關于磁共振成像基本原理課件第1頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日MRI設備第2頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日第3頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日第4頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日第5頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日第6頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日一、MRI發展歷史磁共振成像概述

一種生物磁自旋成像技術，利用原子核（氫核）自旋運動的特點，在外加磁場內，經射頻脈沖激后產生信號，用探測器（接收線圈）檢測并輸入計算機，經過處理轉換在屏幕上顯示圖像。英文簡稱MRI(magneticresonanceimaging)第7頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日MRI發展歷史1930年代，物理學家伊西多?拉比發現在磁場中的原子核會沿磁場方向呈正向或反向有序平行排列，而施加無線電波之后，原子核的自旋方向發生翻轉。1946年兩位美國科學家布洛赫和珀塞爾發現，將具有奇數個核子（包括質子和中子）的原子核置于磁場中，再施加以特定頻率的射頻場，就會發生原子核吸收射頻場能量的現象，這就是人們最初對磁共振現象的認識。1946年，美國哈佛大學的珀塞爾和斯坦福大學的布洛赫宣布，他們發現了磁共振NMR。兩人因此獲得了1952年諾貝爾獎。第8頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日MRI發展歷史1973年Lauterbur研究出MRI所需要的空間定位方法，也就是利用梯度場。他的研究結果是獲得水的模型的圖像。在以后的10年中，人們進行了大量的研究工作來制造磁共振掃描機，并產生出人體各部位的高質量圖像，先后通過MR掃描，獲得手、胸、頭和腹部的圖像。1980年商品化MRI裝置問世。第9頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日主磁體主磁體是MRI儀最基本的構件，是產生磁場的裝置，主要作用是產生穩定均勻的靜磁場使組織產生磁化。根據磁場產生的方式可將主磁體分為永磁型和電磁型，根據導線材料不同又可將電磁型主磁體分為常導磁體和超導磁體。 （一）常導型磁體 （二）永磁型磁體 （三）超導型磁體二、MRI主要硬件第10頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日梯度系統梯度系統是指與梯度磁場相關的電路單元和相關系統，由梯度線圈、梯度控制器、數模轉換器（DAC）、梯度放大器（梯度電源）和梯度冷卻系統等部分組成。梯度系統主要作用包括：（1）對MRI信號進行空間編碼，以確定成像層面的位置和厚度；（2）產生MR回波（梯度回波）；（3）施加擴散加權梯度場；（4）進行流動補償；（5）進行流動液體的流速相位編碼。第11頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日射頻系統組成：主要由射頻脈沖發射單元和射頻脈沖接收單元兩部分組成，其中包括射頻發射器、射頻功率放大器、射頻發射線圈、射頻接收線圈、以及低噪聲射頻信號放大器等關鍵部件。作用：負責實施射頻（RadioFrequency，RF）激勵并接收和處理射頻信號，即MR信號。第12頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日計算機系統

計算機系統控制著MRI儀的脈沖激發、信號采集以及實現圖像處理、顯示、傳輸、存儲等功能。第13頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日屏蔽系統干擾磁屏蔽

磁屏蔽不僅可防止外部鐵磁性物質對磁體內部磁場均勻性的影響，還能大大削減磁體外部雜散磁場的空間分布范圍。有源屏蔽：外線圈通以反向電流無源屏蔽：鐵磁性屏蔽體第14頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日其他輔助系統檢查床液氦及水冷卻系統空調系統膠片處理系統第15頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日三、磁共振現象的基本原理磁共振成像的物質基礎進入主磁場前后質子核磁狀態對比磁共振現象第16頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日磁共振現象的物質基礎原子結構：

原子由原子核和繞核運動的電子組成，原子核由質子和中子組成。電子帶負電荷，質子帶正電荷，中子不帶電。質子和中子如果不成對，將使質子在旋轉中產生角動量，磁共振就是要利用這個角動量的物理特性來實現激發、信號采集和成像的。

第17頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日磁共振現象的物質基礎自旋：質子以一定的頻率繞軸高速旋轉。高速旋轉帶正電荷的質子電流環路核磁并非所有原子核的自旋運動都能產生核磁根據原子核內中子和質子的數目不同，不同的原子核產生不同的核磁效應。非磁性原子核：質子數和中子數均為偶數磁性原子核：中子數和質子數至少一個為奇數第18頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日磁共振現象的物質基礎用于人體磁共振成像的原子核為質（H1），選擇（H1）的理由有：（H1）是人體中最多的原子核，約占人體中總原子核數的2/3以上；（H1）的磁化率在人體磁性原子核中是最高的。第19頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日進入主磁場前后質子核磁狀態對比一、進入主磁場前質子核磁狀態

