【核磁共振成像】磁共振原理及临床技能

孟想成真

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一、磁共振原理

  人体含有大量的水、脂肪等物质，这些物质含有丰富的氢元素。氢原子由单个质子和电子构成，磁共振成像就要从氢原子的自旋开始讲起。
  质子具有自旋磁矩，处于外部磁场中的质子，其磁矩会倾向于与磁场平行排列。平行同向排列为较低能量状态，称之为低能态。平行反向排列为高能态，两个自旋态之间的能量差ΔE可根据塞曼方程计算，两个自旋态的数量可以参考玻尔兹曼分布估算。在接近绝对零度的超低温状态下，可以预测绝大多数自旋会处于低能态。因为热运动会趋于平衡高低能态，随着温度升高，越来越多的自旋会处于高能态。
  当外部磁场强度为1.5T或3T，绝对温度为370K（即体温37℃左右），平衡状态下低能态仅略微优势多余高能态。然而这略微多出的合成磁矩是后续一系列磁共振成像的原始信号来源，我们称之为净磁化强度。同时，质子还会围绕外部磁场旋转，这种旋转也叫进动，又称拉莫尔进动。

  外部磁场强度为1.5T时，质子的进动频率约为64M赫兹。实际的自旋进动绝大多数是随机分散的，但其相互抵消后的净磁化强度依然满足此估算公式。考虑到与质子的单独交互涉及自旋波函数等诡异的量子知识，故不赘述。
  如果在与外部主磁场垂直的方向施加旋转磁场，且旋转频率与进动频率非常接近，质子就会发生磁共振，M会表现出围绕主磁场螺旋进动。进动的倾斜角度被称为翻转角，横向旋转磁场的频率一般在兆赫，属于射频的频率范围，而且通常只开启几毫秒，所以也成为射频脉冲。通过调整射频脉冲的幅度或持续时间，可以将M翻转90°、180°、270°或其他任意角度。

  射频脉冲关闭后，将M分解为纵向和横向磁分量，分别进行讲解。首先俯视横向磁分量，在于进动同频率的旋转坐标系下，各磁矩表现为相对静止状态。由于存在外部磁场的轻微的不均匀与局部环境的干扰，以及自旋粒子间相互作用导致的局部场轻微随机波动，质子之间的进动频率会出现快慢差异，各质子的横向磁矩逐渐失去同步，横向磁分量以简单指数形式衰减，此时如果施加一个180°的射频脉冲，质子们会围绕脉冲方向反转180°。
  假设90°与180°脉冲的时间间隔是t，那么在2t时刻，由于外磁场不均匀而失去同步的磁矩将重新同步，这就是经典的自旋回波。之后各磁矩会再次失去同步，我们可以重复利用180°脉冲进行多次同步产生多次回波。不过，粒子间的相互作用等过程导致的信号衰减无法恢复，总体的横向磁分量还是会持续减弱。
  上述过程被称为横向弛豫或T2弛豫，横向磁分量衰减到其初始最大值的1/e（约37%）所需的时间定义为T2弛豫时间，侧重于T2弛豫差别的成像称为T2加权像。另外，未消除磁场均匀性影响的衰减时间定义为T2*，通过梯度反转产生的梯度回波可以得到T2*。接受线圈可以捕获横向磁分量的变化，感应出周期性振荡的小电流，从而采集磁共振信号。

