磁共振成像物理基础

一、磁共振成像物理基础

共振是广泛存在于日常生活中的一种物理学现象，例如—个人手上拿着一个中号音叉，在邻近的实验台上竖放着大号、中号、小号三个音叉，如果用一个锤子轻轻敲击手中的音叉，就会发现实验台上的中号音叉振动并发声，而大号和小号的音叉没有反应，这就是典型的共振现象。物理学上，共振被定义为能量从一个振动着的物体传递到另一个物体，而后者以与前者相同的频率振动。当人体具有磁性的原子核处在外界静磁场中，用一个适当频率的射频电波激励这些原子核时，发生共振，获得能量，当射频电波停止激励时，共振原子核以电磁波的形式释放获得的能量。人体磁共振现象产生有3个条件:具有磁性的原子核、外界静磁场及适当频率的电磁波。

(一)磁性原子核

原子是由原子核及位于其周围轨道中的电子构成，电子带有负电荷。原子核由中子和质子构成，中子不带电荷，质子带有正电荷。任何原子核都有一个特性，总以一定的频率绕着自己的轴进行高速旋转，原子核的这一特性称为自旋(spin)。

由于原子核带有正电荷，原子核的自旋就形成电流环路，从而产生具有一定大小和方向的磁化矢量，这种由带有正电荷的原子核自旋产生的磁场称为核磁。并非所有原子核的自旋运动均能产生核磁，根据原子核内中子和质子的数目不同，不同的原子核产生不同的核磁效应。如果原子核内的质子数和中子数均为偶数，则这种原子核的自旋不产生核磁，称为非磁性原子核。反之，自旋运动能够产生核磁的原子核称为磁性原子核，磁性原子核具有以下特征:①中子和质子均为奇数;②中子为奇数，质子为偶数;③中子为偶数，质子为奇数。

人体内有许多种磁性原子核，如氢，但用于人体磁共振成像的原子核为质子氢(H)。选择氢的理由主要是:氢是人体中最多的原子核，约占人体中总原子核数的2/3以上，同时氢原子核是自然界最简单的核，只有一个质子，所以氢原子核也称为质子。质子在自旋的同时，绕某一轴作进动(precession)，这种运动方式与陀螺相似。由于人体MR图像一般采用氢作为成像对象，因此除非特殊说明，所指的MR图像即为氢的共振图像。当然也可以采用其他磁性原子核进行MRI成像，但由于人体中其他原子核含量小，得到清晰的图像非常困难。

(二)主磁场

主磁场是指外界磁场，在MRI成像上是指MRI设备的磁场，用特斯拉(T)来表示磁场的大小。人体的质子含量非常大，每毫升水中的质子数含量约为3×10²²个。每个质子自旋能产生1个小磁场，人体内如此多的质子自旋将产生无数个小磁场。由于这些小磁场的排列随机无序，杂乱无章，每个质子产生的磁化矢量相互抵消，因此人体自然状态下并无磁性，即没有宏观磁化矢量的产生。

当人体进入主磁场后，人体内的质子产生的小磁场不再是杂乱无章，而是呈有规律排列。质子产生的小磁场有两种排列方式，一种是与主磁场方向平行且方向相同，另一种是与主磁场平行但方向相反，处于平行同向的质子略多于处于平行反向的质子。从量子物理学的角度来说，这两种按核磁状态代表质子的能量差别。平行同向的质子处低能级，因此受主磁场的束缚，其磁化矢量的方向与主磁场的方向—致，平行反向的质子处于高能级，能够对抗主磁场的作用，其磁化矢量尽管与主磁场平行但方向相反。由于处于低能级的质子略多于高能级的质子，因此进入主磁场后，人体内产生了一个与主磁场方向一致的宏观纵向磁化矢量。