人體的質子不計其數，產生無數個小磁場，盡管每個質子均能產生一個小磁場，這種小磁場的排列是隨機無序（即雜亂無章）的，使每個質子產生的磁化矢量相互抵消。因此，人體自然狀態下并無磁性，即沒有宏觀磁化矢量的產生。第20頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日進入主磁場前后質子核磁狀態對比二、進入主磁場后質子核磁狀態進入主磁場后，人體內的質子產生的小磁場不再是雜亂無章，呈有規律排列。一種是與主磁場方向平行且方向相同，另一種是與主磁場平行但方向相反，處于平行同向的質子略多于處于平行反向的質子。從量子物理學的角度來說，這兩種核磁狀態代表質子的能量差別。平行同向的質子處于低能級，因此受主磁場的束縛，其磁化矢量的方向與主磁場的方向一致；平行反向的質子處于高能級，因此能夠對抗主磁場的作用，其磁化矢量盡管與主磁場平行但方向相反。由于處于低能級的質子略多于處于高能級的質子，因此進入主磁場后，人體內產生了一個與主磁場方向一致的宏觀縱向磁化矢量。第21頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日進入主磁場前后質子核磁狀態對比圖a為進入主磁場前，盡管每個質子自旋都產生一個小磁場，但排列雜亂無章，磁化矢量相互抵消，因此沒有宏觀磁化矢量產生。圖b示進入主磁場后，質子自旋產生的小磁場與主磁場平行排列，平行同向者略多于平行反向者，最后產生一個與主磁場方向一致的宏觀縱向磁化矢量。

第22頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日進入主磁場前后質子核磁狀態對比三、進動和進動頻率進入主磁場后，無論是處于高能級還是處于低能級的質子，其磁化矢量并非完全與主磁場方向平行，而總是與主磁場有一定的角度。質子除了自旋運動外，還繞著主磁場軸進行旋轉擺動，我們把質子的這種旋轉擺動稱為進動。進動是磁性原子核自旋產生的小磁場與主磁場相互作用的結果。第23頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日進入主磁場前后質子核磁狀態對比進動頻率也稱Larmor頻率，其計算公式為：

ω＝γ·B

式中ω為Larmor頻率，γ為磁旋比（γ對于某一種磁性原子核來說是個常數，質子的γ約為42.5mHz/T），B為主磁場的場強，單位為特斯拉（T）。從式中可以看出，質子的進動頻率與主磁場場強成正比。進動頻率明顯低于自旋頻率，但對于磁共振成像的來說，進動頻率比自旋頻率重要。質子的進動頻率與主磁場場強成正比。第24頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日進入主磁場前后質子核磁狀態對比

由于進動的存在，質子自旋產生小磁場可以分解成兩個部分：（1）方向恒定的縱向磁化分矢量（沿主磁場方向）；（2）以主磁場方向即Z軸為軸心，在X、Y平面旋轉的橫向磁化分矢量。縱向磁化分矢量產生一個與主磁場同向的宏觀縱向磁化矢量。橫向磁化分矢量相互抵消，因而沒有宏觀橫向磁化矢量產生。第25頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日進入主磁場前后質子核磁狀態對比第26頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日磁共振現象磁共振現象：給處于主磁場中的人體組織一個射頻脈沖，射頻脈沖的頻率與質子的進動頻率相同，射頻脈沖的能量將傳遞給處于低能級的質子，處于低能級的質子獲得能量后將躍遷到高能級。從微觀角度來說，磁共振現象是低能級的質子獲得能量躍遷到高能級。從宏觀的角度來說，磁共振現象的結果是使宏觀縱向磁化矢量發生偏轉。偏轉的角度與射頻脈沖的能量有關，能量越大偏轉角度越大；而射頻脈沖能量的大小與脈沖強度及持續時間有關共振：能量從一個振動著的物體傳遞到另一個物體，后者以與前者相同的頻率振動。共振的條件是相同的頻率，實質是能量的傳遞。第27頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日磁共振現象90°射頻脈沖

當射頻脈沖的能量正好使宏觀縱向磁化矢量偏轉90°，即完全偏轉到X、Y平面，我們稱這種脈沖為90°脈沖，其產生的橫向宏觀磁化矢量在各種角度的射頻脈沖中是最大的。第28頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日磁共振現象從微觀上講，90°脈沖的效應可以分解成兩個部分來理解：（1）90°脈沖使處于低能級多出處于高能級的那部分質子，有一半獲得能量進入高能級狀態，這就使處于低能級和高能級的質子數目完全相同，兩個方向的縱向磁化分矢量相互抵消，因此宏觀縱向磁化矢量等于零。（2）90°脈沖前，質子的橫向磁化分矢量相位不同，90°脈沖可使質子的橫向磁化分矢量處于同一相位，因而產生了一個最大旋轉宏觀橫向磁化矢量。第29頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日磁共振現象第30頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日四、磁共振成像原理核磁馳豫磁共振加權成像第31頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日核磁馳豫

