磁共振成像原理解析.docx

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磁共振成像原理解析

第2节核磁共振原理

一、原子与原子核

   自然界中的任何物质都是由分子或原子组成的，分子是由原子组成的，如水分子Ｈ－Ｏ－Ｈ，是由2个氢原子与1个氧原子组成。

原子由原子核与核外电子组成，核外电子数不同的原子具有不同的化学与物理性质，分属于不同的化学元素，化学元素周期表反映了核外电子的排布规律。

原子核由质子和中子组成，质子有电荷，质子数等于核外电子数。

对于一种化学元素，原子核中的质子数是一定的，但中子数有不同。

同一化学元素中子数不同的原子属于不同的核素，不同的核素其物理性质是不同的。

比如氢元素有3种核素：

１Ｈ、２Ｈ、３Ｈ，它们的原子核的组成分别是１质子、１质子和１中子、１质子和２中子，它们的共同点是原子核内都有一个质子核外有一个电子，因此都属于氢元素。

对于某一种化学元素，不同核素在自然界，的含量是有很大差别的。

比如１Ｈ与２Ｈ分别为99.895％与0.015％，3Ｈ是一种不稳定的核素，只有在特定的条件下才能生成，并且很快便会衰变。

原子核除了它的构成不同，其中质子带有电荷以外，还有一部分核具有磁性，核磁共振就是研究这部分具有磁性的原子核。

图5-1核磁可看作小磁棒

哪些原子核具有磁性呢？

氢原子核中只有一个质子，质子有沿自身轴旋转（自旋）的固有本性，质子距原子核中心有一定距离。

因此质子自旋就相当于正电荷在环形线圈中流动，在其周围会形成一个小磁场，此即核磁，如图5-1所示。

    不仅质子自旋可产生磁场，中子的自旋也可产生磁场，后者似乎难以理解，推测这种现象是中子内有几个正、负电荷相互补偿，因此中子自旋也相当于电荷在线圈中流动。

如原子核含有的质子和中子数均为偶数，则其自旋所产生的磁场相互抵消，为非磁性。

原子核含有奇数（不成对）的质子或中子，其自旋可产生磁场，也就是说凡是质子数或中子数，或者二者都为奇数的原子核都有磁性，如图5-2所示。

    生物组织中含有１H、１３C、１９F、23Nａ、311P等元素，有磁性的元素约百余种。

但在现今ＭＲ中研究和使用得最多的为１Ｈ，这有两个原因，一是１Ｈ为磁化最高的原子核，二是因为它占活体组织原子数量的２/３，形成ＭＲＩ的１Ｈ原子大部分位于生物组织的水和脂肪中。

因１Ｈ只有一个质子，故１Ｈ的ＭＲＩ影像也称为质子像，ＭＲＩ文献中未特别注明者，均指的是生物组织的１Ｈ像。

图5-2质子数或中子数为奇数的原子核带有磁性

二、拉莫尔进动

   含有奇数质子或中子的原子核（以１Ｈ为代表）自旋在其周围产生磁场，如同一个小磁体有南北极。

磁场用磁矩（Ｍ）来表示，磁矩有其大小、方位和方向，如图5-3所示。

图5-3磁矩有大小,方向和方位

   无外加磁场时，质子群中的各个质子任意方向自旋，其磁矩相互抵消，因而单位体积内生物组织的宏观磁矩Ｍ＝０，如图5-4所示。

   如将生物组织置于一个大的外加磁场中（又称主磁场，用矢量Ｂ０表示），则质子磁矩方向发生变化，结果是较多的质子磁矩指向与主磁场B０相同的方向，而较少的质子磁矩与B０方向相反，而与B０方向相反的质子具有较高的位能。

