第1量磁共服物理现象·5 1.2.10进动与外加主磁场有何关系? 如上所述,进动是在B存在时出现的,所以进动与B密切相关,外加磁场的大小决定着 磁矩与B轴的角度,磁场越强大,角度越小,B2方向上的磁矩值就会越大,因此,可用来进行 磁共振的信号会越强,图像结果会更好。此外,外加主磁场的大小也决定了进动的频率,B 越强大,进动频率越高,与B强度相对应的进动频率也叫 Lamor频率,原子在1.0T的磁场 中的进动频率称为该原子的旋磁比(7),为一常数值。氢原子的旋磁比为42.58MHz,B2等 于0.5T时,氢原子进动频率为21.29MH,B等于1.5T时,氢原子进动频率为63.87 MHz. 1.2.11什么是 Tesla? Tesla(T)是一个磁场强度单位,中文译为特斯拉,一单位T等于10000 Gause, Gause 中文译为高斯,地球的自然磁场强度为0.3~0.7Gs,南北极有所不同 1.3原子核的磁共振物理现象 1.3.1什么是共振? 共振是一种自然界普遍存在的物理现象, 物质是水恒运动着的,物体的运动在重力作用 下将会有自身的运动频率。当某一外力作用在 某一物体上时,一般只是一次的作用而没有共 振的可能,当外力是反复作用的,而且有固定的 频率,如果这个频率恰好与物体的自身运动频 率相同,在这种特殊的情况下,物体将不断吸收 外力,转变为自身运动的能量,哪怕外力非常 小,随时间的积累,能量不断被吸收,最终导 致物体的颠覆而失去共振状态。这个过程就是 共振 1.3.2单摆运动如何形成共振现象? 如图所示,单摆运动是物体在重力作用下图1:32单摆在地心引力作用下左右摆动,在 的来回重复运动,重力的大小决定着来回运动外力F的作用下,将吸收能量,使摆动幅度增加, 的频率,运动的幅度与重力是无关的,假如单摆从A位置出发,到C位置时,吸收了F作用力,回 在真空状态下,将不停地水远摆动,假如此时有 到B位置将高于A位置 一个重复的外力作用于它,而且与运动的方向一致,当频率恰好与单摆运动频率一致时,单 摆将吸收能量,使运动幅度增大,但频率不会改变。如果外力的作用方向与单摆运动方向不 致,能量将被衰减而使运动幅度变小,这里频率一致是先决条件,外力方向与运动方向 致也很重要,但这里的与运动方向一致是一个较广泛的定义,只要有相似的方向,就会有某
6·MR·床医师岛读 一分解出来的力与运动方向完全一致的。所以,方向只要与重力线大致相垂直,就会有单摆 共振的条件了。(图1-3-2) 1.3.3进动的磁矩能发生共振吗? 能!上面讲到质子在一定的磁场强度环境中,它的磁矩是以 Lamor频率做旋进运动的, 进动频率是由磁场强度决定的,所以进动是磁场中磁矩矢量的旋转运动,而单摆运动是重力 场中物体的运动,原理是相同的,进动的磁矩,如果把三维的旋转用透视法改为二维运动图, 就更清楚地看到它与单摆运动是极其相似的。当在B作用下以某一恒定频率进动的磁矩, 在受到另一个磁场(B1)的重复作用时,当B1的频率与 Lamor频率一致,方向与B垂直,进动 的磁矩将吸收能量。改变旋进角度(增大),旋进方向将偏离B方向,B1强度越大,进动角度 改变越快,但频率不会改变。以上就是原子核(MRI中是质子)的磁角动量在外加主磁场 (B2)的条件下,受到另一外加磁场(B1)的作用而发生的共振现象,这就是磁共振物理现象 1946年,美国物理学家 Bloch和 Purcell因发现和证实了这一物理现象而获得了诺贝尔物理 学奖。(图1-3-3) 1.3.4外加磁场B1如何实现? 外加磁场B1实际上是一个射频波( radio frequency,RF),也叫射频脉冲,RF波具有特定 的方向性和频率,可人为地由射颗发生器产生 具有 Lamor频率的射频脉冲可使磁矩(M)发 生倾斜,使M。发生90°倾斜的脉冲我们称其为 90脉冲,M。发生180°翻转的脉冲我们称为180° 脉冲。 1.3.5磁共振现象与磁共振成像有何区别? 磁共振现象是原子核的核物理特征,很久 以来一直被用于物理化学的物质定性测量工作 中,人体众多的原子都有磁共振的特性,是总的 图1-3-3磁矩发生共振示意图,磁矩M在B1作 普遍现象,是磁共振成像的基本条件和基本原 用下,旋进角度增大,更接近于XY平面,注意理之一,磁共振成像机能够测量质子共振后出 B方向是朝下的 现的横向磁矩值,并形成一幅有不同的空间定 位特性的图像,但要明确区分磁共振信号的空 间位置和强度,需要在磁共振现象的原理上进一步的大量工作才能实现,只有在计算机科学 高度发展的近20年中,才有可能实现将磁共振物理现象用来显示人体解剖结构的正常和病 理图像,MRI才可能不断发展提高
