磁共振成像原理简介
磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging ，MRI ）是利用原子核在磁场内共振所产生信号经重建成像的一种技术。在诞生之初被称为核磁共振，
但为了避免与核医学成像技术相混淆，并且为了突出这项技术
不会产生电离辐射的优点，因此将“核磁共振成像”简称为磁
共振成像。
核磁共振是自旋的原子核在磁场中与电磁波相互作用的
一种物理现象。
我们知道，原子由原子核和绕核运动的电子组成，其中，
原子核由质子和中子组成。电子带负电，质子带正电，中子不
带电。根据泡里不相容原理，原子核内成对的质子或中子的自
旋相互抵消，因此只有质子数和中子数不成对时，质子在旋转
中产生角动量，磁共振就是利用这个角动量来实现激发、信号采集和成像的。
用于人体磁共振成像的原子核为氢原子核（1H ），主要原因
如下：1、1H 是人体中最多的原子核，约占人体中总原子核数
的2/3以上。2、1H 的磁化率在人体磁性原子核中是最高的。
质子以一定频率绕轴高速旋转，称为自旋。自旋是MRI 的
基础。自旋产生环路电流，形成一个小磁场叫做磁矩。在无外
磁场情况下，人体中的质子自旋产生的小磁场是杂乱无章的，
每个质子产生的磁化矢量相互抵消，因此，人体在自然状态下
并无磁性，即没有宏观磁化矢量的产生。进入主磁场后，人体
中的质子产生的小磁场不在杂乱无章，呈有规律排列。一种是
与主磁场平行且方向相同，另一种与主磁场平行但方向相反，
处于平行同向的质子略多于平行反向的质子。从量子物理学角
度，平行同向的质子处于低能级，因此受主磁场的束缚，其磁化矢量的方向与主磁场的方向一致；而平行反向的质子处于高
能级，因此能够对抗主磁场的作用，其磁化矢量方向与主磁场相反。由于低能级质子略多于高能级质子，因此在进入主磁场后，人体产生了一个与主磁场方向一致的宏观纵向磁化矢量。
进入主磁场后，无论是处于高能级还是处于低能级的质子，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。质子除了自旋外，还绕着主磁场轴进行旋转摆动，这种旋转摆动称为进动。进动是磁性原子核自旋产生的小磁场与主磁场相互作用的结果。 图 1 自旋的原子核 图 3 进入主磁场前后人体的宏观核磁状态变化
图 2 质子自旋和进动示意图
进动频率与主磁场场强成正比。由于进动的存在，质子自旋产生小磁场可以分解成两个
部分：（1）方向恒定的纵向磁化分矢量（沿主磁场方向）（2）
以主磁场方向为轴心的，在X 、Y 平面旋转的横向磁化分矢
量。纵向磁化分矢量产生一个与主磁场同向的宏观纵向磁化
矢量。横向磁化分矢量互相抵消，没有宏观横向磁化矢量产
生。
如果给处于主磁场中的人体组织一个射频脉冲，射频脉
冲的频率与质子的进动频率相同，射频脉冲的能量将传递给
处于低能级的质子，处于低能级的质子获得能量后将跃迁到
高能级。因此核磁共振即是物质原子核磁矩在外磁场的作用
下发生能级分裂，并在外加射频磁场的能量条件下产生的能
级跃迁的核物理现象。从微观角度来说，磁共振现象是低能
级的质子获得能量跃迁到高能级。从宏观角度来说，磁共振
现象的结果是使宏观纵向磁化矢量发生偏转，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，而射频脉冲能量的大小与脉冲强度及持续时间有关。
我们称射频磁场对自旋系统的作用过程为激发，原子核自旋系统经激发后又平衡态变为了激发态。当射频脉冲的能量正好使宏观纵向磁化矢量偏转90°，其产生的横向宏观磁化矢量在各种角度的射频脉冲中是最大的，这就是90°射频脉冲。
