核磁共振成像
# 核磁共振成像
# 定义
核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance Imaging）是利用核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，检测物体所包含的原子核的位置和种类。
# 核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）
核：磁共振现象所涉及原子核。
磁：在强大的磁场中，给人体组织一个频率与质子进动频率一样的射频脉冲。
共振：原子核间能量吸收和释放发生共振现象。
核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）检查是没有电离辐射的，但是“核”字容引起误解存在核辐射，所以现在核磁共振称为磁共振成像MRI。（Magnetic Resonance Imaging, MRI）
# 磁共振成像整体过程
# 磁共振成像的基本原理
1930年代，伊西多·拉比（Isidor Rabi）发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列，而施加无线电波之后，原子核的自旋方向发生翻转。这是人类关于原子核与磁场以及外加射频场相互作用的最早认识。
由于这项研究，拉比于1944年获得了诺贝尔物理学奖。1946年，费利克斯·布洛赫（Felix Bloch）和爱德华·米尔斯·珀塞耳（Edward Mills Purcell）发现，将具有奇数个核子（包括质子和中子）的原子核置於磁场中，再施加以特定频率的射频场，就会发生原子核吸收射频场能量的现象，这就是人们最初对核磁共振现象的认识。
# 原子核自旋产生核磁
我们都知道地球是带有磁场的，称为地磁。
一个表面带有电荷的球体，发生旋转，必将形成电流环路，有了电流环路必将有感应磁场产生。
我们可以把原子核看作和地球一样
- 原子核（这里说是原子核，不是原子，原子的质量集中在原子核，原子核中的质子带正电荷，所以原子核带正电荷）具有一定的质量和大小，可以当作是一个球体。
- 所有的磁性原子核都有一个特征，就是总以一定的频率绕着自己的轴进行高速旋转，我们把磁性原子核这个特征称为自旋（Spin）。
- 原子核（球形，带正电荷）+自旋＝形成电流环路，产生一定具有大小和方向的磁化矢量。
# 可用于人体成像的原子核
人体内常见的磁性原子核
理论上所有的磁性原子核均可以作为磁共振成像对象，但一般用于人体成像的是氢原子核（1H），氢原子核仅有一个质子没有中子，所以被称为氢质子或是质子，除非特殊说明，一般我们看到的磁共振图像都是氢质子图像。
# 选择氢质子作为磁共振成像的理由
①：摩尔浓度最高，相对磁化率最高（磁化率高，可产生更强的磁共振信号）
②：氢质子是人体内最多的原子核，约占人体总原子数的2/3以上，因此可以产生较强的磁共振信号。
③：氢质子存在于人体各个组织内，具有生物代表性。
常规磁共振成像信号的主要来源是水分子中的氢质子（简称水质子），部分组织信号也可来源于脂肪中的氢质子（简称脂质子）。
# 氢质子在磁场下的几种运动方式
# 自旋
- 氢原子核1H只有一个自旋的质子，结构最单纯，质子有沿自身轴旋转（自旋）的固有本性, 质子距原子核中心有一定距离。因此质子自旋就相当于正电荷在环形线圈中流动,在其周围会产生磁场——右手螺旋法则
| 无磁场状态下 | 磁场状态下 |
|---|---|
 |  |
| 没有外加磁场的情况下，对于大量的氢原子核而言，并不是有序的排列，而是杂乱无章的排列，氢原子核的磁场相互抵消，并不表现出宏观的磁场，宏观磁化矢量为0。 | 当含氢样品置入磁场中之后，氢原子核会在外磁场的作用下定向排列。 |
氢原子的定向排列过程实际是能级分裂过程，这种能级分裂现象叫做塞曼效应。对应的磁能级也叫塞曼能级。
对于氢原子来说，自旋量子数I=1/2，总共分裂成2I+1个能级，即两个能级。
 |  |  |
- 进入主磁场后，质子自旋产生的小磁场与主磁场平行排列，与磁场同方向的是低能级，与磁场反方向的是高能级。
- 低能级的核略多于高能级的核（平行同向者略多于平行反向者），相互抵消后组织中最后产生一个与主磁场方向一致的宏观磁化矢量（绿箭）。
这里涉及到两个问题
1：为什么有的质子产生的小核磁与主磁场平行同向，而另一些质子产生的小核磁却与主磁场平行反向呢?
