子略多于处于高能级者(图中标出多出6个),从而产生与主磁场同向的宏观纵向磁化矢量(纵向空箭), 但由于质子相位不同,没有宏观磁化矢量产生。右图为90°脉冲激发后,低能级超出高能级的质子有一半 3个)获得能量越迁到高能级,此时处于高能级和低能级的质子数完全相同,宏观纵向磁化矢量消失 同时由于90°脉冲的聚相位效应,产生了旋转的宏观横向磁化矢量(横向空箭)。 90°脉冲激发后所产生的横向宏观磁化矢量的大小与脉冲激发前(即平衡状态下)的宏 观纵向磁化矢量的大小有关。宏观纵向磁化矢量越大,90°脉冲激发后产生的宏观横向磁化 矢量越大,MR信号就越强:宏观纵向磁化矢量越小,90°脉冲激发后产生的旋转宏观横向 磁化矢量越小,MR信号就越弱。在本章第三节我们已经提到,平衡状态下宏观纵向磁化矢 量的大小与组织中的质子含量(即质子密度)有关,由于90°脉冲能够使宏观纵向磁化矢量 偏转到ⅹ、Y平面,产生旋转的宏观横向磁化矢量,这样MRI就能区分质子密度不同的人 体组织了。但是仅区分不同组织的质子含量差别,对于临床诊断来说是远远不够的,所以我 们一般不是在90°脉冲后马上采集MR信号,而是在90°脉冲关闭后等待一定时间再进行信 号采集
子略多于处于高能级者（图中标出多出 6 个），从而产生与主磁场同向的宏观纵向磁化矢量（纵向空箭）， 但由于质子相位不同，没有宏观磁化矢量产生。右图为 90°脉冲激发后，低能级超出高能级的质子有一半 （3 个）获得能量越迁到高能级，此时处于高能级和低能级的质子数完全相同，宏观纵向磁化矢量消失； 同时由于 90°脉冲的聚相位效应，产生了旋转的宏观横向磁化矢量（横向空箭）。 90°脉冲激发后所产生的横向宏观磁化矢量的大小与脉冲激发前（即平衡状态下）的宏 观纵向磁化矢量的大小有关。宏观纵向磁化矢量越大，90°脉冲激发后产生的宏观横向磁化 矢量越大，MR 信号就越强；宏观纵向磁化矢量越小，90°脉冲激发后产生的旋转宏观横向 磁化矢量越小，MR 信号就越弱。在本章第三节我们已经提到，平衡状态下宏观纵向磁化矢 量的大小与组织中的质子含量（即质子密度）有关，由于 90°脉冲能够使宏观纵向磁化矢量 偏转到 X、Y 平面，产生旋转的宏观横向磁化矢量，这样 MRI 就能区分质子密度不同的人 体组织了。但是仅区分不同组织的质子含量差别，对于临床诊断来说是远远不够的，所以我 们一般不是在 90°脉冲后马上采集 MR 信号，而是在 90°脉冲关闭后等待一定时间再进行信 号采集
第五节核磁弛豫 在这一节中让我们来看看90°脉冲关闭后人体组织中的质子的核磁状态又发生了什么变 化。90°脉冲关闭后,组织的宏观磁化矢量逐渐又回到平衡状态,我们把这个过程称为核磁 弛豫。核磁弛豫又可分解成两个相对独立的部分:(1)横向磁化矢量逐渐减小直至消失 为横向弛豫;(2)纵向磁化矢量逐渐恢复直至最大值(平衡状态),称为纵向弛豫。 自由感应衰减和横向弛豫 90°脉冲关闭后,横向磁化矢量将逐渐减小,最后将衰减到零。前面第四节我们已经讲 到,90°脉冲产生宏观磁化矢量的原因是使质子小磁场的横向磁化分矢量聚相位。909脉冲关 闭后,宏观横向磁化矢量衰减的原因与之相反,即处于同相位的质子发生了相位的离散(失 相位),其横向磁化分矢量逐渐相互抵消,因此宏观橫向磁化矢量衰减直至到零(图8)。致 使质子失相位的原因有两个:(1)质子周围磁环境随机波动。