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人體含有大量的水、脂肪等物質

這些物質含有豐富的氫元素

氫原子由單個質子和電子構成

磁共振成像就要從氫質子的自旋開始講起? ?

質子具有自旋磁矩

處于外部磁場中的質子

其磁矩會傾向于與磁場平行排列

平行同向排列為較低能量狀態(tài)

稱之為低能態(tài)

平行反向排列為高能態(tài)

兩個自旋態(tài)之間的能量差ΔE

可根據塞曼方程計算

兩個自旋態(tài)的數量可以參考玻爾茲曼分布估算

在接近絕對零度的超低溫狀態(tài)下

可以預測絕大多數自旋會處于低能態(tài)

因為熱運動會趨于平衡高低能態(tài)

隨著溫度升高

越來越多的自旋會處于高能態(tài)

當外部磁場強度為1.5T或3T

絕對溫度310K，即體溫37℃左右

平衡狀態(tài)下

低能態(tài)僅略微優(yōu)勢多于高能態(tài) ? ? ? ? ? ? ? ??

然而，這略微多出的合成磁矩

是后續(xù)一系列磁共振成像的原始信號來源

我們稱之為凈磁化強度

其估算公式如圖所示

同時，質子還會圍繞外部磁場旋轉

這種旋轉也叫進動，又稱拉莫爾進動

進動頻率的計算可以參考公式

外部磁場強度為1.5T時

質子的進動頻率約為64MHz

當然，實際的自旋進動不會這么整齊

絕大多數是隨機分散的

但其相互抵消后的凈磁化強度

Mo值的估計依然滿足此計算公式

考慮到與質子的單獨交互

涉及自旋波函數等詭異的量子知識

而這對于理解磁共振成像其實并不是很必要

我們將基于宏觀的凈磁化強度M進行講解

如果在與外部主磁場垂直的方向施加旋轉磁場

且旋轉頻率與進動頻率非常接近

質子就會發(fā)生磁共振

M會表現出圍繞主磁場螺旋進動?

進動的傾斜角度被稱為翻轉角

因為橫向旋轉磁場的頻率一般在兆赫

屬于射頻的頻率范圍，而且通常只開啟幾毫秒

所以也稱為射頻脈沖

通過調整射頻脈沖的幅度或持續(xù)時間

可以將Mo翻轉90°、180°、270°或其它任意角度

射頻脈沖關閉之后，為了方便理解

我們將凈磁化強度分解為縱向和橫向磁分量

分別進行講解

首先我們將視角切換到垂直方向俯視橫向磁分量

在與進動同頻率的旋轉坐標系下

各磁矩表現為相對靜止狀態(tài)

由于存在外部磁場輕微的不均勻，局部環(huán)境的干擾

以及自旋粒子間相互作用導致的局部場輕微隨機波動

質子之間的進動頻率會出現快慢差異

各質子的橫向磁矩逐漸失去同步

橫向磁分量以簡單指數形式衰減

此時如果施加一個180°射頻脈沖

質子們會圍繞脈沖方向翻轉180°

假設90°與180°脈沖的時間間隔是t

那么在2t時刻

由于外磁場不均勻而失去同步的磁矩將重新同步

這就是經典的自旋回波

之后各磁矩會再次失去同步

我們可以重復利用180°脈沖進行多次同步產生多次回波

不過，粒子間的相互作用等過程導致的信號衰減無法恢復

總體的橫向磁分量還是會持續(xù)減弱

上述過程被稱為橫向弛豫或T2弛豫

橫向磁分量衰減到其初始最大值的1/e（約37%）

所需的時間定義為T2弛豫時間

側重于T2弛豫差別的成像稱為T2加權像

另外，未消除磁場均勻性影響的衰減時間定義為T2*

通過梯度反轉產生的梯度回波，得到的就是T2*

接收線圈可以捕獲橫向磁分量的變化

感應出周期性振蕩的小電流從而采集磁共振信號

另一方面

縱向磁分量也會以簡單指數形式恢復至初始平衡狀態(tài)

此過程叫縱向弛豫或T1弛豫

縱向磁分量恢復到其最終值1-1/e（約63%）

所需的時間定義為T1弛豫時間

側重于T1弛豫差別的成像稱為T1加權像

縱向磁分量的直接檢測較為困難

可通過短時間內再次施加90度脈沖

將部分恢復的M翻轉到橫向平面進行檢測

最后，我們還需借助梯度場來定位信號的空間位置

射頻脈沖發(fā)射時，需要開啟縱向梯度場

使縱向各切片的進動頻率呈梯度差異

施加特定頻率的射頻脈沖

就可以讓特定的目標切片發(fā)生共振

射頻脈沖關閉后，縱向梯度場關閉

此時開啟橫向Y軸梯度場

質子進動頻率呈Y軸梯度差異

進動相位隨時間推移逐漸出現差異

此時關閉梯度場，質子進動頻率恢復一致

但進動的相位差異被保留了下來

此過程被稱為相位編碼

最后開啟橫向X軸梯度場

質子進動頻率呈X軸梯度差異

此過程被稱為頻率編碼

頻率編碼的同時可以進行信號采集

頻率分量可以通過單個回波信號的傅里葉變換分解得到

但相位分量不行

需要多次相位編碼多個回波信號才能求解得到

到此為止，磁共振成像的基本原理就講完了

但我們進一步觀察會發(fā)現

回波信號的前后采樣點恰好對應了逐漸升高的空間頻率

如果以正交方式采樣信號，簡單計算可得幅度和相位

其值可直接填充空間頻率域，即我們俗稱的k空間

此過程重復多次，如示例圖像是256次

每次施加不同的相位編碼，即可填滿K空間

上述過程就是經典的逐行笛卡爾采樣

K空間數據通過簡單的傅立葉逆變換

就可以得到我們熟悉的磁共振圖像

因為相位編碼歷時較長

逐行笛卡爾采樣容易受運動影響產生偽影

可以考慮使用非笛卡爾采樣，如徑向采樣

徑向采樣沒有固定的頻率和相位編碼方向

而且k空間中心存在過采樣

對運動偽影相對不敏感