常温 

图5-4自由质子的磁矩

下，顺主磁场排列的质子数目较逆主磁场排列的质子稍多，因此，出现与主磁场B０方向一致的净宏观磁矩（或称为宏观磁化矢量）Ｍ，如图5-5所示。

   此时，氢原子核在绕着自身轴旋转的同时，又沿主磁场方向Ｂ０作圆周运动,将质子磁矩的这种运动称之为进动，如图5-6所示。

图5-5净磁矩与主磁场同相

   在主磁场中，宏观磁矩象单个质子磁矩那样作旋进运动，磁矩进动的频率符合拉莫尔（Larmor）方程：

ｆ＝ｒＢ0/２π

式中：

f----进动的频率

     B0----主磁场强度

 r----旋磁比（对于每一种原子核是恒定的常数）

   换句话说，在主磁场Ｂ0s一定的情况下，其原子核的旋进频率是一定的，氢原子核在 

图5-6质子磁矩的进动

不同磁场中的共振频率是不同的，如主磁场为1.0Ｔ时，氢原子核的旋进频率为42.6ＭＨｚ。

沿主磁场旋进着的质子就好像在重力作用下旋进着的陀螺，如图5-7所示。

三、施加射频脉冲后（氢）质子状态 

图5-7旋进的质子与旋进的陀螺的比较

   当生物组织被置于一个大的静磁场中后，其生物组织内的氢质子顺主磁场方向的处于低能态

而逆主磁场方向者为高能态。

在低能态与高能态之间根据静磁场场强大小与当时的温度，势必要达到动态平衡，称为“热平衡”状态。

这种热平衡状态中的氢质子，被施以频率与质子群的旋进频率一致的射频脉冲时，将破坏原来的热平衡状态，从微观上讲，将诱发两种能态间的质子产生能态跃迁，被激励的质子从低能态跃迁到高能态，出现核磁共振。

从宏观上讲，

受到射频脉冲激励的质子群偏离原来的平衡状态而发生变化，其变化程达的位置度取决于所施加射频脉冲的强度和时间。

施加的射频脉冲越强，持续时间越长，在射频脉冲停止时，Ｍ离开其平衡状态Ｂ０越远。

在ＭＲＩ技术中使用较多的是90°、180°射频脉冲。

施加90°脉冲时，宏观磁化矢量Ｍ以螺旋运动的形式离开其原来的平衡状态，脉冲停止时，Ｍ垂直于主磁场Ｂ０,如图5-8所示。

图5-8射频脉冲作用质子磁矩后的进动路径及到达的位置 

图5-990°脉冲后横向磁化矢量达到最大

   如用以Ｂ０为Ｚ轴方向的直角座标系表示Ｍ，则宏观磁化矢量Ｍ平行于ＸＹ平面，而纵向磁化矢量Ｍｚ＝０，横向磁化矢量Mxy最大，如图5-9所示。

   这时质子群几乎以同样的相位旋进。

施加180°脉冲后，Ｍ与Ｂ０平行，但方向相反，横向磁化矢量Ｍｘｙ为零，如图5-10所示。

图5-10180°脉冲后的横向磁化分量为0

   总之，施加90°、180°或其他角度的射频脉冲后，人体组织内受检部位的氢质子因接受了额外能量，其磁化矢量偏离了静磁场方向而转动90°、180°或其他角度，部分处于低能级的氢质子因吸收能量而跃迁到高能态，这一接收射频场电磁能的过程就称为磁共振的激励过程。

