用指数迭代法,可以测定自旋-自旋弛豫时间b 使用自旋回波技术有一个必要的假设,即对某一特定的自旋,在“重聚焦”180脉冲前后感受到的恒定磁 场必定是相同的.如果因为布朗运动,在回波形成之前,自旋已经扩散到不同的磁场区域,那么通过180 脉冲自旋将不能重聚焦 但用上述的自旋回波脉冲序列来测量12存在着采样时间较长的缺点,因为取不同的时间间隔r脉冲序 列要重复多次,每次重复都要等待系统恢复到热平衡状态,这段时间一般为5.后来由Car, Purcell,, Maiboom和Gill共同提出了新的称为CPMG的自旋回波脉冲序列 90x-r-180y-2-180-2x…(回波) 即在90脉冲之后,在1,357…加上180脉冲(下标x,y表示所加的射频脉冲的相位)那么在24 6τ,…就得到自旋回波信号,这样测l2的时间就可以大大缩短,当脉冲间隔τ取得非常小时,还可以排除自 旋扩散对2测量的干扰另外,这个脉冲序列还可以克服180脉冲不够准确的缺点,因为偶数个x脉冲有 补偿不准确度的功能,使误差不会积累.磁化矢量在CPMG序列作用下的运动情况如图7所示 90脉冲 180脉冲 自旋回波 M 图6自旋回波信号的形成 简单解释如下:假设由于脉冲宽度不精确,180脉冲之后磁化矢量∑M转过(180角,故磁化矢量达 不到x平面,而在xy平面之上,图(a)在2r时刻它们在y轴之上聚焦,M与xy平面成确,图(b,所以 第一个回波的值要比真正的值略小.之后在xy平面上散开,图(c).第二个180,脉冲使M转过(809角 正好达到xy平面,图(d).在4r时刻它们在y轴上形成回波,这个回波没有因脉冲不精确而引起的误差,图 (e).第二个回波后,磁矩又重新分散开来,重复上面的过程,图f) (b) c) 图7180y脉冲有误差时,CPMG序列作用下的磁化矢量运动图
6 用指数迭代法，可以测定自旋-自旋弛豫时间 t2. 使用自旋回波技术有一个必要的假设，即对某一特定的自旋，在“重聚焦”180 脉冲前后感受到的恒定磁 场必定是相同的. 如果因为布朗运动，在回波形成之前，自旋已经扩散到不同的磁场区域，那么通过 180 脉冲自旋将不能重聚焦. 但用上述的自旋回波脉冲序列来测量 t2 存在着采样时间较长的缺点，因为取不同的时间间隔 脉冲序 列要重复多次，每次重复都要等待系统恢复到热平衡状态，这段时间一般为 5t1. 后来由 Carr，Purcell， Maiboom 和 Gill 共同提出了新的称为 CPMG 的自旋回波脉冲序列： 90x − − 180y − 2 − 180y − 2… (回波） 即在90x 脉冲之后，在 1，3，5，…加上180y 脉冲(下标 x，y 表示所加的射频脉冲的相位) 那么在 2，4， 6，…就得到自旋回波信号，这样测 t2 的时间就可以大大缩短，当脉冲间隔 取得非常小时，还可以排除自 旋扩散对 t2 测量的干扰. 另外，这个脉冲序列还可以克服180y 脉冲不够准确的缺点，因为偶数个 脉冲有 补偿不准确度的功能，使误差不会积累. 磁化矢量在 CPMG 序列作用下的运动情况如图 7 所示. 简单解释如下：假设由于脉冲宽度不精确，180y 脉冲之后磁化矢量∑ 𝑴i转过(180-)角，故磁化矢量达 不到 xy 平面，而在 xy 平面之上，图(a). 在 2 时刻它们在 y 轴之上聚焦，M 与 xy 平面成角，图(b)，所以 第一个回波的值要比真正的值略小. 之后在 xy 平面上散开，图(c). 第二个180y 脉冲使 Mi转过(180-)角， 正好达到 xy 平面，图(d). 在 4 时刻它们在 y 轴上形成回波，这个回波没有因脉冲不精确而引起的误差，图 (e). 第二个回波后，磁矩又重新分散开来，重复上面的过程，图(f). 图 7 180y脉冲有误差时，CPMG 序列作用下的磁化矢量运动图 图 6 自旋回波信号的形成