图 5 90°脉冲激发前后磁化矢量的变化
原子核系统从受激的不平衡态向平衡态恢复的过
程称为弛豫。以90°射频脉冲为例。90°脉冲关闭后，
组织的宏观磁化矢量逐渐恢复到平衡状态的过程。核磁
弛豫又可分解成两个相对独立的部分：1、横向磁化矢
量逐渐减小直至消失，称为横向弛豫；2、纵向磁化矢
量逐渐恢复至最大（平衡状态），称为纵向弛豫。
90°脉冲关闭后，处于同相位的质子发生了相位的
离散（失相位），其横向磁化分矢量逐渐相互抵消，因
此宏观横向磁化矢量衰减直至零。致使质子失相位的原
因有两个：质子周围磁环境随机波动；主磁场的不均匀。
图 4 由于进动产生的纵向和横向磁化矢量 图 5 磁化强度矢量弛豫过程
剔除主磁场不均匀造成的质子失相位，得到的横向磁化矢量衰减为真正的横向弛豫，即T2弛豫，横向磁化矢量衰减到最大值的37%所用的时间称为T2值。射频脉冲关闭后，在主磁场的作用下，宏观纵向磁化矢量将逐渐恢复到平衡状态，即T1弛豫，纵向磁化矢量恢复到平衡态的63%所用的时间称为T1值。
图7 横向弛豫示意图
图8 纵向弛豫示意图
在核磁共振现象中，物质的宏观磁化强度及变化与PD（质子密度）,T1,T2密切相关，但这些信息不能直接测出，只能通过弛豫过程中辐射的射频信号来分析。通过PD的测量可以判断自旋核的密度，如人体中不同组织含水量的多少。T1，T2的测量可以反映自旋核所处的化学环境的差异，如水是以自由水还是结合水存在，或者氢核存在于特定的原子团中等。对于揭示能量代谢和生化反应的过程很有帮助。通过不同时刻测得的自由衰减信号（FID）可以解出不同的物理量，通过不同的参数设置，可以获得相应的加权图。
利用成像参数的调整，使图像主要反映组织某方面特性，而尽量抑制组织其他特性对MR信号的影响，这就是‘加权’。T1加权图（T1WI）：重点突出组织纵向弛豫差别；T2加权图（T2WI）：重点突出组织横向弛豫差别；质子密度图（PD）：主要反映组织质子含量差别。
我们测到的MR信号，但如何知道这一信号来自何处呢？收音机给我了们启示。如果空间两点的磁场强度不同，则与之发生共振的射频频率不同，从而依据共振频率可以确定磁场强度，进而确定空间位置，这就是层面选择原理。
样品中加一个均匀的主磁场B0后，再加上一个不均匀的梯度磁场B G。从而使不同层面
的磁场强度不一样，共振频率不一样，再根据不同的共振频率确定自旋核所处的层面。在激励脉冲结束后，在沿层面的Y轴方向加一短时间的梯度磁场G y，由于不同Y坐标的自旋磁矩的进动频率不一样，在撤出G y后，磁矩的相位不一样，根据相位的不同可以区分Y坐标，称为相位编码。相位编码梯度关断各体素再次置于相同的外磁场，进动频率恢复G y作用前的数值，但进动相位差保留。在相位编码结束后，沿X轴方向加一梯度磁场G x，从而使不同X坐标的自旋磁矩的进动频率不一样，进而根据这种进动频率的差异来确定X坐标，称为频率编码。通过空间编码以后，不同体素发射的MR信号频率、相位、相位变化率不同，依据这些信息和信号强度可正确的重建图像。
图9 相位编码与频率编码
最后，我们来讲一下磁共振成像的特点：1、多参数成像（PD，T1，T2），可提供丰富的诊断信息。2、高对比度成像，尤其可获得高对比度软组织的图像。3、任意方位诊断，可从三维观察人体。4、可进行人体能量代谢研究，将解剖结构观察和功能代谢情况观察相对合。5、无电离辐射。当然，MRI也不是完美的，它扫描时间长，空间分辨力还有待提高。