  另一方面，纵向磁分量也会以简单指数形式恢复至初始平衡状态，此过程叫纵向弛豫或T1弛豫，纵向磁分量恢复到1-1/e（约63%）所需的时间定义为T1弛豫时间，侧重于T1弛豫差别的成像称为T1加权像。纵向磁分量的直接检测较为困难，可通过短时间内再次施加90°脉冲，将部分恢复的M翻转到横向平面进行检测。
  最后，还需借助梯度场来定位信号的空间位置。射频脉冲发射时，需要开启纵向梯度场，使纵向各切片的进动频率呈梯度差异。施加特定频率的射频脉冲，就可以让特定的切片发生共振。射频脉冲关闭后，纵向梯度场关闭，此时开启横向Y轴梯度场，质子进动频率呈Y轴梯度差异，进动相位随时间推移逐出现差异。此时关闭梯度场，质子进动频率恢复一致，但进动的相位差异被保留了下来，此过程被称为相位编码。
  最后开启横向X轴梯度场，质子进动频率呈X轴梯度差异，此过程被称为频率编码。频率编码的同时可以进行信号采集，频率分量可以通过单个回波信号的傅里叶变化分解得到，但相位分量不行，需要多次相位编码多个回波信号才能求解得到。
  回波信号的前后采样点恰好对应逐渐升高的空间频率。如果以正交方式采样信号，简单计算可得幅度和相位，其值可直接填充空间频率域，即俗称的K空间。此过程重复多次，如示例图像是256次，每次施加不同的相位编码，即可填满K空间，上述过程就是经典的逐行笛卡尔采样。K空间数据通过简单的傅里叶逆变换，就可以得到熟悉的磁共振图像。
  因为相位编码历时较长，逐行笛卡尔采样容易受运动影响产生伪影，可以考虑使用非笛卡尔采样，如径向采样，径向采样没有固定的频率和相位编码方向，而且K空间中存在过采样，对运动伪影相对不敏感。

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二、弛豫

  氢质子在磁场中产生核磁共振现象，然后当射频脉冲（能量）撤销以后，质子会逐渐恢复到稳态，这个过程叫弛豫。
  人体在主磁场中会产生一个纵向磁化矢量Mz，之后给一个射频脉冲打到90°方向就是F1序列。如果是梯度回波序列会形成一个小角度脉冲。当这个脉冲撤销后Mz会恢复到Z轴的位置，这个过程被称为弛豫。在恢复过程中，在Z轴有投影，在xy轴也有个投影。在恢复过程中，Z轴投影逐渐增加；而xy方向的投影逐渐减少。Z轴方向叫T1弛豫，xy轴方向的叫T2弛豫。

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1、T1弛豫

  T1弛豫也叫自旋-晶格弛豫。晶格频率与质子频率相近，弛豫就快（共振），T1就短。
  液体、固体的热运动频率远高于质子，能量释放慢，T1很长
  脂肪运动频率与质子相近，能量释放快，T1短，1.5T中为220ms左右。
  T1弛豫的数学定义是宏观纵向矢量恢复到最大值的63%所需要的时间。

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2、T2弛豫

  仅由微观的氢质子所处环境不同而发生的T2弛豫是真正的、最慢的T2弛豫；加上主磁场的不均匀，速度会变快，叫T2*弛豫；又人为加上了梯度场，为T2弛豫**。
  T2弛豫与氢质子所处的磁场的环境相关。若理论上氢质子完全均匀，则不发生T2弛豫。每个氢质子所处的微观环境不同，故一定会产生T2弛豫。T2弛豫比T2*弛豫的信噪比高，比T2**弛豫的信噪比高得更多。T2弛豫的对比度也好，这也就是为什么平扫能做自旋回波序列尽量做自旋回波序列，因为信噪比和对比度都很好。
  T2弛豫是自旋-自旋弛豫。每个质子在射频脉冲能量撤销后，由于化学位移效应，每个质子所处的磁场环境不同，导致进动频率出现差别，在水平面上逐渐失相位，信号衰减。
  T2弛豫的数学定义是横向磁环矢量衰减到最大值的37%所需要的时间。

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3、对比度的产生

  每幅图都有T1对比和T2对比，都会发生纵向弛豫，也会发生横向弛豫。T2加权只是T2加权为主，T1加权只是T1加权为主。不同时间采集会得到不同的对比度，在不同的机器、不同的人之间进行采集需要一个标准，这个标准就是T1加权和T2加权。TR时间决定了T1对比，TE时间对应了T2对比。