在激励过程中氢质子吸收了额外的电磁能，由低能态升入高能态，从而进入了磁共振的预备状态。

   四、射频脉冲停止后（氢）质子状态

   脉冲停止后，宏观磁化矢量又自发地回复到平衡状态，这个过程称之为“核磁弛豫”。

当90°脉冲停止后，Ｍ仍围绕Ｂ０轴旋转，Ｍ末端螺旋上升逐渐靠向Ｂ０，如图5-11所示。

   图5-1190°脉冲停止后宏观磁化矢量的变化 

图5-1190度脉冲停止后宏观磁化矢量的变化

   在脉冲结束的一瞬间，Ｍ在ＸＹ平面上分量Ｍｘｙ达最大值，在Ｚ轴上分量Ｍｚ为零。

当恢复到平衡时，纵向分量Ｍｚ重新出现，而横向分量Ｍｘｙ消失。

由于在弛豫过程中磁化矢量Ｍ强度并不恒定，纵、横向部分必须分开讨论。

弛豫过程用2个时间值描述，即纵向弛豫时间（Ｔ１）和横向弛豫时间（Ｔ２）。

   １．纵向弛豫时间（Ｔ１）

   90°脉冲停止后，纵向磁化矢量要逐渐恢复到平衡状态，测量时间距射频脉冲终止的时间越长，所测得磁化矢量信号幅度就越大。

弛豫过程表现为一种指数曲线，Ｔ１值规定为Ｍｚ达到最终平衡状态６３％的时间，如图5-12示。

图5-12纵向弛豫时间T1

   Ｔ１进一步的物理意义的理解，只有从微观的角度分析。

由于质子从射频波吸收能量，处于高能态的质子数目增加，Ｔ１弛豫是质子群通过释放已吸收的能量，以恢复原来高低能态平衡的过程，Ｔ１弛豫也称为自旋－晶格弛豫。

    ２．横向弛豫时间（Ｔ２）

    90°脉冲的一个作用是激励质子群使之在同一方位，同步旋进（相位一致），这时横向磁化矢 

图5-1390度脉冲停止后宏观磁化矢量的变化

量Ｍｘｙ值最大，但射频脉冲停止后，质子同步旋进很快变为异步，旋转方位也由同而异，相位由聚合一致变为丧失聚合而各异，磁化矢量相互抵消，Ｍｘｙ很快由大变小,最后趋向于零，称之为去相位。

横向磁化矢量衰减也表现为一种指数曲线，Ｔ２值规定为横向磁化矢量衰减到其原来值３７％所用的时间，如图5-13所示。

   横向磁化矢量由大变小直至消失的原因是：

组织中水分子的热运动持续产生磁场的小波动,周围磁环境的任何波动可造成质子共振频率的改变，使质子振动稍快或稍慢，使质子群由相位一致变为互异，即质子热运动的作用使质子间的旋进方位和频率互异，但无能量交换纵向弛豫。

这种弛豫也称为自旋-自旋弛豫。

第3节核磁共振成像原理

一、磁共振信号 

   在弛豫过程中通过测定横向磁化矢量Ｍｘｙ可得知生物组织的磁共振信号。

横向磁化矢量Ｍｘｙ垂直并围绕主磁场Ｂ０以Larmor频率旋进，按法拉第定律，磁矢量Ｍｘｙ的变化使环绕在人体周围的接收线圈产生感应电动势，这个可以放大的感应电流即ＭＲ信号。

90°脉冲后，由于受Ｔ１、Ｔ２的影响，磁共振信号以指数曲线形式衰减，称为自由感应衰减（freeinductiondecay，ＦＩＤ），如图5-14。

图5-14自由感应衰减信号

   磁共振信号的测量只能在垂直于主磁场的ＸＹ平面进行。

由于脉冲发射和接收生物组织原子核的共振信号不在同一时间，而射频脉冲和生物组织发生的共振信号的频率又是一致的，因此,可用一个线圈兼作发射和接收。

   由于Ｍｘｙ指向或背向接收线圈，ＭＲ信号或正或负，横向磁化矢量转动，在接收线圈中出现周期性电流振荡，这些振荡为正弦波并逐渐阻尼（阻尼指信号幅度随时间减弱），幅度的变化可用信号演变来表示。

由于质子和质子的相互作用（spin-spin），自由感应衰减的时间为Ｔ２，质子和质子间的相互作用以及磁场不均匀性的影响，自由感应衰减的时间为Ｔ′2，Ｔ′２显著短于Ｔ２。

   在一个磁环境中，所有质子并非确切地有同样的共振频率。

在一个窄频率带，自由感应衰减信号代表叠加到一起的正弦振荡，用数学方法（傅里叶变换）可把这一振幅随时间而变化的函数变成振幅按频率分布而变化的函数，后者即ＭＲ波谱，见图5-15。

图5-15傅立叶变换

   振幅随时间而降低的正弦信号经傅里叶变换后用窄细的钟形波为代表。

由于振幅演变的起始值取决于横向磁矩，而该磁矩又取决于特定组织体素（voxel）中受激励原子核的数目，因此波峰高度（信号强度）代表质子密度Ｎ（Ｈ），如质子群为纯水且主磁场又很均匀，则质子群共振频率只有１个，钟形波为一直线。