(三)进动和进动频率

人体进入主磁场后，无论是处于高能级还是处于低能级的质子，其磁化矢量并非完全与主磁场方向平行，而总是与主磁场有一定的角度。陀螺在自旋力与地球引力的相互作用下，不仅存在旋转运动，而且还绕着地球引力旋转摆动，这种旋转摆动的频率远低于旋转运动。处于主磁场的质子也是一样，除了自旋运动外，还绕着主磁场轴进行旋转摆动，质子的这种旋转摆动称为进动(precession)。进动是磁性原子核自旋产生的小磁场与主磁场相互作用的结果，进动频率明显于自旋频率，但对于磁共振成像来说，进动频率比自旋频率重要得多。进动频率也称Larmor频率，其计算公式为:w=r×B₀，式中w为Iarlmor频率，r为磁旋比(r对于某一种磁性原子核来说是个常数，质子的r约为42．5 mHz/T)，B为主磁场的场强，单位为特斯拉(T)。从式中可以看出，质子的进动频率与主磁场场强成正比。由于进动的存在，质子处旋产生小磁场又可以分解成两个部分，一部分为方向恒定的纵向磁化分矢量，处于高能级者与主磁场方向相反，处于低能级者与主磁场的方向相同;另一部分为以主磁场方向(B₀)即Z轴为轴心，在X、Y平面旋转的横向磁化分矢量。就纵向磁化分矢量来说，由于处于低能级的质子略多于处于高能级者，最后会产生一个与主磁场同向的宏观纵向磁化矢量。就横向磁化分矢量来说，沿z轴方向看XY平面上的横向磁化分矢量的分布，由于每个旋转的横向磁化分矢量所处的相位不同，磁化矢量相互抵消，因而没有宏观横向磁化矢量产生。

因此，人体进入主磁场后被磁化，没有宏观横向磁化矢量产生，仅产生了宏观的纵向磁化矢量，某一组织(或体素)产生的宏观矢量的大小与其含有的质子数有关，质子含量越高则产生宏观纵向磁化矢量越大。

(四)激励与磁共振

如果给处于主磁场中的人体组织一个射频脉冲，这个射频脉冲的频率与质子的进动频率相同，射频脉冲的能量将传递给处于低能级的质子，处于低能级的质子获得能量后将跃迁到高能级，这种现象称为磁共振现象。从微观角度来说，磁共振现象是低能级的质子获得能量跃迁到高能级。从宏观的角度来说，磁共振现象的结果是使宏观纵向磁化矢量发生偏转，偏转的角度与射频脉冲的能量有关，能量越大偏转角度越大。射频脉冲能量的大小与脉冲强度及持续时间有关，当宏观磁化矢量的偏转角度确定时，射频脉冲的强度越大，需要持续的时间越短。当射频脉冲的能量正好使宏观纵向磁化矢量偏转90°，即完全偏转到X、Y平面，这种脉冲为90°脉冲。如果射频脉冲使宏观磁化矢量偏转的角度小于90°，这种脉冲称为小角度脉冲。如果射频脉冲的能量足够大，使宏观磁化矢量偏转180°，即产生一个与主磁场方向相反的宏观纵向磁化矢量，这种射频脉冲称为180°脉冲。

接收线圈仅能接收旋转的宏观横向磁化矢量，因此在MR成像中必须有宏观横向磁化矢量的产生。在各种角度的射频脉冲中，90°射频脉冲产生的横向宏观磁化矢量最大，90°脉冲是MRI序列中最常用的射频脉冲之一。从微观上讲，90°脉冲的效应可以分解成两个部分:①90°脉冲使处于低能级多出处于高能级的那部分质子，有一半获得能量进入高能级状态，这就使处于低能级和高能级的质子数目完全相同，两个方向的纵向磁化分矢量相互抵消，因此宏观纵向磁化矢量等于零;②90°脉冲前，质子的横向磁化分矢量相位不同，90°脉冲可使质子的横向磁化分矢量处于同一相位，因而产生了一个最大旋转宏观横向磁化矢量。

90°脉冲激发后所产生的宏观横向磁化矢量的大小与脉冲激发前(即平衡状态下)的宏观纵向磁化矢量的大小有关。宏观纵向磁化矢量越大，90°脉冲激发后产生的宏观横向磁化矢量越大，MR信号就越强;宏观纵向磁化矢量越小，90°脉冲激发后产生的旋转宏观横向磁化矢量越小，MR信号就越弱。平衡状态下宏观纵向磁化矢量的大小与组织中的质子含量(即质子密度)有关，由于90°脉冲能够使宏观纵向磁化矢量偏转到X、Y平面，产生旋转的宏观横向磁化矢量，这样MRI就能区分质子密度不同的人体组织。但是仅区分不同组织的质子含量差别，对于临床诊断来说是远远不够的，所以一般不是在90°脉冲后马上采集MR信号，而是在90°脉冲关闭后等待一定时间再进行信号采集。