（1）T1加权

  图像中只有T1的对比，没有T2的对比。实际中做到尽量多的T1对比，尽量少的T2对比。TR若用很长的时间，无论短T1还是长T1都恢复到最大值，没有对比度；TR若太短，对比度还未拉出来，没有对比。TE最好在零点时刻采集，只有T1对比，T2对比还没有展开。实际操作时满足无法做到在零点是采集，只能保证TE尽量短，满足尽量多的T1，尽量少的T2。
  采集时都会用90°的射频脉冲将Z轴的磁化矢量打成xy平面方向才能采集信号，单纯的Mz方向是采集不到信号的，所以每一幅图中一定有T2对比。在做T1加权时尽量减少T2的影响，尽量缩短TE（在10ms、8ms左右）

（2）T2加权

  图像中尽量去除T1对比。给一个很长的TR，所有的组织恢复到最高磁化矢量，此时没有对比度了。然后让它们进行T2衰减，选一个恰当的时间（适当的TE，在100ms左右）采集信号。时间若过长信噪比就会很低，图像不理想。

  中间加权（质子加权）PD：给一个比较长的TR信号，让T1时间恢复，把T1加权消灭；再给一个相对比较短的TE时间，让T2没有充分展开，这时得到一个中间加权。这一序列看膝盖软骨、肩关节软骨比较好。
  T1加权、T2加权、质子加权的目的都是来开组织的对比度，有利于观察，或者是显示出病灶与正常组织的区别；这就是加权的意义。

  长T1即是T1恢复得很慢，水在T1加权下是低信号；长T2即是T2衰减得很慢，在T2加权下一直有信号。脑脊液在T1加权是低信号，在T2加权是高信号；软组织在T1加权和T2加权都是呈等信号；脂肪在T1加权和T2加权都是呈相对高信号（短T1长T2）。没有水是很难区分T1和T2序列的。

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三、T1和T2、TE和TR的分辨

1、如何判断T1还是T2

（1）看水

  水T1→T2，由低信号到高信号，由黑变白
（2）看脑脊液

  脑脊液是黑的就是T1，反之则是T2。
2、什么是TE和TR

  T1WI和T2WI中的WI就是加权，是主要侧重的部分。
  TR就是信号恢复的程度，TE就是决定采集的那一个时刻。
  TE是接受回波的时间，TR是释放脉冲的时间。
  T1加权像主要看纵向弛豫的时间。

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四、频率编码和相位编码

  序列的本质就是设定程序，设定了TR和TE的时间，去更好地看组织。
  层面的选择仅仅确定了被激发采集二维层面的中心位置及其厚度，可这时采集的MR信号包含有全层的信息，我们必须把采集的MR信号分配到层面内不同的空间位置上（即各个像素中），才能显示层面内的不同结构。因此完成了层面选择后还必须进行层面的空间定位编码。层面内的空间定位编码包括频率编码和相位编码。
1、频率编码

  傅里叶变换可以区分不同频率的MR信号，其作用相当于三棱镜，但首先必须让来自层面中不同位置的MR信号包含有不同的频率，采集到混杂有不同频率的MR信号后，通过傅里叶变换才能解码出不同频率的MR信号，而不同的频率代表不同的位置。
  以头颅的横断面为例，一般前后方向为频率编码方向，在MR信号采集的时刻在前后方向上施加一个前高后低的梯度场，这样在前后方向上氢质子所感受到的磁场强度就不同，其进动频率即存在差异，前部的质子进动频率高，而后部的质子进动频率低。这样采集的MR信号中就包含有不同频率的空间信息，经傅里叶变换后不同频率的MR信号就被区分出来，分配到前后方向各自的位置上。需要指出的是频率编码梯度场必须在磁共振信号采集过程中同时施加，这样所采集到的磁共振信号中才会有频率编码信息