如由于质子群的自旋－自旋作用及磁场不均匀性的影响，在频率域座标上就不是一直线，而表现为一钟形波，其宽度与Ｔ′２成反比，即钟形波越宽，Ｔ′２越短，而钟形波最宽处为其共振频率。

   二、梯度磁场

   前面我们所讨论的是处在均匀恒定磁场Ｂ０中的样品，在射频脉冲的作用下产生核磁共振，此时接收到的信号来自整个样品，并没有把它们按空间分布区分开来，无法用来成像。

为了实现核磁共振成像，必须把收集到的信号进行空间定位。

定位方法常用的主要有3种：

投影重建法、二维傅里叶变换法（２ＤＦＴ）和三维傅里叶变换法（３ＤＦＴ）。

以下主要介绍２ＤＦＴ法。

   ＭＲＩ扫描用的主磁体均匀度越高，影像质量则越好。

如前述，根据拉莫尔方程，在均匀的强磁场中，生物体内质子群旋进频率由场强决定且是一致的，如在主磁场中再附加一个线性梯度磁场，由于被检物体各部位质子群的旋进频率可因磁感应强度的不同而有所区别，这样就可对被检体某一部位行ＭＲ成像。

因此，ＭＲＩ空间定位靠的是梯度磁场，ＭＲＩ的梯度磁场有3种：

选层梯度场Ｇｚ、频率编码梯度场Ｇｘ、相位编码梯度场Ｇｙ。

这些梯度场的产生是通过3对（X、Y、Z）梯度线圈通以电流产生的，可通过人为地分别控制它的通断实现成像所需要的梯度场。

   １．选层梯度场Ｇｚ

   以横轴位（Ｚ）断层为例，于主磁场Ｂ０再附加一个梯度磁场Ｇｚ，磁感应强度为Ｂｚ，则总的磁感应强度为Ｂ０＋Ｂｚ，即沿Ｚ轴方向自左到右磁感应强度不同，根据拉莫尔定律，被检者质子群在纵轴平面上（垂直于Ｚ轴）被分割成一个个横向断面，

图5-16选层原理

   且质子群有相同的旋进频率，如以这个频率的90°脉冲激励，就可在人体纵轴上选出横轴层面，如图5-16。

   ２．频率编码梯度场Ｇｘ

   以横轴位断层为例，在启动Ｇｚ选出被激励的横轴层面后，在采集信号的同时启动Ｇｘ梯度磁场，由于人体Ｘ轴的各质子群相对位置不同，其对应的磁场Ｇｘ也不同，磁感应强度较大处的体素共振频率比磁感应强度较弱处的体素要高一些，从而达到了按部位在Ｘ轴上进行频率编码的目的。

这时被激励平面发出的为一混合信号，用数学方法（傅里叶变换）区分出这一混合信号在频率编码梯度上不同的频率位置，则可在Ｘ轴上分出不同频率质子群的位置，如图5-17所示。

   ３．相位编码梯度场Ｇｙ

   在施加90°脉冲Ｇｚ梯度磁场后，人体相应的ＸＹ平面上质子群发生共振。

如果在采集信号以前启动Ｇｙ梯度，到采集信号时停止。

由于Ｇｙ梯度的作用，磁感应强度较大处的体素与磁感应强度较小处的体素相比，前者磁化矢量转动得快，后者转动得慢，从而使磁化矢量失去相位的一致性，其相位的改变取决于体素在垂直方向上的位置。