5.硬脉冲和软脉冲 核磁共振成像的射频场系统发射出中心频率为拉莫尔频率的射频电磁波,激发样品质子群,从而发生 核磁共振效应.该电磁波并非单一频率,而是以拉莫尔频率为中心,频率具有一定宽度的频带.根据频带宽 度不同,可将射频电磁波分为硬脉冲和软脉冲.硬脉冲时间激发宽度较窄,但射频幅值较高,对应的频带较 图8(a)硬脉冲射频波形(时间域) (b)硬脉冲射频的频带范围(频域) 宽,可以激发较大范围的质子,选择性差,用在波谱分析中;软脉冲时间激发宽度较宽,但射频幅值低, 对应的频带较窄,只能激发较小进动频率范围的质子,选择性较好,用于成像中.如图8和图9所示 图9(a)5个耳瓣波形的射频软脉冲(时间域) (b)与软脉冲相应的方波频带(频域) 6.MRI成像 61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 RF带宽 图10选层、层面和体素 体素的小体积组成(图10) 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 中的成像物体 信号采集 维 图11磁共振成像过程
7 5. 硬脉冲和软脉冲 核磁共振成像的射频场系统发射出中心频率为拉莫尔频率的射频电磁波，激发样品质子群，从而发生 核磁共振效应. 该电磁波并非单一频率，而是以拉莫尔频率为中心，频率具有一定宽度的频带. 根据频带宽 度不同，可将射频电磁波分为硬脉冲和软脉冲. 硬脉冲时间激发宽度较窄，但射频幅值较高，对应的频带较 宽，可以激发较大范围的质子，选择性差，用在波谱分析中；软脉冲时间激发宽度较宽，但射频幅值低， 对应的频带较窄，只能激发较小进动频率范围的质子，选择性较好，用于成像中. 如图 8 和图 9 所示. 6. MRI 成像 6.1 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 10）. 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 图 8 (a)硬脉冲射频波形(时间域) (b) 硬脉冲射频的频带范围(频域) 图 10 选层、层面和体素 图 9 (a) 5 个耳瓣波形的射频软脉冲(时间域) (b) 与软脉冲相应的方波频带(频域) 图 11 磁共振成像过程
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11所示 如何进行空间定位呢:信号源的位置信息由加入的x、y、〓轴三个方向的线性梯度场确定处在外磁场 B中的氢质子无论其在空间位置如何,产生的磁共振的频率都相同,如果在B0上叠加一个梯度场,质子的 共振频率将发生变化,由此可以确定信号源的位置,这个过程叫做空间编码,包括选层梯度磁场G、频率 编码梯度磁场G和相位编码梯度磁场Gn三者在使用时是等效的,可以互换,而且可以使用任意两个梯度场 的线性组合来实现某一定位功能,从而实现核磁共振的任意截面断层成像. 62选片层面的选择 通过线性梯度场的使用,使每一层面的磁场不同(图12),那么施加不同频率的射频场,就有不同的层面 产生MR信号,那不同的层面1、2、3就从这个信号区分出来了 ++千七 图17选层梯度场与外磁场的尋加 如图13所示,由于共振频率O=yB0,对于处在磁场为1.54~1.56T的人体层面,氢原子的y=426 MHz/T,如果调节射频脉冲频率范围在65604~66456MHz,那么只有这个层面产生共振信号,因而所成 的像就是这个层面的像 1.54T1.56T 14T 15T 16T ++++ 层面 与层面的对应关系 选层的厚度(即层厚)决定着图像分辨率的高低,层厚薄,分辨率会高.参见图8所示的层厚.而层厚取 决于二个因素:选层梯度的强度(即梯度场的斜率)和激励射频的频率范围.层厚与射频带宽成正相关,即射 频频率范围越大,能够激发的质子层厚就越厚,反之越薄层厚与梯度场强度反相关,选层梯度场越强,梯 度斜率越大,层厚反而越薄.由于射频带宽不能轻易改变,它与其他参数是关联的.因此,临床上主要是通 过改变梯度场的强度来达到不同层厚的选择.一般对于较厚的层厚,梯度场强度小,对梯度功放的负荷小. 而对于较小层厚成像时,要求较大的梯度场,因此功放也要提供很大的功率输出,而梯度功放一般存在着 最大输出功率,因此某型号机器在使用时一般有个极限层厚,即最小层厚的限制.选择比最小层厚还薄的层
