磁共振成像的工作原理

          磁共振成像(MRI)工作開始于1973年Lauterbur和Mansfield的開創(chuàng)性論文。我們 知道，氫核（質(zhì)子）的固有角動(dòng)量（自旋）在外磁場中以拉摩(Larmor)頻率繞磁場 方向（一般定義為Z方向）進(jìn)動(dòng)，使得樣品中原來無序排列、宏觀上沒有磁性的氫核在外磁場方向上形成了宏觀上刈以測量到的磁化強(qiáng)度。這些氫核因此以Larmor頻率圍 繞外磁場做進(jìn)動(dòng)。他們在論文中考慮剝被成像物體施加一個(gè)射頻磁場B．使得Larmor進(jìn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化。他們在論文中證明：可以分解這個(gè)信號的不同頻率成分，得到物體的空間信息。
          正是這種空問編碼數(shù)據(jù)的關(guān)鍵想法打開了通向MRI的大門。除了Lauterbur和Mansfield，其他一些人也意識到這個(gè)領(lǐng)域的重要性，Damadian提出了用這種技術(shù)檢測腫瘤的可能，陛也引起人們晌極大關(guān)注。 這一過程對大家的肩示是：雖然一個(gè)理論自身可能十分復(fù)雜，但是開創(chuàng)這種理論 的關(guān)鍵一步可能只是一些非常簡單的、靈機(jī)一動(dòng)的聯(lián)想。使用梯度磁場的概念就足一個(gè)這樣的例子，它抓住了今天廣泛使用的MR的本質(zhì)。就像Bloch和Purcell小組早期對NMR的開創(chuàng)性工作那樣，他們的成功之處在于抓住r質(zhì)子的核自旋與磁場之間的定 量關(guān)系，對質(zhì)子自旋與人體相互作用過程可以進(jìn)行可控制的定量測量。 
          NMR的概念建立在發(fā)現(xiàn)質(zhì)子固有白旋的基礎(chǔ)上?；赟tern和Cerlach在20世紀(jì)20年代的大量工作，Rabi及其合作者在20世紀(jì)30年代開始研究質(zhì)子自旋及其與磁場的 相互作用。有了這些基礎(chǔ)，加上量子力學(xué)的概念，Bloch和Purcell在1946年測量了質(zhì) 子自旋繞磁場進(jìn)動(dòng)的物理規(guī)律。兩位科學(xué)家不但分別成功獲得丁水和石蠟樣品氫核自旋的進(jìn)動(dòng)信號，而且完美解釋了實(shí)驗(yàn)及理論中的許多細(xì)節(jié)問題，這些結(jié)論我們今天仍在引用。由于他們的巨大貢獻(xiàn)，他們分事丁1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 為了更好地理解磁共振成像的原理和系統(tǒng)，我們首先必須理解核磁共振的物理原 理，即自旋核在靜磁場BD、射頻場B和梯度場G共同作用下采集人體數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)成像的物理過程。 
          原子具有三個(gè)基本粒子組成：帶正電的質(zhì)子、不帶電的中子和帶負(fù)電的電子，質(zhì)子和中子組成原子核，幾乎占有原子質(zhì)量的全部，電子位于原子核外以一定的規(guī)律運(yùn) 動(dòng)，電子在空間的幾率幾乎占據(jù)了原子的全部空間。具有相同質(zhì)子數(shù)的原子稱為同位 素，它們占據(jù)元素周期表中的同一個(gè)位置。 原子核具有三個(gè)基本參數(shù)：質(zhì)子數(shù)量、總的質(zhì)幢數(shù)和原子核的自旋數(shù)(I)。質(zhì)子 的數(shù)量就是原子核對應(yīng)的原子在元素周期表中的序數(shù)；質(zhì)量數(shù)是原子核中質(zhì)子和中子 質(zhì)量的總和；原子核的自旋以蟄子數(shù)表示。按照原子核自旋的情況，可以把所有已知 的原子核可分成三類：半整數(shù)和整數(shù)。如果原子核中質(zhì)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是偶數(shù)，稱為偶偶核，偶偶核的自旋數(shù)為零(I=0)，也就是沒有自旋。所以，偶偶核不和外磁場發(fā)生相互作用，因而不產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象，也不能通過核磁共振方法來研究這些 原子核。對于原子核的質(zhì)量數(shù)是奇數(shù)（只要其中的質(zhì)子或者中子有一個(gè)是奇數(shù)即可） 的原子核，它們的自旋角動(dòng)量是1／2的倍數(shù)，可以占有諸如I=U2、3/2、5/2，等半 整數(shù)值，這類核稱為自旋核。
          對于其他原子核其自旋和磁矩的情況比較復(fù)雜，有多極 形變的核白旋和多極形變的核磁矩。世界上已經(jīng)發(fā)表了很多核索表，可以從這些表中獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。表3-2列出丁人體內(nèi)主要的原子核自旋的有關(guān)參數(shù)，現(xiàn)在醫(yī)用磁共振成像的原子核主要是質(zhì)子，因?yàn)橘|(zhì)子在自然界中豐度大，在人體中也多，自旋數(shù)為1/2，數(shù)值比較大，因此其旋磁比T值也在所有核素中大，可以通逍內(nèi)源性MR成像研究人體內(nèi)含氧分子。