当Ｇｙ停止时，所有体素又以相同的速率转动， 

图5-17频率编码原理

   但Ｇｙ诱发的相位偏移依然存在，所以每一横排发出的信号之间相位不一致，如图5-18所示。

图5-18相位编码原理

   通过以上Ｇｘ和Ｇｙ两路梯度的编码，一幅二维ＭＲＩ影像由不同的频率和相位组合成的每个体素在矩阵中有其独特的位置，计算每个体素的灰度值就可形成一幅影像。

如图5-19所示。

   ４．断层厚度与梯度磁感应强度的关系

   ＭＲＩ用的射频脉冲其频率并非越宽。

因此ＭＲＩ完全一致，它有一个频率范围称作射频带宽。

射频脉冲越短，其带常用的短激励脉冲可选择断层面的厚度，断层面的厚度与带宽成正比。

而增加梯度场的磁感应强度可减薄断层的厚度，如图5-20所示。

但ＭＲＩ的层厚是有一定限制的，一般为３～20ｍｍ。

图5-19MR影象的产生

   三、脉冲序列与参数

   ＭＲＩ是用磁共振信号来成像的，如果获取的信号大、噪音小，那么影像质量也好。

为了得到高质量的影像，在ＭＲＩ系统中常通过使用不同的脉冲序列，来获得满足临床诊断要求的影像。

目前临床上常用3个扫描序列：

自旋回波序列（ＳＥ）、反转回复序列（ＩＲ）、梯度回波脉冲序列（ＧＲＥ）。

各个扫描序列的影像信号强度均与氢质子密度成正比，由于自旋回波序列克服了静磁场不均匀性带来的弊端，能显示典型的Ｔ２加权像，而Ｔ２信息是病理学最早 

图5-20梯度场强度与射频带宽决定层厚

最敏感的指标，所以ＳＥ序列在ＭＲ扫描中占了主宰地位，以下详细介绍ＳＥ序列的扫描过程。

   １．自旋回波序列（ＳＥ）

   为现今ＭＲ扫描最基本、最常用的脉冲序列，其序列图见图5-21。

先发射1个90°射频脉冲，90°脉冲停止后，开始出现磁共振信号，间隔Ｔi时间后，再发射1个180°脉冲至测量回波的时间称作回波时间，用ＴＥ表示（ＴＥ＝2Ti），180°脉冲至下一个90°脉冲之间的时间为Ｔ′，重复这一过程，2个90°脉冲之间的时间称为重复时间，用ＴＲ表示。

   第1个90°射频脉冲使纵向磁化矢量Ｍ转到ＸＹ平面，由于磁场的不均匀性，构成Ｍｘｙ值的质子群经受着或强或弱的磁波动，某些质子以较高频率旋进，90°脉冲后同步旋进的质子群很快变为异步，相位由一致变为分散，即失相位，Ｍｘｙ即横向磁化矢量强度由大变小，最终到零。

加入180°脉冲后，使得相位离散的质子群绕Ｘ轴旋转180°，此时旋进快、慢不同的质子又以其原速度反向聚拢，使离散的相位趋于一致，Ｍｘｙ由零又逐渐恢复到接近90°脉冲后的强度，ＴＥ达到最大值，如图5-22所示。

   180°脉冲前后Ｍｘｙ的变化可用队  

图5-21自旋回波时间序列

列操练的例子来说明。

当班长对排得很整齐的一横列士兵发出跑步命令后，每个士兵各以自己不同的速度向前跑，班长喊立定时，各士兵所处位置不同，如班长再喊“向后转”（相当于180°脉冲），“跑步走”时，各个士兵又以自己原来的速度奔向起跑线，当班长以与第1次同样间隔的时间第2次喊立定时，士兵们肯定都处于原来的起跑线位置，只是方向相反。

图5-22180度相位重聚脉冲对自旋的作用

   自旋回波脉冲序列中的影像亮度、回波幅度不仅与受检组织的特殊参数即Ｔ１、Ｔ２和质子密度有关，而且与操作者选择的参数ＴＲ、ＴＥ有关。

ＭＲＩ较ＣＴ可获得更多的信息。

人体不同组织不论它们是正常的还是异常的，有它们的各自的Ｔ１、Ｔ２以及质子密度值，这是ＭＲＩ区分正常与异常以及诊断疾病的基础。

为了评判被检组织的各种参数，在操作中可通过调节重复时间ＴＲ、回波时间ＴＥ以突出某个组织特征的影像，这种影像被称作加权像（weightedimage,ＷＩ）。

把分别反映组织T1、T2和质子密度Ｎ（Ｈ）特性的影像，相应称作T１加权像、T２加权像和N（H）加权像。

（1）质子密度N（H）加权像 如选用比受检组织T1显著长的TR（1500～2500ms），那么磁化的质子群在下1个周期的90°脉冲到来时已全部得到恢复，这时回波信号幅度与组织Ｔ１无关，而与组织的质子密度和Ｔ２有关。