8 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 11 所示. 如何进行空间定位呢：信号源的位置信息由加入的 x、y、z 轴三个方向的线性梯度场确定. 处在外磁场 B0 中的氢质子无论其在空间位置如何，产生的磁共振的频率都相同，如果在 B0 上叠加一个梯度场，质子的 共振频率将发生变化，由此可以确定信号源的位置，这个过程叫做空间编码，包括选层梯度磁场 Gs、频率 编码梯度磁场 Gf和相位编码梯度磁场 Gp.三者在使用时是等效的，可以互换，而且可以使用任意两个梯度场 的线性组合来实现某一定位功能，从而实现核磁共振的任意截面断层成像. 6.2 选片 层面的选择 通过线性梯度场的使用，使每一层面的磁场不同(图 12)，那么施加不同频率的射频场，就有不同的层面 产生 MR 信号，那不同的层面 1、2、3 就从这个信号区分出来了. 如图 13 所示，由于共振频率 0 = B0，对于处在磁场为 1.54～1.56 T 的人体层面， 氢原子的 = 42.6 MHz/T，如果调节射频脉冲频率范围在 65.604 ~ 66.456 MHz，那么只有这个层面产生共振信号，因而所成 的像就是这个层面的像. 选层的厚度(即层厚)决定着图像分辨率的高低，层厚薄，分辨率会高. 参见图 8 所示的层厚. 而层厚取 决于二个因素：选层梯度的强度(即梯度场的斜率)和激励射频的频率范围. 层厚与射频带宽成正相关，即射 频频率范围越大，能够激发的质子层厚就越厚，反之越薄.层厚与梯度场强度反相关，选层梯度场越强，梯 度斜率越大，层厚反而越薄. 由于射频带宽不能轻易改变，它与其他参数是关联的. 因此，临床上主要是通 过改变梯度场的强度来达到不同层厚的选择. 一般对于较厚的层厚，梯度场强度小，对梯度功放的负荷小. 而对于较小层厚成像时，要求较大的梯度场，因此功放也要提供很大的功率输出，而梯度功放一般存在着 最大输出功率，因此某型号机器在使用时一般有个极限层厚，即最小层厚的限制. 选择比最小层厚还薄的层 图 12 选层梯度场与外磁场的叠加 图 13 磁场与层面的对应关系
厚很容易导致梯度功放的损坏.选层的位置可以由调整射频中心频率来实现.选层梯度场要什么时刻施加 呢?要与射频场同时施加,即与90度脉冲和180度脉冲同时施加。 63相位编码y轴定位 利用线性梯度场可以对选出的层面进行空间定位。形成xy矩阵.以3×3的矩阵为例。在没有施加梯度 磁场时,在均匀磁场B作用下,9个体素都以频率ω进动,同时信号的相位也相同,都为.如图14的左 (aoO)(aor+θ cos@ 0 -2cos 0 ⑩④ 较强梯度 无梯度 ①①|④ lOO 较弱梯度 图14相位梯度场的作用 侧所示.此时在y方向加上梯度场,上面一行的磁场变大,频率变大,从而相位变大,为(OHO);中间一 弱相位编码梯度 Gr 强相位编码梯度 相位编码梯度为零 图15相位梯度场的不同强度及符号 行磁场不变,相位不变;下面一行磁场变小,频率变小,从而相位变小,为(10).相位梯度场作用时间很 短,在采样之前就停止了作用,所以频率又恢复到ω而相位不同的信息保留下来,做为y轴的定位信息.图 12的右侧,这样可以确定出层面y的位置.要注意的是每次作用的相位梯度场强弱不同,并且作用的时 9
9 厚很容易导致梯度功放的损坏. 选层的位置可以由调整射频中心频率来实现. 选层梯度场要什么时刻施加 呢？要与射频场同时施加，即与 90 度脉冲和 180 度脉冲同时施加。 6.3 相位编码 y 轴定位 利用线性梯度场可以对选出的层面进行空间定位。形成 xy 矩阵. 以 33 的矩阵为例。在没有施加梯度 磁场时，在均匀磁场 B0 作用下，9 个体素都以频率0 进动，同时信号的相位也相同，都为0t. 如图 14 的左 侧所示. 此时在 y 方向加上梯度场，上面一行的磁场变大，频率变大，从而相位变大，为(0t+ )；中间一 行磁场不变，相位不变；下面一行磁场变小，频率变小，从而相位变小，为(0t- ). 相位梯度场作用时间很 短，在采样之前就停止了作用，所以频率又恢复到0 而相位不同的信息保留下来，做为 y 轴的定位信息. 图 12 的右侧，这样可以确定出层面 y 的位置. 要注意的是每次作用的相位梯度场强弱不同，并且作用的时间 图 14 相位梯度场的作用 图 15 相位梯度场的不同强度及符号
