相位编码 空间编码前
频率编码
K空间
• 按相位和频率两种坐标组成了另一种虚拟的空间位置排列矩阵，这个位置 不是实际的空间位置，只是计算机根据相位和频率不同而给予的暂时识别 定位，这就是“K空间”。 • K空间每一点包含了所有体素的信号，但不能区分各个体素的信号。 • K空间所有点通过傅立叶变换，可以求出各个体素信号的大小。
弛豫
• 射频脉冲一停止，组织磁化恢复原来的状态， 即发生弛豫（Relaxation）。 • 磁共振成像时受检脏器的每一个质子都要经过 反复的RF激发和弛豫过程。 • 弛豫有纵向弛豫和横向弛豫。
纵向弛豫
纵向弛豫
纵向弛豫
• 射频脉冲停止，纵向弛豫恢复到原来大小平衡的状态，
纵向弛豫是能量变化的过程。
• T2 弛豫时间内氢质子将吸收的 RF 能量以电磁波形式的
信号释放出来（FID）。
横向弛豫
影响T2因素
• 主磁场T2弛豫时间比 T1 要短许多。人体组织中T2 值的 范围大约在 50-100 ms之间。（脑脊液较为特殊，具有 2000 ms 的 T2 值）。 在含水多的组织中也有较长的 T2 弛豫时间（如：炎症，水肿，恶性肿瘤等）。 • 与 T1 相比，T2对主磁场强度不敏感，但是对磁场均匀 度敏感。
磁共振
• 人体组织在强磁场内会产生净磁化，组织磁化的程度 取决于磁场强度，与磁场强度成正比。组织磁化的方 向与主磁场方向相同，是纵向磁化。 • 组织磁化是产生MR信号，形成图像的前提。
磁共振
共振条件
人体进入磁体，组织被磁化，氢质子磁矩有规律排
列时，在主磁场垂直方向施加射频脉冲，当 RF 脉
磁共振成像原理
李焕杰 生物医学工程系 hj_li@
目标
• 为什么讲磁共振成像(Why) • 什么是磁共振成像(What)
• 磁共振成像的数据处理方法
Why
• 大脑是最重要的中枢神经系统 • 2%的体积，20%的能量消耗
• 21世界“脑科学”被提上了重要日程，世界各
国已启动多项脑研究计划，
• 纵向弛豫是一个从零状态恢复到最大值的过程。
• 纵向磁化向量恢复原来数值所经历的时间过程称纵向弛
豫时间（T1）。 • 纵向弛豫过程表现为一种指数递增曲线。
• T1值被定义为从零恢复到原来纵向磁化向量 63%的时间。
4-5倍的T1值时间才能达到完全恢复。 • 人体各种组织因组成成份不同而具有不同的T1值。
• 1977年，Mansfield提出了快速成像方法。（Lauterbur和Mansfield因上述 贡献分享了 2003 年度Nobel 生理医学奖）
• 1992年，BELL实验室的Ogawa提出了BOLD fMRI技术，开启了功能磁共 振研究领域
What ？
定义：磁共振成像是利用射频（radio frequency，
缺点 • 运动敏感 • 对水的浓度要求高 • 有禁忌症
多参数成像
任意方位成像
高对比成像，详尽解剖信息
全身成像
多模态成像
Structure image Cerebrovascular DTI
BOLD fMRI
MRS
产业状态
• 三大跨国公司 GE, Siemens, Philipus • 国内公司 上海“联影” 苏州“朗润” … • 人才需求 高校 公司 医院 国家医疗器械检测单位 出国
有外加磁场B0
低能态，数目多
高能态，数目少
氢质子的磁矩是如何变化的
处于强磁场内的质子并非静止地向两个方向平行排列，进行陀螺式的摇摆 样运动，质子磁矩这种旋转运动称为进动（Precession），其旋转频率称共 振频率（larmor频率）。
磁化矢量M
B0
Direction of nuclear magnetic moment
影响T1的因素
• 不同组织分子结构 T1 弛豫时间不同，由它们本
身 进 动 频 率 不 同 所 决 定 。 大 部 分 组 织 T1 值 在
200-300msec之间，（如：脂肪质子的弛豫比水
分子要快，T1时间就短，脂肪T1为100-200ms。
纯水为3000ms，组织含水越多，T1时间越长。
• 磁场强度影响。磁场强度增大使共振频率增大，
目前的影像技术
• PET：使用对比剂，放射性同位素 • CT：对人体有辐射
• 脑电图EEG：高时间分辨率，低空间分辨率
• 脑磁图MEG：高时间分辨率，低空间分辨率，贵 • MRI：最流行成像方法
磁共振优缺点
优点 • 软组织对比度好 • 多参数成像 • 任意方位断层 • 时空分辨率较高 • 安全无辐射 • 不使用对比剂 • 全身成像 • 提供结构、代谢信息