核磁弛豫：

90°脈沖關閉后，組織的宏觀磁化矢量逐漸恢復到平衡狀態的過程。 核磁弛豫又可分解成兩個相對獨立的部分：（1）橫向磁化矢量逐漸減小直至消失，稱為橫向弛豫；（2）縱向磁化矢量逐漸恢復直至最大（平衡狀態），稱為縱向弛豫。第32頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日核磁馳豫90°脈沖關閉后，處于同相位的質子發生了相位的離散（失相位），其橫向磁化分矢量逐漸相互抵消，因此宏觀橫向磁化矢量衰減直至到零。致使質子失相位的原因有兩個：（1）質子周圍磁環境隨機波動（2）主磁場的不均勻第33頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日核磁馳豫第34頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日核磁馳豫90°脈沖關閉后，宏觀橫向磁化矢量將呈指數式衰減，我們把宏觀橫向磁化矢量的這種衰減稱為自由感應衰減（freeinductiondecay，FID），也稱T2*弛豫。第35頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日核磁馳豫T2值：橫向磁化矢量衰減到最大值的37%所用的時間；不同組織由于質子受周圍微觀磁環境影響不同，T2值不同，即T2弛豫速度不一樣；不同的場強下，T2值也會發生變化。第36頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日核磁馳豫

縱向弛豫

射頻脈沖關閉后，在主磁場的作用下，宏觀縱向磁化矢量將逐漸恢復到平衡狀態，這一過程稱為縱向弛豫，即T1弛豫。T1值：宏觀縱向磁化矢量恢復到最大值的63%所用的時間。不同的組織由于質子周圍的分子自由運動頻率不同，其縱向弛豫速度存在差別，即T1值不同。人體組織的T1值受主磁場場強的影響較大，一般隨場強的增高，組織的T1值延長。第37頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日磁共振加權成像加權突出重點一般的成像過程中，組織的各方面特性（例如：質子密度、T1值、T2值）均對MR信號有貢獻，幾乎不可能得到僅純粹反映組織一個特性的MR圖像，我們可以利用成像參數的調整，使圖像主要反映組織某方面特性，而盡量抑制組織其他特性對MR信號的影響，這就是“加權”。第38頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日磁共振加權成像T1加權成像（T1WI）：重點突出組織縱向弛豫差別；T2加權成像（T2WI）：重點突出組織橫向弛豫差別；質子密度圖像（PD）：主要反映組織質子含量差別。

第39頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日質子密度加權成像的實現

以甲、乙兩種組織為例，甲組織質子含量高于乙質子：（1）進入主磁場后，甲組織產生的宏觀縱向磁化矢量大于乙組織；（2）90°脈沖后甲組織產生的旋轉宏觀橫向磁化矢量就大于乙組織；（3）馬上檢測MR信號，甲組織產生的MR信號將高于乙組織。

質子密度越高，MR信號強度越大，這就是質子密度加權成像。第40頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日T2加權成像的實現假設甲、乙兩種組織質子密度相同，但甲組織的橫向弛豫比乙組織慢（即甲組織的T2值長于乙組織）：（1）進入主磁場后由于質子密度一樣，甲乙兩種組織產生的宏觀縱向磁化矢量大小相同（圖a）；（2）90°脈沖后產生的宏觀橫向磁化矢量的大小也相同（圖b）：（3）由于甲組織橫向弛豫比乙組織慢，到一定時刻，甲組織衰減掉的宏觀橫向磁化矢量少于乙組織，其殘留的宏觀橫向磁化矢量將大于乙組織（圖c）；（4）這時檢測MR信號，甲組織的MR信號強度將高于乙組織（圖d），這樣就實現了T2WI。在T2WI上，組織的T2值越大，其MR信號強度越大。第41頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日T1加權成像的實現假設甲、乙兩種組織質子密度相同，但甲組織的縱向弛豫比乙組織快（即甲組織的T1值短于乙組織）：（1）進入主磁場后由于質子密度一樣，甲乙兩種組織產生的縱向磁化矢量大小相同；（2）90°脈沖后產生的宏觀橫向磁化矢量的大小也相同；（3）射頻脈沖關閉后，甲乙兩種組織將發生縱向弛豫，由于甲組織的縱向弛豫比乙組織快，過一定時間以后，甲組織已經恢復的宏觀縱向磁化矢量將大于乙組織；（4）由于接收線圈不能檢測到這種縱向磁化矢量的差別，必須使用第二個90°脈沖。第二個90°脈沖后，甲、乙兩組織的宏觀縱向磁化矢量將發生偏轉，產生宏觀橫向磁化矢量，因為這時甲組織的縱向磁化矢量大于乙組織，其產生的橫向磁化矢量將大于乙組織，馬上檢測MR信號，甲組織產生的MR信號將高于乙組織，這樣就實現了T1WI。在T1WI上，組織的T1值越小，其MR信號強度越大。

第42頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日學無止境。---荀子第43頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日踝關節外側韌帶損傷MRI檢查踝關節扭傷常由于踝跖屈位時內翻或外翻所致，內翻損傷占踝關節扭傷的85%。踝內翻時外側關節囊和距腓前韌帶最先受到損傷，隨后是跟腓韌帶撕裂，因此外側韌帶的損傷在踝關節軟組織損傷中最為常見。踝關節外側韌帶：距腓前韌帶（最薄弱韌帶）斷裂的診斷敏感性達93-100%，特異性高達96-100%。第44頁，共57頁，星期日，2025年，2月5日踝關節外側韌帶損傷臨床分類Ⅰ度損傷：單純距腓前韌帶損傷Ⅱ度損傷：距腓前韌帶及跟腓韌帶損傷Ⅲ度損傷：同時出現距腓前、后韌