三维演示磁共振成像（MRI）原理！
视频版
人体含有大量的水、脂肪等物质
这些物质含有丰富的氢元素
氢原子由单个质子和电子构成
磁共振成像就要从氢质子的自旋开始讲起
质子具有自旋磁矩
处于外部磁场中的质子
其磁矩会倾向于与磁场平行排列
平行同向排列为较低能量状态
称之为低能态
平行反向排列为高能态
两个自旋态之间的能量差ΔE
可根据塞曼方程计算
两个自旋态的数量可以参考玻尔兹曼分布估算
在接近绝对零度的超低温状态下
可以预测绝大多数自旋会处于低能态
因为热运动会趋于平衡高低能态
随着温度升高
越来越多的自旋会处于高能态
当外部磁场强度为1.5T或3T
绝对温度310K，即体温37℃左右
平衡状态下
低能态仅略微优势多于高能态
然而，这略微多出的合成磁矩
是后续一系列磁共振成像的原始信号来源
我们称之为净磁化强度
其估算公式如图所示
同时，质子还会围绕外部磁场旋转
这种旋转也叫进动，又称拉莫尔进动
进动频率的计算可以参考公式
外部磁场强度为1.5T时
质子的进动频率约为64MHz
当然，实际的自旋进动不会这么整齐
绝大多数是随机分散的
但其相互抵消后的净磁化强度
Mo值的估计依然满足此计算公式
考虑到与质子的单独交互
涉及自旋波函数等诡异的量子知识
而这对于理解磁共振成像其实并不是很必要
我们将基于宏观的净磁化强度M进行讲解
如果在与外部主磁场垂直的方向施加旋转磁场
且旋转频率与进动频率非常接近
质子就会发生磁共振
M会表现出围绕主磁场螺旋进动
进动的倾斜角度被称为翻转角
因为横向旋转磁场的频率一般在兆赫
属于射频的频率范围，而且通常只开启几毫秒
所以也称为射频脉冲
通过调整射频脉冲的幅度或持续时间
可以将Mo翻转90°、180°、270°或其它任意角度
射频脉冲关闭之后，为了方便理解
我们将净磁化强度分解为纵向和横向磁分量
分别进行讲解
首先我们将视角切换到垂直方向俯视横向磁分量
在与进动同频率的旋转坐标系下
各磁矩表现为相对静止状态
由于存在外部磁场轻微的不均匀，局部环境的干扰
以及自旋粒子间相互作用导致的局部场轻微随机波动
质子之间的进动频率会出现快慢差异
各质子的横向磁矩逐渐失去同步
横向磁分量以简单指数形式衰减
此时如果施加一个180°射频脉冲
质子们会围绕脉冲方向翻转180°
假设90°与180°脉冲的时间间隔是t
那么在2t时刻
由于外磁场不均匀而失去同步的磁矩将重新同步
这就是经典的自旋回波
之后各磁矩会再次失去同步
我们可以重复利用180°脉冲进行多次同步产生多次回波
不过，粒子间的相互作用等过程导致的信号衰减无法恢复
总体的横向磁分量还是会持续减弱
上述过程被称为横向弛豫或T2弛豫
横向磁分量衰减到其初始最大值的1/e（约37%）
所需的时间定义为T2弛豫时间
侧重于T2弛豫差别的成像称为T2加权像
另外，未消除磁场均匀性影响的衰减时间定义为T2*
通过梯度反转产生的梯度回波，得到的就是T2*
接收线圈可以捕获横向磁分量的变化
感应出周期性振荡的小电流从而采集磁共振信号
另一方面
纵向磁分量也会以简单指数形式恢复至初始平衡状态
此过程叫纵向弛豫或T1弛豫
纵向磁分量恢复到其最终值1-1/e（约63%）
所需的时间定义为T1弛豫时间
侧重于T1弛豫差别的成像称为T1加权像
纵向磁分量的直接检测较为困难
可通过短时间内再次施加90度脉冲
将部分恢复的M翻转到横向平面进行检测
最后，我们还需借助梯度场来定位信号的空间位置
射频脉冲发射时，需要开启纵向梯度场
使纵向各切片的进动频率呈梯度差异
施加特定频率的射频脉冲
就可以让特定的目标切片发生共振
射频脉冲关闭后，纵向梯度场关闭
此时开启横向Y轴梯度场
质子进动频率呈Y轴梯度差异
进动相位随时间推移逐渐出现差异
此时关闭梯度场，质子进动频率恢复一致
但进动的相位差异被保留了下来
此过程被称为相位编码
最后开启横向X轴梯度场
质子进动频率呈X轴梯度差异
此过程被称为频率编码
频率编码的同时可以进行信号采集
频率分量可以通过单个回波信号的傅里叶变换分解得到
但相位分量不行
需要多次相位编码多个回波信号才能求解得到
到此为止，磁共振成像的基本原理就讲完了
但我们进一步观察会发现
回波信号的前后采样点恰好对应了逐渐升高的空间频率
如果以正交方式采样信号，简单计算可得幅度和相位
其值可直接填充空间频率域，即我们俗称的k空间
此过程重复多次，如示例图像是256次
每次施加不同的相位编码，即可填满K空间
上述过程就是经典的逐行笛卡尔采样
K空间数据通过简单的傅立叶逆变换
就可以得到我们熟悉的磁共振图像
因为相位编码历时较长
逐行笛卡尔采样容易受运动影响产生伪影
可以考虑使用非笛卡尔采样，如径向采样
径向采样没有固定的频率和相位编码方向
而且k空间中心存在过采样
对运动伪影相对不敏感