每个质子都暴露在周围无数个 其他原子核和电子的磁环境中,而周围这些带电粒子一直处于热运动状态,这样质子感受到 的磁场就会有轻微波动,且这种波动是随机的,由于质子周围磁环境的这种随机的轻微波动 各个质子所感受到的磁场就会有差别,也就造成了质子之间的进动频率出现差别,其结果引 起质子逐渐的失相位,宏观横向磁化矢量逐渐衰减;(2)主磁场的不均匀。尽管我们追求主 磁场的绝对均匀,但实际上这是不可能,主磁场总是一定程度的不均匀,这种不均匀性一般 认为是较为恒定的,也就是说某处一直轻微偏高,而另一处则一直轻微偏低,主磁场的这种 不均匀同样会造成质子失相位,引起宏观磁化矢量的衰减 图8横向弛豫示意图 图a示90°脉冲使质子聚相位,产生宏观横向磁化矢量(水平空箭):图b图c示90°脉冲关闭后,质 逐渐失相位,宏观横向磁化矢量逐渐衰减(水平空箭) 由于受上述两个方面磁场不均匀的影响,实际上90°脉冲关闭后,宏观横向磁化矢量将 呈指数式衰减,我们把宏观横向磁化矢量的这种衰减称为自由感应衰减( free induction decay,FID),也称T2*弛豫(图9)。 100 20%
第五节 核磁弛豫 在这一节中让我们来看看90°脉冲关闭后人体组织中的质子的核磁状态又发生了什么变 化。90°脉冲关闭后，组织的宏观磁化矢量逐渐又回到平衡状态，我们把这个过程称为核磁 弛豫。核磁弛豫又可分解成两个相对独立的部分：（1）横向磁化矢量逐渐减小直至消失，称 为横向弛豫；（2）纵向磁化矢量逐渐恢复直至最大值（平衡状态），称为纵向弛豫。 一、自由感应衰减和横向弛豫 90°脉冲关闭后，横向磁化矢量将逐渐减小，最后将衰减到零。前面第四节我们已经讲 到，90°脉冲产生宏观磁化矢量的原因是使质子小磁场的横向磁化分矢量聚相位。90°脉冲关 闭后，宏观横向磁化矢量衰减的原因与之相反，即处于同相位的质子发生了相位的离散（失 相位），其横向磁化分矢量逐渐相互抵消，因此宏观横向磁化矢量衰减直至到零（图 8）。致 使质子失相位的原因有两个：（1）质子周围磁环境随机波动。每个质子都暴露在周围无数个 其他原子核和电子的磁环境中，而周围这些带电粒子一直处于热运动状态，这样质子感受到 的磁场就会有轻微波动，且这种波动是随机的，由于质子周围磁环境的这种随机的轻微波动， 各个质子所感受到的磁场就会有差别，也就造成了质子之间的进动频率出现差别，其结果引 起质子逐渐的失相位，宏观横向磁化矢量逐渐衰减；（2）主磁场的不均匀。尽管我们追求主 磁场的绝对均匀，但实际上这是不可能，主磁场总是一定程度的不均匀，这种不均匀性一般 认为是较为恒定的，也就是说某处一直轻微偏高，而另一处则一直轻微偏低，主磁场的这种 不均匀同样会造成质子失相位，引起宏观磁化矢量的衰减。 a b c 图 8 横向弛豫示意图 图 a 示 90°脉冲使质子聚相位，产生宏观横向磁化矢量（水平空箭）；图 b 图 c 示 90°脉冲关闭后，质 子逐渐失相位，宏观横向磁化矢量逐渐衰减（水平空箭） 由于受上述两个方面磁场不均匀的影响，实际上 90°脉冲关闭后，宏观横向磁化矢量将 呈指数式衰减，我们把宏观横向磁化矢量的这种衰减称为自由感应衰减（free induction decay，FID），也称 T2*弛豫（图 9）。 100% 50% 37% 20% T Mxy Mxy 100% 50% 37% 20% 甲T2
