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深入浅出带你了解磁共振成像(MRI)基本原理

更新时间:2024-04-07 点击次数:245

深入浅出带你了解磁共振成像(MRI)基本原理


一、 当我们去医院做核磁共振检查时是如何给大脑照相的呢?照相的原理又是什么?


人的大脑可以说是世jie上zui为精妙复杂的系统,从生理上来说,脑的功能是控制身体的其他器官,可以说所有的行为都因它而起,所有的感悟也都由它而生。对于这么复杂而又精细的系统,从古至今人类从未放弃探索。


研究脑zui古老的方法是神经解剖学。神经生理学家研究脑的化学、药理学和电性质,认知神经科学研究大脑的运作如何执行心理或认知功能。我们姑且将其统称为脑科学,即研究脑的结构和功能的科学。


脑科学研究方法除了常规的认知行为研究之外,还有利用脑功能成像设备的研究方法,zui常见的有磁共振成像技术(MRI)、脑电图(EEG)、脑磁图(MEG)等。今天我们就来聊聊磁共振成像技术(MRI)的基本原理。



磁共振成像技术原本称为核磁共振成像。很多人听到“核磁",第1反应是这个对人体有害吗,因为名称中不是有“核"吗。其实,此处的"核“指"原子核“确实不假,但磁共振成像只与原子核的磁场相关,与原子核聚变、裂变等的能量放射并无关系。因此,磁共振成像其实是利用人体组织中某种原子核的核磁共振现象,将所得射频信号经过计算机处理,重构出人体某一层面的图像的诊断技术。


二、 “核"和“磁"


我们先来说说这个“核"。人体是由原子构成的,原子由电子和原子核组成,原子核包括质子和中子。原子核像地球一样可以围绕着中轴进行自我旋转,并且人体中水分含量zui多,因此大脑中的H质子会自旋。通常情况下,每个质子自旋均会产生一个小的磁场,但呈随机无序排列,各方向的磁性相互抵消,因此人体整体不表现磁性。


但当一个人进入核磁共振扫描机器里,这些质子就处在了扫描机所产生的强磁场中。这些H原子仍按自己的频率震动,但方向为与外界磁场保持一致,整体上会表现出磁性。这就好比学校做广播体操,同学们一开始是随机排列的,但是一旦听到广播体操声响起,同学们都会自觉的排列整齐,朝同一个方向齐刷刷站好。此时,质子兼顾自旋和指向磁场方向或反方向的两种运动,综合起来看就类似于小时候玩的陀螺,称之为进动。


因此,磁共振成像系统中很重要的一个组成部分就是磁体系统,它的主要作用是提供一个稳定的、均匀的空间磁场环境。根据磁场强度的大小,可以把磁共振设备分为低场、中场、高场及超高场。磁场的单位是特斯拉(Tesla),是以一位传奇的物理学家尼古拉·特斯拉的名字命名的。


磁场强度小于0.5T的磁共振设备被叫做低场磁共振

磁场强度大于0.5T小于1.0T的磁共振设备叫做中场磁共振

磁场强度大于1.0T小于2.0T的磁共振就是高场磁共振

磁场强度大于2.0T的磁共振是超高场磁共振,包括临床和科研常用的3.0T和7.0T


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三、“共振"


前面我们提到,在外加磁场后,体内的质子进动而产生磁矢量。平衡状态下,大部分的质子方向和外加磁场方向一致(即纵向磁化),而由于相位不同,宏观上只有纵向磁化产生,而无横向磁化产生。但由于和外加磁场方向一致不能被直接测量,我们如果想要获得这个信号,就需要扰乱它。


这就提到磁共振系统第二个重要组成部分——射频系统,它的主要作用是发射能够激发成像区域的射频脉冲。当我们加入的射频脉冲的频率和质子进动频率一致时,就会发生能量的传递,低能的质子获得能量进入高能的状态,这便是核磁共振。


加入了射频脉冲之后,产生的第1个影响是能量的传递,获得能量的质子会从低能级(磁场方向指向上)跃迁至高能状态(磁场方向指向下),纵向磁场强度随之不断减小。第二个影响是由于频率一致,所有吸收能量的质子会相互吸引靠拢,产生相同的相位,横向磁场强度随之不断增大。  


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四.“成像"


那么,射频脉冲关闭后发生了什么呢?当射频脉冲消失后,这些共振的H原子会慢慢恢复到原来的方向和幅度,这个过程称之为“弛豫"。


弛豫分为横向弛豫和纵向弛豫。横向弛豫也称T2弛豫,即横向磁化逐渐减少的过程,横向磁化从zui大值减少了63%所花费的时间为T2;纵向弛豫也称为T1弛豫,即纵向磁化逐渐恢复的过程,纵向磁化恢复到平衡状态强度的63%所需的时间为T1。弛豫时间与质子密度有关,不同组织的T1和T2值有很大的差异。


简单来说,在恢复的过程中,被激发的质子释放的能量,即磁共振信号被计算机所接收。对于T1像,计算机接收的是从0到63%的信号,时间越长,信号越弱。而T2像是从100%到37%的信号,所以时间越长,信号越强。


zui终按照强度转换为黑白灰阶,从而画出人体图像。信号越强,图像越亮;信号越弱,图像越暗。比如,大家可以记住水为长T1长T2,脂肪为短T1短T2,如下图所示。T1像中的脑脊液为黑色,而T2像中脑脊液为白色。通常,T1观察解剖结构较好,T2观察组织病变较好。



五.Metrolab 核磁共振(MRI)磁场相机MFC2046


当我们了解清楚核磁共振的原理之后,才会发现要搭建一套医院的核磁共振检测设备是需要很高精度的检测仪器辅助检测的,昊量光电全新推出的Metrolab 核磁共振(MRI)磁场相机MFC2046就是专门为了医疗、科研等高精度设备检测提供了一种的解决方案!


Metrolab 的 NMR(质子核磁共振) 磁场相机于 25 年前推出,加快了磁共振成像(MRI)磁体的磁场测绘。它们将采集时间从几小时缩短到几分钟,将定位误差减小到几分之一毫米,并使人为误差和漂移误差变得微不足道。


Metrolab 核磁共振成像(MRI)磁场相机MFC2046基于脉冲 NMR 技术,是精密测试仪核磁共振三轴高斯计PT2026 的延伸。


新一代磁场相机MFC2046相比上一款MFC3045可提供更多方案:

测量范围更广,频率可达 1.1 GHz 或 30 T

多种探头阵列几何形状可供选择,用于绘制 DSV 为 100 mm至 600mm的 MRI 磁体或孔径小至 20 mm的 NMR 光谱磁体的图谱

一个测头阵列上蕞多可安装 255 个测头

更高的灵活性:一台仪器可进行多点测绘和单点测量

高效的工作流程:核磁共振成像探头阵列可包括一个宽范围探头,用于进行磁场扫描

标准 USB 和以太网接口

用户友好型软件:任务驱动,实时数据采集



参考文献:

《磁共振成像临床应用入门》靳二虎 蒋涛 张辉

Grover, V. P., Tognarelli, J. M., Crossey, M. M., Cox, I. J., Taylor-Robinson, S. D., & McPhail, M. J. (2015). Magnetic Resonance Imaging: Principles and Techniques: Lessons for Clinicians. Journal of clinical and experimental hepatology, 5(3), 246–255.


关于昊量光电:

上海昊量光电设备有限公司是光电产品专业代理商,产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、光学元件等,涉及应用涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防、量子光学、生物显微、物联传感、激光制造等;可为客户提供完整的设备安装,培训,硬件开发,软件开发,系统集成等服务。



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