再选用比受检组织Ｔ２明显短的ＴＥ（15～20ｍｓ），则回波信号幅度与质子密度（即受检组织氢原子数量）有关，这种影像被称为质子密度加权像。

由于多数生物组织质子数量相差不大。

信号强度主要由Ｔ２决定，有些文献中也将质子密度加权像称作轻度Ｔ２加权像。

   （２）Ｔ２加权像（Ｔ２ＷＩ）如选择比受检组织T1显著长的ＴＲ（1500～2500ｍｓ），又选用与生物组织Ｔ２相似的时间为ＴＥ（90～120ms），则两个不同组织的Ｔ２信号强度差别明显，ＴＥ越长，这种差别越明显。

   （３）Ｔ１加权像（Ｔ１ＷＩ） 因各种生物组织的纵向弛豫时间约500ｍｓ左右，如把重复时间ＴＲ定为500ｍｓ，则在下1个周期90°脉冲到来时，长Ｔ1的组织能量丢失少，纵向磁化矢量（Ｍｚ）恢复的幅度低，吸收的能量就少，其磁共振信号的幅度低，

图5-23组织T1的与回波幅度的关系

   回波的幅度也低。

相反短Ｔ１组织能量大部分丢失，Ｍｚ接近完全恢复，幅度高。

下1个90°脉冲时将吸收大部分能量，磁共振信号高，回波幅度也高，信号强，如图5-23所示。

   在Ｔ２ＷＩ的讨论中我们知道，ＴＥ越长，Ｔ２对信号的影响越大。

如Ｔ２对回波信号的影响可以忽略，对信号的影响主要是质子密度和Ｔ１，此时因选用的是短ＴＲ（500ｍｓ左右），回波信号反映的主要是组织不同的Ｔ１信号强度的差别，即Ｔ１加权像。

图5-24反转恢复序列时序图

   ２．反转恢复脉冲序列（ＩＲ）

   该脉冲序列有利于测量Ｔ１，并几乎从扫描中删除了Ｔ２的作用，它可显示精细的解剖结构，如脑的灰白质。

扫描时，先给一180°脉冲，随后以与组织Ｔ１相似的间隔（500ｍｓ）再给一90°脉冲，见图5-24。

   180°脉冲使磁化矢量Ｍ由正Ｚ轴转到负Ｚ轴，因磁化矢量完全为纵向，无横向成分，不发出信号。

在180°脉冲激励后，磁矢量以组织Ｔ１弛豫速度沿正Ｚ轴增长，500ｍｓ时磁矢量在Ｚ轴增长的数量直接与组织Ｔ１有关，但不能直接测量。

为测量横向成分，需施加90°脉冲，该脉冲使磁矢量倒向ＸＹ平面，随后出现ＦＩＤ的强度与180°脉冲后组织的Ｔ１弛豫时间有关。

   ＦＩＤ信号虽可直接测量，但因90°脉冲的强能量爆发后难于测量再发出的信号，可在90°脉冲后迅速（如间隔10ｍｓ）再施加1个180°脉冲，如同标准的自旋回波序列那样出现ＦＩＤ的早期回波（20ｍｓ时）。

