★肌肉骨骼系统磁共振成像

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1、第一章磁共振成像的基本原理和术语ROBERTA.POOLEYJOELP.PELMLEERICHARDL.MORIN本章内容旨在使那些刚开始学习磁共振成像的医师熟悉核磁共振（NMR）现象和磁共振成像（MRI）的基本概念与原理，因此，本章主要是针对初学者的教学之用。除了NMR基本概念与原理外，与临床相关的成像技术也给初学MRI的医师进行了阐述。对于初学者来说，要想熟悉MRI的相关物理原理需要相当一段时间。目前，对MRI的基本物理特性的探讨有各种途径。技术细节和深入讨论可以在有关MRI的教材与文章中找到

2、[3、12、13、29、31]。附录中的术语是从美国放射学院MR专用语词汇表[2]中选出的，供大家参考。表1.1中列出了MRI发展历史的时间表。NMR的原理最初是在二十世纪四十年代后期由斯坦福大学的Bloch教授和哈佛大学的Purcell教授阐明的。由于这项研究，他们在1952年共同获得了诺贝尔物理学奖。NMR的重要性在于其能够明确样品的分子结构。在二十世纪七十年代，利用NMR的原理，产生了与CT相似的横断面图像。1981年，这项实验研究开始应用于临床。MRI所提供的丰富诊断信息引起了人们对MRI

3、的浓厚兴趣及其在临床上的迅速应用。尽管MRI的影像模式与CT类似，但基本原理却截然不同。事实上，此两种影像的形成是由原子中完全不同的部分所决定的。MRI是由原子核提供成像的信号，这与传统的X线摄影由电子决定影像密度不同。而且，不仅是原子核，其结构与生化环境同样可影响MR信号。目前，快速成像技术不断涌现，已成为重要的临床检查手段。平面回波成像（EPI）和基于快速自旋回波和梯度回波的采集方式允许在亚秒至屏气范围内（15s）采集图像。这些技术具有进行快速采集和高分辨成像的潜力，从而可以“消除”许多生理运

4、动伪影。利用这些快速采集技术进行功能和流动信息的成像是临床研究的热点。本章将用类比方法阐明MRI的物理原理，即从传统角度而不是“量子理论”的角度讨论MRI物理原理。虽然两种方式均可对NMR现象进行确切解释，但在数学构型和对所蕴含物理原理的认识方面并不相同。核磁共振现象当某种原子核（有奇数质子、奇数中子或两者均为奇数的原子核）置于强磁场时，其将沿磁场方向排序，并开始以一定的速度/或频率（Larmor频率）旋转。如果以该频率发射射频脉冲，原子核将吸收射频（RF）脉冲能量并被“激励”。射频终止后，原子核

5、将释放电磁波而发生弛豫，弛豫过程中释放的RF能量是NMR信号的来源。一个系统吸收某种特定方式能量的能力称为“共振”。这种情况类似于小孩荡秋千，如果小孩荡到最高点，那么最大的能量传给了秋千。如果试图把小孩推到中间点，那么就导致能量传递降低，这种情况就是“失共振”。所以，这个例子中的共振条件就是在适当的时间以秋千摆动的精确频率推秋千。原子核在磁场中的进动在概念上类似于陀螺在重力场中的进动，如图1.1所示。当有外力作用于旋转物体时，就有这种旋转发生。奇数质子、奇数中子或两者均为奇数的原子核具有这种“旋转

6、”特性，只不过此时是与磁场发生相互作用，此即原子核在磁场中的进动。进动频率或称Larmor频率取决于原子核自身的特性和磁场强度，后者用特斯拉（T）或高斯（G）来表示，1T＝10000G。Larmor频率的数学定义公式为ω＝γB0ω是Larmor频率，B0是静磁场强度，γ是旋磁比（旋磁比为一常数，每个原子核都有一个特定的旋磁比常数）。不同原子核与不同场强下的Larmor频率见表1.2和表1.3。质子在1.5T磁场中的Larmor频率为64MHz，这与第三频道电视信号的转播频率相同。总之，NMR基本过

7、程已在图1.2中阐明，共包括三步：①把样品置于磁场中，以导致原子核进动；②以Larmor频率发射RF脉冲；③“记录”49返回的NMR信号。需要指出的是发射的RF频率和回收的MR信号频率取决于兴趣区的原子核与磁场强度B0。核磁共振信号NMR产生的RF信号形式取决于原子核的数目（质子密度）和原子核的弛豫时间（T1值和T2值）。参数T1值（自旋—晶核弛豫时间）描述的是原子核恢复至与静磁场B0方向一致所需的时间，它反映的是质子的化学环境。T2值（自旋—自旋弛豫时间）描述的是原子核在横向平面中失相位（失相）

8、，它反映的是质子与周围原子核中质子的关系。这些过程在图1.3中作了说明。NMR信号对质子密度、T1值或T2值的依赖程度取决于脉冲序列，这将在后面讨论。这些信号的本质和由于弛豫造成的衰减最为重要，下面将进行详细讨论。在图1.4中显示了原始NMR信号的自由感应衰减（FID）特点，MR信号是在x-y平面或横向平面中检测到的以时间为横轴的波形，如图1.5所示。需要指出的是90°脉冲之后，磁矢量即在横向平面。采集到的信号是波动的，这是由于在横向平面测量时，磁矢量沿纵轴旋转所致。因此，波动的信