(五)核磁弛豫

当90°脉冲关闭后，组织的宏观磁化矢量逐渐又回到平衡状态，这个过程称为核磁弛豫。核磁弛豫又可分解成两个相对独立的部分:①横向磁化矢量逐渐减小直至消失，称为横向弛豫;①纵向磁化矢量逐渐恢复直至最大值(平衡状态)，称为纵向弛豫。

1．自由感应衰减和横向弛豫　90°脉冲关闭后，横向磁化矢量将逐渐减小，最后将衰减到零。90°脉冲产生宏观磁化矢量的原因是使质子小磁场的横向磁化分矢量聚相位。90°脉冲关闭后，宏观横向磁化矢量衰减的原因与之相反，即处于同相位的质子发生了相位的离散(失相位)，其横向磁化分矢量逐渐相互抵消，因此宏观横向磁化矢量衰减直至到零。致使质子失相位的原因有两方面:①质子周围磁环境随机波动。每个质子都暴露在周围无数个其他原子核和电子的磁环境中，而周围这些带电粒子一直处于热运动状态，这样质子感受到的磁场就会有轻微波动，且这种波动是随机的。由于质子周围磁环境的随机轻微波动，各个质子所感受到的磁场就会有差别，也就造成了质子之间的进动频率出现差别，其结果引起质子逐渐的失相位，宏观横向磁化矢量逐渐衰减。②主磁场的不均匀。理论上要求主磁场的绝对均匀，但实际上不可能做到。主磁场总是一定程度的不均匀，这种不均匀性一般认为是较为恒定的，也就是说某处一直轻微偏高，而另一处则一直轻微偏低，主磁场的这种不均匀同样会造成质子失相位，引起宏观磁化矢量的衰减。由于受上述两个方面磁场不均匀的影响，实际上90°脉冲关闭后，宏观横向磁化矢量将呈指数式衰减，我们把宏观横向磁化矢量的这种衰减称为自由感应衰减(free induction decay，FID)，也称弛豫。剔除了主磁场不均匀的影响，质子周围其他磁性原子核的随机运动引起的宏观横向磁化矢量的衰减才是真正的横向弛豫，即T₂弛豫，称自旋－自旋弛豫(spin－spin弛豫)，用了T₂值来描述组织横向弛豫的快慢。90°脉冲后，某组织宏观横向磁化矢量达到最大值，以90°脉冲关闭后的零时刻为起点，以T₂弛豫造成的横向磁化矢量衰减到最大值的37％为终点，起点与终点之间的时间间隔即为该组织的T₂值。不同的组织由于质子周围微观磁环境不同，T₂弛豫速度存在差别，即T₂值存在差别。同时需要指出的是，即便是同一组织，在不同的主磁场场强下，T₂值也会发生改变，一般场强越高，组织的T₂值越短。

2．纵向弛豫　如前所述，射频脉冲给予低能级质子能量，后者获能跃迁到高能级，因射频脉冲的能量大小不同，宏观纵向磁化矢量发生不同的变化。如30°的小角度激发，宏观纵向磁化矢量缩小;90°脉冲激发，宏观纵向磁化矢量消失，180°脉冲激发，则宏观纵向磁化矢量方向反转，与主磁场方向相反，但大小不变。无论是多少角度的激发，射频脉冲关闭后，在主磁场的作用下，宏观纵向磁化矢量将逐渐恢复到平衡状态，这一过程称为纵向弛豫，即T₁弛豫。