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2、相位编码

  在二维成像平面上，如果对一个方向如前面所介绍的头颅横断面成像在前后方向上施加了频率编码梯度场后，经傅里叶转换的MR信号仅完成了前后方向的空间信息编码，而左右方向上的空间定位编码并未能实现。必须对左右方向上也进行空间定位编码，才能真正完成层面的二维定位
  如果在前后方向和左右方向都进行频率编码，那么在傅里叶变换时，就不可能区分出是左右方向的频率差异还是前后方向的频率差异。因此如果在一个方向进行了频率编码，则必须在其垂直方向进行相位编码
  和频率编码一样，相位编码也使用梯度场，但与频率编码梯度场不同的是：
（1）梯度场施加方向不同，应该施加在频率编码的垂直方向上

  以横断面为例，如果频率编码梯度场施加在前后方向，则相位编码梯度场施加在左右方向上。在临床磁共振成像时，根据需要相位编码方向和频率编码方向是可以相互切换的
（2）施加的时刻不同

  频率编码必须在MR信号采集过程中的同时施加，而相位编码梯度场必须在信号采集前施加，而当磁共振信号采集过程中，相位编码梯度场必须关闭
（3）一副图像的每个MR信号的频率编码梯度场方向和大小都是一样的

  而各个MR信号的相位编码梯度场强度和（或）方向是不同的
  以头颅横断面为例，在左右方向施加一个左高右低的相位编码梯度场，这样在层面内左右方向不同位置上的磁场强度将存在差别，梯度场中点位置上磁场强度保持不变，该处的氢质子进动频率保持不变；越靠左侧磁场强度越高，相应位置的氢质子进动频率越高；越靠右侧磁场强度越低，相应位置的氢质子进动频率越低。
  由于进动频率不同，过一段时间后，左右方向不同位置上的氢质子进动的相位将出现一定的差别。这时关闭左右方向的相位编码梯度场，左右方向不同位置上的磁场强度差别消失，各个位置上氢质子的进动频率也恢复一致，但前面曾施加过一段时间梯度场造成的氢质子进动相位差别被保留下来。
  这时采集到的MR信号就带有不同的相位信息，通过傅里叶变换可区分出不同相位的MR信号，而不同的相位则代表左右方向上的不同位置，也就完成了左右方向上磁共振信号的空间定位。
  二维傅里叶变换是两个频率，相位编码只是相当于其中的一个频率。相位编码的次数和频率编码的次数时相互独立的，没有关系（《磁共振成像技术指南》上卷一书中P47作者明显不明白傅里叶变换到底时怎么一回事，作者把傅里叶变换的相位、成像过程中的相位编码明显当作相位来看，把频率编码当作频率来看，是错误的）。

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五、临床方法分辨T1像和T2像

  T1-weighed：T1
  T2-weighed：T2
  T2-weighed FLAIR：FLAIR
  DWI/DTI：弥散成像。DWI是原始数据，DTI是处理过程中的一个像

  T1像
  脑脊液CSF是黑色的（黑色只是相对的，大脑中的空气和头骨都是黑色的）。
  最外层的白色不是头骨，而是头皮脂肪。在外侧的白色和灰质中间夹的才是头骨。
  T1像的灰质相对白质来说暗一些，白质较亮。

  T2像
  脑脊液CSF是白色的，而灰质比白质更亮一些。

  T2-weighed FLAIR像。
  和T2像在成像机理上和T2-weighed是差不多的，在灰质和白质的呈现上一样：灰质较亮，白质较暗。不同的是脑脊液CSF表现出了相反的颜色——黑色。

  DWI弥散像
  主要用来测量水分子的弥散。相对前面的结构像扫描地比较快，大概10分钟可能扫描100次，分辨率相对更低。内部颜色对比不明显。

  总结：如果CSF是白色就是T2像如果CSF是白色就是T2像
  如果CSF是黑色，白质更亮就是T1像；白质更暗的是FLAIR像。