导图社区 MRI物理学成像原理
MRI物理学成像原理阐述了磁共振信号的产生，磁共振的加权图像，空间走位，k空间的基本知识等。框架清晰，内容全面。适合知识点整理的小伙伴。
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MRI物理学成像原理
MRI成像的物理基础
原子的结构
原子核
中子、质子
电子
负电荷
自旋
磁性原子核总以一定的频率绕着自己的轴进行高速旋转
原子核表面带有正电荷，磁性原子核自旋形成电流环路，从而产生有一定大小和方向的磁化矢量
核磁
由带有正电荷的磁性原子核自旋产生的磁场
原子核
非磁性原子核
原子核内的质子数和中子数均为偶数，则这种原子核不能自旋而产生磁场
磁性原子核
能够自旋而产生磁场（中子数和质子数至少有一项是奇数）
用于人体磁共振成像的原子核
如¹H
人体组织MRI信号的主要来源
不含脂肪的组织
自由水（结合水和蛋白质不能直接产生信号，但可以影响自由水的驰豫及通过磁化传递效应间接影响组织信号强度）
部分组织
脂肪中的氢质子（脂质子）
进入主磁场前后人体内氢质子核磁状态的变化
进入主磁场前人体内质子的核磁状态
组织中每个质子自旋都产生一个小磁场，但排列杂乱无章，磁化矢量相互抵消，因此没有宏观磁化矢量的产生。
进入主磁场后人体内质子的核磁状态
质子自旋产生的小磁场与主磁场平行排列，平行同向者略多于平行反向者，相互抵消后组织中最后产生一个与主磁场方向一致的宏观磁化矢量（宏观纵向磁化矢量）
进动和进动频率
进动
在主磁场中的氢质子除了自旋运动外，自旋产生的小核磁还以主磁场为轴进行旋转摆动。
进动频率（Larmor频率）
ω=γ·B（ω为进动频率，γ为磁场比，B为主磁场的场强，单位为特斯拉）
磁共振现象
共振现象
能量从一个振动着的物体传递到另一个物体，而后者以前者相同的频率振动。
共振的条件:相同的频率，实质是能量的传递
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，我们把这种现象称为磁共振现象
90度射频脉冲的微观和宏观效应
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的旋转宏观横向磁化矢量。
K空间的基本知识
基本概念
是一个数学概念，也称为傅里叶频率空间或傅里叶空间，它是一个以空间频率为单位的空间坐标所对应的频率空间。
基本特点
①K空间中的点阵与图像的点阵不是一一对应的，K空间中每一点包含有扫描层面的全层信息。 ②K空间在kx和ky方向上都呈现镜像对称的特性 ③填充空间中央区域的MR信号主要决定图像的对比，填充K空间周边区域的MR信号主要决定图像的解剖细节
K空间数据采集与图像的空间分辨辨力
如果在频率编码梯度场施加过程中，每个磁共振回波信号的采样点越多，在k空间频率编码方向点的点数越多，图像频率编码方向的像素数目越多，像素就越小，空间分辨率越高
K空间填充轨迹和填充顺序
常见填充方式：循序对称填充，即从K空间相位编码方向的一侧开始，逐渐K向空间中心填充，然后再从K空间中心逐渐向K空间相位编码方向的另一侧填充 还可采用平面回波成像序列的迂回轨迹、用于螺旋成像的螺旋状轨迹以及用于螺旋桨成像技术的放射状填充轨迹。
填充顺序：K空间中央优先采集技术
磁共振信号的空间定位
梯度磁场与空间定位
梯度磁场
从北极到赤道磁场强度逐渐降低，即存在着磁场的梯度
空间定位
层面和层厚的选择、频率编码、相位编码
层面的选择和厚度的决定
在检查部位与层面选择梯度线圈的相对位置保持不变的情况下，层面和层厚受梯度场强度和射频脉冲影响的规律如下：①梯度场不变，射频脉冲的频率增加，则层面的位置向梯度场高的一侧移动；②梯度场不变，射频脉冲的带宽加宽，层厚增厚；③射频脉冲的带宽不变，梯度场的场强增加，层厚变薄。
频率编码
