第一节　磁共振成像基本原理

MR成像的过程颇为复杂，这里仅介绍最基本的物理原理。为此，我们需要了解一些物理名词的基本含义，这对理解MR成像的基本原理非常有益。

一、原子核

学习目的

　了解MR成像为什么要利用氢原子。

　了解如何计算磁场强度总和。

名词解释

　MR活性元素。

　磁矩，磁矢量。

（一）原子的构成

自然界中所有的物质均由原子构成，包括人体结构。原子非常微小，500 000个原子合起来还不及一根头发丝粗。同种或不同种的原子组合后形成分子。人体内含量最高的原子是氢，它与氧结合后形成水分子，与碳原子结合后形成脂肪及其他化合物。

虽然原子微小，但却由三种亚原子结构组成（图1-1-1-1）。居中的原子核由带正电荷的质子和不带电荷的中子构成；外围的电子带负电荷，形成电子云壳。质子的数量决定原子的化学性质。通常质子和中子的数量相同，因此，原子核内微粒子的数量多为偶数。但在有些原子核内部，中子的数量会稍多或少于质子，由这种原子核构成的原子，称为该元素的同位素，这些物质在MR成像中具有重要作用。

电子是围绕原子核不间断地无规则运动的微粒子。它飞速地绕着原子核运动，形成一个包绕原子核的云雾状结构。这就是通常所说的电子云。电子云最外缘就是原子的边界。电子的数量通常与原子核中质子的数量一致。

对一个原子来说，带正电荷的质子和带负电荷的电子的数量相等，总电量是零。当某种外源性能量打破质子和电子的这种平衡时，就会导致原子所带的电量不平衡，进而引起能量发射，在医学物理学上就称这种原子具有某种活性，此时我们将这种原子称为离子。

（二）MR活性元素

在X线成像中，我们重点关注的是这些亚原子中电子的数量，带电量的多少，以及当X线光子撞击电子云壳中电子时发生的变化。MR成像与X线不同，它关注的重点是亚原子中原子核内的质子。

MR成像的物质基础是带正电荷的质子的自旋。原子核内质子和中子均有自旋运动，但因大小相同、方向相反，且两者数量相等，故原子核总的自旋是零。但是，当中子与质子的数量不一致时，就会存在剩余的自旋。由于质子带正电荷，而运动的电荷会形成电流，根据电磁物理学的右手定律，这个绕轴旋转的质子将产生一个小磁场（图1-1-1-2）。剩余的自旋意味着剩余的磁场，因此，每个质子都有自己的磁场。人体内质子群可被看作无数自旋着的一个个小磁棒，而且具有南极和北极。这个自旋且带有小磁场的质子在物理学上称为磁矩。自然状态下，生物体内由氢质子形成的小磁矩的方向任意排列（图1-1-1-3）。但是，当存在外磁场（如B0）时，这些磁矩的磁场方向就会与外磁场的方向一致（图1-1-1-4）。具有剩余自旋的质子受外磁场作用而发生反应并改变磁矩的排列方向，这样的元素被称为具有MR活性的元素。

人体内有很多MR活性元素（表1-1-1-1）。人们可利用每一种MR活性元素进行MR成像。实际上在活体组织中，氢质子（H）含量最丰富，约占体内所有元素的1/4；在物理特性方面，氢的磁矩最大。综合这两个原因，常规MR成像均以氢元素作为能量来源。下面我们以氢质子为代表，讨论MR的成像原理。

（三）磁化矢量

每个氢质子形成的磁矩都具有一定的大小和方向。在物理学及数学上，将同时具有方向和大小的量称为矢量或向量。大小可以求和，方向可以合并或分解（图1-1-1-5）。

二、排列与进动

学习目的

　了解磁场对人体的影响。

　了解不同磁场强度对质子的影响。

　了解不同磁场强度的扫描参数为何不同。

专业术语

　B0，静磁场，主磁场，外磁场。在MRI系统，B0通常指磁体的场强，单位是Tesla 或Gauss，简称为T或G，1T=10 000G。

　M0，初始（最大、总的）纵向磁化矢量。

　Hz，赫兹，频率的度量单位。表示每秒运动的周期数。

（一）氢质子的排列

自然状态下，人体内氢质子的磁矩排列方向是任意的，总的磁化矢量为零。在静磁场（B0）环境下，具有MR活性的氢质子磁矩的排列方向与B0平行。而且，大多数磁矩的方向与B0一致，少数与B0相反。B0环境下磁矩的方向只有一致或相反两种状态，不存在第三种状态。

