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MRI原理与技术 版权信息
- ISBN：9787030333223
- 条形码：9787030333223 ; 978-7-03-033322-3
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
MRI原理与技术 内容简介
从原理、技术和新技术几个面对核磁共振成像（MRI）设备进行全面的分析、论述。全书共分十章，详细围绕以上几点进行展开。大量的图例方便读者学习。本书可供普通高等学校影像等专业学生作为教材，也可供相关领域人员参考。
MRI原理与技术 目录
目录
前言
第1章 核磁共振物理基础 1
1.1 原子核自旋与自旋磁矩 1
1.2 原子核在静磁场中受到的力矩和势能 1
1.3 核磁矩在静磁场巾的进动 2
1.4 在射频场作用下的核磁共振现象 4
1.5 核磁共振简单量子理论 6
1.6 原子核系的静磁化强度 7
1.7 磁化强度的弛豫过程 8
1.8 磁化强度的运动方程-Bloch方程 9
1.9 核磁共振谱线特性 10
第2章 核磁共振信号 13
2.1 自由感应衰减信号 13
2.2 自旋回波 14
2.3 Hahn回波 15
2.4 受激同波 16
2.5 梯度回波 16
第3章 MR图像对比度特性 18
3.1 MR图像对比度种类 18
3.2 SE序列不同加权特性的参数设置 19
3.3 梯度脉冲序列的参数设置 20
3.4 对比度的参数优化 20
第4章 MR信号的空间编码 21
4.1 RF脉冲 21
4.2 空间编码 25
第5章 k空间 32
5.1 k空间概念及特点 32
5.2 填充部分k空间 34
5.3 k空间与图像空间的关系 35
5.4 k空间数据重建 37
5.5 部分k空间重建 37
5.6 非笛卡儿采样数据采集及重建算法 50
5.7 随机采样稀疏数据重建算法 56
第6章 MR成像脉冲序列 75
6.1 基础脉冲序列 75
6.2 快速自旋回波序列 80
6.3 梯度回波序列 83
6.4 梯度自旋回波序列 88
6.5 平面回波成像技术 89
第7章 MR性能参数与测试 93
7.1 MR性能参数 93
7.2 性能参数测试 95
第8章 MR图像伪影 99
8.1 与主磁场相关的伪影 99
8.2 与RF场相关的伪影 99
8.3 与梯度场相关的伪影 101
8.4 与信号处理相关的伪影 102
8.5 与物理效应相关的伪影 107
8.6 运动伪影 109
第9章 特殊MR成像技术 132
9.1 磁共振波谱 132
9.2 磁共振功能成像 137
9.3 扩散成像 139
9.4 灌注成像 142
9.5 磁敏感成像技术 144
9.6 磁共振弹性成像技术 147
9.7 并行成像技术 149
第10章 MR成像系统构造 163
10.1 MR成像系绕构造概述 163
10.2 磁体系统 164
10.3 梯度系统 169
10.4 RF系统 173
10.5 扫描前系统调节 191
10.6 双梯度MR成像系统 192
10.7 MRI系统的进展 203
参考文献 208
前言
第1章 核磁共振物理基础 1
1.1 原子核自旋与自旋磁矩 1
1.2 原子核在静磁场中受到的力矩和势能 1
1.3 核磁矩在静磁场巾的进动 2
1.4 在射频场作用下的核磁共振现象 4
1.5 核磁共振简单量子理论 6
1.6 原子核系的静磁化强度 7
1.7 磁化强度的弛豫过程 8
1.8 磁化强度的运动方程-Bloch方程 9
1.9 核磁共振谱线特性 10
第2章 核磁共振信号 13
2.1 自由感应衰减信号 13
2.2 自旋回波 14
2.3 Hahn回波 15
2.4 受激同波 16
2.5 梯度回波 16
第3章 MR图像对比度特性 18
3.1 MR图像对比度种类 18
3.2 SE序列不同加权特性的参数设置 19
3.3 梯度脉冲序列的参数设置 20
3.4 对比度的参数优化 20
第4章 MR信号的空间编码 21
4.1 RF脉冲 21