图 图10 图9组织自由感应衰减(FID)和I2弛豫的差别纵坐标为横向磁化矢量(Mxy)的大小(以%表示), 橫坐标为时间(以ms表示)。受横向弛豫和主磁场不均匀的双重影响,横向磁化矢量很快衰减,称为FD(圆 点虚曲线):剔除主磁场不均匀造成的质子失相位,得到的横向磁化矢量衰减为真正的T2弛豫(实曲线)。 从图中可以看出,同一组织的T2弛豫要远远慢于FID。以该组织的T2弛豫曲线为准,以90°脉冲后横向磁化 矢量达到最大值(100%)的时间点为0,以横向磁化矢量衰减到最大值的37%的时间点为1,0与的时间间 隔为该组织的T2值 图10不同组织的I2弛豫差别纵坐标为横向磁化矢量(Mxy)的大小(以%表示),横坐标为时间 (以ms表示)。不同的组织由于结构不同,T2弛豫快慢不同。图中细曲线为甲组织的T2弛豫曲线,粗曲线为 乙组织的T2弛豫曲线。以90°脉冲后横向磁化矢量达到最大值(100%)的时间点为10,以甲组织的横向磁化 矢量衰减到最大值的37%的时间点为,t与/的时间间隔为甲组织的T2值:以乙组织的横向磁化矢量衰减到 最大值的37%的时间点为,0与的时间间隔为乙组织的T2值。由于甲组织T2弛豫快,其T2值短于乙组织 剔除了主磁场不均匀的影响(利用180°复相脉冲,详见SE序列),质子周围其他磁性 原子核的随机运动引起的宏观橫向磁化矢量的衰减才是真正的横向弛豫,即T2弛豫,也称 自旋一自旋弛豫(spin-spin弛豫),我们用T2值来描述组织横向弛豫的快慢(图9)。90脉 冲后,某组织宏观横向磁化矢量达到最大值,以90°脉冲关闭后的零时刻为起点,以T弛 豫造成的横向磁化矢量衰减到最大值的37%为终点,起点与终点之间的时间间隔即为该组 织的T2值(图9)。不同的组织由于质子周围微观磁环境不同,T2弛豫速度存在差别,即 T2值存在差别(图10,表2)。同时需要指出的是,即便是同一组织,在不同的主磁场场强 下,T2值也会发生改变,一般场强越高,组织的T2值越短。但组织的T2值受主磁场场强 的影响不如T1值受后者的影响大 表21.5T场强下正常人体组织的T1、T2参考值 组织名称 值 值 脑白质 脑灰质 400~600n 100~120ms 脑脊液 3000~4000ms 1200~2000ms 肝脏 脾脏 400~450ms 肾皮质 肾髓质 450~650ms 120~150ms 骨骼肌 皮下脂肪 220~250ms 90~130 、纵向弛豫 如前所述,射频脉冲给予低能级质子能量,后者获能跃迁到高能级,结果根据射频脉冲
图 9 图 10 图 9 组织自由感应衰减（FID）和T2弛豫的差别 纵坐标为横向磁化矢量（Mxy）的大小（以％表示）， 横坐标为时间（以ms表示）。受横向弛豫和主磁场不均匀的双重影响，横向磁化矢量很快衰减，称为FID（圆 点虚曲线）；剔除主磁场不均匀造成的质子失相位，得到的横向磁化矢量衰减为真正的T2弛豫（实曲线）。 从图中可以看出，同一组织的T2弛豫要远远慢于FID。以该组织的T2弛豫曲线为准，以 90°脉冲后横向磁化 矢量达到最大值（100%）的时间点为t0，以横向磁化矢量衰减到最大值的 37%的时间点为t / ，t0与t / 的时间间 隔为该组织的T2值。 图 10 不同组织的T2弛豫差别 纵坐标为横向磁化矢量（Mxy）的大小（以％表示），横坐标为时间 （以ms表示）。不同的组织由于结构不同，T2弛豫快慢不同。图中细曲线为甲组织的T2弛豫曲线，粗曲线为 乙组织的T2弛豫曲线。以 90°脉冲后横向磁化矢量达到最大值（100%）的时间点为t0，以甲组织的横向磁化 矢量衰减到最大值的 37%的时间点为t / ，t0与t / 的时间间隔为甲组织的T2值；以乙组织的横向磁化矢量衰减到 最大值的 37%的时间点为t // ，t0与t //的时间间隔为乙组织的T2值。