根据量子理论，在静磁场（外磁场）中氢质子有两种能级状态，即低能级和高能级。低能级状态氢质子磁矩的方向与静磁场方向一致，高能级状态氢质子磁矩的方向与静磁场方向相反。这可以借用在河流中游泳的例子，通过形象的描述理解上述能级状态。

一个人在河水中游泳，如果该泳者力量大，他就有能力逆流而上；如果力量小，不能抵抗水流力量的阻击，他只能选择顺流而下。逆流而上者需要付出较大能量，我们说他处于高能级状态；顺流而下者仅需付出较少能量或无须付出能量，我们说他处于低能级状态。

现实生活中，多数人能力有限。因此，顺流而下的人往往多于逆流而上的人。如果水流缓慢，能够逆流而上的人也会较多（图1-1-2-1）。但当水流湍急时，逆流而上的人数就会明显减少，顺流而下的人数相应增多（图1-1-2-2）。

假设河水的流速是B0（静磁场强度），泳者代表氢质子，所有泳者各种状态的总和代表总的磁化矢量（M0）。那么，在静磁场强度较低时，处于高能级状态氢质子的数量稍微少于处于低能级状态的氢质子。两者相互抵消后，总的磁化矢量较小。换言之，可用于MR成像的氢质子的绝对数量较少，最后产生的MR信号较小。

当静磁场强度较高时，处于高能级状态的氢质子数量明显少于处于低能级状态的氢质子。两者相互抵消后，总的磁化矢量较大。因此，可用于产生MR信号的氢质子数量较多，最后的MR信号较大。这解释磁场强度增加时，MR信号强度增大的原因（图1-1-2-3）。

（二）质子的进动

名词解释

　进动，Larmor频率，旋磁比

自然状态下，人体组织的氢质子不间断沿自身轴旋转（核自旋）。静磁场环境下，这些氢质子还产生另一种运动，即以静磁场的方向为中轴旋转，作快速的锥形旋转运动（图1-1-2-4）。氢质子的这种旋转类似地球围绕太阳运动，即一方面围绕自身轴旋转，另一方面又以静磁场为中轴旋转。这种运动模式称为进动。

在静磁场中，各种物质的氢质子按照特定的频率保持进动。这个频率称为Larmor频率，计算公式如下：

W0：进动频率，表示质子每秒进动多少次，单位为Hz或MHz。

λ：旋磁比，是一个常数，表示在1.0T磁场强度下，MR活性元素的进动频率，单位为MHz/T。各种物质均有自己的λ值，氢质子的λ为42.6 MHz/T。

B0：静磁场强度。

公式1-1-2-1说明两个问题：第一，在相同的静磁场强度下，不同元素仍然保持不同的进动频率，这是我们在MR成像时能够特异性选择1H，而不受其他MR活性元素干扰的原因，详情后述。第二，同一种质子的进动频率与静磁场强度成正比，例如，质子在3.0T MRI系统的进动频率是1.5T MRI系统进动频率的2倍。常见MR活性元素的旋磁比见表1-1-2-1。

三、共振

学习目的

　了解射频脉冲对氢质子和净磁化矢量的影响。

　了解射频脉冲翻转角对横向磁化矢量的影响。

　了解大、小翻转角与MR信号强度的关系。

名词解释

　共振，射频脉冲，激发（激励）。

　Z轴，XY平面，翻转角（FA）。

将一种物质置于某种固定的振动频率下，当周围的振动频率和该物质本身固有的振动频率完全一致时，两者发生共振。共振能够发生，实际上是该物质从外界的振动中获取能量，从而引发物质自身振动。当外界的振动停止后，该物质振动的能量来源随即消失，物质自身的振动将逐渐减弱，直至停止。

了解共振原理最常用的试验是声波。如图1-1-3-1所示，每一个音叉都有自身的振动频率。这些音叉中，有两个音叉的振动频率完全一致。如果我们敲打这两个音叉中的一个，另一个音叉将会发生共振。其他的音叉也会发生共振吗？答案是不会有任何反应，因为它们的频率与被敲打音叉的频率不一致，即无共振频率，因而不能发生共振。

