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核磁共振MRI成像原理

来源:闽康医疗器械www.mnkang.com 发布时间:2015-12-25 11:10:14

一、磁共振信号
      在弛豫过程中通过测定横向磁化矢量Mxy 可得知生物组织的磁共振信号。横向磁化矢量Mxy垂直并围绕 主磁场B0以Larmor频率旋进,按法拉第定律,磁矢量Mxy的变化使环绕在人体周围的接收线圈产生感应电动势,这个可以放大的感应电流即MR信号。90°脉冲后,由于受T1、T2的影响,磁共振信号以指数曲线形式衰减,称为自由感应衰减( free induction decay,FID)。
      磁共振信号的测量只能在垂直于主磁场的XY平面进行。由于脉冲发射和接收生物组织原子核的共振信号不在同一时间,而射频脉冲和生物组织发生的共振信号的频率又是一致的,因此,可用一个线圈兼作发射和接收。
      由于Mxy指向或背向接收线圈,MR信号或正或负,横向磁化矢量转动,在接收线圈中出现周期性电流振荡,这些振荡为正弦波并逐渐阻尼(阻尼指信号幅度随时间减弱),幅度的变化可用信号演变来表示。由于质子和质子的相互作用(spin-spin),自由感应衰减的时间为T2,质子和质子间的相互作用以及磁场不均匀性的影响,自由感应衰减的时间为T′2,T′2显著短于T2。
      在一个磁环境中,所有质子并非确切地有同样的共振频率。在一个窄频率带,自由感应衰减信号代表叠加到一起的正弦振荡,用数学方法(傅里叶变换)可把这一振幅随时间而变化的函数变成振幅按频率分布而变化的函数,后者即MR波谱。
      振幅随时间而降低的正弦信号经傅里叶变换后用窄细的钟形波为代表。由于振幅演变的起始值取决于横向磁矩,而该磁矩又取决于特定组织体素(voxel)中受激励原子核的数目,因此波峰高度(信号强度)代表质子密度N(H),如质子群为纯水且主磁场又很均匀,则质子群共振频率只有1个,钟形波为一直线。如由于质子群的自旋-自旋作用及磁场不均匀性的影响,在频率域座标上就不是一直线,而表现为一钟形波,其宽度与T′2成反比,即钟形波越宽,T′2越短,而钟形波最宽处为其共振频率。
二、梯度磁场
      前面我们所讨论的是处在均匀恒定磁场B0中的样品,在射频脉冲的作用下产生核磁共振,此时接收到的信号来自整个样品,并没有把它们按空间分布区分开来,无法用来成像。为了实现核磁共振成像,必须把收集到的信号进行空间定位。定位方法常用的主要有3种:投影重建法、二维傅里叶变换法(2DFT)和三维傅里叶变换法(3DFT)。以下主要介绍2DFT法。
      MRI扫描用的主磁体均匀度越高,影像质量则越好。如前述,根据拉莫尔方程,在均匀的强磁场中,生物体内质子群旋进频率由场强决定且是一致的,如在主磁场中再附加一个线性梯度磁场,由于被检物体各部位质子群的旋进频率可因磁感应强度的不同而有所区别,这样就可对被检体某一部位行MR成像。因此,MRI空间定位靠的是梯度磁场,MRI的梯度磁场有3种:选层梯度场Gz、频率编码梯度场Gx、相位编码梯度场Gy。这些梯度场的产生是通过3对(X、Y、Z)梯度线圈通以电流产生的,可通过人为地分别控制它的通断实现成像所需要的梯度场。
      1.选层梯度场Gz
      以横轴位(Z)断层为例,于主磁场B0再附加一个梯度磁场Gz,磁感应强度为Bz,则总的磁感应强度为B0+Bz,即沿Z轴方向自左到右磁感应强度不同,根据拉莫尔定律,被检者质子群在纵轴平面上(垂直于Z轴)被分割成一个个横向断面。
      且质子群有相同的旋进频率,如以这个频率的90°脉冲激励,就可在人体纵轴上选出横轴层面。
      2.频率编码梯度场Gx
      以横轴位断层为例,在启动Gz选出被激励的横轴层面后,在采集信号的同时启动Gx梯度磁场,由于人体X轴的各质子群相对位置不同,其对应的磁场Gx也不同,磁感应强度较大处的体素共振频率比磁感应强度较弱处的体素要高一些,从而达到了按部位在X轴上进行频率编码的目的。这时被激励平面发出的为一混合信号,用数学方法(傅里叶变换)区分出这一混合信号在频率编码梯度上不同的频率位置,则可在X轴上分出不同频率质子群的位置。
