核磁共振成像原理背景：

核磁共振成像(MRI)也稱磁共振成像，是利用核磁共振原理外加梯度磁場檢測發(fā)射出的電磁波，據(jù)此可以繪制物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像，常見的可以發(fā)生核磁共振現(xiàn)象的原子有： ¹H、¹¹B、¹³C、¹⁷O、¹⁰F、³¹P。目前核磁共振成像原理在物理、化學(xué)、醫(yī)療、石油化工、食品農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。核磁共振成像(MRI)原理應(yīng)用用于人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)就產(chǎn)生出一種革命性的醫(yī)學(xué)診斷工具–核磁共振成像儀。將快速變化的梯度場應(yīng)用于核磁共振成像儀中，提升了MRI的速度，使該技術(shù)在科學(xué)研究中的廣泛應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。

核磁共振成像原理介紹1:

核磁共振成像原理可簡單歸納為：根據(jù)需要，將待測樣品分成若干個(gè)薄層，這些薄層稱為層面，這個(gè)過程成為選片。每個(gè)層面可分為由許多被稱為體素的小體積組成（如下圖1）。對每一個(gè)體素標(biāo)定一個(gè)記號，這個(gè)過程稱為編碼或空間定位。對某一層面施加射頻脈沖后，接收該層面的核磁共振信號進(jìn)行解碼，得到該層面各個(gè)體素核磁共振信號的大小，zui后根據(jù)其與層面各體素編碼的對應(yīng)關(guān)系，把體素信號的大小顯示在熒光屏對應(yīng)像素上，信號大小用不同的灰度等級表示，信號大的像素亮度大；信號小的像素亮度小。這樣就可以得到一副反映層面各體素核磁共振信號大小的圖像，即MRI圖像。成像過程方框圖見圖2 。

用于確定MR信號源空間位置的基本方法是使用附加的線性梯度，即成像梯度。處在外磁場B0中的氫質(zhì)子不論其空間位置如何，產(chǎn)生的核磁共振的頻率都相同，如果在外磁場B0上沿某一方向再疊加一個(gè)線性梯度磁場，將導(dǎo)致總磁場（外磁場B0和梯度磁場矢量和）在沿梯度磁場方向上呈現(xiàn)一端高一端低，兩端之間的磁場強(qiáng)度呈梯度分布。在磁場梯度方向上使共振頻率產(chǎn)生可預(yù)見的變化。

磁場梯度常常是由核磁共振成像儀中產(chǎn)生外磁場B0的主磁體腔內(nèi)的梯度線圈產(chǎn)生的。運(yùn)用三個(gè)相垂直的磁場梯度，在不同的時(shí)間內(nèi)，對核磁共振信號源進(jìn)行空間三維定位。
下面將簡單介紹核磁共振成像原理中的梯度場。

核磁共振成像原理介紹2：

在自然狀態(tài)下的質(zhì)子，雖然每個(gè)質(zhì)子都有微小的磁矩存在，但是由于空間方向上的隨機(jī)存在而總磁矩為零對外不呈現(xiàn)磁性。將質(zhì)子至于外磁場中，質(zhì)子的磁矩方向會(huì)傾向于與外磁場的方向一致或相反，并產(chǎn)生一個(gè)與外磁場方向相同的縱向磁化強(qiáng)度矢量M₀,即被磁化。磁化后的質(zhì)子處于穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)設(shè)定的掃描參數(shù)，核磁共振儀發(fā)出一個(gè)頻率與質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率相同的射頻激勵(lì)脈沖，進(jìn)動(dòng)質(zhì)子收到激勵(lì)后，吸收射頻激勵(lì)脈沖的能量，縱向磁化強(qiáng)度矢量M₀偏離縱向，即發(fā)生了核磁共振現(xiàn)象。
處在外磁場中的體內(nèi)質(zhì)子，在射頻激勵(lì)脈沖磁場作用下產(chǎn)生磁共振，但所有組織的質(zhì)子以相同的頻率共振，產(chǎn)生核磁共振信號來自于樣品整體，具有相同的頻率特征，沒有任何空間信息，不能形成MRI的圖像。而要形成MRI圖像還需要第三種磁場，即梯度磁場，在MRI中起到空間定位的作用。
所謂的線性梯度磁場就是磁感應(yīng)強(qiáng)度大小隨位置以線性方式變化的磁場，簡稱梯度場。
圖3給出了一個(gè)沿z軸方向的線性梯度場。這里沿z軸方向的線性梯度場含義是指：線性梯度磁場的磁場方向沿B0（或z軸）方向，磁場的大小隨z的增加而線性增加。

