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磁共振成像基本原理

磁共振成像基本原理. 杨正汉 卫生部北京医院放射科 北京大学第五临床医学院. MRI 基本原理. 非常重要. 难以理解. 非常重要. 学习 MRI 前应该掌握的知识. 电学 磁学 量子力学 高等数学. 初中数学 初中物理 加减乘除 平方开方. 磁共振成像基本原理. 一个放射科医生对磁共振成像的理解. 一、 MRI 扫描仪的基本硬件构成. 一般的 MRI 仪由以下几部分组成 主磁体 梯度线圈 脉冲线圈 计算机系统 其他辅助设备. 1 、主磁体. 分类 磁场强度 磁场均匀度. 0.35T 永磁磁体. 1.5T 超导磁体.

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磁共振成像基本原理

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  1. 磁共振成像基本原理 杨正汉 卫生部北京医院放射科 北京大学第五临床医学院

  2. MRI基本原理 非常重要 难以理解 非常重要

  3. 学习MRI前应该掌握的知识 • 电学 • 磁学 • 量子力学 • 高等数学 • 初中数学 • 初中物理 • 加减乘除 • 平方开方

  4. 磁共振成像基本原理 一个放射科医生对磁共振成像的理解

  5. 一、MRI扫描仪的基本硬件构成

  6. 一般的MRI仪由以下几部分组成 • 主磁体 • 梯度线圈 • 脉冲线圈 • 计算机系统 • 其他辅助设备

  7. 1、主磁体 分类 磁场强度 磁场均匀度

  8. 0.35T 永磁磁体 1.5T 超导磁体 MRI按磁场产生方式分类 永磁 主磁体 常导 电磁 超导

  9. OpenMark 3000 • 按磁体的外形可分为 • 开放式磁体 • 封闭式磁体 • 特殊外形磁体

  10. MR按主磁场的场强分类 • MRI图像信噪比与主磁场场强成正比 • 低场: 小于0.5T • 中场：0.5T－1.0T • 高场: 1.0T－2.0T（1.0T、1.5T、2.0T） • 超高场强：大于2.0T（3.0T、4.7T、7T）

  11. 高斯（gauss, G）。 Gauss (1777-1855) 德国著名数学家，于1832年首次测量了地球的磁场。 1高斯为距离5安培电流的直导线1厘米处检测到的磁场强度 5安培 1厘米 1高斯

  12. 地球的磁场强度分布图

  13. 特斯拉（Tesla,T） Nikola Tesla (1857-1943), 奥地利电器工程师，物理学家，旋转磁场原理及其应用的先驱者之一。 1 T = 10000G

  14. 主磁场的均匀度 • MRI要求磁场高度均匀，??? • 空间定位需要 • 频谱分析（各种代谢物之间的共振频率相差极小） • 脂肪抑制（脂肪和水分子中的氢质子共振频率很接近）

  15. 频率半高宽 • 50厘米球表面均匀度应该控制在<3 PPM • 45厘米球体均匀度可控制在<1 PPM

  16. 2、梯度线圈 • 作用： • 空间定位 • 产生信号 • 其他作用 • 梯度线圈性能的提高  磁共振成速度加快 • 没有梯度磁场的进步就没有快速、超快速成像技术

  17. 梯度、梯度磁场

  18. 梯度磁场的产生 Z轴方向梯度磁场的产 生

  19. X、Y、Z轴上梯度磁场的产生

  20. 梯度线圈性能指标 • 梯度场强 25 / 60mT/m • 切换率 120 / 200mT/m.s

  21. 梯度场中点 梯度场强（mT/M）＝梯度场两端的磁场强度差值/梯度场的长度 1010mT 1000mT 梯度两端磁 场强度差值 1000mT 990mT 有效梯度场长度 50 cm 梯度场强＝（1010mT-990mT）/ 0.5 M= 40 mT/M