      3.相位编码梯度场Gy
      在施加90°脉冲Gz梯度磁场后,人体相应的XY平面上质子群发生共振。如果在采集信号以前启动Gy梯度,到采集信号时停止。由于Gy梯度的作用,磁感应强度较大处的体素与磁感应强度较小处的体素相比,前者磁化矢量转动得快,后者转动得慢,从而使磁化矢量失去相位的一致性,其相位的改变取决于体素 在垂直方向上的位置。当Gy停止时,所有体素又以相同的速率转动。
      但Gy诱发的相位偏移依然存在,所以每一横排发出的信号之间相位不一致。 
      通过以上Gx和Gy两路梯度的编码,一幅二维MRI影像由不同的频率和相位组合成的每个体素在矩阵中有其独特的位置,计算每个体素的灰度值就可形成一幅影像。
      4.断层厚度与梯度磁感应强度的关系
      MRI用的射频脉冲其频率并非越宽。因此MRI完全一致,它有一个频率范围称作射频带宽。射频脉冲越短,其带常用的 短激励脉冲可选择断层面的厚度,断层面的厚度与带宽成正比。而增加梯度场的磁感应强度 可减薄断层的厚度。但MRI的层厚是有一定限制的,一般为3~20mm 。 
三、脉冲序列与参数
      MRI是用磁共振信号来成像的,如果获取的信号大、噪音小,那么影像质量也好。为了得到高质量的影像,在MRI系统中常通过使用不同的脉冲序列,来获得满足临床诊断要求的影像。目前临床上常用3个扫描序列:自旋回波序列(SE)、反转回复序列(IR)、梯度回波脉冲序列(GRE)。各个扫描序列的影像信号强度均与氢质子密度成正比,由于自旋回波序列克服了静磁场不均匀性带来的弊端,能显示典型的T2加权像,而T2信息是病理学最早,最敏感的指标,所以SE序列在MR扫描中占了主宰地位,以下详细介绍SE 序列的扫描过程。
      1.自旋回波序列(SE)
      为现今MR扫描最基本、最常用的脉冲序列。先发射1个90°射频脉冲,90°脉冲停止后,开始出现磁共振信号,间 隔Ti时间后,再发射1个180°脉冲至测量回波的时间称作回波时间,用TE表示(TE =2Ti),180°脉冲至下一个90°脉冲之间的时间为T′,重复这一过程,2个90°脉冲 之间的时间称为重复时间,用TR表示。
      第1个90°射频脉冲使纵向磁化矢量M转到XY平面,由于磁场的不均匀性,构成Mxy值的质子群经受着或强或弱的磁波动,某些质子以较高频率旋进,90°脉冲后同步旋进的质子群很快变为异步,相位由一致变为分散,即失相位,Mxy即横向磁化矢量强度由大变小,最终到零。加入180°脉冲后,使得相位离散的质子群绕X轴旋转180°,此时旋进快、慢不同的质子又以其原速度反向聚拢,使离散的相位趋于一致,Mxy由零又逐渐恢复到接近90 °脉冲后的强度,TE达到最大值。
      列操练的例子来说明。当班长对排得很整齐的一横列士兵发出跑步命令后,每个士兵各以自 己不同的速度向前跑,班长喊立定时,各士兵所处位置不同,如班长再喊“向后转”(相当于180°脉冲),“跑步走”时,各个士兵又以自己原来的速度奔向起跑线,当班长以与第1 次同样间隔的时间第2次喊立定时,士兵们肯定都处于原来的起跑线位置,只是方向相反。
      自旋回波脉冲序列中的影像亮度、回波幅度不仅与受检组织的特殊参数即T1、T2和质子密度有关,而且与操作者选择的参数TR、TE有关。MRI较CT可获得更多的信息。人体不同组织不论它们是正常的还是异常的,有它们的各自的T1、T2以及质子密度值,这是MRI区分正常与异常以及诊断疾病的基础。为了评判被检组织的各种参数 ,在操作中可通过调节重复时间TR、回波时间TE以突出某个组织特征的影像,这种影像 被称作加权像(weighted image, WI)。把分别反映组织T1、T2和质子密度N(H)特性的影像,相应称作T1加权像、T2加权像和N(H)加权像。