很短,见图15 64频率编码x方向定位 以3×3的矩阵为例,在磁场B0作用下,9个体素都以频率ω进动,但信号强度不同,如图16(a所示.在 cosa!cosa. cosa.f 2e0smor cosar cosogt2cosw 0 cos@or-(3cos )+(2cos cosal 2c0s0 0 cosagr (a)矩阵 (b)频率编码梯度 图16不同频率编码下,各列的频率不同 x方向加上梯度场,由于不同列的磁场不同了,那么不同列的体素进动频率就不同了,如图16(b)所示.这样 层面矩阵的每一列频率都不一样,在采样的同时施加频率梯度场,那么这些频率就包含在所采集到的信号 中了。采集到的磁共振信号包含着频率编码的不同的频率成份及前面的y轴编码信息,用傅里叶变换可以 区分出不同频率信号的大小,从而确定出x方向的不同位置及其信号的大小 65信号采集采样点数、采样间隔、采样时间 磁共振信号是连续的模拟信号,为了让计算机处理数据,需要把模拟信号变为数字信号要很好的反应 sine(won △T,=采样间隔 口口口由口虫 图(a)是接收线圈得到的RF信号,为sinc函数,需要通过采样得到图(b)的数字信号,才能被 计算机接收:对图(b)信号进行傅里叶变换,会得到图(c的一系列方波信号,每个方波的中间 位置是1/△T的倍数:但是实际的模拟信号经过傅里叶变换后应该是图(d),只有一个方波信 ,因此还需要对图(c)的信号做截断处理. 图17信号的采集 模拟信号,采样点数要足够多.如图17所示,连续两个采样点之间的时间间隔称为采样间隔,用ΔT表示, 1∧r称为采样频率用κ表示。对一个信号采样所需要的时间称为采样时间.采样频率要满足采样定理:如果 lim是信号内最大频率,采样频率必须至少是信号最大频率的两倍,即v=1AT≥2mx.为了便于快速傅里 叶变换,采样点数一般为2的整数次幂,即32、64、128、256或者1024等.把采集的信号填充到层面矩阵
10 很短，见图 15. 6.4 频率编码 x 方向定位 以 33 的矩阵为例，在磁场 B0作用下，9 个体素都以频率0 进动，但信号强度不同，如图 16(a)所示. 在 x 方向加上梯度场，由于不同列的磁场不同了，那么不同列的体素进动频率就不同了，如图 16(b)所示. 这样 层面矩阵的每一列频率都不一样，在采样的同时施加频率梯度场，那么这些频率就包含在所采集到的信号 中了。采集到的磁共振信号包含着频率编码的不同的频率成份及前面的 y 轴编码信息，用傅里叶变换可以 区分出不同频率信号的大小，从而确定出 x 方向的不同位置及其信号的大小. 6.5 信号采集 采样点数、采样间隔、采样时间 磁共振信号是连续的模拟信号，为了让计算机处理数据，需要把模拟信号变为数字信号.要很好的反应 模拟信号，采样点数要足够多. 如图 17 所示，连续两个采样点之间的时间间隔称为采样间隔，用Ts表示， 1/Ts称为采样频率用s表示. 对一个信号采样所需要的时间称为采样时间. 采样频率要满足采样定理：如果 max是信号内最大频率，采样频率必须至少是信号最大频率的两倍，即s =1/Ts ≥2max. 为了便于快速傅里 叶变换，采样点数一般为 2 的整数次幂，即 32、64、128、256 或者 1024 等. 把采集的信号填充到层面矩阵 图(a)是接收线圈得到的 RF 信号，为 sinc 函数，需要通过采样得到图(b)的数字信号，才能被 计算机接收；对图(b)信号进行傅里叶变换，会得到图(c)的一系列方波信号，每个方波的中间 位置是 1/Ts 的倍数；但是实际的模拟信号经过傅里叶变换后应该是图(d)，只有一个方波信 号，因此还需要对图(c)的信号做截断处理. 图 17 信号的采集 图 16 不同频率编码下，各列的频率不同