為了得到任意層面的空間信息，MRI系統(tǒng)中在x、y和z軸均使用了線性梯度場，分別為Gx、Gy和Gz。在核磁共振成像儀中，線性梯度場是由梯度線圈產(chǎn)生的，置于x、y和z軸方向的三個(gè)梯度線圈分別產(chǎn)生Gx、Gy和Gz。
外磁場B₀是均勻強(qiáng)磁場，其大小和方向是固定不變的。但梯度場的大小和方向均可以改變，因此梯度磁場和外磁場疊加后使得磁場發(fā)生梯度性的變化。如果外磁場B₀沿水平方向，施加一個(gè)水平方向的線性梯度場，其疊加后情況見圖4.

圖4.梯度磁場與外磁場的疊加

核磁共振成像原理介紹3：

在核磁共振成像儀中，將樣品置于穩(wěn)恒均勻外磁場B₀中，外磁場方向沿z軸方向，在外磁場B₀基礎(chǔ)上，再疊加一個(gè)同方向的線性梯度場G_z，該梯度場磁場強(qiáng)度的大小沿z軸方向由小到大均勻改變。圖5中箭頭的長短表示梯度場的強(qiáng)度，箭頭的方向表示梯度場的方向。從圖中可知垂直于z軸方向同一很薄的平面（或?qū)用妫┥系拇艌鰪?qiáng)度相同，不同位置的層面上（圖中1、2、3層面）由于梯度場的強(qiáng)度不同，所以不同位置層面的磁場強(qiáng)度不同。由拉摩爾進(jìn)動(dòng)公式可知：ω₀=γB₀
如果射頻脈沖的頻率使2平面的氫質(zhì)子發(fā)生磁共振，則1和3層面內(nèi)的氫質(zhì)子因不滿足拉摩爾公式而不發(fā)生共振，若把射頻脈沖的頻率設(shè)計(jì)為滿足其他層面的磁共振條件時(shí)，也可以使其他層面內(nèi)的氫質(zhì)子發(fā)生共振，
而其余的層面內(nèi)氫質(zhì)子不會(huì)發(fā)生共振。

圖5.梯度場的層面選擇

核磁共振成像儀中的層厚

THK是thickness的縮寫，即層厚是指成像層面在成像空間第三維方向上的尺寸。對于核磁共振設(shè)備，層厚表示一定厚度的掃描層面。層面的選取在實(shí)際臨床操作中都是有一定厚度的。既然層面具有一定的厚度，由于選片梯度場Gz的作用，每一層面內(nèi)磁場強(qiáng)度的大小是不均勻的，是在一定范圍內(nèi)線性變化的?；蛘哒f每一位置的層面對應(yīng)一定的磁場范圍。那么是該層面發(fā)生磁共振的射頻脈沖頻率將不是單一的拉摩爾頻率，而是具有一定的頻率范圍。

層面厚度關(guān)系到MRI層選方向的分辨率，層面薄的則分辨率高；層面厚的則分辨率低。但層面不能太薄，由于我們還要將成像層面分成大量體素，層面太薄時(shí)每個(gè)體素內(nèi)質(zhì)子數(shù)量減少，各體素產(chǎn)生信號小，信噪比小，達(dá)不到高分辨率的目的。

層厚是核磁共振成像圖像質(zhì)量的重要決定因素，層厚的增加使成像組織的提訴體積增加，體素內(nèi)質(zhì)子數(shù)量增加，信號強(qiáng)度增加，圖像的表觀改善。