Direction of applied magnetic field
Larmor频率
氢原子核在不同场强中的共振频率 静磁场强度（T） 共振频率（MHz）
0.15 0.2 0.3 0.5 0.6 1.0 1.5 2.0 3.0 6.4 8.5 12.8 21.3 25.5 42.6 63.9 85.3 127.8
• 层面选择梯度Gz • 相位编码梯度Gy • 频率编码梯度Gx
增加梯度磁场的目的
• 从接受线圈接收人体质子群发出的磁共振信号 是成千上万的杂乱无章的信息，这些信号群只 有强度和频率，无空间和方位的信息。应用梯 度磁场的目的，是提供磁共振成像的空间定位 信息，解决图像重建和层面选择及空间定位的 难题。 • 磁共振的拉莫尔（Larmor）定律，人体组织在 不同的磁场强度下，其共振频率就会不同，这 就形成了根据梯度磁场的变化达到空间定位的 理论和实际应用基础。
冲等于质子的进动频率时，质子能吸收 RF 脉冲，
发生质子能态跃迁，产生核磁共振，使组织磁化向
量位置移动，围绕主磁场方向的进动角度发生改变。
翻转角FA
• 射频脉冲时间的长短、强度的大小决定了进动角度
的大小。
• FA=γB1t • 射频脉冲强度越大，翻转角度改变越快。 • 射频脉冲施加时间越长，翻转角度越大。
90 0
Echo
S
Gp Gr TE/2 TE/2
TR
MRI数据采集方法
• 激励——— 射频脉冲激励做 Gz 层面选择。 • 相位编码— 在Y轴增加梯度磁场 Gy，使Y坐标上 质子处于不同相位。 • 频率编码— Gy 关闭后，立即加上Gx 频率编码梯 度，自旋质子进动，含有频率和相位 编码的混合MR 信号经二维傅立叶转 换，分出每个体素在矩阵中的位置和 信号强度，最后重建成图像。
• 射频脉冲停止，核磁弛豫开始，氢质子释放吸收的
能量重新回到原来Biblioteka 旋的方向；• 释放的电磁能转化为磁共振信号； • 经梯度磁场做层面选择和相位编码及频率编码； • 经傅立叶转换和计算机处理形成图像。
原子核自旋
自旋条件
• 质子数+中子数≠偶数 • 最常用原子为1H
无外加磁场B0
方向随机
无磁化矢量
T1弛豫时间随之延长。
横向弛豫
横向弛豫
• 射频脉冲停止，横向磁化向量开始逐渐消失的过程。横
向弛豫不是能量变化的过程，是进动相位失去的过程。 • 横向磁化向量逐渐消失的过程称横向弛豫时间（T2）。 • 其衰减过程也表现为一个指数曲线，与 T1 不同的是递 减曲线。 • T2值被定义为横向磁化向量从最大到其原来 37% 的时 间。4-5倍T2值时间完全消失。
K空间和图像域关系
FFT
K-空间对图像的影响
K-- 空间特点：远离中心线的上下方为高空间频率，其决 定图像的空间分辨率；在中心线的低空间频率则决定图像 的对比度。
K空间边缘部 空间中心部
决定图像的分辨率和细节！ 决定图像的对比和总体质量！
选层Gz
层厚
• ω=γ（B0+Gz▪Z）
• △ω=γGz▪△Z
• 频率越宽，层面越厚 • 梯度越大，层面越薄
平面信号空间编码
• 梯度场应用解决了从一个层面采集信号和选择
层面厚度问题。但不能分辨该层面内信号来自
什么位置。为确定层面内信号的坐标，进行另
外的空间编码技术即选用两种不同梯度磁场进
行编码： • 频率编码梯度 • 相位编码梯度
磁共振历史
• 1946年 ，美国加州斯坦福大学的 Bloch 和麻省哈佛大学的Purcell分别发 现了物质的核磁共振现象。应用于化学分析，共享1952年诺贝尔物理奖。
Felix Bloch
Edward Purcell
Paul C. Lauterbur
Peter. Mansfield
• 1973年，纽约州立大学 Lauterbur 首先提出了利用磁共振成像技术。
• 磁场不均匀时，1/T2*= 1/T2+ γ △B
T1、T2对磁共振信号的影响
磁共振信号与T1、T2关系
M x i M y j M z M0 M M ( B1 ) k t T2 T1
采集数据脉冲序列
180 0
90 0
RF Gs FID
RF）电磁波对置于磁场中的含有自旋不为零的原
子核的物质进行激发，发生核磁共振，用感应线
圈采集磁共振信号，按一定数学方法进行处理而
建立的一种数字图像。
磁共振成像过程
• 人体未进入静磁场，体内氢质子群磁矩自然无规律排 列； • 进入静磁场，所有自旋的氢质子重新排列定向，磁矩 指向 N 或 S 极； • 通过射频线圈与静磁场垂直方向施加射频脉冲，受检 部位氢质子吸收能量并向一个方向偏转和自旋；