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核磁共振成像MRI_核磁共振成像原理介绍

核磁共振成像MRI_核磁共振成像原理介绍


核磁共振成像原理背景:

核磁共振成像(MRI)也称磁共振成像,是利用核磁共振原理外加梯度磁场检测发射出的电磁波,据此可以绘制物体内部的结构图像,常见的可以发生核磁共振现象的原子有: 1H、11B、13C、17O、10F、31P。目前核磁共振成像原理在物理、化学、医疗、石油化工、食品农业等领域获得了广泛的应用。核磁共振成像(MRI)原理应用用于人体内部结构就产生出一种革命性的医学诊断工具–核磁共振成像仪。将快速变化的梯度场应用于核磁共振成像仪中,提升了MRI的速度,使该技术在科学研究中的广泛应用成为现实。


核磁共振成像原理介绍1:

核磁共振成像原理可简单归纳为:根据需要,将待测样品分成若干个薄层,这些薄层称为层面,这个过程成为选片。每个层面可分为由许多被称为体素的小体积组成(如下图1)。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,接收该层面的核磁共振信号进行解码,得到该层面各个体素核磁共振信号的大小,最后根据其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像素上,信号大小用不同的灰度等级表示,信号大的像素亮度大;信号小的像素亮度小。这样就可以得到一副反映层面各体素核磁共振信号大小的图像,即MRI图像。成像过程方框图见图2 。


用于确定MR信号源空间位置的基本方法是使用附加的线性梯度,即成像梯度。处在外磁场B0中的氢质子不论其空间位置如何,产生的核磁共振的频率都相同,如果在外磁场B0上沿某一方向再叠加一个线性梯度磁场,将导致总磁场(外磁场B0和梯度磁场矢量和)在沿梯度磁场方向上呈现一端高一端低,两端之间的磁场强度呈梯度分布。在磁场梯度方向上使共振频率产生可预见的变化。

磁场梯度常常是由核磁共振成像仪中产生外磁场B0的主磁体腔内的梯度线圈产生的。运用三个相垂直的磁场梯度,在不同的时间内,对核磁共振信号源进行空间三维定位。
下面将简单介绍核磁共振成像原理中的梯度场。


核磁共振成像原理介绍2:

在自然状态下的质子,虽然每个质子都有微小的磁矩存在,但是由于空间方向上的随机存在而总磁矩为零对外不呈现磁性。将质子至于外磁场中,质子的磁矩方向会倾向于与外磁场的方向一致或相反,并产生一个与外磁场方向相同的纵向磁化强度矢量M0,即被磁化。磁化后的质子处于稳定状态,根据设定的扫描参数,核磁共振仪发出一个频率与质子进动频率相同的射频激励脉冲,进动质子收到激励后,吸收射频激励脉冲的能量,纵向磁化强度矢量M0偏离纵向,即发生了核磁共振现象。
处在外磁场中的体内质子,在射频激励脉冲磁场作用下产生磁共振,但所有组织的质子以相同的频率共振,产生核磁共振信号来自于样品整体,具有相同的频率特征,没有任何空间信息,不能形成MRI的图像。而要形成MRI图像还需要第三种磁场,即梯度磁场,在MRI中起到空间定位的作用。
所谓的线性梯度磁场就是磁感应强度大小随位置以线性方式变化的磁场,简称梯度场。
图3给出了一个沿z轴方向的线性梯度场。这里沿z轴方向的线性梯度场含义是指:线性梯度磁场的磁场方向沿B0(或z轴)方向,磁场的大小随z的增加而线性增加。

为了得到任意层面的空间信息,MRI系统中在x、y和z轴均使用了线性梯度场,分别为Gx、Gy和Gz。在核磁共振成像仪中,线性梯度场是由梯度线圈产生的,置于x、y和z轴方向的三个梯度线圈分别产生Gx、Gy和Gz。
外磁场B0是均匀强磁场,其大小和方向是固定不变的。但梯度场的大小和方向均可以改变,因此梯度磁场和外磁场叠加后使得磁场发生梯度性的变化。如果外磁场B0沿水平方向,施加一个水平方向的线性梯度场,其叠加后情况见图4.

图4.梯度磁场与外磁场的叠加


核磁共振成像原理介绍3:

在核磁共振成像仪中,将样品置于稳恒均匀外磁场B0中,外磁场方向沿z轴方向,在外磁场B0基础上,再叠加一个同方向的线性梯度场Gz,该梯度场磁场强度的大小沿z轴方向由小到大均匀改变。图5中箭头的长短表示梯度场的强度,箭头的方向表示梯度场的方向。从图中可知垂直于z轴方向同一很薄的平面(或层面)上的磁场强度相同,不同位置的层面上(图中1、2、3层面)由于梯度场的强度不同,所以不同位置层面的磁场强度不同。由拉摩尔进动公式可知:ω0=γB0
如果射频脉冲的频率使2平面的氢质子发生磁共振,则1和3层面内的氢质子因不满足拉摩尔公式而不发生共振,若把射频脉冲的频率设计为满足其他层面的磁共振条件时,也可以使其他层面内的氢质子发生共振,
而其余的层面内氢质子不会发生共振。

 

图5.梯度场的层面选择


核磁共振成像仪中的层厚

THK是thickness的缩写,即层厚是指成像层面在成像空间第三维方向上的尺寸。对于核磁共振设备,层厚表示一定厚度的扫描层面。层面的选取在实际临床操作中都是有一定厚度的。既然层面具有一定的厚度,由于选片梯度场Gz的作用,每一层面内磁场强度的大小是不均匀的,是在一定范围内线性变化的。或者说每一位置的层面对应一定的磁场范围。那么是该层面发生磁共振的射频脉冲频率将不是单一的拉摩尔频率,而是具有一定的频率范围。

层面厚度关系到MRI层选方向的分辨率,层面薄的则分辨率高;层面厚的则分辨率低。但层面不能太薄,由于我们还要将成像层面分成大量体素,层面太薄时每个体素内质子数量减少,各体素产生信号小,信噪比小,达不到高分辨率的目的。

层厚是核磁共振成像图像质量的重要决定因素,层厚的增加使成像组织的提诉体积增加,体素内质子数量增加,信号强度增加,图像的表观改善。


 

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