总之，共振是这样一种现象：当一种信号传播一定的距离后，如果另一物质的固有频率与该信号的频率相符合，另一物质就会吸收该信号的能量并发生振动。简单说，共振是能量的释放与吸收。要点是，只有当两种物质的固有频率吻合时才会发生共振。频率的一致性越高，能量的交换越有效。

在MR成像过程中，MRI系统会发射具有特定频率的电磁波，即射频脉冲，简写为RF脉冲。RF脉冲是MR成像时能量的来源。欲使体内氢质子和RF脉冲发生共振，RF脉冲的频率应与氢质子的进动频率一致。体内其他的MR活性元素因与氢质子的进动频率不同，故不能与这个RF脉冲发生共振，也不产生MR信号。以特定频率发射RF脉冲，并引起氢质子共振的现象，称为激发。

静磁场中氢质子受RF脉冲激发作用后，将吸收RF脉冲的能量。一些低能级状态的氢质子吸收能量后可跃迁到高能级状态。

这些低能级氢质子跃迁将对初始纵向磁化矢量（M0）产生影响，导致M0的方向逐渐偏离B0的方向。当达到新的能量平衡时，M0和B0之间会形成一定的角度，这个角度称为RF脉冲的翻转角（图1-1-3-2）。翻转角的大小取决于RF脉冲的能量，即RF脉冲的振幅和持续时间。

具有一定能量的RF脉冲可以通过共振使氢质子的M0翻转到适当的角度。例如，90°激发脉冲能使M0偏离静磁场方向90°，即完全翻转到与B0垂直的平面。通常规定B0的方向为Z轴，而与B0垂直的平面为XY平面。小于90°的激发脉冲只能使部分的M0翻转到XY平面。如果RF脉冲的能量足够大，甚至可能使M0翻转到与B0完全相反的方向，即形成180°翻转，我们称这个RF脉冲为180°激发脉冲。注意，另有一种180°RF脉冲，其作用目标是XY平面的氢质子磁矩，可以使XY平面的氢质子相位发生180°逆转，我们称这个RF脉冲为180°相位回聚脉冲或复相脉冲（图1-1-3-2）。

处于静磁场环境的每个氢质子磁矩都有自己的进动轨迹。在平衡状态下，即使它们的磁矩方向一致，即沿着主磁场（B0）方向排列，且频率相同，并假设它们都是单纯的氢质子，未受任何外来因素影响，它们在进动轨迹上的位置也各不相同，而是随机分布在各点且保持进动（有方向性）。一个氢质子某一时刻在自己进动轨迹上所处的方位，称为该质子的相位。相位含有方向和位置的双重信息，还与特定的时间有关，所以它是一个氢质子磁矩信息在时间、方向和位置三方面的集中体现。RF激发脉冲作用后产生两个结果：其一，纵向磁化矢量因吸收能量翻转到XY平面；其二，原本随机分布的氢质子相位变得一致，也就是说每个氢质子磁矩在一个时间点都位于其进动轨迹上同一方位，所有氢质子的磁矩在同一时间指到同一方向（图1-1-3-3）。

四、弛豫

学习目的

　了解MR成像的一些基本概念。

名词解释

　弛豫。

　T1弛豫时间，T1时间，T1。

　T2弛豫时间，T2时间，T2。

射频脉冲以Larmor频率发射时，一些氢质子吸收RF脉冲的能量，发生能级跃迁。RF脉冲中止后，氢质子磁矩受到静磁场影响，逐渐释出吸收的能量并恢复到原来静止时的低能级平衡状态，这一过程称为弛豫（relaxation）。弛豫过程中，同时而又独立地发生两方面的磁矢量变化：一是Z轴方向的纵向磁化矢量由小到大恢复；二是XY平面的横向磁化矢量由大到小衰减，同时，瞬间相位一致的氢质子磁矩发生方向离散，进而导致失相位。

在纵向弛豫过程中，氢质子释出其所吸收的能量，将其转移到周围的组织或晶格中。这种现象会导致翻转到XY平面的磁化矢量逐渐恢复到纵向。纵向磁化矢量的恢复是一个指数化过程，往往采用一个常数，即纵向弛豫时间（T1弛豫时间、T1时间、T1）描述。T1时间指纵向磁化矢量恢复到其初始值63%所需要的时间。由于T1时间与氢质子将能量与周围组织（晶格）交换有关，所以又称自旋-晶格弛豫时间（图1-1-4-1）。