以90°脉冲为例，90°脉冲使宏观纵向磁化矢量消失，射频脉冲关闭后，纵向磁化矢量将从零开始逐渐恢复，直至与主磁场同向的最大值(即平衡状态)。用T₁值来描述组织的纵向弛豫速度。90°脉冲关闭后某组织的宏观纵向磁化矢量为零，以此为起点，以宏观纵向磁化矢量恢复到最大值的63％为终点，起点和终点的时间间隔即该组织的T₁值。射频脉冲的作用是使低能级的质子获能跃迁到高能级，即发生核磁共振现象，纵向弛豫为其反过程，即获能后处于高能级的质子释放出能量回到低能级。高能级的质子释放能量的速度与其周围分子的自由运动频率有关，周围分子的自由运动频率与质子的进动频率越接近，能量释放得越快，组织的纵向弛豫就越快。周围分子的自由运动频率明显高于或低于质子的进动频率，则这种能量释放很慢，组织的纵向弛豫所需时间就很长。磁共振物理学中，常把质子周围的分子称为晶格，因此纵向弛豫也称自旋－晶格弛豫。不同的组织由于质子周围的分子自由运动频率不同，其纵向弛豫速度存在差别，即T₁值不同。人体组织的T₁值受主磁场场强的影响较大，一般随场强的增高，组织的T₁值延长。

(六)磁共振加权成像

不同的组织存在质子含量(质子密度)、T₁值及T₂值的差别，这是MRI能够显示正常解剖结构及病变的基础。

1．“加权”的含义　所谓加权即“突出重点”的意思，也即重点突出某方面特性。之所以要加权是因为在一般的成像过程中，组织的各方面特性(例如质子密度、T₁值、T₂值)均对MR信号有贡献，几乎不可能得到仅纯粹反映组织一个特性的MR图像，但可以利用成像参数的调整，使图像主要反映组织某方面特性，而尽量抑制组织其他特性对MR信号的影响，这就是“加权”。T₁加权成像(T₁ weighted imaging，T₁WI)是指这种成像方法重点突出组织纵向弛豫差别，而尽量减少组织其他特性，如横向弛豫等对图像的影响。T₂加权成像(T₂ weighted imaging，T₂WI)重点突出组织的横向弛豫差别;质子密度(proton dendty，PD)图像则主要反映组织的质子含量差别。

2．质子密度加权成像　质子密度图主要反映不同组织间质子含量的差别。质子密度图很容易实现，以甲、乙两种组织为例，甲组织质子含量高于乙组织，进入主磁场后，质子含量高的甲组织产生的宏观纵向磁化矢量大于乙组织，90°脉冲后甲组织产生的旋转宏观横向磁化矢量就大于乙组织。这时马上检测MR信号，甲组织产生的MR信号将高于乙组织，即质子密度越高，MR信号强度越大，这就是质子密度加权成像。

3．T₂加权成像　T₂WI主要反映组织横向弛豫的差别。以甲、乙两种组织为例，假设这两种组织质子密度相同，但甲组织的横向弛豫比乙组织慢(即甲组织的T₂值长于乙组织)，进入主磁场后由于质子密度一样，甲、乙两种组织产生的宏观纵向磁化矢量大小相同，90°脉冲后产生的宏观横向磁化矢量的大小也相同，不马上检测MR信号:甲、乙两种组织的质子将发生横向弛豫，由于甲组织横向弛豫比乙组织慢，到一定时刻，甲组织衰减掉的宏观横向磁化矢量少于乙组织，其残留的宏观横向磁化矢量将大于乙组织。这时检测MR信号，甲组织的MR信号强度将高于乙组织，这样就实现了T₂WI。在T₂WI上，组织的T₂值越大，其MR信号强度越大。

4．T_l加权成像　T_lWI主要反映组织纵向弛豫的差别。还是以甲、乙两种组织为例，假设这两种组织质于密度相同，但甲组织的纵向弛豫比乙组织快(即甲组织的T_l值短于乙组织)。进入主磁场后由于质子密度一样，甲、乙两种组织产生的纵向磁化矢量大小相同，90°脉冲后产生的宏观横向磁化矢量的大小也相同。射频脉冲关闭后，甲、乙两种组织将发生纵向弛豫，由于甲组织的纵向弛豫比乙组织快，过一定时间，甲组织已经恢复的宏观纵向磁化矢量将大于乙组织。由于接收线圈不能检测到这种纵向磁化矢量的差别，必须使用第二个90°脉冲。第二个90°脉冲后，甲、乙两组织的宏观纵向磁化矢量将发生偏转，产生宏观横向磁化矢量，因为这时甲组织的纵向磁化矢量大于乙组织，其产生的横向磁化矢量也将大于乙组织。这时马上检测MR信号，甲组织产生的MR信号将高于乙组织，这样就实现了T₁WI。在T₁WI上，组织的T₁值越小，其MR信号强度越高。