这里所涉及量子物理学知识非常复杂，对于我们而言可以简单地理解为，这两种核磁状态代表质子的能量差别，平行同向的质子处于低能级，因此受主磁场的束缚，其磁化矢量的方向与主磁场的方向一致，平行反向的质子处于高能级，能够对抗主磁场的作用，因此其磁化矢量与主磁场平行但方向相反。
通俗的解释：将原子核置于外加磁场中，若原子核磁矩与外加磁场方向不同，则原子核磁矩会绕外磁场方向旋转，这一现象类似陀螺在重力场作用下旋转过程中转动轴的摆动，称为进动。进动具有能量也具有一定的频率。
这个描述很有趣，也就是说陀螺旋转时候，如果没有地面阻力，在重力作用下，如果陀螺速度慢，则成为顺g的方向朝着地下了；如果陀螺速度快，则就和平时看到的一样朝着天的方向。所以当氢原子在射频脉冲激发后，能量变高，也就是mc2增加，就是速度变快。当氢原子在射频脉冲激发后，陀螺从沿着g方向向反g方向，就是我们平时看到的陀螺方向，他与g反向。懂了！
2：处于低能级的质子（与主磁场方向平行同向的质子）多于高能级质子（与主磁场方向平行反向的质子），我个人是理解为人体内的氢质子就像一个班级一样，一个班级里肯定有调皮不听老师话的孩子（高能级质子），但是听老师话的孩子（低能级质子）肯定要比不听话的孩子多。
# 进动
需要注意的是进入磁场后，不管是处于高能级质子还是低能级质子，其磁化矢量并非与主磁场平行，而是与主磁场有一定的角度。
由于原子核携带电荷，当原子核自旋时，会由自旋产生一个磁矩，这一磁矩的方向与原子核的自旋方向相同，大小与原子核的自旋角动量成正比。在主磁场的氢质子除了自旋运动外，还沿着主磁场轴进行旋转摆动，，这一现象类似陀螺在旋转过程中转动轴的摆动，我们把氢质子的这种沿着主磁场轴进行的旋转摆动，称为进动(precession)。进动具有能量也具有一定的频率。
进动频率也称Larmor（拉莫尔）频率
其计算公式为∶w=γ·B
w为Larmor频率，Y为磁旋比（Y对于某一种磁性原子核来说是个常数，氢质子的γ约为42.5 MHz/T），B为主磁场的场强，单位为特斯拉（T）。
质子的进动频率与主磁场场强成正比。
# 纵向
无论是处于低能级的质子还是处于高能级的氢质子都在进动。由于进动的存在，质子自旋产生小磁场可分为两个部分，即纵向磁化分矢量和横向磁化分矢量。质子的纵向磁化分矢量的方向是不变的，处于高能级质子与主磁场方向相反，处于低能级质子与主磁场的方向相同，由于处于低能级的质子略多于处于高能级质子，最后会产生一个与主磁场同向的宏观纵向磁化矢量。
# 横向
由于质子在进动，其横向磁化分矢量则以主磁场方向为轴（Z轴），就像时钟的指针在平面作旋转运动，因此其方向处于不断的动态变化中。尽管每个氢质子的小核磁都有横向磁化分矢量，但各个氢质子的横向磁化分矢量在360°圆周中所处的位置不同（即相位不同），横向磁化分矢量相互抵消，因此没有宏观横向磁化矢量产生。
由于横向磁化矢量相互抵消，纵向磁化矢量又非常微小，那怎么可以让MR接收线圈探测到信号呢？
依据的是电磁感应原理，把一个导线绕制的线圈与一个电流表串联在一起，如果电路中有电流产生，电流表的指针将发生偏转。
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通过前面的学习我们知道人体组织进入主磁场后仅产生了微小的宏观纵向磁化矢量，宏观横向磁化矢量相互抵消没有宏观横向磁化矢量产生。那么我们才能产生一个能让接收线圈探测到的旋转宏观横向磁化矢量呢?
