我的理解是横向磁场在T2弛豫过程中，磁场强度下降符合e的负x次方函数。而e的指数为什么是 -\frac{t}{T_2} 呢？我认为是当 M_{xy}=\frac{M_0}{e}=0.37M_0 时，我们可以认为T2弛豫完成了，这是一个经验值。
公式2同理可证。
所以T1和T2的时间就分别是 0.63M_0 和 0.37M_0
下面这张图就表示了当我们撤走了脉冲后，横向磁场和纵向磁场的变化。
首先横向磁场 M_{xy} 会迅速从 M_0 衰减到0。
而纵向磁场 M_z 会缓慢的从0上升回到 M_0 。

T1、T2时间那我们该如何利用T1和T2的弛豫时间呢？
这就需要引入两个变量TR、TE了。
TR、TE

TR

TR(Repetition Time)：两个连续的射频脉冲之间的时间间隔。TR决定了两个脉冲之间纵向磁化矢量的恢复程度。
那这句话是什么意思呢？
我们知道一个脉冲结束后，就会发生弛豫。这个弛豫是什么时候结束呢？是下一次脉冲来的时候。
所以两个连续射频脉冲之间的时间间隔就是发生弛豫的时间。
在T1弛豫中，脂肪和水的纵向磁化的恢复速度不一样。如下图

不同组织的T1弛豫这里有两个时间点 TR_1 和 TR_2 。我们可以看到这个两个时间对应的纵向磁化矢量的强度差 D_1 和 D_2 是不一样的。如果选择了 TR_1 （短TR）作为我们 TR 。他会导致后面被激发到横向磁化矢量的差异也会被放大。那么脂肪和水这两个的T1弛豫产生的结果就会被放大。而当我们选择了 TR_2 （长TR）作为我们的 TR 。我们可以看到结果中T1弛豫的影响就比较小了。

选用不同TR，对纵向磁化矢量造成不一样的结果所以TR通过控制弛豫时间来达到放大和缩小T1弛豫产生的结果。如果我们希望T1弛豫的效果明显，我们就选择短的TR时间。如果我们希望T1弛豫效果不明显，我们就选择长的TR时间。
TE

TR是用来控制T1弛豫的。那么TE自然就是用来控制T2弛豫的。
TE(Echo Time)：是指第一个射频脉冲到回波信号产生所需要的时间。
也就是说从脉冲撤回开始。到我们去检测横向磁场强度的这个时间就是TE

不同组织的T2弛豫脉冲撤回开始。T2弛豫就开始了。如果我们越早的结束这个阶段。那么T2弛豫的时间也就越短。所以说。不同组织T2弛豫差异导致的结果也就越小。相反。我们适当延长TE使得各个组织充分的T2弛豫。那么组织之间T2弛豫差异导致的结果也就越大。

选用不同TE，对横向磁化矢量造成不一样的结果为什么长TR来减少T1弛豫的影响？短TR不也能减少T1弛豫的影响呢。我觉得可能是过短的TR使得没有多少纵向磁化强度。后边转换成的横向磁化强度就少了。收集到的信号就少了，信噪比也会随之降低。
那为什么短TE来减少T2弛豫的影响呢？长TE他们之间的差距也会变小呀。这是因为我们就是要搜集这两个信号的强度。过长的TE两个信号的强度都趋近于0了。我们就没法获得他们的信号了。
T1WI、T2WI、PDWI

那么整理一下，也就是说TR控制T1弛豫的程度。控制了T1弛豫的程度就控制了纵向磁场恢复的强度。那么这个纵向磁场强度就会激发变成横向磁场强度。也就是说TR控制了横向磁化矢量的开始的强度。
而TE是接收横向磁化矢量的时间，决定了我们接受横向磁化矢量衰减的程度。

TR、TE对信号的影响T1WI

T1WI是T1加权的成像方式。那么我们就需要放大T1弛豫的效果，同时减少T2弛豫的效果。所以说T1WI是短TR短TE。

T1WI(短TR、短TE)因为T1WI在很多情况下对比度比较好，所以T1WI常常用来看解剖结构。
T2WI

T2WI是T2加权的成像方式。那么我们就需要放大T2弛豫的效果，同时减少T1弛豫的效果。所以说T2WI是长TR长TE。

T2WI(长TR、长TE)因为很多病灶在T2WI是高信号，所以T2WI常常用来看病变。
PDWI

而PDWI是希望区分组织之间质子浓度的。我们就尽可能的减少T1弛豫和T2弛豫。使得每种质子输出的权重尽可能的一致，所以说PDWI是长TR短TE。

PDWI(长TR、短TE)不出意外下一篇可能就是明年了。下篇写写k空间。
参考：
一文掌握磁共振T1WI高信号病变
https://www.jianhu.com/p/57d16d7561eb