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知乎神作:核磁共振的原理是什么?

编者注:小编最近对磁共振比较着迷,从知乎上看到的一篇神作,转载与同行分享~

磁共振的原理说起来非常复杂。

1.首先你要知道这些物理知识

核自旋,加入主磁场B0后,会形成一个净磁化矢量M0,这是由于在外加磁场下,能态被量子化也就是塞曼分裂。

进动:如果对这个M0施加一个扰动,那么就会发生进动,进动频率是拉莫尔频率: [公式]

共振:在B0的基础上施加一个与B0方向垂直的且不断旋转的磁场B1,而如果B1的旋转频率恰好等于拉莫尔频率,那么就会发生共振:

进动的直观表述就是B1的旋转和M0围绕B0的旋转速度正好match上了,那么放在旋转坐标系下,其实就是M0又在围绕B1做一个进动

弛豫:

在一般的大学物理中,我们知道对于一个角动量来说,如果没有外界的干扰,它会保持运动状态的相对不变。体现我们这里,如果撤去射频场之后,净磁化矢量在xy平面的话,那它会一直在xy平面做旋转。但是由于净磁化矢量是一个统计的概念或者说量子力学的一些特性,导致了射频场取消之后,会发生弛豫现象。

描述弛豫现象的方程是Bloch方程,这个方程是一个经验方程并不是理论方程。它描述了宏观的磁化矢量在弛豫过程中的行动。

在射频场B1取消之后,M0会趋向于恢复至初始状态即与B0平行的方向(能量最小最稳定)。因此会在xy平面发生衰减,z方向发生恢复。

2、其次你要知道信号是从那里来的

信号接收:

因为xy平面的Mxy一直在旋转,所以在Z方向放置一个线圈,就会产生磁通量变化产生电流的现象,而由于Mxy在衰减,所以此信号是一个自由衰减的正弦信号FID

3、你还要懂图像是如何形成的(二维FT)

空间编码:

由于磁共振接收到的信号是一个总体的信号,也就是不能区分空间的位置,所以我们需要对其进行空间编码:

首先是Z方向是选层:在Z方向开启梯度场,各个位置的拉莫尔频率不相同,通过施加特定频率的射频磁场就会使得某个层发生共振。

然后是相位编码和频率编码:这个过程比较复杂,相位编码和频率编码的物理过程其实对应了二维傅里叶的数学过程,所以最终接收的到图像就是频率空间KSPACE。这其实是MRI里面非常fascinating的一个环节:经过空间编码后,你接收到的信号就是频率空间的信号了。它非常的奇妙,当然也不是那么容易就能让人理解。

经过这样一个过程之后磁共振接收的信号就可以直接填充到K空间里:


注意:接收信号是在频率编码的同时进行的

在好多次相位编码完成之后,K空间被填充完了,经过二维傅里叶逆变换就能得到我们想要的图像了:

注意:K空间中的各个点(kxky )并不是与图像中的各个像素(x,y)一一对应的。每个K空间点包含关于最终图像中的每个像素的空间频率和相位信息 。相反,图像中的每个像素都映射到K空间中的每个点 。这里可以去看我的另一个回答:

二维傅里叶变换是怎么进行的?www.zhihu.com图标

4、硬件结构:

上面这些只是最基础的,但是想要充分理解也是要画上一番功夫了。下面让我们看一下MRI扫描仪的硬件结构:

主要包含:主磁体、梯度线圈(x\y\z)、射频线圈、信号接收线圈、垫片等。为了实现巨大的磁场,还要有超导技术、就会有液氦。


梯度线圈

整体结构

5、如果想深入了解MRI的话,就不可避免的要学习序列

序列其实就是执行MRI扫描的过程,其实执行一次MRI,我们所要做的就是控制不同的梯度线圈、射频线圈、接收线圈在合适的地点和时间工作。而把这种时序组合起来就是序列:

自旋回波序列SE:

梯度回波序列GRE:

序列其实是MRI里面很有意思的部分:

不同的序列所造成的填充k空间的方式是不同的,所带来的图像的对比度、分辨率以及成像时间都是不同的。


EPI,一次填完

6、最后,回答题主的问题:

超导扫描仪都具有制冷系统,包括用于液氦的泵。无论是否进行扫描,该泵都会产生相对安静,低频,有节奏的“砰砰声”背景噪音。 但是当快速切换的电流通过梯度线圈的振动时,在扫描期间就会出现大的噪声。这些振动可以作为声波辐射到空气中,或者通过物理线路传播到房间的其他部分。

每个脉冲序列基于其梯度波形产生特征噪声模式。回波平面序列(EPI)通常是最响亮的,产生110-120dB范围内的声压。这种“手提钻”级别的噪音可能会引起患者的不适,焦虑,甚至是暂时性的听力损失。扫描过程中为患者提供耳塞或耳机因此强制性的。

具体可在这里查看:MR Acoustics

7、推荐2个学习磁共振的网站吧

http://mriquestions.com/index.htmlmriquestions.com非常好用,几乎所有的疑问在这上面都能找到解答。其实在某些问题上它下面的参考文献显得更有价值。

Study MRI physicswww.revisemri.com这个网站类似提供一些回答,也提供了一些磁共振教程的review。

上面只是磁共振的简化原理,想要理解磁共振真的要下一番功夫啊。

磁共振领域出过许多诺贝尔奖:

作者:阿姆斯特朗
链接:https://www.zhihu.com/question/23831406/answer/629837530
来源:知乎
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。

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