实验八磁共振成像实验 引言 1973年,美国科学家 Paul lauterbur发现,把物体放置在一个稳定的磁场中,然后再加 上—个不均匀的磁场(即有梯度的磁场),再用适当的电磁波照射这-物体,这样根据物体 释放出的电磁波就可以绘制成物体某个截面的内部图像。随后,英国科学家 Peter Mansfield 又进一步验证和改进了这种方法并发现不均匀磁场的快速变化可以使上述方法能更快地绘 制成物体内部结构图像。此外,他还证明了可以用数学方法分析这种方法获得的数据,为利 用计算机快速绘制图像奠定了基础。从此核磁共振成像得到了空前的发展 核磁共振成像的全称是:核磁共振电子计算机断层扫描术,为了避免人们把这种技术误 解为核技术,一些科学家把核磁共振成像技术的核ˆ字去掉,称为其为磁共振成像技术 ( Magnetic Resonance Imaging),英文缩写即MR。磁共振成像是根据生物磁性核(如氢 核)在磁场中表现的共振特性进行成像的新技术。随着磁体技术、超导技术、低温技术、电 子技术和计算机技术等相关技术的不断进步,MRI技术得到了飞速发展,已成为现代医学 影像领域中的重要一员 通过本实验可以掌握MRI基本原理,了解几种成像参数对图像的影响 原理 把某些物质放入磁场中时,这些物质就具备了共振的持性。意思是说这些物质可以吸 收然后再发射具有一个特定频率的电磁辐射,如图1所示。辐射是以典型的射频(RF)信号形 磁共振成像 磁场 RF脉冲 RF信号 组织的体素 图像的像素 纵向莞豫率d1 ·横向弛豫率(2) ·亮度 图1磁共振成像的基本原理
实验八 磁共振成像实验 引言 1973 年，美国科学家 Paul Lauterbur 发现，把物体放置在一个稳定的磁场中，然后再加 上一个不均匀的磁场（即有梯度的磁场），再用适当的电磁波照射这一物体，这样根据物体 释放出的电磁波就可以绘制成物体某个截面的内部图像。随后，英国科学家 Peter Mansfield 又进一步验证和改进了这种方法，并发现不均匀磁场的快速变化可以使上述方法能更快地绘 制成物体内部结构图像。此外，他还证明了可以用数学方法分析这种方法获得的数据，为利 用计算机快速绘制图像奠定了基础。从此核磁共振成像得到了空前的发展。 核磁共振成像的全称是：核磁共振电子计算机断层扫描术，为了避免人们把这种技术误 解为核技术，一些科学家把核磁共振成像技术的“核”字去掉，称为其为“磁共振成像技术” （Magnetic Resonance Imaging），英文缩写即 MRI。磁共振成像是根据生物磁性核（如氢 核）在磁场中表现的共振特性进行成像的新技术。随着磁体技术、超导技术、低温技术、电 子技术和计算机技术等相关技术的不断进步，MRI 技术得到了飞速发展，已成为现代医学 影像领域中的重要一员。 通过本实验可以掌握 MRI 基本原理，了解几种成像参数对图像的影响。 原理 把某些物质放入磁场中时，这些物质就具备了共振的持性。意思是说这些物质可以吸 收然后再发射具有一个特定频率的电磁辐射，如图 1 所示。辐射是以典型的射频(RF)信号形 图 1 磁共振成像的基本原理
式进行。物质所发射的RF信号的特性决定于该物质的某些物理和化学持性。在磁共振成像 (MR)过程中,这种RF信号也携带着人体内组织空间定位的信息。磁共振(MR)图像就是一 个显示来自人体层面内每个组织体素的RF信号强度大小的像素的阵列。图像中每个像素的 亮度取决于相应组织体素所发射的RF信号的强度。而每个体素的信号强度又由图1所列的 组织的四种性质所决定。其中任何一个性质对图像亮度及对比度所引起的作用的范围都决定 于操作者所选择的某些成原因素,例如,可以对一个图像“加权”,因此首先要依靠核密度(或 浓度)或纵向弛豫率(Tl)或横向弛豫率(I2)的大小来决定RF信号。