第1章MRI基本原理与临床应用
第一节MRI物理学原理
一、MRI的物质基础
（一）原子的结构
原子由原子核及位于其周围轨道中的电子构成。
电子带有负电荷且具有一定的质量，在原子核外做快速运动（轨道运动和自旋运动），在电子显微镜下显示电子的运动如云状，称为电子云。轨道运动产生轨道角动量和轨道磁矩，自旋运动产生自旋角动量和自旋磁矩，一般情况下轨道磁矩相对自旋磁矩可以忽略。
原子核由中子和质子构成，中子不带电荷，质子带有正电荷，质子与原子核外的电子数相等，质子和中子决定原子的质量，原子核主要决定该原子的物理特性。质子和中子如不成对，将使质子在旋转中产生角动量，一个质子的角动量约为。核磁共振就是利用这个角动量的物理特性来进行激发和采集信号的。
（二）自旋和核磁的概念
任何原子核总以一定的频率绕自身轴高速旋转，将原子核的这一特性称为自旋（spin），类似于地球的自转，由于原子核带有正电荷，原子核的自旋好似电流通过环形线圈，形成电流环路，根据法拉第电磁原理，会产生具有一定大小和方向的微小磁场，称为角动量。这种由带有正电荷的原子核自旋产生的磁场称为核磁。核磁共振成像（nuclear magnetic resonance imaging，NMRI）也称为磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）。核磁共振信号是原子核产生的，不是分子、原子或电子。原子在没有外加磁场的环境中，自旋原子核的磁矩排列杂乱无章，宏观磁化矢量为零。
（三）磁性和非磁性原子核
自然界中并非所有原子核的自旋都能产生核磁，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并不产生核磁，称这种原子核为非磁性原子核。反之，自旋运动能够产生核磁的原子核称为磁性原子核。磁性原子核需要符合以下条件：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。
（四）用于人体MRI的原子
人体内具有磁性的原子核比较多，人体内常见的磁性原子核见表1-1。
用于人体MRI的原子核通常为氢质子。主要原因：是人体中含量最多的原子核，约占人体中总原子核数的2/3以上；的磁化率在人体磁性原子核中是最高的。氢原子核（出）在人体中的摩尔浓度最高，达到99，而处于第二位的是，摩尔浓度为1.6，约为的1/62，且的相对磁化率仅为0.083。另外，的磁化率是最高的，以的相对磁化率为1，相对磁化率处于第二位的是199F，为0.83，但199F的摩尔浓度仅为0.0066，仅为1H的1/15000。
原子核，仅有一个质子而没有中子，人体MRI—般采用作为成像对象，除非有特殊说明，否则一般所指的MR图像即为的MR图像。
二、MRI基本原理
（一）磁感应强度
磁感应强度是指描述磁场强弱和方向的物理量，是矢量，常用符号B表示，国际通用单位为特斯拉（T），与高斯（Gs）单位的换算关系为1T=10000Gs。地球磁场的大小为0.5～0.6Gs。
（二）质子自旋和角动量
如果将含有磁性原子核的物质置于均匀的外加磁场B0中，这些杂乱无章的微观角动量会在自旋-晶格弛豫时间发生改变，角动量趋于与磁场B。方向平行。处于低能级状态的角动量与磁场B。方向趋于相同，而处于高能级状态的质子角动量与磁场B0方向趋于相反。
（三）磁矩
磁矩是所有质子角动量的矢量总和，具有大小和方向。磁矩的方向与磁场方向一致，但有一半多的质子的角动量与磁场Bo方向相同，约不足一半的质子的角动量与磁场B0方向相反，所有质子的角动量矢量总和称为磁矩，它的方向总是与外加磁场B0方向一致。磁矩是动态变化的，1h被置于外加磁场中，经过一定的时间才能达到一个动态平衡，而如果磁场发生变化，磁矩也会发生改变，在一定的时间后重新达到一个动态平衡。
（四）进动和进动频率
处于主磁场中的高能级和低能级的质子，角动量总是与主磁场方向有一定的角度。质子除了围绕自己的轴进行自旋外，还绕着主磁场轴进行旋转摆动，氢质子的这种摆动称为进动，其摆动频率称为进动频率，也称为拉莫尔（Larmor）频率。进动频率比自旋频率慢，但在MRI过程中进动频率起着关键的作用。
Larmor方程（公式1-1）:
式中，为Larmor频率（Hz），y为旋磁比（Hz/T），B0为主磁场场强（T）。
原子在1.0T的磁场中的进动频率称为该原子的旋磁比，是一常数。氢原子的旋磁比为42.58MHz/T。
在1.5T的磁场强度中的进动频率为63.87MHz，在3.0T的磁场强度中的进动频率为127.74MHz。
（五）纵向磁化分矢量和横向磁化分矢量
1.坐标系如在主磁场中，头部先进，仰卧于检查床上，那么人体长轴指向头侧的方向定义为Z轴的正方向；左手向左侧伸直与人体长轴垂直，那么左手所指的方向定义为Z轴的正方向；右手向正前方伸直与人体长轴垂直，那么右手所指的方向定义为^轴的正方向。
2.磁化分矢量根据三角原理，质子自旋产生的小磁场可以分解为纵向磁化分矢量和横向磁化分矢量。
