蘇州紐邁分析儀器股份有限公司

核磁共振成像原理背景：

      核磁共振成像(MRI)也稱磁共振成像，是利用核磁共振原理外加梯度磁場(chǎng)檢測(cè)發(fā)射出的電磁波，據(jù)此可以繪制物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像，常見(jiàn)的可以發(fā)生核磁共振現(xiàn)象的原子有： 1H、11B、13C、17O、10F、31P。目前核磁共振成像原理在物理、化學(xué)、醫(yī)療、石油化工、食品農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。核磁共振成像(MRI)原理應(yīng)用用于人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)就產(chǎn)生出一種革命性的醫(yī)學(xué)診斷工具–核磁共振成像儀。將快速變化的梯度場(chǎng)應(yīng)用于核磁共振成像儀中，提升了MRI的速度，使該技術(shù)在科學(xué)研究中的廣泛應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。

核磁共振成像原理介紹1:

      核磁共振成像原理可簡(jiǎn)單歸納為：根據(jù)需要，將待測(cè)樣品分成若干個(gè)薄層，這些薄層稱為層面，這個(gè)過(guò)程成為選片。每個(gè)層面可分為由許多被稱為體素的小體積組成（如下圖1）。對(duì)每一個(gè)體素標(biāo)定一個(gè)記號(hào)，這個(gè)過(guò)程稱為編碼或空間定位。對(duì)某一層面施加射頻脈沖后，接收該層面的核磁共振信號(hào)進(jìn)行解碼，得到該層面各個(gè)體素核磁共振信號(hào)的大小，最后根據(jù)其與層面各體素編碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系，把體素信號(hào)的大小顯示在熒光屏對(duì)應(yīng)像素上，信號(hào)大小用不同的灰度等級(jí)表示，信號(hào)大的像素亮度大；信號(hào)小的像素亮度小。這樣就可以得到一副反映層面各體素核磁共振信號(hào)大小的圖像，即MRI圖像。成像過(guò)程方框圖見(jiàn)圖2 。

      用于確定MR信號(hào)源空間位置的基本方法是使用附加的線性梯度，即成像梯度。處在外磁場(chǎng)B0中的氫質(zhì)子不論其空間位置如何，產(chǎn)生的核磁共振的頻率都相同，如果在外磁場(chǎng)B0上沿某一方向再疊加一個(gè)線性梯度磁場(chǎng)，將導(dǎo)致總磁場(chǎng)（外磁場(chǎng)B0和梯度磁場(chǎng)矢量和）在沿梯度磁場(chǎng)方向上呈現(xiàn)一端高一端低，兩端之間的磁場(chǎng)強(qiáng)度呈梯度分布。在磁場(chǎng)梯度方向上使共振頻率產(chǎn)生可預(yù)見(jiàn)的變化。

      磁場(chǎng)梯度常常是由核磁共振成像儀中產(chǎn)生外磁場(chǎng)B0的主磁體腔內(nèi)的梯度線圈產(chǎn)生的。運(yùn)用三個(gè)相垂直的磁場(chǎng)梯度，在不同的時(shí)間內(nèi)，對(duì)核磁共振信號(hào)源進(jìn)行空間三維定位。

下面將簡(jiǎn)單介紹核磁共振成像原理中的梯度場(chǎng)。

核磁共振成像原理介紹2：

      在自然狀態(tài)下的質(zhì)子，雖然每個(gè)質(zhì)子都有微小的磁矩存在，但是由于空間方向上的隨機(jī)存在而總磁矩為零對(duì)外不呈現(xiàn)磁性。將質(zhì)子至于外磁場(chǎng)中，質(zhì)子的磁矩方向會(huì)傾向于與外磁場(chǎng)的方向一致或相反，并產(chǎn)生一個(gè)與外磁場(chǎng)方向相同的縱向磁化強(qiáng)度矢量M0,即被磁化。磁化后的質(zhì)子處于穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)設(shè)定的掃描參數(shù)，核磁共振儀發(fā)出一個(gè)頻率與質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率相同的射頻激勵(lì)脈沖，進(jìn)動(dòng)質(zhì)子收到激勵(lì)后，吸收射頻激勵(lì)脈沖的能量，縱向磁化強(qiáng)度矢量M0偏離縱向，即發(fā)生了核磁共振現(xiàn)象。

      處在外磁場(chǎng)中的體內(nèi)質(zhì)子，在射頻激勵(lì)脈沖磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生磁共振，但所有組織的質(zhì)子以相同的頻率共振，產(chǎn)生核磁共振信號(hào)來(lái)自于樣品整體，具有相同的頻率特征，沒(méi)有任何空間信息，不能形成MRI的圖像。而要形成MRI圖像還需要第三種磁場(chǎng)，即梯度磁場(chǎng)，在MRI中起到空間定位的作用。