人體內(nèi)的自由水大約占人體重量的65% - 70%．自由水和 脂肪中的質(zhì)子可以用于磁共振成像。 自旋是原子核的基本特性之一，為了能夠理解自旋，我們可以想像質(zhì)子是一個(gè)表面分布著正電荷的圍繞其軸線高速旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，這種旋轉(zhuǎn)是圍繞著主磁場B0并與B0之間有一個(gè)固定角θ的章動(dòng)（圖3 -1）。

          本文以1H的核磁共振現(xiàn)象作為例子泔論核磁共振成像的全過程。 氫核在無外加磁場的情況下，微觀J：看，IH自旋自由取向的結(jié)果，微觀磁矩隨機(jī)取向，產(chǎn)生的磁場瓦相抵消，從宏觀上看到的核磁矩的總和為零，如圖3-2所示。

          W0=γB0其中叫W0稱為Larmor頻率，上述方程稱為Larmor方程。 盡管存在隨機(jī)的熱作用，在恒定的溫度下，磁化強(qiáng)度足穩(wěn)定的（不隨時(shí)間變化）。 但是，溫度升高時(shí)，熱平衡將被打破，導(dǎo)致磁化強(qiáng)度值變化。同樣，當(dāng)外加的磁場變 化時(shí)這種平衡也會(huì)打破，當(dāng)磁場升高時(shí)磁化強(qiáng)度也將升高，而且與磁場強(qiáng)度成正比， 因此人們總希望使用更高的磁場強(qiáng)度進(jìn)行核磁其振研究。在核磁共振中，人們可以通 過觀察宏觀可觀測的磁化強(qiáng)度的形成、變化和測蛙的過程，實(shí)現(xiàn)對核磁共振信號的檢測的。 我們希望能夠測量施加在成像空問、已經(jīng)被主磁場磁化的的樣品上的射頻(RF)作用后，樣品內(nèi)自旋核的行為，這就是樣品中處'F平衡狀態(tài)的自旋核的激發(fā)和退激發(fā) 過程，整個(gè)過程可以用 Bloch方程描述。被激發(fā)的白旋核和周圍組織內(nèi)微觀物質(zhì)相互作用退激的時(shí)問常數(shù)稱為縱向弛豫時(shí)間，可以用Tl表述；和未被激發(fā)的自旋核之間的帽 互作用稱為橫向弛豫用，其時(shí)間常數(shù)稱為縱向弛豫時(shí)間，用T2表述。 
          為理解弛豫過程的量子效應(yīng)，經(jīng)典的物理模捌已經(jīng)無法滿足要求了。當(dāng)施加B0場 時(shí)，所有的原子核都剛繞Z方向上做進(jìn)動(dòng)，其進(jìn)動(dòng)的角度為乩，進(jìn)動(dòng)頻率為Larmor頻 率。但是，它們一部分方向與Z相同，另一部分方向與Z方向相反。在常溫下，在大多數(shù)物質(zhì)中多數(shù)質(zhì)子進(jìn)動(dòng)是z的正方向I卜，結(jié)果產(chǎn)生順磁磁化強(qiáng)度矢越。在施加RF脈 沖后，在正、負(fù)方向上的自旋棚位相干性被建立起來這個(gè)過程把RF能量傳遞給自 旋的質(zhì)子，結(jié)果縱向磁化強(qiáng)度被移到反方向上。一旦在正負(fù)方向上的核子數(shù)量相同， 縱向磁化強(qiáng)度在外觀上就為零，甚至變成負(fù)的。如果在縱向磁化強(qiáng)度為零時(shí)RF'停止激發(fā)，這就是通常使用90º脈沖進(jìn)行激發(fā)的原因，經(jīng)過90º脈沖激發(fā)后，自旋就被激發(fā) 到Z軸垂直的XY平而上，由于電磁場的止交關(guān)系，他們的相互作用可以從此在XY平 面上進(jìn)行捕述。 在90º脈沖激發(fā)后，當(dāng)磁化強(qiáng)度在橫向平面上進(jìn)動(dòng)時(shí)，兩種類型的弛豫發(fā)生了?？v向弛豫引起的軸向磁化強(qiáng)度返舊到平衡位置，返同的速度可以用時(shí)間常數(shù)Tl束定量描述，因此Tl被稱為縱向弛豫時(shí)間。另外一類弛豫發(fā)生的被激發(fā)和白旋核和未被激發(fā)的自旋桉之間，它們的相互作用的規(guī)律和縱向不同，而稱為橫向或白旋弛豫，描述橫向 磁化強(qiáng)度滑著徑向減少到零的時(shí)間常數(shù)用T2來定量描述，被稱為橫向弛豫時(shí)間。