见1章磁共跟物理现象·7 1.4弛豫过程 14.1什么是弛豫? 弛豫是磁共振成像的专有名词,英文为 relaxation,实际就是“松弛”、“放松”的意思。原 子核发生共振处于高能态时,当外加的B消失后,将迅速回复到原来的低能状态,就像被拉 紧的弹簧“放松”了,这就是弛豫 1.42什么是弛豫过程? 原子核在外加的RF(B1)作用下产生共振后,吸收了能量,磁矩旋进的角度变大,偏离B2 轴的角度加大了,实际上处在了较高的能态中,就好比一根上端固定而直立的有弹性的铁棒 被外力作用而强行弯曲成角一样,在外力消失后将迅速恢复原状,原子核的磁矩的弛豫过程 与之有许多相似之处,原子核发生磁共振而达到稳定的高能态后,从外加的B1消失开始,到 回复至发生磁共振前的磁矩状态为止,整个变化过程就叫弛豫过程,弛豫过程是一个能量转 变的过程,需要一定的时间,磁矩的能量状态随时间延长面改变。磁矩的整个回复过程是较 复杂的,但却是磁共振成像的关键部分,磁共振成像时受检脏器的每一个质子都要经过反复 的RF激发和弛豫过程。弛豫有纵向弛豫和横向弛豫之分 1.4.3什么是纵向弛豫? 如上所述,磁矩是有空间方向性的,当人体进入B环境中以后,数秒或数十秒钟后将形 成一个与B方向一致的净磁矩,我们称其为M,B方向是一条空间的中心轴线,我们定义 它为纵轴。在外加的RF(B1)作用下,M。将发生偏离纵轴的改变,此时B1方向上的磁矩将减 少,也就是纵轴上的分磁矩(Mz)将减少,当B1终止后,纵轴(B3轴)上的分磁矩又将逐渐恢 复,直至回复到RF作用前的状态,这个过程就叫纵向弛豫。纵向弛豫是一个从零状态恢复 到最大值的过程。(图1-43A、B、C、D、E) 1.4.4什么是横向弛豫? 在RF作用下,纵向的磁矩发生了偏离,与中心轴有了夹角,此时纵轴上的分磁矩(Mz 减少了,横向上则出现了分磁矩(Mxy),当B1终止后,横向(XY平面)上的分磁矩(Mxy)又 将逐渐减少,直至回复到RF作用前的零状态,这个过程就叫横向弛豫。横向弛豫是一个从 最大值恢复至零状态的过程 1.4.5弛豫过程中的能量转变关系如何? 前面我们已知质子在发生磁共振时,因受到RF激发而吸收RF的能量,那么当RF终止 后,其吸收的能量如何释放呢?目前已知,质子是通过分子间的热传导和释放相同频率的电 磁波来实现的,MR1利用这个原理,用磁敏感线圈来检测共振质子释放出来的电磁波(回 波)及其强度,就可知被激发物质的磁矩状态,利用计算机对测得的回波信号的频率、时间、 相位和强度等分解计算和定位分析,就可重建出MRI图像,这是磁共振成像的基础之
8·MR·岛床医师读 图1-43A、B、C、D、E说明纵向磁矩从最大被激发后翻转为横向,纵向Z轴处于零状态,然后纵向磁 矩逐渐随时间延长而增大,直至到原来状态,注意B4方向是朝上的
第2章磁共振图像中的信号对比原理 2.1MRI图像中信号的产生和采集 2.1.1什么是MR信号? MR倍号是MRI机中使用的接收线圈探测到的电磁波,它具有一定的相 位、频率和强度,根据这个信号的相位、频率和强度的特征,结合它出现的时间 先后秩序,可以用来进行计算机空间定位处理和信号强度数字化计算及表达, 在MRI图像上反映出不同组织的亮暗特征。各种形态特征的组织具有不同的 信号特点,将共同组成一幅亮度对比良好、信噪比较高、空间分辨率适中的 MRI图像。 212MR信号怎样产生? MR成像过程中,每个组织都将经过磁共振物理现象的全过程,组织经过 B1激发后,吸收能量,磁矩发生偏离B轴的改变,横向(XY平面)上出现了磁 矩,处于高能态中,B1终止后,横向上的磁矩将很快消失,恢复至激发前的零 状态,其中,由RF激发而吸收的能量将通过发射与激发RF频率相同的电磁 波来实现能量释放,这个电磁波就是MR信号的来源,也叫回波,是MRI的 基础 21.3只有横向上的磁矩才会产生MR信号吗? 是的,组织在磁场中,将形成与B平行的纵向磁矩,这是处于低能态的, 就是相对稳定状态,不会出现因能量释放导致的电磁波信号,所以检测不到 MR信号,但是,被激发后处于横向上的磁矩,处于高能态,在B1终止后,将通 过释放电磁波的方式转移能量,因此,就会有MR信号的出现,只有横向上出 现磁矩,才会有MR倍号形成的可能。所以,MRI过程中都有一个通过激发造 成横向磁矩,然后再收集信号的具体过程 2.1.4要测量纵向上的磁矩大小怎么办? 要测量纵向上的磁矩大小,只能通过射频脉冲将纵向磁矩翻转至横向XY 平面时,才可能测得其磁矩的能量大小。90脉冲就能使纵向磁矩实现90°的翻 转,在XY平面上出现磁矩。所以,MR1时一般要使用多个脉冲组成的脉冲组合 序列,其中使纵向磁矩发生横向翻转的脉冲是其基本的组成之一。这里,使磁矩