4.2 空间编码 25
第5章 k空间 32
5.1 k空间概念及特点 32
5.2 填充部分k空间 34
5.3 k空间与图像空间的关系 35
5.4 k空间数据重建 37
5.5 部分k空间重建 37
5.6 非笛卡儿采样数据采集及重建算法 50
5.7 随机采样稀疏数据重建算法 56
第6章 MR成像脉冲序列 75
6.1 基础脉冲序列 75
6.2 快速自旋回波序列 80
6.3 梯度回波序列 83
6.4 梯度自旋回波序列 88
6.5 平面回波成像技术 89
第7章 MR性能参数与测试 93
7.1 MR性能参数 93
7.2 性能参数测试 95
第8章 MR图像伪影 99
8.1 与主磁场相关的伪影 99
8.2 与RF场相关的伪影 99
8.3 与梯度场相关的伪影 101
8.4 与信号处理相关的伪影 102
8.5 与物理效应相关的伪影 107
8.6 运动伪影 109
第9章 特殊MR成像技术 132
9.1 磁共振波谱 132
9.2 磁共振功能成像 137
9.3 扩散成像 139
9.4 灌注成像 142
9.5 磁敏感成像技术 144
9.6 磁共振弹性成像技术 147
9.7 并行成像技术 149
第10章 MR成像系统构造 163
10.1 MR成像系绕构造概述 163
10.2 磁体系统 164
10.3 梯度系统 169
10.4 RF系统 173
10.5 扫描前系统调节 191
10.6 双梯度MR成像系统 192
10.7 MRI系统的进展 203
参考文献 208
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MRI原理与技术 节选
第1章 核磁共振物理基础 1.1 原子核自旋与自旋磁矩 具有非零磁矩是原子核产生核磁共振现象的内因，外磁场B0是产生核磁共振现象的外因。在经典物理学框架下，原子核可看作一个球形物体围绕其旋转轴做不停的旋转运动，因此具有一定的自旋角动量（以下简称自旋）。经典理论可以形象地解释自旋角动量的形成，但是在定量计算自旋角动量上存在一定的局限性。量子力学理论认为核自旋角动量不是连续的，而是量子化的。可用自旋量子数I来表征自旋角动量J量子化。例如，自旋角动量在某一方向（如z方向）的投影Jz为 （1.1.1） 式中，h是Plank常量；mI称为自旋磁量子数。 质子、中子和电子均属于费米子，它们的I值均是1/2。原子核是由质子和中子组成的，原子核的自旋量子数是由质子数和中子数确定的，其确定规律见表1.1.1。 表1.1.1 原子核自旋量子数确定规律 原子核的自旋角动量J及其自旋磁矩μ（简称核磁矩）之间存在如下关系： （1.1.2） 式中，γ称为原子核的旋磁比（gyromagnetic ratio）或磁旋比。其中e为电荷大小；mN为核子质量；c为光速，g为该核的g因子。表1.1.2列出了部分原子核的自旋量子数、g因子、自旋磁矩和磁旋比。大量实验研究表明，各种原子核的g因子的数值处于-4.26与+5.96之间，核磁矩的数值处于-2.13~+6.17（以核磁子μN为单位）的范围内。 表1.1.2 原子核的自旋磁矩 注：μN称为核磁子（μN=e/2mNc）；1T（特斯拉）=104G（高斯） 1.2 原子核在静磁场中受到的力矩和势能 在静磁场作用下，核磁矩会受到力的作用，简并的能级会解除简并从而分裂形成不同的能级。核磁矩在均匀外磁场中受到的力矩和势能分别为 （1.2.1） （1.2.2） 根据量子力学理论可知E不是连续变化的，而是量子化分布的。若把B方向取作z方向，则式（1.2.2）化为 （1.2.3） 考虑μz的量子化，可得到核磁矩μ在外磁场B中的量子化能级公式 （1.2.4） 这种不连续的能量值形成原子核在外磁场中的塞曼能级（Zeeman energy level），按能级大小画出的图就是Zeeman能级图。 由式（1.2.4）可以得出相邻能级间隔ΔE为 （1.2.5） Zeeman能级的形成是由于磁场使基态能级的简并情形被解除，能级分裂而成。由式（1.2.5）可知Zeeman能级的特点是相邻能级间隔相等。由式（1.2.5）可知ΔE与场强B的大小成正比。