与磁场和RF能量相互作 用的组织构成成分都是单个原子核。所以这种现象统称为核磁共振(NMR) 1.几个基本概念 1)磁性核 参与MR过程的物质必须含具有持定磁 磁性核 非磁性核 性的原子核。为了与磁场产生相互作用,原子 核本身必须是小磁体并具有磁矩。单个原子核 的磁性是由原子核内的中子一质子组成情况 来决定的。只有某些具有奇数中子和或)质子氯-1 的原子核才带磁性。即使多数化学元素都具有 ]同位素丰魔低 种或多种是磁性核的同位素,但可用于成像 组织中的浓度低 或活体光谱学分析的只是有限的几种。在具有 磁性并能参与NMR过程的核素中,每种核素 图2具有磁性核的同位 所产生的信号的量值都有很大的不同。原子核 磁性的特定取向称为磁矩。在图2中,磁矩的 方向由一个通过原子核的箭头来表示。 2)射频能量 在成像过程中,RF能量在成像系统和患者身体之间进行交换。这种交换通过一套相当 靠近患者身体的线圈进行。RF线圈就是天线,它既向组织发射能量,也从组织接收能量 在每个成像周期内,RF能量在几个短脉冲期间加于人体上。脉冲的强度用它们旋转组织的 磁化强度的角度来描述。大多数成像方法在每个周期中既使用90°的脉冲也使用180°的脉冲。 在每个成像周期的特定时刻,组织被激励而发射一个RF信号。这个信号被线圈接收、分析, 并用来形成图像。自旋回波技术一般用于激励信号的发射。因此,来自患者身体的信号统称 为回波。 3)核磁的相互作用 NMR过程涉及到磁性核、磁场、RF能量脉冲和信号的一系列的相互作用。这些作用有 校直、共振、激发和弛豫。我们记得一个磁性核是以一个磁矩为特征的。磁矩的方向是用通 过原子核的一个小箭头来表示的。如果我们把核看作普通的一个小磁铁.那么.磁铁箭头的 方向就相当于磁铁的南极到北极的指向,如果没有强磁场,原子核的磁矩在空间是随机取向 的,组织中的许多原子核并非在固定结构中,而是可以自由地改变方向的。事实上,出于物 质内部的热运动,原子核不断地翻来倒去地改变方向。如果把一块含有磁性核的物质放在 磁场中时,原子核就要经受一个转矩的作用,这个转矩的作用促使原子核的磁矩方向校直到 磁场方向上 当一个磁性核与一个磁场校直后,它也并不是固定不动的,核磁矩要在磁场轴周围进动 或者摆动,如图3所示。进动是由于原子核的自旋角动量和磁场相互作用而引起的一种物理 现象。进动的重要性在于它能使原子核对于RF能量特别敏感,或者调谐到RF能量具有的 频率和进动频率相等,满足此条件就称为共振。它是所有MR过程的基础。NMR实际上就 是核处于磁场中时,核共振或“调谐”的过程
式进行。物质所发射的 RF 信号的特性决定于该物质的某些物理和化学持性。在磁共振成像 (MRl)过程中，这种 RF 信号也携带着人体内组织空间定位的信息。磁共振(MR)图像就是一 个显示来自人体层面内每个组织体素的 RF 信号强度大小的像素的阵列。图像中每个像素的 亮度取决于相应组织体素所发射的 RF 信号的强度。而每个体素的信号强度又由图 l 所列的 组织的四种性质所决定。其中任何一个性质对图像亮度及对比度所引起的作用的范围都决定 于操作者所选择的某些成原因素，例如，可以对一个图像“加权”，因此首先要依靠核密度(或 浓度)或纵向弛豫率(T1)或横向弛豫率(T2)的大小来决定 RF 信号。与磁场和 RF 能量相互作 用的组织构成成分都是单个原子核。所以这种现象统称为核磁共振(NMR)。 1. 几个基本概念 1） 磁性核 参与 MR 过程的物质必须含具有持定磁 性的原子核。为了与磁场产生相互作用，原子 核本身必须是小磁体并具有磁矩。单个原子核 的磁性是由原子核内的中子—质子组成情况 来决定的。