翻转到XY平面的氢质子小磁矩最初相位一致，并形成横向磁化矢量。随后发生相位失散，横向磁化矢量也相应变小。导致横向磁化矢量衰减和消失的原因是，相邻原子核在无规则的运动过程中发生能量交换，这种现象称为自旋-自旋弛豫。横向磁化矢量的衰减也是一个指数化过程，往往采用一个常数，即横向弛豫时间（T2弛豫时间、T2时间、T2）描述。T2时间指横向磁化矢量由最大值减少到其37%所需要的时间（图1-1-4-2）。

一般认为，T1弛豫与热能交换有关，一个氢质子从高能状态返回到低能状态的过程中，需要释放能量至周围组织（晶格），故T1时间长短依赖组织成分、结构、环境及静磁场强度；T2弛豫则与热能交换无关，而由质子失相位引起，质子失去相位一致性的原因包括质子之间的相互作用、外部磁场不均匀及组织内部局部磁场本身的不均匀。人体组织在1.5T MRI的T1及T2时间见表1-1-4-1。

五、扫描参数简介

名词解释

　TR：重复时间。表示相邻两个RF激发脉冲的发射间隔或时间。单位：毫秒（ms）。TR决定激发脉冲作用后纵向磁化矢量恢复的量。

　TE：回波时间。表示从开始发射RF脉冲到生成MR信号且达到峰值时刻的间隔或时间。单位：毫秒（ms）。TE决定横向磁化矢量衰减的量。

在MR成像过程中，最基本的一套扫描步骤包括：发射一系列功能各异的RF脉冲，多次产生并多次采集MR信号，为下一次RF激发脉冲储备较大的纵向磁化矢量或使已变小的纵向磁化矢量快速恢复。这三个步骤周而复始，直至完成图像重建，形成符合诊断要求的MR影像。每一个脉冲序列都包含许多扫描参数，其中，TR和TE时间长短不仅完全由人工设置，而且影响图像对比度最直接、最明显。图1-1-5-1展示一个自旋回波脉冲序列基本的组成以及TR和TE时间范围。

六、MR信号产生

学习目的

　了解一次RF脉冲激发后MR信号的产生与变化过程。

名词解释

　相位：指质子小磁矩在某一时刻所处其进动轨迹上的具体方位（方向与位置）。

　同相位：指所有氢质子的磁矩相位一致，均位于其进动周期的同一个方位，且保持同步、同速、同向运动。同相位产生较大的横向磁化矢量及MR信号强度。

　失相位：指质子小磁矩相位逐步失散、失去一致性的现象。失相位使横向磁化矢量减小、MR信号强度减弱。

相位是描述静磁场中任意时刻氢质子磁矩方向与位置的物理量。静磁场中氢质子的小磁矩不间断围绕Z轴（B0）方向进动，并形成自己的进动轨迹。当MRI系统发射RF激发脉冲后，发生共振的氢质子磁矩都移动到其进动轨迹上的同一个位置点，并且保持相同的方向，出现同相位，并且以Larmor频率进动。由这些同相位的磁矩合成的总横向磁化矢量（也具有自身的磁场及进动频率）会在XY平面内绕着Z轴进动或旋转（图1-1-6-1A），并一次次经过（切割）环状的接收线圈（图1-1-6-1B）。根据法拉第定律，磁力线切割环状的导线时会诱发电流。因此，远近不断变化的横向磁化矢量会在接收线圈内感应电流，这就是MR信号（图1-1-6-1C）。氢质子磁矩具有相位属性，说明其方向和位置可随时间变化，故由这些磁矩合成的横向磁化矢量也将随时间变化（衰减），即在一次RF脉冲激发作用后，氢质子磁矩的相位起初一致而后失散，随着失相位逐渐加剧，横向磁化矢量也将逐渐变小，接收线圈感应的电流信号也逐渐变小。

一般来说，氢质子磁矩的同相位并非恒定不变，它仅保持片刻。RF脉冲中止后，相位失散随即开始，直至完全丧失一致性，至此横向磁化矢量也完全消失，感应电流信号随之消亡。为了再一次形成同相位，可以再一次发射RF脉冲，周而复始。可见，同相位与失相位始终在动态变化，有时会交替出现。同相位形成之初便是失相位开始之时。氢质子磁矩的相位决定横向磁化矢量大小，后者决定感应电流信号大小。所以，MR信号实际上是一个正弦波或余弦波的电信号，具有自身特有的振动频率、振幅及相位信息（图1-1-6-2）。