Zeeman能级间隔ΔE对应的是RF范围。需要注意的是Zeeman能级跃迁只允许相邻能级间的跃迁。 1.3 核磁矩在静磁场中的进动 核磁矩自身存在自旋运动，在外磁场B作用下会受到力矩L的作用，该力矩会使自旋围绕磁场B进动。这与陀螺的运动类似，当它的轴线偏离垂直方向时，在重力G的作用下并不倒向地面，而是绕轴转动。陀螺的自旋角动量J在重力场作用下受到力矩M=J×G的作用，M垂直纸面向里，使陀螺做逆时针转动，如图1.3.1（a）所示。核磁矩μ在磁场作用下受到的力矩M=μ×B的作用，M垂直纸面向外，因此核磁矩做顺时针转动，如图1.3.1（b）所示。 （a）陀螺（b）自旋 图1.3.1 陀螺的进动与核磁矩的进动 下面考虑自旋在力矩作用下的运动。当外磁场B为静磁场B0时，核磁矩μ在外磁场中的进动方程可写为 （1.3.1） 利用式（1.1.2）可将式（1.3.1）转化为 （1.3.2） 将式（1.3.2）转化为代数式形式（设B0方向为z方向） （1.3.3） 求解式（1.3.3）可得到μx，μy和μz A和由方程的初始条件决定。平面xOy上的磁矩可利用μ⊥表示 （1.3.4） 由式（1.3.4）可知核磁矩μ在xOy平面上的投影μ⊥绕着原点转动，μ⊥是一个常量A。由于μz也是一个常量，所以μ必在一个圆锥面上绕z轴进动（图1.3.1（b）），进动的角速度为 （1.3.5） 当γ>0时，ω0与B0方向相反，对着B0方向看μ在圆锥面上做顺时针进动；当γ0的情况。 图1.3.2 拉莫尔进动频率与B0成正比关系（1H） 由式（1.3.5）可知，核磁矩进动角速度的大小ω0与B0成正比（图1.3.2），与原子核的种类（γ值）有关，与μ和B0的夹角无关，即与μ的能级无关。原子核的这种进动称为拉莫尔进动（Larmor precession）。 一般利用进动角速度的大小表征拉莫尔进动频率 （1.3.6） 当B0为1T时，氢质子的拉莫尔进动频率约为42.58MHz；当B0为0.5T时，氢质子的拉莫尔进动频率约为21.29MHz。表1.3.1列出了几种原子核的自旋量子数和1T下的拉莫尔进动频率。 表1.3.1 几种原子核的自旋量子数与拉莫尔进动频率 上述推导是实验室坐标系（L系：Oxyz坐标系）下的结果。在旋转坐标系（R系：OXYZ坐标系）下也可推得与实验室坐标系一样的结论。如果选择适当的旋转坐标系可使核磁共振中的一些问题得以简化，因此在核磁共振现象发生后的磁化强度矢量的弛豫过程中常利用旋转坐标系进行计算。 R系与L系共原点，OZ//Oz，即R系以瞬时角速度Ω绕着L系转动，如图1.3.3所示。矢量F在R系和L系中的转换矩阵为 图1.3.3 R系绕L系以角速度Ω旋转 如果一个矢量在L系中的导数为dF/dt，其在旋转坐标系中的导数为δF/δt（即随同R系一起转动的观察者测得的F的时变率），则dF/dt与δF/δt存在如下关系： （1.3.7） 式中，Ω是R系相对于L系的旋转角速度。利用式（1.3.7）结合式（1.3.2）也可推得原子核在静磁场作用下的运动是拉莫尔进动，进动频率为ω0。 1.4 在射频场作用下的核磁共振现象 如果单个核磁矩在静磁场中受到与其垂直的射频场（RF场）作用时会出现什么现象？RF场如何影响核磁矩？在此将对RF场在核磁共振现象中的作用进行说明。 设Bx（t）=Bx（0）cosωt是沿着L系x轴施加的交变磁场，则旋转磁场分量可写为 （1.4.1） 式中，B1=Bx（0）/2。现在研究在B1（t）及B0同时作用下的核磁矩μ的运动，即求解下列方程： （1.4.2） 式（1.4.2）很难按照式（1.3.2）~（1.3.5）的方法进行求解。因此需要选取适当的旋转坐标系（R系）。取一个与L系（xyz坐标系）共原点，以角速度ωz旋转的坐标系OXYZ，并且OZ//Oz。由R系观察，旋转磁场分量B1（t）变成静止的磁场B1=B1ex，由式（1.4.2）和式（1.3.7）可得 （1.4.3） 设RF场的频率ω>0，其顺时针旋转磁场分量ωz=-ω0，则式（1.4.3）化为 （1.4.4） 式中，Beff为等效磁场 （1.4.5） 由式（1.4.4）可知，在以角速度ω=-ωez旋转的坐标系OXYZ中，核磁矩μ将绕着Beff进动，进动角速度ωp=-γBeff，即μ在以Beff为轴的一个圆锥面上进动，如图1.4.1所示。 