只有某些具有奇数中子和(或)质子 的原子核才带磁性。即使多数化学元素都具有 一种或多种是磁性核的同位素，但可用于成像 或活体光谱学分析的只是有限的几种。在具有 磁性并能参与 NMR 过程的核素中，每种核素 所产生的信号的量值都有很大的不同。原子核 磁性的特定取向称为磁矩。在图 2 中，磁矩的 方向由一个通过原子核的箭头来表示。 2） 射频能量 在成像过程中，RF 能量在成像系统和患者身体之间进行交换。这种交换通过—套相当 靠近患者身体的线圈进行。RF 线圈就是天线，它既向组织发射能量，也从组织接收能量。 在每个成像周期内，RF 能量在几个短脉冲期间加于人体上。脉冲的强度用它们旋转组织的 磁化强度的角度来描述。大多数成像方法在每个周期中既使用90的脉冲也使用180的脉冲。 在每个成像周期的特定时刻，组织被激励而发射一个 RF 信号。这个信号被线圈接收、分析， 并用来形成图像。自旋回波技术一般用于激励信号的发射。因此，来自患者身体的信号统称 为回波。 3） 核磁的相互作用 NMR 过程涉及到磁性核、磁场、RF 能量脉冲和信号的一系列的相互作用。这些作用有 校直、共振、激发和弛豫。我们记得一个磁性核是以一个磁矩为特征的。磁矩的方向是用通 过原子核的一个小箭头来表示的。如果我们把核看作普通的一个小磁铁．那么．磁铁箭头的 方向就相当于磁铁的南极到北极的指向，如果没有强磁场，原子核的磁矩在空间是随机取向 的，组织中的许多原子核并非在固定结构中，而是可以自由地改变方向的。事实上，出于物 质内部的热运动，原子核不断地翻来倒去地改变方向。 如果把一块含有磁性核的物质放在 磁场中时，原子核就要经受一个转矩的作用，这个转矩的作用促使原子核的磁矩方向校直到 磁场方向上。 当一个磁性核与一个磁场校直后，它也并不是固定不动的，核磁矩要在磁场轴周围进动 或者摆动，如图 3 所示。进动是由于原子核的自旋角动量和磁场相互作用而引起的一种物理 现象。进动的重要性在于它能使原子核对于 RF 能量特别敏感，或者调谐到 RF 能量具有的 频率和进动频率相等，满足此条件就称为共振。它是所有 MR 过程的基础。NMR 实际上就 是核处于磁场中时，核共振或“调谐”的过程。 图 2 具有磁性核的同位素
原于核的共振频率是由原子核的持性及磁场强度共同决定的。共振频率也称为拉莫尔 ( Larmor)频率。共振频率与场强间的具体关系是每种核素的固有持性,一般称它为旋磁化 对所有的核素来说,共振频率与磁场强度成正比。如果把一个频率相当于核共振频率的RF 能量加在某物质上时,那么,某些能量将被个别原了核吸收。一个吸收RF能量的原子核偏 离其校直于磁场的方向。这种所增加的能量使原子核处于非正常的状态或激发状态。 当一个原子核处于激发状态时,它要经受磁场施加的一个增大的转矩短作用,促使它重 新校直。而这种原子核通过把自己多余的能量传给其它原于核或整个物质结构的办法,又可 以回到原来校直的位置,这个过程称为弛豫。 4)纵向磁化和弛豫 弛豫可以理解为粒子受到激发后,以非辐射的方式回到基态而达到玻尔兹曼平衡的过程 高能态的核会向周围环境转移能量,使其及时地回到低能态。自旋核周围的局部场的任何波 动,只要其频率与自旋核的共振频率相当,均可引起核系统的弛豫,根据自旋核与外界交换 能量的形式,仅考虑纵向(自旋-晶格)弛豫和横向(自旋-自旋)弛豫。纵向磁化和弛豫如 纵向磁化 一纵向磁化 图3弛豫过程中纵向磁化的生长 图4具有不同T1值的组织的纵向弛豫的比较 图3和图4所示。T1为纵向弛豫时间,T1越小,经过同样弛豫时间采集信号时,信号越大, 图像像素越亮。 5)横向磁化与弛豫 对组织加上一个RF能量的脉冲,就可以产生横向磁化,横向磁化很快会衰减,横向弛豫时 间T2,比纵向弛豫时间T1短。它的定义与特性如图5和图6所示。 横向磁化 0横向磁化 付间(ms) 时间(ms) 图5弛豫过程中横向磁化的变化 图6具有不同T2值的组织的横向弛豫的比较 6)FID信号和自旋回波信号 横向磁化衰减(即弛豫)是由于单个原子核之间的相位失去同步而产生的现象。图7是用