纵向磁化分矢量：处于高能级质子的纵向磁化分矢量方向与主磁场方向相反，处于低能级质子的纵向磁化分矢量方向与主磁场方向相同，因处于低能级的质子数略多于高能级质子数，故宏观纵向磁化矢量方向与主磁场方向相同。
横向磁化分矢量：每个质子的进动都有一个横向磁化分矢量，在XY平面做旋转运动，故方向处于不断的变化中。但每个质子的横向磁化分矢量处在工XY平面360°圆周中的不同位置而相互抵消，故没有宏观横向磁化矢量。
人体组织在进入主磁场一定的时间后，产生宏观纵向磁化矢量。组织（体素）中的质子含量越多，则产生的宏观纵向磁化矢量越大。组织（体素）中的质子含量越少，则产生的宏观纵向磁化矢量越小。
宏观纵向磁化矢量在主磁场中的方向没有发生变化，没有做切割接收线圈，不会产生感应电流，因此接收线圈探测不到组织中的宏观纵向磁化矢量。旋转的横向磁化矢量切割接收线圈而产生感应电流，即接收线圈可以接收到旋转的横向磁化矢量。
（六）磁共振现象
1.共振现象 共振是自然界中普遍存在的一种物理学现象，是能量从一个振动着的物体传递到另一个物体，两者以相同的频率振动。当具有固定频率的外力作用于另外一个物体，且与该物体的固有频率一致时，就会发生共振现象，如音叉试验，当用锤子敲击一下左侧的音叉，该音叉会以一定的频率振动并发出声音，同时右侧与左侧具有相同固有频率的中号音叉也会以相同的频率振动并发出声音。而右侧的大号和小号音叉因固有频率不同而不能发生振动。共振的条件是具有相同的频率，实质是能量的传递。
2.磁共振现象 质子在主磁场环境中，其磁矩以Larmor频率做进动，当施加一个频率与该质子进动频率相同的射频脉冲时，低能级的质子获得能量跃迁到高能级，宏观纵向磁化矢量发生偏转，这种现象称为磁共振现象。
射频脉冲在MRI过程中发挥着非常重要的作用，其本质是具有一定频率的电磁波，具有两个作用：一是使低能级的氢质子吸收射频脉冲的能量跃迁到高能级；二是射频脉冲磁场的磁化作用，能够将氢质子进动方向与射频磁场的方向逐渐趋向一致，变为同步、同速运动。在射频脉冲的作用下，宏观纵向磁化矢量偏离原始状态与主磁场场强队的角度称为偏转角度（flip angle，FA）。偏转角度的大小与射频脉冲的能量有关，射频能量越大，偏转角度越大。而射频脉冲的能量又与其强度和持续时间有关，同样角度的射频脉冲，如果强度越大，所需要的持续时间就越短。射频脉冲使宏观磁化矢量偏转小于90°，称为小角度脉冲，若偏转90°到又7平面，产生最大的宏观横向磁化矢量称为90°脉冲，若偏转180°，产生一个与主磁场方向相反的宏观纵向磁化矢量，称为180°反转脉冲。另外常见的射频脉冲还有-90°射频脉冲、180°聚焦脉冲等。
3.90°射频脉冲激发的微观和宏观效应90°射频脉冲激发使低能级比高能级多出的一半的质子获得能量跃迁到高能级，从而高能级质子与低能级质子数目相同，两个方向的宏观纵向磁化分矢量相互抵消为零，即没有宏观纵向磁化矢量。同时在90°射频脉冲射频磁场的磁化作用下，氢质子进动方向逐渐与射频磁场方向一致，导致氢质子“同相”运动，进而在XT平面上形成了一个最大的宏观横向磁化矢量，即宏观横向磁化矢量。特别指出，宏观纵向磁化矢量的大小与组织中质子含量（质子密度）成正比，即组织中质子密度越高，其产生的宏观纵向磁化矢量越大，90°射频脉冲激发后产生的宏观横向磁化矢量越大，切割接收线圈产生的电信号越强，MR信号越强。反之则相反。
4.核磁弛豫原子核在外加90°射频脉冲激发后的瞬间，宏观纵向磁化矢量=0，宏观横向磁化矢量最大。当关闭90°射频脉冲后，吸收能量跃迁到高能级的氢质子逐渐释放能量，恢复到低能级状态，Mz从零逐渐恢复到最大的平衡状态，而Mxy从最大逐渐缩小直至完全衰减，这个过程称为核磁弛豫。核磁弛豫可以分解为两个相对独立而又同时发生的过程，即纵向弛豫和横向弛豫。
5.自由感应衰减和横向弛豫、横向弛豫时间90°射频脉冲关闭后，由于同相位进动的质子群逐渐失去相位的一致性，宏观横向磁化矢量发生衰减，Mxy由最大值逐渐减小直至完全衰减。
质子群失相位是由于质子周围磁环境的随机波动和主磁场的恒定不均匀性。每个质子都是一个小磁场，都是暴露在周围无数个其他原子核和电子的磁环境中，而这些带电粒子一直处于热运动中，出现随机波动，导致质子的进动频率出现差异，使得质子群失去相位的一致性。主磁场均匀是相对的，不均匀性是绝对的，从而使得质子群失去相位的一致性。
由于受到上述两方面的影响，90°射频脉冲关闭后，宏观横向磁化矢量My呈指数式快速衰减，称为自由感应衰减（free induction decay，FID），也称t*弛豫。质子周围磁环境的随机波动造成的宏观横向磁化矢量的衰减是真正的横向弛豫，即乃弛豫，其能量是质子群内部的质子与质子之间的传递，因此也称为自旋-自旋弛豫（spin-spin弛豫）。横向弛豫所需要的时间称为横向弛豫时间，由于使横向弛豫恢复至90°射频脉冲激发前的状态时间很长，因此人为地把横向磁化矢量减少至最大值时的37%所需要的时间定义为一个单位的时间。一般认为经过5个值的时间，组织的弛豫全部完成。不同组织的结构不同，T2弛豫速度也不同，值也存在差别，加权成像即可以区分不
