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MRI原理與技術 版權信息
- ISBN：9787030333223
- 條形碼：9787030333223 ; 978-7-03-033322-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
MRI原理與技術 內容簡介
從原理、技術和新技術幾個面對核磁共振成像（MRI）設備進行全面的分析、論述。全書共分十章，詳細圍繞以上幾點進行展開。大量的圖例方便讀者學習。本書可供普通高等學校影像等專業學生作為教材，也可供相關領域人員參考。
MRI原理與技術 目錄
目錄
前言
第1章 核磁共振物理基礎 1
1.1 原子核自旋與自旋磁矩 1
1.2 原子核在靜磁場中受到的力矩和勢能 1
1.3 核磁矩在靜磁場巾的進動 2
1.4 在射頻場作用下的核磁共振現象 4
1.5 核磁共振簡單量子理論 6
1.6 原子核系的靜磁化強度 7
1.7 磁化強度的弛豫過程 8
1.8 磁化強度的運動方程-Bloch方程 9
1.9 核磁共振譜線特性 10
第2章 核磁共振信號 13
2.1 自由感應衰減信號 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圖像對比度特性 18
3.1 MR圖像對比度種類 18
3.2 SE序列不同加權特性的參數設置 19
3.3 梯度脈沖序列的參數設置 20
3.4 對比度的參數優化 20
第4章 MR信號的空間編碼 21
4.1 RF脈沖 21
4.2 空間編碼 25
第5章 k空間 32
5.1 k空間概念及特點 32
5.2 填充部分k空間 34
5.3 k空間與圖像空間的關系 35
5.4 k空間數據重建 37
5.5 部分k空間重建 37
5.6 非笛卡兒采樣數據采集及重建算法 50
5.7 隨機采樣稀疏數據重建算法 56
第6章 MR成像脈沖序列 75
6.1 基礎脈沖序列 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 平面回波成像技術 89
第7章 MR性能參數與測試 93
7.1 MR性能參數 93
7.2 性能參數測試 95
第8章 MR圖像偽影 99
8.1 與主磁場相關的偽影 99
8.2 與RF場相關的偽影 99
8.3 與梯度場相關的偽影 101
8.4 與信號處理相關的偽影 102
8.5 與物理效應相關的偽影 107
8.6 運動偽影 109
第9章 特殊MR成像技術 132
9.1 磁共振波譜 132
9.2 磁共振功能成像 137
9.3 擴散成像 139
9.4 灌注成像 142
9.5 磁敏感成像技術 144
9.6 磁共振彈性成像技術 147
9.7 并行成像技術 149
第10章 MR成像系統構造 163
10.1 MR成像系繞構造概述 163
10.2 磁體系統 164
10.3 梯度系統 169
10.4 RF系統 173
10.5 掃描前系統調節 191
10.6 雙梯度MR成像系統 192
10.7 MRI系統的進展 203
參考文獻 208
前言
第1章 核磁共振物理基礎 1
1.1 原子核自旋與自旋磁矩 1
1.2 原子核在靜磁場中受到的力矩和勢能 1
1.3 核磁矩在靜磁場巾的進動 2
1.4 在射頻場作用下的核磁共振現象 4
1.5 核磁共振簡單量子理論 6
1.6 原子核系的靜磁化強度 7
1.7 磁化強度的弛豫過程 8
1.8 磁化強度的運動方程-Bloch方程 9
1.9 核磁共振譜線特性 10
第2章 核磁共振信號 13
2.1 自由感應衰減信號 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圖像對比度特性 18
3.1 MR圖像對比度種類 18
3.2 SE序列不同加權特性的參數設置 19
3.3 梯度脈沖序列的參數設置 20
3.4 對比度的參數優化 20
第4章 MR信號的空間編碼 21
4.1 RF脈沖 21
4.2 空間編碼 25
