一、磁共振成像原理

具有磁性的原子核处于静磁场中，会产生磁化现象。用适当频率的射频电磁波激励这些原子核，会产生共振，当射频电磁波消失后，受激核发生弛豫，向外界发出电磁波信号，这一过程是磁共振成像的物理基础。

当原子核的质子数、中子数或者两者均为奇数时，原子核带有“净电荷”。其自旋运动会在产生磁场，称之为磁矩，记为 µ 。

γ 称为旋磁比，氢原子核的旋磁比为42.58 ΜΗz/Τ。

人体内部质子都具有磁性，但由于质子自旋轴的无序排列，磁矩相互抵消，总磁矩等于零。当人体处于外界强磁场中，质子在外界磁场的作用下只能取顺主磁场或逆主磁场方向，但其磁化矢量并非完全与主磁场方向平行，而总是与主磁场有一定的角度，并以一定的夹角绕外界磁场作进动，这一现象称为磁化。由于进动的存在，质子自旋产生小磁场又可以分解成两个部分，一部分为方向恒定的纵向磁化分矢量，处于高能级者与主磁场方向相反，处于低能级者与主磁场的方向相同；另一部分为以主磁场方向（ B ₀ ）即 Z 轴为轴心，在 X 、 Y 平面旋转的横向磁化分矢量。由于各个横向磁化分矢量所处的相位不同，磁化矢量相互抵消，因而宏观横向磁化矢量为0。在磁共振成像系统中，主磁场沿 Z 轴方向，用 B ₀ 表示，体内全部质子磁矩的合矢量被称为磁化矢量强度 M ₀ ，与 B ₀ 方向相同。

射频脉冲是一种交变磁场，通常用 B ₁ 来表示，用于激励平衡状态的原子核系统。低能级的质子通过吸收射频的能量后，跃迁至高能级状态，从而达到高能级的质子数目多于低能级质子数，使质子系统处于受激状态。

在主磁场上，用射频场 B ₁ 从 XOY 平面内的 OX 轴向人体施加射频脉冲，射频场的能量 E 与质子的能级差 ΔE 相等，即 E =Δ E ，如图2-7所示。 ω _r 为激励射频场频率， ω ₀ 为质子共振频率，有 ω _r = γ B ₀ = ω ₀ ，从而在原子核、主磁场和激励射频场之间建立了联系。原子核在磁场中有不同的共振频率，若磁共振扫描仪的磁场强度为1.0T，则质子的共振频率是42.58MHz。

在激励过程中，磁化强度矢量会偏离平衡位置（即 Z 轴方向），偏转的角度与射频脉冲的能量有关，能量越大偏转角度越大。射频脉冲能量的大小与射频场强度 B ₁ 及持续时间（脉冲宽度）有关，当宏观磁化矢量的偏转角度确定时，射频脉冲的强度越大，需要持续的时间越短。当射频脉冲的能量正好使宏观纵向磁化矢量偏转90°，即完全偏转到 X 、 Y 平面，这种脉冲被称之为90°脉冲。如果射频脉冲使宏观磁化矢量偏转的角度小于90°，称之为小角度脉冲。如果射频脉冲的能量足够大，使宏观磁化矢量偏转180°，即产生一个与主磁场方向相反的宏观纵向磁化矢量，这种射频脉冲称为180°脉冲。

激励结束后，磁化矢量 M 回到平衡位置的弛豫过程中，释放吸收的能量，产生磁共振信号。弛豫过程是磁共振系统特有的物理过程，分为纵向弛豫和横向弛豫。纵向弛豫过程是质子从高能级回到低能级，并通过热交换将共振所吸收的能量释放给其他类型的原子核，表现为纵向磁化矢量逐渐恢复直至最大值（平衡状态），常用时间常数T ₁ 描述。质子处于主磁场和邻近质子磁场的综合作用下，磁场强度并不均匀，导致每个质子的自旋频率有微小差异，产生相散。横向弛豫过程是质子与质子之间磁矩的相互作用，其结果是磁化矢量 M ₀ 在 XOY 平面上的投影 M _xy 逐渐衰减为0，即横向磁化矢量逐渐减小直至消失。常用T ₂ 时间描述横向弛豫过程或自旋-自旋弛豫过程。

在能级降低和相散的作用下， M _xy 幅度呈螺旋形下降，旋转的宏观横向磁化矢量可以切割接收线圈产生交变的电动势，即磁共振信号，也称为自由感应衰减信号（free induction decay，FID）。该信号是幅度按T ₂ 指数规律变化的正弦波曲线。当 M _xy 在 XOY 平面内转动时，当朝向接收线圈时，接收到正信号；当背向接收线圈时，接收到负信号，如图2-8所示。