          大多 數(shù)物質(zhì)的T2小于T1。 在縱向弛豫過程中，在B0場的作用下，原子核漸漸地移動(dòng)到z的正方向作進(jìn)動(dòng)，從而重新建立平衡的分布，當(dāng)原子核返M到正方向上進(jìn)行時(shí)，它經(jīng)歷了一次能量的改 變。正像前面所說的，這個(gè)能量差是由Larmor頻率和B0場所表示的。田此，它以Lar-mor頻率輻射而產(chǎn)生電磁發(fā)射，并使得原子核更加快速度地同到平衡狀態(tài)。由于晶格 是負(fù)責(zé)這種能量釋放的激勵(lì)和吸收，這種到達(dá)平衡的過程也稱自旋一品格弛豫。品格 是指在物質(zhì)中的原子核所處位置的陣列。根照然，品格的位援對于氣體和液體來說不是固定的，品格可以通過原子核的自由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生兆振輻射。與在固體中的分子相比，在液體i巾的分子更容易旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)和與其他分子碰撞。
          因此，由于激勵(lì)而釋放能量的能力就發(fā)生變化，一般來說，Tl越短，其核磁共振輻射就越強(qiáng)。 在橫向弛豫中，相干的進(jìn)動(dòng)的原子核漸漸地出現(xiàn)相位分敞，以致在橫向平面上失 去表觀磁化強(qiáng)度。如果在原子尺寸上考慮到原子核之問的磁場的差異，對于在均勻性 物質(zhì)中晶格內(nèi)的變化是一致的。這種變化主要由于品格內(nèi)帶電粒子的熱運(yùn)動(dòng)引起的，尤其是其他的原子核，因此稱之為自旋一自旋弛豫。這些類型的擾動(dòng)是瞬時(shí)的和隨機(jī) 的，在局部磁場越強(qiáng)的地力，進(jìn)動(dòng)更快，反之更慢。因此，原子核失去了相干性，出 現(xiàn)相位發(fā)散。
          在液體中，這種局部的變化非常短暫，平均趨于零。而在固體中，這種局部的變化持續(xù)時(shí)間相當(dāng)艮。因此，一般來說，液體中T2比固體中的T2更長。在這 兩種狀態(tài)的材料中，這些場的變化是隨機(jī)的。結(jié)果是，原子核漸漸回到了相位自由分布的狀態(tài)，失去橫向磁他強(qiáng)度。 
          但是，在實(shí)際成像過程中，從RF線圈中得到的FID信號不是單一的T2包絡(luò)，即使在均勻性非常高的磁場中，磁場的非均勻性仍然不可忽略，而樣品的非均勻性是必 然存在的。尤其是人體的尺寸接近于磁體尺寸時(shí)這種情況更為嚴(yán)重，這種非均勻性通 常比品格對局部磁場的非均勻性影響更大。這使得FID的衰減更快，這比傳統(tǒng)的純水 模型中T2衰減更快，這種實(shí)際上測量的橫向弛豫稱為T2*。這時(shí)，F(xiàn)ID中的包絡(luò)是一種按照T2*。衰減的指數(shù)。盡管如此，這些信呼都是可以測量的。
          T1和T2*之間有如下 關(guān)系：

          這里的△T2包括B0，B1的非均勻性和梯度場的非線性和樣品中物質(zhì)的磁易感性差異引起的12變化。