第5章 k空間 32
5.1 k空間概念及特點 32
5.2 填充部分k空間 34
5.3 k空間與圖像空間的關系 35
5.4 k空間數據重建 37
5.5 部分k空間重建 37
5.6 非笛卡兒采樣數據采集及重建算法 50
5.7 隨機采樣稀疏數據重建算法 56
第6章 MR成像脈沖序列 75
6.1 基礎脈沖序列 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 平面回波成像技術 89
第7章 MR性能參數與測試 93
7.1 MR性能參數 93
7.2 性能參數測試 95
第8章 MR圖像偽影 99
8.1 與主磁場相關的偽影 99
8.2 與RF場相關的偽影 99
8.3 與梯度場相關的偽影 101
8.4 與信號處理相關的偽影 102
8.5 與物理效應相關的偽影 107
8.6 運動偽影 109
第9章 特殊MR成像技術 132
9.1 磁共振波譜 132
9.2 磁共振功能成像 137
9.3 擴散成像 139
9.4 灌注成像 142
9.5 磁敏感成像技術 144
9.6 磁共振彈性成像技術 147
9.7 并行成像技術 149
第10章 MR成像系統構造 163
10.1 MR成像系繞構造概述 163
10.2 磁體系統 164
10.3 梯度系統 169
10.4 RF系統 173
10.5 掃描前系統調節 191
10.6 雙梯度MR成像系統 192
10.7 MRI系統的進展 203
參考文獻 208
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MRI原理與技術 節選
第1章 核磁共振物理基礎 1.1 原子核自旋與自旋磁矩 具有非零磁矩是原子核產生核磁共振現象的內因，外磁場B0是產生核磁共振現象的外因。在經典物理學框架下，原子核可看作一個球形物體圍繞其旋轉軸做不停的旋轉運動，因此具有一定的自旋角動量（以下簡稱自旋）。經典理論可以形象地解釋自旋角動量的形成，但是在定量計算自旋角動量上存在一定的局限性。量子力學理論認為核自旋角動量不是連續的，而是量子化的。可用自旋量子數I來表征自旋角動量J量子化。例如，自旋角動量在某一方向（如z方向）的投影Jz為 （1.1.1） 式中，h是Plank常量；mI稱為自旋磁量子數。 質子、中子和電子均屬于費米子，它們的I值均是1/2。原子核是由質子和中子組成的，原子核的自旋量子數是由質子數和中子數確定的，其確定規律見表1.1.1。 表1.1.1 原子核自旋量子數確定規律 原子核的自旋角動量J及其自旋磁矩μ（簡稱核磁矩）之間存在如下關系： （1.1.2） 式中，γ稱為原子核的旋磁比（gyromagnetic ratio）或磁旋比。其中e為電荷大小；mN為核子質量；c為光速，g為該核的g因子。表1.1.2列出了部分原子核的自旋量子數、g因子、自旋磁矩和磁旋比。大量實驗研究表明，各種原子核的g因子的數值處于-4.26與+5.96之間，核磁矩的數值處于-2.13~+6.17（以核磁子μN為單位）的范圍內。 表1.1.2 原子核的自旋磁矩 注：μN稱為核磁子（μN=e/2mNc）；1T（特斯拉）=104G（高斯） 1.2 原子核在靜磁場中受到的力矩和勢能 在靜磁場作用下，核磁矩會受到力的作用，簡并的能級會解除簡并從而分裂形成不同的能級。核磁矩在均勻外磁場中受到的力矩和勢能分別為 （1.2.1） （1.2.2） 根據量子力學理論可知E不是連續變化的，而是量子化分布的。若把B方向取作z方向，則式（1.2.2）化為 （1.2.3） 考慮μz的量子化，可得到核磁矩μ在外磁場B中的量子化能級公式 （1.2.4） 這種不連續的能量值形成原子核在外磁場中的塞曼能級（Zeeman energy level），按能級大小畫出的圖就是Zeeman能級圖。 由式（1.2.4）可以得出相鄰能級間隔ΔE為 （1.2.5） Zeeman能級的形成是由于磁場使基態能級的簡并情形被解除，能級分裂而成。由式（1.2.5）可知Zeeman能級的特點是相鄰能級間隔相等。由式（1.2.5）可知ΔE與場強B的大小成正比。