图1.4.1 在RF场作用下，自旋磁矩μ绕等效磁场进动示意图 当顺时针旋转的磁场分量的角速度ω（也是R系的旋转角速度）正好等于核磁矩的拉莫尔进动频率ω0时，根据公式（1.4.5）有 （1.4.6） 在旋转坐标系下自旋磁矩的进动角速度为 （1.4.7） 一般情况下，所以相对于拉莫尔进动来说，上述进动是缓慢的。在L系中，μ一方面以角速度ω0=-γB0绕z轴做快速进动，另一方面又以角速度ωp=-γH1ex绕x轴做缓慢进动。μ绕B1进动致使μ与静磁场B0之间的夹角θ不断地变化，因此μ的势能E也不断变化。当θ从0开始增大时，μ在阴影上方，势能E亦随之增大。此时核磁矩从外加RF场吸收能量，这便是核磁共振吸收现象。由上可知，发生核磁共振的条件是RF场的频率ωRF等于核磁矩在静磁场中的拉莫尔进动频率，即 （1.4.8） 若RF场的频率满足核磁共振的条件，且当t=0时，假设μ与z轴平行，RF场作用时间tω很短，则RF脉冲作用核磁矩μ使之绕B1转动一定的角度，该角度称为翻转角（flipangle，FA），其大小为 （1.4.9） 使μ绕B1转过90°的RF脉冲叫做90°脉冲，而使μ绕B1转过180°的RF脉冲叫做180°脉冲，见图1.4.2。如果FA为任意角度α，则施加的RF脉冲叫做α脉冲。 图1.4.2 90°RF脉冲和180°RF脉冲 当外加RF场的频率ωRF不等于核磁矩的拉莫尔频率ω0时，可分两种情况进行讨论。一种是当ωRF与ω0相差不大时，原子核交替吸收和辐射能量，仍旧能够观察到核磁共振现象，只是核磁共振信号强度没有ωRF与ω0相等的情况下信号强；第二种情况是ωRF与ω0相差很大，则上述交替吸收和辐射能量的过程很快，实际上相当于核磁矩不吸收净能量或θ角不变化，没有核磁共振信号产生。 这好比我们准备调节收音机接收某一频道的节目，当调节的频率远离该信号的频率时，不能接收到该频率的信号；但是当调节到逐步接近该频率时，可以听到该频率的信号，只是声音不是非常清晰有些嘈杂；如果调节到与该节目频率一致时，可以清晰地接收到该频率的节目。 实现核磁共振可以采用扫场法或扫频法。扫场法是调节静磁场强度使之满足式（1.4.8）；扫频法是调节RF场的频率，使扫描条件满足式（1.4.8）。扫场法一般不应用在医用MRI系统中，即医用MRI系统使用扫频法。 1.5 核磁共振简单量子理论 按照量子力学，磁偶极跃迁服从ΔmI=±1的选择定则，该定则说明只有相邻能级的跃迁才会使原子核发生磁偶极跃迁，从而产生核磁共振信号。 当ΔmI=-1时，低能级自旋吸收能量跃迁到高能级（受激吸收）；当ΔmI=+1时，高能级自旋辐射能量跃迁到低能级（受激辐射），见图1.5.1。 图1.5.1 核磁矩的能级跃迁——受激吸收和受激辐射 受激吸收和受激辐射发生的概率W是相等的，跃迁概率W的大小与外加电磁场的能量密度有关。在时间dt内发生受激吸收的粒子数为WN1dt，发生受激辐射的粒子数为WN2dt。N1、N2分别是t时刻位于低、高能级自旋总数。 处于热平衡态时，原子核数目在各能级上的分布服从玻尔兹曼（Boltzmann）分布，即 （1.5.1） 式中，Ni表示第i个能级上的核数；Ei为该能级上的能量；N为系统的总核数；k为玻尔兹曼常量（k=1.381×10-23J/K）；T为绝对温度。 由式（1.5.1）可知能级越低，其上的粒子数越多；能级越高，其上的粒子数越少。热平衡态下，高低能级粒子数比值为 （1.5.2） 热平衡态时，低能级粒子数比高能级粒子数多，因此核系的总吸收大于总辐射。从而在满足核磁共振条件时，外加RF场能量被吸收。如果核系处于非热平衡态，如处于N1=N2状态，则系统既不吸收也不辐射电磁能量，观察不到核磁共振现象。N1=N2状态也称为饱和态（saturation）。 由式（1.5.2）可知增大高低能级粒子数差异的方法有两种：一是提高磁感应强度B0；二
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