# 怎么办，增加共振
# 什么是共振？
我们上学的时候都学过，在第一个实验台上放置三个音叉大，中，小，在相邻第二个实验台上放置一个中号音叉，然后用锤子敲击，中号音叉发出震动和声音，我们在观察第一个实验台，发现第一个实验台中号音叉也发生振动和声音，小号和大号音叉没有任何反应，这就是共振。
共振的定义：能量从一个振动的物体传递到另一个物体，而后者以前者相同的频率振动。 共振的条件是相同的频率，实质是能量的传递。
# 磁共振现象
通过共振我们知道，频率相同的物体可以共振，实质是能量传递，如果我们给处于主磁场中的人体组织一个射频脉冲，这个射频脉冲的频率与质子的进动频率相同，射频脉冲的能量将传递给处于低能级的质子，处于低能级的质子获得能量后将跃迁到高能级，我们把这种现象称为磁共振现象。（所以磁共振成像利用的就是质子的进动频率，如果我们用氢质子成像就使用和氢质子进动频率一样的射频脉冲激发，如果我们用其他质子成像就使用和其质子进动频率一样的射频脉冲激发）
我们先来看没有激发之前低能级质子的状态
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# 射频脉冲激发过程
纵向上，先获得能量，产生高能级的越来越多。陀螺都转起来了。
横向上，从四面八方，逐渐形成同一相位。
# 射频激发
获得90°的射频脉冲我们最需要。
给磁场就是给重力，给脉冲就是给一抽，陀螺
# 核磁驰豫
# 什么是核磁驰豫？
射频脉冲关闭后组织中的质子状态发生了什么变化，**以90°脉冲为例，90°脉冲激发后，宏观纵向磁化矢量偏转90°，没有宏观磁化矢量的产生，而是产生了最大的旋转横向宏观磁化矢量，当90°脉冲关闭后，组织中的宏观横向磁化矢量从最大逐渐缩小直至完全衰减，而纵向磁化矢量从零逐渐恢复直至最大平衡状态，我们把这个过程称为核磁驰豫。
- 90°脉冲激发时，聚相位效应，组织中原来相位不一致的质子处于同相位运动，从而产生宏观横向磁化矢量。
- 90°脉冲关闭后，同相位的质子失去了相位一致，横向磁化矢量逐渐不在叠加（经过一段时间后每个质子又围绕XY平面进行360°运动，横向磁化矢量相互抵消），因此组织中宏观横向磁化矢量逐渐缩小至消失。
# 自由感应衰减和横向驰豫
在生物学上纯净自由水的 T1 驰豫时间最高，约为 3000ms，在自由水和其他非粘性液体里面分子快速运动，因此能量传递无效，所以就形成了更长的驰豫时间，这里说到的能量传递，在磁共振上有两种**，从射频激励脉冲关闭后纵向磁化矢量的零变为最大值（原始平衡态）的过程称为纵向驰豫，在纵向驰豫过程中自旋质子核和周围结构之间进行能量的传递，这个过程是纵向磁化的恢复过程，称为纵向驰豫，也叫自旋 - 晶格驰豫**，晶格可以理解为周围环境结构。纵向驰豫和纵向驰豫时间不是一个概念，
纵向驰豫时间是指: 以最小零为起点，恢复到最大值的 63% 为终点，起点与终点之间的时间称为纵向驰豫时间，即为该组织的 T1 值。
也就是说用获得90°旋转的射频脉冲激发原子，随后停止刺激，此时开始计算纵向驰豫时间。看信号恢复到初始只有B0的状态。
这个过程因为整体表现为能量的衰减，也就是能量不可能在氢原子之间进行传递，需要往外其他分子上传递，才能实现能级下降。