      (1)质子密度N(H)加权像  如选用比受检组织T1显著长的TR(1500~2500ms),那么磁化的质子群在下1个周期的90°脉冲到来时已全部得到恢复,这时回波信号幅度与组织T1无关,而与组织的质子密度和T2有关。再选用比受检组织T2明显短的TE(15~20ms),则回波信号幅度与质子密度(即受检组织氢原子数量)有关,这种影像被称为质子密度加权像。由于多数生物组织质子数量相差不大。信号强度主 要由T2决定,有些文献中也将质子密度加权像称作轻度T2加权像。
      (2)T2加权像(T2WI) 如选择比受检组织T1显著长的TR(1500~2500ms),又选用与生物组织T2相似的时间为TE(90~120ms) ,则两个不同组织的T2信号强度差别明显,TE越长,这种差别越明显。
      (3)T1加权像(T1WI)  因各种生物组织的纵向弛豫时间约500ms左右,如把重复时间TR定为500ms,则在下1个周期90°脉冲到来时,长T1的组织能量丢失少,纵向磁化矢量(Mz)恢复的幅度低,吸收的能量就少,其磁共振信号的幅度低。
      回波的幅度也低。相反短T1组织能量大部分丢失,Mz接近完全恢复,幅度高。下1个90°脉冲时将吸收大部分能量,磁共振信号高,回波幅度也高,信号强。
      在T2WI的讨论中我们知道,TE越长,T2对信号的影响越大。如T2对回波信号的影响可以忽略,对信号的影响主要是质子密度和T1,此时因选用的是短 TR(500ms左右),回波信号反映的主要是组织不同的T1信号强度的差别,即T1加权像。
      2.反转恢复脉冲序列(IR)
      该脉冲序列有利于测量T1,并几乎从扫描中删除了T2的作用,它可显示精细的解剖结构,如脑的灰白质。扫描时,先给一180°脉冲,随后以与组织T1相似的间隔 (500ms)再给一90°脉冲。
      180°脉冲使磁化矢量M由正Z轴转到负Z轴,因磁化矢量完全为纵向,无横向成分,不发出信号。在180°脉冲激励后,磁矢量以组织T1弛豫速度沿正Z轴增长,500ms时磁矢量在Z轴增长的数量直接与组织T1有关,但不能直接测量。为测量横向成分,需施加90°脉冲,该脉冲使磁矢量倒向XY平面,随后出现FID的强度与180°脉冲后组织的T1弛豫时间有关。
      FID信号虽可直接测量,但因90°脉冲的强能量爆发后难于测量再发出的信号,可在 90°脉冲后迅速(如间隔10ms)再施加1个180°脉冲,如同标准的自旋回波序列那样出现FID的早期回波(20 ms时)。在扫描中以这种回波方式间接测量FID,有一定程度轻度T2作用的介入。使用两个不同TR值的IR序列可测量T1值。
      3.梯度回波脉冲序列(GRE)
      成像速度慢,检查时间长是MRI最主要的缺点,梯度回波脉冲序列既保持了影像较好的信噪比,又显著地缩短了检查时间。在梯度回波脉冲序列中,采用小于90°的射频脉冲激励,在横向部分有相当大的磁化矢量,而纵向磁化矢量Mz的变动相对较小。如30°脉冲 可使50%的磁矢量倾倒到横向平面,而保留87%的纵向磁矢量。
      信号幅度分为纵、横向两部分,仅数十毫秒,Mz即可恢复到平衡状态。因此,与传统的自旋回波序列相比,重复时间TR可明显缩短。自旋回波序列90°脉冲后磁矢量M在XY平面最强,随后由于磁场不均匀及质子间的相互作用,相位很快分散,MR信号消失,施加180°脉冲后分散的相位再回归(相位一致),出现MR 信号(回波)。而梯度回波脉冲序列中,施加梯度磁场后造成质子群自旋频率的互异,很快 丧失相位的一致,MR信号消失。如再施加一个强度一样、时间相同、方向相反的梯度 磁场,可使分散的相位重聚,原已消失的MR信号又复出现,在回波达到最高值时记录其信 号。这种用一个方向相反的梯度磁场代替180°脉冲产生回波的小角度激励成像方法,称梯度的回波序列。


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