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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檢測發(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單歸納為:根據(jù)需要,將待測樣品分成若干個(gè)薄層,這些薄層稱為層面,這個(gè)過程成為選片。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)。對每一個(gè)體素標(biāo)定一個(gè)記號,這個(gè)過程稱為編碼或空間定位。對某一層面施加射頻脈沖后,接收該層面的核磁共振信號進(jìn)行解碼,得到該層面各個(gè)體素核磁共振信號的大小,zui后根據(jù)其與層面各體素編碼的對應(yīng)關(guān)系,把體素信號的大小顯示在熒光屏對應(yīng)像素上,信號大小用不同的灰度等級表示,信號大的像素亮度大;信號小的像素亮度小。這樣就可以得到一副反映層面各體素核磁共振信號大小的圖像,即MRI圖像。成像過程方框圖見圖2 。
用于確定MR信號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B0上沿某一方向再疊加一個(gè)線性梯度磁場,將導(dǎo)致總磁場(外磁場B0和梯度磁場矢量和)在沿梯度磁場方向上呈現(xiàn)一端高一端低,兩端之間的磁場強(qiáng)度呈梯度分布。在磁場梯度方向上使共振頻率產(chǎn)生可預(yù)見的變化。
磁場梯度常常是由核磁共振成像儀中產(chǎn)生外磁場B0的主磁體腔內(nèi)的梯度線圈產(chǎn)生的。運(yùn)用三個(gè)相垂直的磁場梯度,在不同的時(shí)間內(nèi),對核磁共振信號源進(jìn)行空間三維定位。
下面將簡單介紹核磁共振成像原理中的梯度場。
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外不呈現(xiàn)磁性。將質(zhì)子至于外磁場中,質(zhì)子的磁矩方向會(huì)傾向于與外磁場的方向一致或相反,并產(chǎn)生一個(gè)與外磁場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。
處在外磁場中的體內(nèi)質(zhì)子,在射頻激勵(lì)脈沖磁場作用下產(chǎn)生磁共振,但所有組織的質(zhì)子以相同的頻率共振,產(chǎn)生核磁共振信號來自于樣品整體,具有相同的頻率特征,沒有任何空間信息,不能形成MRI的圖像。而要形成MRI圖像還需要第三種磁場,即梯度磁場,在MRI中起到空間定位的作用。
所謂的線性梯度磁場就是磁感應(yīng)強(qiáng)度大小隨位置以線性方式變化的磁場,簡稱梯度場。
圖3給出了一個(gè)沿z軸方向的線性梯度場。這里沿z軸方向的線性梯度場含義是指:線性梯度磁場的磁場方向沿B0(或z軸)方向,磁場的大小隨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,分別為Gx、Gy和Gz。在核磁共振成像儀中,線性梯度場是由梯度線圈產(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B0是均勻強(qiáng)磁場,其大小和方向是固定不變的。但梯度場的大小和方向均可以改變,因此梯度磁場和外磁場疊加后使得磁場發(fā)生梯度性的變化。如果外磁場B0沿水平方向,施加一個(gè)水平方向的線性梯度場,其疊加后情況見圖4.
圖4.梯度磁場與外磁場的疊加
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B0中,外磁場方向沿z軸方向,在外磁場B0基礎(chǔ)上,再疊加一個(gè)同方向的線性梯度場Gz,該梯度場磁場強(qiáng)度的大小沿z軸方向由小到大均勻改變。圖5中箭頭的長短表示梯度場的強(qiáng)度,箭頭的方向表示梯度場的方向。從圖中可知垂直于z軸方向同一很薄的平面(或?qū)用妫┥系拇艌鰪?qiáng)度相同,不同位置的層面上(圖中1、2、3層面)由于梯度場的強(qiáng)度不同,所以不同位置層面的磁場強(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Gz的作用,每一層面內(nèi)磁場強(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每一位置的層面對應(yīng)一定的磁場范圍。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,信號強(qiáng)度增加,圖像的表觀改善。