所謂的線性梯度磁場(chǎng)就是磁感應(yīng)強(qiáng)度大小隨位置以線性方式變化的磁場(chǎng)，簡(jiǎn)稱梯度場(chǎng)。

圖3給出了一個(gè)沿z軸方向的線性梯度場(chǎng)。這里沿z軸方向的線性梯度場(chǎng)含義是指：線性梯度磁場(chǎng)的磁場(chǎng)方向沿B0（或z軸）方向，磁場(chǎng)的大小隨z的增加而線性增加。

      為了得到任意層面的空間信息，MRI系統(tǒng)中在x、y和z軸均使用了線性梯度場(chǎng)，分別為Gx、Gy和Gz。在核磁共振成像儀中，線性梯度場(chǎng)是由梯度線圈產(chǎn)生的，置于x、y和z軸方向的三個(gè)梯度線圈分別產(chǎn)生Gx、Gy和Gz。
       外磁場(chǎng)B0是均勻強(qiáng)磁場(chǎng)，其大小和方向是固定不變的。但梯度場(chǎng)的大小和方向均可以改變，因此梯度磁場(chǎng)和外磁場(chǎng)疊加后使得磁場(chǎng)發(fā)生梯度性的變化。如果外磁場(chǎng)B0沿水平方向，施加一個(gè)水平方向的線性梯度場(chǎng)，其疊加后情況見(jiàn)圖4.

圖4.梯度磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)的疊加

核磁共振成像原理介紹3：

      在核磁共振成像儀中，將樣品置于穩(wěn)恒均勻外磁場(chǎng)B0中，外磁場(chǎng)方向沿z軸方向，在外磁場(chǎng)B0基礎(chǔ)上，再疊加一個(gè)同方向的線性梯度場(chǎng)Gz，該梯度場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小沿z軸方向由小到大均勻改變。圖5中箭頭的長(zhǎng)短表示梯度場(chǎng)的強(qiáng)度，箭頭的方向表示梯度場(chǎng)的方向。從圖中可知垂直于z軸方向同一很薄的平面（或?qū)用妫┥系拇艌?chǎng)強(qiáng)度相同，不同位置的層面上（圖中1、2、3層面）由于梯度場(chǎng)的強(qiáng)度不同，所以不同位置層面的磁場(chǎng)強(qiáng)度不同。由拉摩爾進(jìn)動(dòng)公式可知：ω0=γB0

       如果射頻脈沖的頻率使2平面的氫質(zhì)子發(fā)生磁共振，則1和3層面內(nèi)的氫質(zhì)子因不滿足拉摩爾公式而不發(fā)生共振，若把射頻脈沖的頻率設(shè)計(jì)為滿足其他層面的磁共振條件時(shí)，也可以使其他層面內(nèi)的氫質(zhì)子發(fā)生共振，而其余的層面內(nèi)氫質(zhì)子不會(huì)發(fā)生共振。

圖5.梯度場(chǎng)的層面選擇

核磁共振成像儀中的層厚

       THK是thickness的縮寫，即層厚是指成像層面在成像空間第三維方向上的尺寸。對(duì)于核磁共振設(shè)備，層厚表示一定厚度的掃描層面。層面的選取在實(shí)際臨床操作中都是有一定厚度的。既然層面具有一定的厚度，由于選片梯度場(chǎng)Gz的作用，每一層面內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小是不均勻的，是在一定范圍內(nèi)線性變化的?；蛘哒f(shuō)每一位置的層面對(duì)應(yīng)一定的磁場(chǎng)范圍。那么是該層面發(fā)生磁共振的射頻脈沖頻率將不是單一的拉摩爾頻率，而是具有一定的頻率范圍。

      層面厚度關(guān)系到MRI層選方向的分辨率，層面薄的則分辨率高；層面厚的則分辨率低。但層面不能太薄，由于我們還要將成像層面分成大量體素，層面太薄時(shí)每個(gè)體素內(nèi)質(zhì)子數(shù)量減少，各體素產(chǎn)生信號(hào)小，信噪比小，達(dá)不到高分辨率的目的。

      層厚是核磁共振成像圖像質(zhì)量的重要決定因素，層厚的增加使成像組織的提訴體積增加，體素內(nèi)質(zhì)子數(shù)量增加，信號(hào)強(qiáng)度增加，圖像的表觀改善。

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