由于甲组织T2弛豫快，其T2 值短于乙组织。 剔除了主磁场不均匀的影响（利用 180°复相脉冲，详见 SE 序列），质子周围其他磁性 原子核的随机运动引起的宏观横向磁化矢量的衰减才是真正的横向弛豫，即 T2 弛豫，也称 自旋－自旋弛豫（spin-spin 弛豫），我们用 T2 值来描述组织横向弛豫的快慢（图 9）。90°脉 冲后，某组织宏观横向磁化矢量达到最大值，以 90°脉冲关闭后的零时刻为起点，以 T2 弛 豫造成的横向磁化矢量衰减到最大值的 37%为终点，起点与终点之间的时间间隔即为该组 织的 T2 值（图 9）。不同的组织由于质子周围微观磁环境不同，T2 弛豫速度存在差别，即 T2 值存在差别（图 10，表 2）。同时需要指出的是，即便是同一组织，在不同的主磁场场强 下，T2 值也会发生改变，一般场强越高，组织的 T2 值越短。但组织的 T2 值受主磁场场强 的影响不如 T1 值受后者的影响大。 表 2 1.5T 场强下正常人体组织的 T1、T2 参考值 组织名称 T1 值 T2 值 脑白质 350 ~ 500 ms 90 ~ 100 ms 脑灰质 400 ~ 600 ms 100 ~ 120 ms 脑脊液 3000 ~ 4000 ms 1200 ~ 2000 ms 肝脏 350 ~ 400 ms 45 ~ 55 ms 脾脏 400 ~ 450 ms 100 ~ 160 ms 肾皮质 350 ~ 420 ms 80 ~ 100ms 肾髓质 450 ~ 650 ms 120 ~ 150 ms 骨骼肌 500 ~ 600 ms 70 ~ 90 ms 皮下脂肪 220 ~ 250 ms 90 ~ 130 ms 二、纵向弛豫 如前所述，射频脉冲给予低能级质子能量，后者获能跃迁到高能级，结果根据射频脉冲
的能量大小,宏观纵向磁化矢量发生不同的变化。如30°的小角度激发,宏观纵向磁化矢量 缩小;90°脉冲激发,宏观纵向磁化矢量消失;180°脉冲激发,则宏观纵向磁化矢量方向反 转,变成与主磁场方向相反,但大小不变。无论是多少角度的激发,射频脉冲关闭后,在主 磁场的作用下,宏观纵向磁化矢量将逐渐恢复到平衡状态,我们把这一过程称为纵向弛豫, 即T1弛豫 图11不同组织的纵向弛豫纵坐标为纵向磁化矢量(Mz)的大小(以%表示),横坐标为时间(以 ms表示)。图中细曲线为甲组织的纵向弛豫曲线,粗曲线为乙组织的纵向弛豫曲线。以90°脉冲后横向磁化 矢量达到最大值(100%)的时间点为t,以甲组织的纵向磁化矢量恢复到最大值的63%的时间点为r,t r的时间间隔为甲组织的T值:以乙组织的纵向磁化矢量恢复到最大值的63%的时间点为r,b0与的时间间 隔为乙组织的T1值。由于甲组织纵向弛豫快,其T1值短于乙组织的T1值。 以90°脉冲为例,90脉冲使宏观纵向磁化矢量消失,射频脉冲关闭后,纵向磁化矢量将 从零开始逐渐恢复直到与主磁场同向的最大值(即平衡状态)(图11)。我们用T1值来描述 组织的纵向弛豫速度。以90°脉冲关闭后某组织的宏观纵向磁化矢量为零,以此为起点,以 宏观纵向磁化矢量恢复到最大值的63%为终点,起点和终点的时间间隔即该组织的T1值(图 11) 射频脉冲的作用是使低能级的质子获能跃迁到高能级,即发生核磁共振现象。纵向弛豫为其 反过程,即获能后处于高能级的质子释放出能量回到低能级。高能级的质子释放能量的速度 与其周围分子的自由运动频率有关,周围分子的自由运动频率与质子的进动频率越接近,能 量的释放越快,组织的纵向弛豫就越快。周围分子的自由运动频率明显高于或低于质子的进 动频率,则这种能量释放很慢,组织的纵向弛豫所需时间就很长。磁共振物理学中,常把质 子周围的分子称为晶格,因此纵向弛豫也称自旋-晶格弛豫。不同的组织由于质子周围的分 子自由运动频率不同,其纵向弛豫速度存在差别,即T1值不同(表2;图11)。人体组织 的T1值受主磁场场强的影响较大,一般随场强的增高,组织的T值延长