利用频率梯度场造成相关方向上各MI旋进频率的不同，并以此来标记体素空间位置的编码方法。
相位编码
在y方向上施加一个梯度，对信号进行编码，以确定信号来自二维空间的那一行
三维采集的空间编码
三维采集技术的层面方向，空间编码也采用相位编码，一个容积需要分为几层，就必须进行几个步级的相位编码。层面方向向位编码的原理与层面内的相位编码相同
磁共振的加权图像
加权的含义
重点突出组织某方面特性
加权成像：可通过成像脉冲序列的选择及成像参数的调整，使MR图像主要反映组织某方面特性，而尽量抑制组织的其他特性对MR信号强度的影响，
质子密度加权成像
质子密度越高，MR信号强度越大，这就是质子密度加权成像
主要反映单位体积不同组织间质子含量的差别
一般组织的MR信号主要来自组织中水分子和（或）脂肪中的氢质子
一般的非脂肪组织中主要是指水分子中的氢质子
T2加权成像和T2＊加权成像
T2加权成像
重点突出的是不同组织之间的横向驰豫差别
T2＊加权成像
若T2WI的回波信号不采用聚焦脉冲，而仅采用读出梯度场的切换获取梯度回波信号，则磁共振信号反映的不是真正的T2驰豫信息，而是T2＊驰豫信息，因此得到的不是T2WI而是T2＊WI
T1加权成像
就是这种成像方法重点突出组织纵向驰豫差别，而尽量减少组织其他特性如横向驰豫等对图像的影响
在T1WI上，组织的T1直越小，其MR信号强度越大 ①水样结构如脑脊液，尿液，胆汁等T1值最大，故T1WI上信号很低 ②脂肪组织的T1值最短，故T1WI信号强度最高
其他加权成像技术
扩散加权成像
反应活体组织中水分子布朗运动
灌注加权成像
反映组织的微循环状态
磁敏感加权成像
利用组织磁敏感性改变来反映组织成分和结构的变化
磁共振信号的产生
磁共振信号
磁共振接受线圈只能采集到旋转的宏观横向磁化矢量，而宏观横向磁化矢量切割接收线圈而产生的电信号实际上就是原始的磁共振信号。
在MRI中，只要在MR信号采集时刻，某组织的宏观横向磁化矢量越大，其切割接收线圈产生的磁共振信号越强，在MR图像上该组织的信号强度就越高
自由感应衰减信号
利用磁共振接收线圈直接记录横向磁化矢量的这种自由感应衰减，则得到的磁共振信号就是自由感应衰减信号。
自旋回波信号
180°脉冲后组织中的宏观横向磁化矢量经历了逐渐增大，到了最大值后又逐渐衰减的过程，利用接收线圈记录这一变化过程将得到一个回波，所产生的回波称为自旋回波（SE）。把90°脉冲中点到回波中点的时间间隔称为回波时间（TE）
梯度回波信号
组织中的宏观横向磁化矢量经历了从0到最大又从最大到0的过程，利用接收线圈记录宏观横向磁化矢量的变化过程，将得到一个回波信号，由于这种回波的产生仅利用读出梯度场切换产生，因此被称为梯度回波
因没有采用聚焦脉冲，不能剔除主磁场不均匀造成的宏观横向磁化矢量的衰减，与自旋回波相比，梯度回波的信号度相对较弱，故梯度回波的内在信噪比相对较低
核磁驰豫
概念
90度射频脉冲激发后的瞬间，组织中没有宏观纵向磁化矢量，而产生了最大的旋转宏观横向磁化矢量；当90度脉冲关闭，组织中的宏观横向磁化矢量从最大逐渐缩小直至完全衰减，而宏观纵向磁化矢量从零逐渐恢复直至最大即平衡状态，我们把这个过程或现象称为核磁驰豫。
自由感应衰减（FID）
90度射频脉冲关闭后宏观横向磁化矢量将呈指数式的快速衰减
横向弛豫（T2驰豫）
组织由于质子群周围磁场微环境随机波动造成的宏观横向磁化矢量的衰减才是真正的横向驰豫
其能量传递发生于质子群内部，即质子与质子之间，故也称自旋-自旋驰豫
纵向弛豫（T1驰豫）
当射频脉冲关闭后在主磁场的作用下，组织中的宏观纵向磁化矢量将逐渐恢复到激发前的状态即平衡状态的过程
T1驰豫与T2驰豫的关系
横向弛豫：能量传递发生于质子群内部，所需时间短
T1驰豫：把质子群内部的能量传递到质子外的其他分子，所需要时间长
主磁场强度对驰豫的影响
一般情况下，随场强的增高，组织的T1值延长，而T2值改变不明显