在扫描中以这种回波方式间接测量ＦＩＤ，有一定程度轻度T2作用的介入。

使用两个不同ＴＲ值的ＩＲ序列可测量Ｔ１值。

   ３．梯度回波脉冲序列（ＧＲＥ）

   成像速度慢，检查时间长是ＭＲＩ最主要的缺点，梯度回波脉冲序列既保持了影像较好的信噪比，又显著地缩短了检查时间。

在梯度回波脉冲序列中，采用小于90°的射频脉冲激励，在横向部分有相当大的磁化矢量，而纵向磁化矢量Ｍｚ的变动相对较小。

如30°脉冲可使50％的磁矢量倾倒到横向平面，而保留87％的纵向磁矢量，见图5-25。

图5-2530度射频脉冲时的磁化矢量及纵向磁化矢量

   信号幅度分为纵、横向两部分，仅数十毫秒，Ｍｚ即可恢复到平衡状态。

因此，与传统的自旋回波序列相比，重复时间ＴＲ可明显缩短。

自旋回波序列90°脉冲后磁矢量Ｍ在ＸＹ平面最强，随后由于磁场不均匀及质子间的相互作用，相位很快分散，ＭＲ信号消失，施加180°脉冲后分散的相位再回归（相位一致），出现ＭＲ信号（回波）。

而梯度回波脉冲序列中，施加梯度磁场后造成质子群自旋频率的互异，很快丧失相位的一致，ＭＲ信号消失。

如再施加一个强度一样、时间相同、方向相反的梯度磁场，可使分散的相位重聚，原已消失的ＭＲ信号又复出现，在回波达到最高值时记录其信号。

这种用一个方向相反的梯度磁场代替180°脉冲产生回波的小角度激励成像方法，称梯度的回波序列。

第4节MRI设备的主要物理部件和使用

磁体、梯度场线圈和射频线圈是ＭＲ成像设备的重要物理部件。

它们的主要技术性能参数是磁感应强度、磁场均匀度、磁场稳定性、边缘场的空间范围、梯度场的磁感应强度和线性度、射频线圈的灵敏度等。

成像系统的主要用户功能是数据采集、影像显示和影像分析等。

   磁共振成像设备有以下基本组成部分：

①产生磁场的磁体和磁体电源；②梯度场线圈和梯度场电源；③射频发射/接收机；④系统控制和数据处理计算机；⑤成像操作和影像分析工作台；⑥活动检查床。

   这些部分之间通过控制线和数据线及接口电路联接起来组成完整的设备。

这里着重讨论对磁共振成像和影像质量有决定性作用的物理部件，介绍它们的工作原理、特性和技术指标。

这些物理部件包括产生磁场的磁体、产生梯度场的梯度场线圈、用于射频发射和信号接收的射频线圈。

另外，ＭＲ成像设备必须有为用户提供的软件程序。

用户通过操作系统的终端利用这些程序，根据需要进行影像采集、影像显示和影像分析。

   一、磁体

   1.磁体的性能参数

   产生磁场的磁体是ＭＲ成像系统的核心。

磁场的主要技术指标是磁感应强度、磁场均匀度、磁场的时间稳定性和边缘场的空间范围等，它们对影像质量有重要影响。

（1）磁场磁感应强度 ＭＲＩ所用的磁场磁感应强度从0.02T到4T，范围相当宽。

因为生物组织中含有大量质子，而且，质子的旋磁比大，所以，即使磁感应强度很低的磁场也能实现质子磁共振成像。

但是，磁感应强度越高，组织的磁化程度越大，产生的磁共振信号越强。

在一定范围内，磁感应强度越高，影像的信噪比越大，因信噪比近似与磁感应强度成线性关系。

磁共振频谱分析和化学位移成像要求的频谱分辨率很高，只能用磁感应强度很高的系统进行。

高磁场也有不利因素，主要是在高磁场条件下，射频频率高，人体对射频能量的吸收增加，射频对人体的穿透能力减小，同时因水和脂肪之间不同的化学位移引起的伪影的影响也不可忽略。

   磁共振成像用的磁体有永久磁体、常导磁体和超导磁体3种。

目前，大多数ＭＲ成像系统采用超导磁体，磁感应强度低的工作在0.3T，高的工作在2.0T，甚至4.0T或更高。

   （２）磁场的均匀度 磁共振成像需要均匀度很高的磁场。

非均匀磁场引起一个体素内质子共振频率范围加宽。

在成像区域范围内的磁场均匀度是决定影像的空间分辨率和信噪比的基本因素。

磁场均匀度还决定系统最小可用的梯度场强度。

   磁场均匀度的定义是：

成像范围内两点之间磁感应强度的最大偏差