Zeeman能級間隔ΔE對應的是RF范圍。需要注意的是Zeeman能級躍遷只允許相鄰能級間的躍遷。 1.3 核磁矩在靜磁場中的進動 核磁矩自身存在自旋運動，在外磁場B作用下會受到力矩L的作用，該力矩會使自旋圍繞磁場B進動。這與陀螺的運動類似，當它的軸線偏離垂直方向時，在重力G的作用下并不倒向地面，而是繞軸轉動。陀螺的自旋角動量J在重力場作用下受到力矩M=J×G的作用，M垂直紙面向里，使陀螺做逆時針轉動，如圖1.3.1（a）所示。核磁矩μ在磁場作用下受到的力矩M=μ×B的作用，M垂直紙面向外，因此核磁矩做順時針轉動，如圖1.3.1（b）所示。 （a）陀螺（b）自旋 圖1.3.1 陀螺的進動與核磁矩的進動 下面考慮自旋在力矩作用下的運動。當外磁場B為靜磁場B0時，核磁矩μ在外磁場中的進動方程可寫為 （1.3.1） 利用式（1.1.2）可將式（1.3.1）轉化為 （1.3.2） 將式（1.3.2）轉化為代數式形式（設B0方向為z方向） （1.3.3） 求解式（1.3.3）可得到μx，μy和μz A和由方程的初始條件決定。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⊥繞著原點轉動，μ⊥是一個常量A。由于μz也是一個常量，所以μ必在一個圓錐面上繞z軸進動（圖1.3.1（b）），進動的角速度為 （1.3.5） 當γ>0時，ω0與B0方向相反，對著B0方向看μ在圓錐面上做順時針進動；當γ0的情況。 圖1.3.2 拉莫爾進動頻率與B0成正比關系（1H） 由式（1.3.5）可知，核磁矩進動角速度的大小ω0與B0成正比（圖1.3.2），與原子核的種類（γ值）有關，與μ和B0的夾角無關，即與μ的能級無關。原子核的這種進動稱為拉莫爾進動（Larmor precession）。 一般利用進動角速度的大小表征拉莫爾進動頻率 （1.3.6） 當B0為1T時，氫質子的拉莫爾進動頻率約為42.58MHz；當B0為0.5T時，氫質子的拉莫爾進動頻率約為21.29MHz。表1.3.1列出了幾種原子核的自旋量子數和1T下的拉莫爾進動頻率。 表1.3.1 幾種原子核的自旋量子數與拉莫爾進動頻率 上述推導是實驗室坐標系（L系：Oxyz坐標系）下的結果。在旋轉坐標系（R系：OXYZ坐標系）下也可推得與實驗室坐標系一樣的結論。如果選擇適當的旋轉坐標系可使核磁共振中的一些問題得以簡化，因此在核磁共振現象發生后的磁化強度矢量的弛豫過程中常利用旋轉坐標系進行計算。 R系與L系共原點，OZ//Oz，即R系以瞬時角速度Ω繞著L系轉動，如圖1.3.3所示。矢量F在R系和L系中的轉換矩陣為 圖1.3.3 R系繞L系以角速度Ω旋轉 如果一個矢量在L系中的導數為dF/dt，其在旋轉坐標系中的導數為δF/δt（即隨同R系一起轉動的觀察者測得的F的時變率），則dF/dt與δF/δt存在如下關系： （1.3.7） 式中，Ω是R系相對于L系的旋轉角速度。利用式（1.3.7）結合式（1.3.2）也可推得原子核在靜磁場作用下的運動是拉莫爾進動，進動頻率為ω0。 1.4 在射頻場作用下的核磁共振現象 如果單個核磁矩在靜磁場中受到與其垂直的射頻場（RF場）作用時會出現什么現象？RF場如何影響核磁矩？在此將對RF場在核磁共振現象中的作用進行說明。 設Bx（t）=Bx（0）cosωt是沿著L系x軸施加的交變磁場，則旋轉磁場分量可寫為 （1.4.1） 式中，B1=Bx（0）/2。現在研究在B1（t）及B0同時作用下的核磁矩μ的運動，即求解下列方程： （1.4.2） 式（1.4.2）很難按照式（1.3.2）~（1.3.5）的方法進行求解。因此需要選取適當的旋轉坐標系（R系）。取一個與L系（xyz坐標系）共原點，以角速度ωz旋轉的坐標系OXYZ，并且OZ//Oz。由R系觀察，旋轉磁場分量B1（t）變成靜止的磁場B1=B1ex，由式（1.4.2）和式（1.3.7）可得 （1.4.3） 設RF場的頻率ω>0，其順時針旋轉磁場分量ωz=-ω0，則式（1.4.3）化為 （1.4.4） 式中，Beff為等效磁場 （1.4.5） 由式（1.4.4）可知，在以角速度ω=-ωez旋轉的坐標系OXYZ中，核磁矩μ將繞著Beff進動，進動角速度ωp=-γBeff，即μ在以Beff為軸的一個圓錐面上進動，如圖1.4.1所示。 