原于核的共振频率是由原子核的持性及磁场强度共同决定的。共振频率也称为拉莫尔 (Larmor)频率。共振频率与场强间的具体关系是每种核素的固有持性，一般称它为旋磁化。 对所有的核素来说，共振频率与磁场强度成正比。如果把一个频率相当于核共振频率的 RF 能量加在某物质上时．那么，某些能量将被个别原了核吸收。一个吸收 RF 能量的原子核偏 离其校直于磁场的方向。这种所增加的能量使原子核处于非正常的状态或激发状态。 当一个原子核处于激发状态时，它要经受磁场施加的一个增大的转矩短作用，促使它重 新校直。而这种原子核通过把自己多余的能量传给其它原于核或整个物质结构的办法，又可 以回到原来校直的位置，这个过程称为弛豫。 4） 纵向磁化和弛豫 弛豫可以理解为粒子受到激发后，以非辐射的方式回到基态而达到玻尔兹曼平衡的过程， 高能态的核会向周围环境转移能量，使其及时地回到低能态。自旋核周围的局部场的任何波 动，只要其频率与自旋核的共振频率相当，均可引起核系统的弛豫，根据自旋核与外界交换 能量的形式，仅考虑纵向（自旋-晶格）弛豫和横向（自旋-自旋）弛豫。纵向磁化和弛豫如 图 3 和图 4 所示。T1 为纵向弛豫时间，T1 越小，经过同样弛豫时间采集信号时，信号越大， 图像像素越亮。 5） 横向磁化与弛豫 对组织加上一个 RF 能量的脉冲，就可以产生横向磁化，横向磁化很快会衰减，横向弛豫时 间 T2，比纵向弛豫时间 T1 短。它的定义与特性如图 5 和图 6 所示。 6） FID 信号和自旋回波信号 横向磁化衰减(即弛豫)是由于单个原子核之间的相位失去同步而产生的现象。图 7 是用 图 3 弛豫过程中纵向磁化的生长 图 4 具有不同 T1 值的组织的纵向弛豫的比较 图 5 弛豫过程中横向磁化的变化 图 6 具有不同 T2 值的组织的横向弛豫的比较
来阐述这个概念的简单模型 加上90°的脉冲后,原子核横向取向且一起(或同相位地)绕磁场轴线旋转:这个旋转就 是早已介绍过的正常的进动。进动速率或共振频率由原子核所处的磁场的强度决定。原于核 所处磁场强度不同,那么它进动的速率也不同。甚至在组织的一个非常小的体积内,原子核 也处于略为不同的磁场中。因此,一些原子核的进动要比其它一些原子核的快。经过一段短 时间后,原子核不再以同相位进动。随着原于核的方向开始散开,组织的磁化减弱。再过 会,原子核在横向平面内随机取向,从而就不再有横向磁化了 釆用一个90°的RF脉冲使纵向磁化旋到横向平面产生横向磁化。紧接此RF脉冲的作用 如果给组织再施加一个180°脉冲,那么,它将使自旋质子在横向平面内旋转180°,并使其 旋转方向反转,这就使得快速运动的质子的定位要落后于较慢的质子。当快速质子开始赶上 慢速质子时,它们便重新获得校直或回到相同的相位状态。接着,横向磁化重新出现。然而, 因为由组织产生的弛豫(相位失去同步)是不可逆的,故磁化不会生长到初始值。质子的相位 再同步使磁化达到的水平,是由组织的12特性决定的。磁化一旦达到这个最大值,质子又 开始重新偏离同相位位置而丧失横向磁化。 横向磁化总会产生一个RF信号。其强度与磁化强度成正比。第一个信号在90°激发脉 冲作用后立即产生,从最大值开始并随着横向磁化迅速地衰减。这个信号叫做自由感应衰减 (FID)信号。在大多数常规成像过程中,并不采用FID信号。