  22. 梯度场强 爬升时间 切换率＝梯度场预定强度/爬升时间

  23. 3、脉冲线圈 • 脉冲线圈的作用 • 如同无线电波的天线 • 激发人体产生共振（广播电台的发射天线） • 采集MR信号（收音机的天线）

  24. 脉冲线圈的分类 • 按作用分两类 • 激发并采集MRI信号（体线圈） • 仅采集MRI信号，激发采用体线圈进行（绝大多数表面线圈）

  25. 接收线圈与MRI图像SNR密切相关 接收线圈离身体越近，所接收到的信号越强 线圈内体积越小，所接收到的噪声越低 按与检查部位的关系分 体线圈 表面线圈 第一代为线性极化表面线圈 第二代为圆形极化表面线圈 第三代为圆形极化相控阵线圈 第四代为一体化全景相控阵线圈

  26. 利用2.3cm显微线圈采集的指纹MR图像 3D-FFE Matrix 512×512 FOV 2.5cm

  27. 4、计算机系统及谱仪 • 数据的运算 • 控制扫描 • 显示图像

  28. 5、其他辅助设备 • 空调 • 检查台 • 激光照相机 • 液氦及水冷却系统 • 自动洗片机等

  29. 二、MRI的物理学原理

  30. 电子：负电荷 中子：无电荷 质子：正电荷 1、人体MR成像的物质基础 • 原子的结构

  31. 原子核总是绕着自身的轴旋转－－自旋 ( Spin )

  32. 自旋与核磁 • 地球自转产生磁场 • 原子核总是不停地按一定频率绕着自身的轴发生自旋 ( Spin ) • 原子核的质子带正电荷，其自旋产生的磁场称为核磁，因而以前把磁共振成像称为核磁共振成像（NMRI）。

  33. 地磁、磁铁、核磁示意图

  34. 原子核自旋产生核磁

  35. 非常重要 核磁就是原子核自旋产生的磁场

  36. 所有的原子核都可产生核磁吗？ 质子为偶数，中子为偶数 不产生核磁 质子为奇数，中子为奇数 质子为奇数，中子为偶数 质子为偶数，中子为奇数 产生核磁

  37. 何种原子核用于人体MR成像？ • 用于人体MRI的为1H（氢质子），原因有： • 1、1H的磁化率很高； • 2、1H占人体原子的绝大多数。 • 通常所指的MRI为氢质子的MR图像。

  38. 人体元素 1H 14N 31P 13C 23Na 39K 17O 2H 19F 摩尔浓度 99.0 1.6 0.35 0.1 0.078 0.045 0.031 0.015 0.0066 相对磁化率 1.0 0.083 0.066 0.016 0.093 0.0005 0.029 0.096 0.83

  39. 人体内有无数个氢质子（每毫升水含氢质子3×1022）人体内有无数个氢质子（每毫升水含氢质子3×1022） 每个氢质子都自旋产生核磁现象 人体象一块大磁铁吗？

  40. 矢量的合成与分解

  41. 通常情况下人体内氢质子的核磁状态 通常情况下，尽管每个质子自旋均产生一个小的磁场，但呈随机无序排列，磁化矢量相互抵消，人体并不表现出宏观磁化矢量。

  42. 把人体放进大磁场

  43. 2、人体进入主磁体发生了什么？ • 没有外加磁场的情况下，质子自旋产生核磁，每个氢质子都是一个“小磁铁”，但由于排列杂乱无章，磁场相互抵消，人体并不表现出宏观的磁场，宏观磁化矢量为0。

  44. 指南针与地磁、小磁铁与大磁场

  45. 进入主磁场前后人体组织质子的核磁状态

  46. 处于高能状态太费劲，并非人人都能做到 处于低能状态的略多一点，007

  47. 进入主磁场后磁化矢量的影响因素 温度、主磁场强度、质子含量

  48. 温度 • 温度升高，磁化率降低 • 主磁场场强 • 场强越高，磁化率越高，场强几乎与磁化率成正比 • 质子含量 • 质子含量越高，与主磁场同向的质子总数增加（磁化率不变）

  49. 处于低能状态的质子到底比处于高能状态的质子多多少？？？处于低能状态的质子到底比处于高能状态的质子多多少？？？ 室温下（300k） 处于低能状态的氢质子仅略多于处于高能状态的质子 0.2T：1.3 PPM 0.5T：4.1 PPM 1.0T：7.0 PPM 1.5T：9.6 PPM PPM为百万分之一

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