圖1.4.1 在RF場作用下，自旋磁矩μ繞等效磁場進動示意圖 當順時針旋轉的磁場分量的角速度ω（也是R系的旋轉角速度）正好等于核磁矩的拉莫爾進動頻率ω0時，根據公式（1.4.5）有 （1.4.6） 在旋轉坐標系下自旋磁矩的進動角速度為 （1.4.7） 一般情況下，所以相對于拉莫爾進動來說，上述進動是緩慢的。在L系中，μ一方面以角速度ω0=-γB0繞z軸做快速進動，另一方面又以角速度ωp=-γH1ex繞x軸做緩慢進動。μ繞B1進動致使μ與靜磁場B0之間的夾角θ不斷地變化，因此μ的勢能E也不斷變化。當θ從0開始增大時，μ在陰影上方，勢能E亦隨之增大。此時核磁矩從外加RF場吸收能量，這便是核磁共振吸收現象。由上可知，發生核磁共振的條件是RF場的頻率ωRF等于核磁矩在靜磁場中的拉莫爾進動頻率，即 （1.4.8） 若RF場的頻率滿足核磁共振的條件，且當t=0時，假設μ與z軸平行，RF場作用時間tω很短，則RF脈沖作用核磁矩μ使之繞B1轉動一定的角度，該角度稱為翻轉角（flipangle，FA），其大小為 （1.4.9） 使μ繞B1轉過90°的RF脈沖叫做90°脈沖，而使μ繞B1轉過180°的RF脈沖叫做180°脈沖，見圖1.4.2。如果FA為任意角度α，則施加的RF脈沖叫做α脈沖。 圖1.4.2 90°RF脈沖和180°RF脈沖 當外加RF場的頻率ωRF不等于核磁矩的拉莫爾頻率ω0時，可分兩種情況進行討論。一種是當ωRF與ω0相差不大時，原子核交替吸收和輻射能量，仍舊能夠觀察到核磁共振現象，只是核磁共振信號強度沒有ωRF與ω0相等的情況下信號強；第二種情況是ωRF與ω0相差很大，則上述交替吸收和輻射能量的過程很快，實際上相當于核磁矩不吸收凈能量或θ角不變化，沒有核磁共振信號產生。 這好比我們準備調節收音機接收某一頻道的節目，當調節的頻率遠離該信號的頻率時，不能接收到該頻率的信號；但是當調節到逐步接近該頻率時，可以聽到該頻率的信號，只是聲音不是非常清晰有些嘈雜；如果調節到與該節目頻率一致時，可以清晰地接收到該頻率的節目。 實現核磁共振可以采用掃場法或掃頻法。掃場法是調節靜磁場強度使之滿足式（1.4.8）；掃頻法是調節RF場的頻率，使掃描條件滿足式（1.4.8）。掃場法一般不應用在醫用MRI系統中，即醫用MRI系統使用掃頻法。 1.5 核磁共振簡單量子理論 按照量子力學，磁偶極躍遷服從ΔmI=±1的選擇定則，該定則說明只有相鄰能級的躍遷才會使原子核發生磁偶極躍遷，從而產生核磁共振信號。 當ΔmI=-1時，低能級自旋吸收能量躍遷到高能級（受激吸收）；當ΔmI=+1時，高能級自旋輻射能量躍遷到低能級（受激輻射），見圖1.5.1。 圖1.5.1 核磁矩的能級躍遷——受激吸收和受激輻射 受激吸收和受激輻射發生的概率W是相等的，躍遷概率W的大小與外加電磁場的能量密度有關。在時間dt內發生受激吸收的粒子數為WN1dt，發生受激輻射的粒子數為WN2dt。N1、N2分別是t時刻位于低、高能級自旋總數。 處于熱平衡態時，原子核數目在各能級上的分布服從玻爾茲曼（Boltzmann）分布，即 （1.5.1） 式中，Ni表示第i個能級上的核數；Ei為該能級上的能量；N為系統的總核數；k為玻爾茲曼常量（k=1.381×10-23J/K）；T為絕對溫度。 由式（1.5.1）可知能級越低，其上的粒子數越多；能級越高，其上的粒子數越少。熱平衡態下，高低能級粒子數比值為 （1.5.2） 熱平衡態時，低能級粒子數比高能級粒子數多，因此核系的總吸收大于總輻射。從而在滿足核磁共振條件時，外加RF場能量被吸收。如果核系處于非熱平衡態，如處于N1=N2狀態，則系統既不吸收也不輻射電磁能量，觀察不到核磁共振現象。N1=N2狀態也稱為飽和態（saturation）。 由式（1.5.2）可知增大高低能級粒子數差異的方法有兩種：一是提高磁感應強度B0；二
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