当质子的相位再同步时,第二 个信号出现,使横向磁化复现,这个信号称为回波信号。 回波信号的强度与由组织弛豫速率T2所决定的横向磁化水平成正比。在多数成像过程 中,回波信号的强度确定相应图像像素的亮度。初始激发和回波信号之间的时间是TE。TE 由调整90°及180°脉冲之间的时间间隔来控制。 FID信号 回波信号 组织弛豫率。2 磁场弛橡率一72 HVTE 图7影响横向弛豫及自旋回波信号形成的过程 2.磁共振成像过程 虽然从组织的MR信号来形成图像是一个复杂的过程。但MR成像过程可简单地归纳 如下:首先将受检部位分成若干的薄层,这些薄层称为层面,这个过程叫选片或者选层。每 个层面又可以分为由许多被称为体素的小体积组成(图8) 图8选层、层面和体素
来阐述这个概念的简单模型。 加上 90的脉冲后，原子核横向取向且一起(或同相位地)绕磁场轴线旋转；这个旋转就 是早已介绍过的正常的进动。进动速率或共振频率由原子核所处的磁场的强度决定。原于核 所处磁场强度不同，那么它进动的速率也不同。甚至在组织的一个非常小的体积内，原子核 也处于略为不同的磁场中。因此，一些原子核的进动要比其它一些原子核的快。经过一段短 时间后，原子核不再以同相位进动。随着原于核的方向开始散开，组织的磁化减弱。再过一 会，原子核在横向平面内随机取向，从而就不再有横向磁化了。 采用一个90的RF脉冲使纵向磁化旋到横向平面产生横向磁化。紧接此RF脉冲的作用， 如果给组织再施加一个 180脉冲，那么，它将使自旋质子在横向平面内旋转 180，并使其 旋转方向反转，这就使得快速运动的质子的定位要落后于较慢的质子。当快速质子开始赶上 慢速质子时，它们便重新获得校直或回到相同的相位状态。接着，横向磁化重新出现。然而， 因为由组织产生的弛豫(相位失去同步)是不可逆的，故磁化不会生长到初始值。质子的相位 再同步使磁化达到的水平，是由组织的 T2 特性决定的。磁化一旦达到这个最大值，质子又 开始重新偏离同相位位置而丧失横向磁化。 横向磁化总会产生一个 RF 信号。其强度与磁化强度成正比。第一个信号在 90激发脉 冲作用后立即产生，从最大值开始并随着横向磁化迅速地衰减。这个信号叫做自由感应衰减 (FID)信号。在大多数常规成像过程中，并不采用 FID 信号。当质子的相位再同步时，第二 个信号出现，使横向磁化复现，这个信号称为回波信号。 回波信号的强度与由组织弛豫速率 T2 所决定的横向磁化水平成正比。在多数成像过程 中，回波信号的强度确定相应图像像素的亮度。初始激发和回波信号之间的时间是 TE。TE 由调整 90及 180脉冲之间的时间间隔来控制。 2. 磁共振成像过程 虽然从组织的 MR 信号来形成图像是一个复杂的过程。但 MRI 成像过程可简单地归纳 如下：首先将受检部位分成若干的薄层，这些薄层称为层面，这个过程叫选片或者选层。每 个层面又可以分为由许多被称为体素的小体积组成（图 8）。 图 8 选层、层面和体素 图 7 影响横向弛豫及自旋回波信号形成的过程
然后对每一个体素标定一个记号,这个过程称为编码或空间定位。对某一层面施加射频 脉冲后,接收该层面的MR信号。再进行解码,得到该层面各个体素MR信号的大小,最 后根据与层面各体素编码的对应关系,把体素信号的大小显示在荧光屏对应的像素上。信号 大小用不同的灰度等级表示,信号大,像素亮度大,信号小,像素亮度小。