的能量大小，宏观纵向磁化矢量发生不同的变化。如 30°的小角度激发，宏观纵向磁化矢量 缩小；90°脉冲激发，宏观纵向磁化矢量消失；180°脉冲激发，则宏观纵向磁化矢量方向反 转，变成与主磁场方向相反，但大小不变。无论是多少角度的激发，射频脉冲关闭后，在主 磁场的作用下，宏观纵向磁化矢量将逐渐恢复到平衡状态，我们把这一过程称为纵向弛豫， 即 T1 弛豫。 图 11 不同组织的纵向弛豫 纵坐标为纵向磁化矢量（Mz）的大小（以％表示），横坐标为时间（以 ms表示）。图中细曲线为甲组织的纵向弛豫曲线，粗曲线为乙组织的纵向弛豫曲线。以 90°脉冲后横向磁化 矢量达到最大值（100%）的时间点为t0，以甲组织的纵向磁化矢量恢复到最大值的 63%的时间点为t / ，t0与 t / 的时间间隔为甲组织的T1值；以乙组织的纵向磁化矢量恢复到最大值的 63%的时间点为t // ，t0与t //的时间间 隔为乙组织的T1值。由于甲组织纵向弛豫快，其T1值短于乙组织的T1值。 以 90°脉冲为例，90°脉冲使宏观纵向磁化矢量消失，射频脉冲关闭后，纵向磁化矢量将 从零开始逐渐恢复直到与主磁场同向的最大值（即平衡状态）（图 11）。我们用 T1 值来描述 组织的纵向弛豫速度。以 90°脉冲关闭后某组织的宏观纵向磁化矢量为零，以此为起点，以 宏观纵向磁化矢量恢复到最大值的63％为终点，起点和终点的时间间隔即该组织的T1值（图 11）。 射频脉冲的作用是使低能级的质子获能跃迁到高能级，即发生核磁共振现象。纵向弛豫为其 反过程，即获能后处于高能级的质子释放出能量回到低能级。高能级的质子释放能量的速度 与其周围分子的自由运动频率有关，周围分子的自由运动频率与质子的进动频率越接近，能 量的释放越快，组织的纵向弛豫就越快。周围分子的自由运动频率明显高于或低于质子的进 动频率，则这种能量释放很慢，组织的纵向弛豫所需时间就很长。磁共振物理学中，常把质 子周围的分子称为晶格，因此纵向弛豫也称自旋-晶格弛豫。不同的组织由于质子周围的分 子自由运动频率不同，其纵向弛豫速度存在差别，即 T1 值不同（表 2；图 11）。人体组织 的 T1 值受主磁场场强的影响较大，一般随场强的增高，组织的 T1 值延长
第六节磁共振加权成像 前面几节我们己经知道,不同的组织存在质子含量(质子密度)的差别、T1值差别及 T2值的差别,这正是常规MRI能够显示正常解剖结构及病变的基础。下面我们看看如果利 用不同组织间的这些差别来显示解剖和病变 “加权”的含义 所谓加权即“突出重点”的意思,也即重点突出某方面特性。之所以要加权是因为在一般 的成像过程中,组织的各方面特性(例如:质子密度、T1值、T2值)均对MR信号有贡献, 几乎不可能得到仅纯粹反映组织一个特性的MR图像,我们可以利用成像参数的调整,使 图像主要反映组织某方面特性,而尽量抑制组织其他特性对MR信号的影响,这就是“加权”。 