# 【自旋 - 晶格驰豫】
而横向驰豫就是横向磁化从最大衰减到 0 的过程，这个过程能量传递为自旋质子核与自旋质子核，也叫自旋 - 自旋驰豫，这个过程是高能态的自旋质子核把能量传递给低能态的同类质子核，自旋 - 自旋驰豫的能量在自旋质子内部传递，而自旋 - 晶格驰豫的能量传递是在自旋系统之外。横向驰豫时间是指: 以最大值为起点，以衰减到到最大值的 37% 为终点，起点与终点之间的时间称为横向驰豫时间，即为该组织的 T2 值。
也就是说，氢原子所在分子之间开始从相位一致到相互碰撞，逐渐分散开来，最终实现均匀分布。这个过程总能量没有变。或者说势能不变？
前面说到自由水中能量传递无效，所以有更长的驰豫时间，所以==自由水纵向驰豫时间与横向驰豫时间都长==，所以通常说==水是长 T1、长 T2 组织==，代表为脑脊液、尿液。
在分子里质子的驰豫与水不一样，部分与分子的大小有关系，小分子例如水运动快，驰豫效率下降，所以驰豫时间长。例如脂肪酸（由碳、氢、氧元素组成的化合物是磷脂的主要成分）在脂肪组织中运动受限，故 T1 弛豫率增快，导致脂肪组织的 T1 驰豫在所有生物组织中最短，根据主磁场的不同，脂肪的 T1 驰豫时间在 200ms 左右，而自由水的 T1 驰豫时间在 3000ms 左右。
# 小结
T1值（纵向弛豫）与T2值（横向弛豫）的差别
T1值（纵向弛豫）是质子释放能量传递给其他分子，所需时间较长，所以组织的T1值为数百到数千毫秒。
T2值（横向弛豫）是质子群能量在质子群内部传递，所需时间较短，所以组织T2值仅为数十毫秒到一百多毫秒，少数达数百毫秒。
随着主磁场强度增高，组织T1值会延长，T2值改变不明显。
# 核磁共振阅片
# 基础知识
MRI：通过对静磁场中的人体施加某种特定频率的射频脉冲，使人体组织中的氢质子受到激励而发生磁共振现象，当终止射频脉冲后，质子在弛豫过程中感应出MR信号，经过对MR信号的接收、空间编码和图像重建等处理过
程，即产生MR图像。
- T1：纵向弛豫时间，纵向磁化由零恢复到原来数值的63％时所需时间
- T2：横向弛豫时间，横向磁化由最大衰减到原来值的37％时所需时间
T1加权成像(TIWI)是指突出组织TI纵向弛豫差别。TI越短，指信号越强，T1越长，指信号越弱。
T2加权成像(T2Wl)是指突出组织T2横向弛豫差别。T2越短，指信号越弱，T2越长，则信号越强。
T1像特点组织的T1越短，恢复越快，信号就越强；组织的T1越长，恢复越慢，信号就越弱，
T2像特点组织的T2越长，恢复越慢，信号就越强；组织的T2越短，恢复越快，信号就越弱。
T1观察解剖结构较好，T2显示组织病变较好．对出血较敏感，伪影相对少，成像速度慢。
长T1为黑色，短T1为白色；长T2为白色，短T2为黑色。
韧带、关节囊、关节盘 T1WI低信号，T2WI低信号
关节腔内滑液，薄层 T1WI低信号，T2WI高信号
髓核和纤维环内层， T1WI低信号，T2WI高信号
纤维环外层， T1WI低信号，T2WI低信号
| T1 | T2 | T2+FSI |
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# 脊柱阅片
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