这样就可以得到 幅断层MRI像,具体的过程如图9所示 中的成像物体 频率编码 信号采集 层面图像显示 图9磁共振成像过程 实验仪器 磁共掘分仪 如上图所示,本实验使用的是上海纽迈公司的NM20台式核磁共振分析仪图中右面为 磁体单元,提供实验所需磁场,大小为0.5T左右;磁场均匀度在15ppm以下,直径为10mm 样品试管放在射频线圈中间;图中中间上、中、下分别为射频控制单元、梯度放大器和横卧 式计算机主机,射频单元产生射频信号和脉冲序列,梯度放大器提供梯度场和电子匀场:图 中左面的为计算机显示器 实验内容 自旋回波序列成像:约10mm高的大豆油试管样品;约2g的芝麻试管样品等 准备工作 二、拉莫尔频率的调节 、90°、180°软脉冲的调节 四、油、芝麻成像 油的信号比芝麻的强,所以NS可以小一些:RG都选4; 油是液体,纵向弛豫时间T1比芝麻短,D0可以小一些(100ms400ms) 选层厚度:芝麻要薄一些,选层梯度(50~70)大;油可以厚些,选层梯度(10~30)小、 参考文献
然后对每一个体素标定一个记号，这个过程称为编码或空间定位。对某一层面施加射频 脉冲后，接收该层面的 MR 信号。再进行解码，得到该层面各个体素 MR 信号的大小，最 后根据与层面各体素编码的对应关系，把体素信号的大小显示在荧光屏对应的像素上。信号 大小用不同的灰度等级表示，信号大，像素亮度大，信号小，像素亮度小。这样就可以得到 一幅断层 MRI 像，具体的过程如图 9 所示。 图 9 磁共振成像过程 实验仪器 如上图所示，本实验使用的是上海纽迈公司的 NMI20 台式核磁共振分析仪.图中右面为 磁体单元，提供实验所需磁场，大小为 0.5 T 左右；磁场均匀度在 15 ppm 以下，直径为 10 mm 样品试管放在射频线圈中间；图中中间上、中、下分别为射频控制单元、梯度放大器和横卧 式计算机主机，射频单元产生射频信号和脉冲序列，梯度放大器提供梯度场和电子匀场；图 中左面的为计算机显示器. 实验内容 自旋回波序列成像：约 10 mm 高的大豆油试管样品；约 2 g 的芝麻试管样品等。 一、准备工作 二、拉莫尔频率的调节 三、90 、180 软脉冲的调节 四、油、芝麻成像 油的信号比芝麻的强，所以 NS 可以小一些；RG 都选 4； 油是液体，纵向弛豫时间 T1 比芝麻短，D0 可以小一些(100 ms~400 ms)； 选层厚度：芝麻要薄一些，选层梯度（50 ~ 70）大；油可以厚些，选层梯度(10 ~ 30）小。 参考文献
1、赵喜平.磁共振成像 北京:科学出版社,2004,11 2、 Perry Sprawls.Jr.医学成像的物理原理 北京:高等教育出版社,1993,4 3、熊国欣,李立本.核磁共振成像原理 北京:科学出版社,2007,8 4、俎栋林.核磁共振成像学 北京:高等教育出版社,2004,1 作业 1.下图中是不同TR时间所形成的水、油加权像,试分析判断哪一个图像部分为水? 100m 300 600m 1200ms 2500m 2.人体组织发生病变后,一个明显的特征是含水量增加,水具有长T2、长T1。因此病 变组织的弛豫时间都比正常组织的长。试说明临床上要把正常组织和正常组织明显的区分开, 需要采用何种加权图像效果会更好?
1、赵喜平. 磁共振成像 北京: 科学出版社, 2004, 11 2、 Perry Sprawls. Jr. 医学成像的物理原理 北京:高等教育出版社, 1993, 4 3、 熊国欣, 李立本. 核磁共振成像原理 北京: 科学出版社, 2007, 8 4、 俎栋林 . 核磁共振成像学 北京:高等教育出版社, 2004, 1 作业 1. 下图中是不同 TR 时间所形成的水、油加权像，试分析判断哪一个图像部分为水？ 2. 人体组织发生病变后，一个明显的特征是含水量增加，水具有长 T2、长 T1。因此病 变组织的弛豫时间都比正常组织的长。试说明临床上要把正常组织和正常组织明显的区分开， 需要采用何种加权图像效果会更好？ 100 ms 300 ms 600 ms 1200 ms 2500 ms