T1加权成像(Tl- weighted imaging,TwI)是指这种成像方法重点突出组织纵向弛豫差别, 而尽量减少组织其他特性如横向弛豫等对图像的影响;T2加权成像(T2 weighted imaging, T2WI)重点突出组织的横向弛豫差别;质子密度( proton density,PD)图像则主要反映组 织的质子含量差别 下面来看看加权成像是如何实现的,由于我们还没有涉及到具体的序列,这里仅介绍 MR加权成像的基本原理,具体的参数设置将在脉冲序列一章中介绍。已如前述,MRI仪的 接收线圈不易检测到宏观纵向磁化矢量,而只能检测到旋转的宏观橫向磁化矢量。这里还要 补充一点,在MR成像中,无论是什么序列,什么加权成像,在MR信号采集时刻,组织 的宏观横向磁化矢量越大,MR信号就越强 二、质子密度加权成像 质子密度图主要反映不同组织间质子含量的差别。质子密度图很容易实现,以甲、乙两 种组织为例,甲组织质子含量高于乙质子,进入主磁场后,质子含量高的甲组织产生的宏观 纵向磁化矢量大于乙组织(图12a);90°脉冲后甲组织产生的旋转宏观横向磁化矢量就大于 乙组织(图12b),这时马上检测MR信号,甲组织产生的MR信号将高于乙组织(图12c)。 即质子密度越高,MR信号强度越大,这就是质子密度加权成像 甲组织的信号 甲组织Mxy 甲组织Mz 乙组织Mz 乙组织Mxy 乙组织的信号
第六节 磁共振加权成像 前面几节我们已经知道，不同的组织存在质子含量（质子密度）的差别、T1 值差别及 T2 值的差别，这正是常规 MRI 能够显示正常解剖结构及病变的基础。下面我们看看如果利 用不同组织间的这些差别来显示解剖和病变。 一、“加权”的含义 所谓加权即“突出重点”的意思，也即重点突出某方面特性。之所以要加权是因为在一般 的成像过程中，组织的各方面特性（例如：质子密度、T1 值、T2 值）均对 MR 信号有贡献， 几乎不可能得到仅纯粹反映组织一个特性的 MR 图像，我们可以利用成像参数的调整，使 图像主要反映组织某方面特性，而尽量抑制组织其他特性对 MR 信号的影响，这就是“加权”。 T1 加权成像（T1-weighted imaging，T1WI）是指这种成像方法重点突出组织纵向弛豫差别， 而尽量减少组织其他特性如横向弛豫等对图像的影响；T2 加权成像（T2-weighted imaging， T2WI）重点突出组织的横向弛豫差别；质子密度（proton density，PD）图像则主要反映组 织的质子含量差别。 下面来看看加权成像是如何实现的，由于我们还没有涉及到具体的序列，这里仅介绍 MR 加权成像的基本原理，具体的参数设置将在脉冲序列一章中介绍。已如前述，MRI 仪的 接收线圈不易检测到宏观纵向磁化矢量，而只能检测到旋转的宏观横向磁化矢量。这里还要 补充一点，在 MR 成像中，无论是什么序列，什么加权成像，在 MR 信号采集时刻，组织 的宏观横向磁化矢量越大，MR 信号就越强。 二、质子密度加权成像 质子密度图主要反映不同组织间质子含量的差别。质子密度图很容易实现，以甲、乙两 种组织为例，甲组织质子含量高于乙质子，进入主磁场后，质子含量高的甲组织产生的宏观 纵向磁化矢量大于乙组织（图 12a）；90°脉冲后甲组织产生的旋转宏观横向磁化矢量就大于 乙组织（图 12b），这时马上检测 MR 信号，甲组织产生的 MR 信号将高于乙组织（图 12c）。 即质子密度越高，MR 信号强度越大，这就是质子密度加权成像。 甲组织的信号 乙组织的信号 甲组织 Mxy 甲组织 Mz 乙组织 Mz 乙组织 Mxy