磁共振成像（MRI）

1. 摘要

本文探討了磁共振成像（MRI）系統的工做原理，系統利用氫原子在磁場做用下的運動造成清晰的醫學圖像。文中介紹了典型的磁場類型和當前高分辨率MRI系統所依賴的超導磁鐵。本文還討論了經過適當排列梯度線圈造成3D圖像的過程以及它們與RF信號之間的相互做用，給出了MRI的系統原理框圖。 

2. 概述

磁共振成像（MRI）系統可以提供清晰的人體組織的圖像，系統檢測並處理氫原子在強磁場中受到共振磁場激勵脈衝的激發後所生成的信號。

氫原子核的自旋運動決定了它自身的固有磁矩（磁化矢量），在強磁場做用下，這些氫原子將定向排列。簡單起見，能夠把靜態磁場中的氫原子核看做一條拉緊的繩子。原子核（有的地方將這種場景下的原子核叫作旋轉核）具備一個共振頻率或「Larmor」頻率，具體取決於本地磁場強度。如同一條繩索在外部張力做用下發生共振。在典型的1.5TMRI磁場中，氫原子的共振頻率近似爲64MHz。



適當的磁共振激勵或者是RF脈衝激勵（頻率等於氫原子核諧振頻率）可以強制原子核磁矩部分或所有偏移到與做用磁場垂直的平面。中止RF激勵後，原子核磁矩將恢復到靜態磁場的情況。原子核在從新排列的過程當中釋放能量，發出共振頻率（取決於場強）的RF信號，MRI成像系統對該信號進行檢測並造成圖像。

MRI成像系統原理框圖。關於Maxim的MRI推薦方案，請參考：www.maximintegrated.com/mri。

3. 共振

人體各器官的固有頻率爲3～17Hz，頭部的固有頻率爲8～12Hz，腹部內臟的固有頻率爲4～6Hz。

共振是物體在某一外來特定頻率之下，產生較大振幅的擺盪現象。 也就是說兩個振動頻率相同的物體，當一個發生震動時，會引發另外一個物體震動。 樂理中亦稱「共鳴」。共振效果可製造至關大的能量，如: 高歌發出之聲音震碎玻璃杯，就是由於該玻璃杯的天然頻率與聲樂家的音頻產生了共振現象。 

1930年代美國物理學家Royal Rife發現每個物體包含細菌、 病毒都擁有各自的天然頻率。該發現於1934年通過南加州大學的醫師們以實例進行試驗。

著名的生物物理博士王惟工教授所出版的「氣的樂章」中也一再說起，身體的系統運做就是一個共振的現象，人體中不斷的有交互的波在運轉，全部的器官以心臟爲發號令臺，器官間皆以不一樣頻率的共振的方式在維繫着正常的運轉，血液也是依附著共振波輸送到各部位。

人體細胞成形後，固有頻率會小於15Hz。

	頭	胸腔	心臟	軀體	腹腔	盆腔	腰脊柱	骨盆
頻率（Hz）	8-12	4-6	5	7-13	6-9	6	4	8-10

而色彩在科學的角度上來講，不同的色彩具備不同的波長與頻率，根據原子物理做用，在相互接觸與做用下，人體也就會跟着受影響。

4. 靜態磁場

MRI成像須要把患者置於強磁場內，造成有序的氫原子核。一般有三種方法產生磁場：(1)固定磁鐵、(2)磁阻(電流經過傳統的線圈)、(3)超導磁鐵。固定磁鐵和磁阻產生的磁場強度通常限制在0.4T如下，沒法達到高分辨率圖像所要求的場強。所以，大多數高分辨率成像系統採用超導磁鐵。超導磁鐵體積大且結構複雜，須要把線圈浸入液態氦中，使溫度保持在絕對零度（絕對零度，熱力學的最低溫度，是粒子動能低到量子力學最低點時物質的溫度。絕對零度是僅存於理論的下限值，其熱力學溫標寫成K，等於攝氏溫標零下273.15度（即−273.15℃））附近。

利用上述方法產生的磁場不只須要保持較高的場強，還要求在空間上保持均勻，在必定時間內保持穩定。典型成像系統中，要求在成像區域內場強變化小於10ppm（ppm，part per million的縮寫。表示百萬分之幾。在不一樣的場合與某些物理量組合。）。爲了達到如此高的精度，絕大多數系統會產生一個弱場強的靜態磁場，利用特殊的勻場線圈對超導靜態磁場進行微調，以保持磁場的均勻性。

5. 梯度線圈

爲了生成圖像，MRI系統必須首先在2D平面激發人體內的氫原子，而後肯定那些恢復到靜態磁場時處於同一平面的原子核的位置。這兩項工做由梯度線圈完成，產生場強隨位置線性變化的磁場。由此，氫原子的共振頻率還在必定程度上與空間位置有關。改變激發脈衝的頻率控制須要激發的人體區域，當激發原子核恢復到靜態時，其位置仍然能夠由RF激發脈衝的頻率和相位信息肯定。

MRI系統必須具有x、y、z梯度線圈在三維空間產生梯度磁場，由此建立患者身體內部不一樣平面的圖像切片。每一個梯度磁場和激勵脈衝必須進行適當的排序或定時控制，以便對每組圖像數據進行組合成像。例如，在z軸方向做用一個梯度磁場，能夠改變共振頻率，以產生該平面的2D切片圖像。因而可知，2D平面的成像位置受控於激勵信號頻率的變化。激發過程結束後，在x軸方向產生適當的梯度變化，當原子核恢復到靜態位置時能夠按照空間改變原子核的共振頻率。該信號的頻率信息可以用來定位原子核在x軸方向的位置。一樣，在y軸方向做用適當的梯度磁場可以在空間上改變共振信號的相位，用於檢測原子核在y軸方向的位置。按照適當的順序，以適當的頻率產生梯度磁場和RF激勵信號，MRI系統便可構建人體的3D圖像。

爲了達到所要求的圖像質量和幀率，MRI成像系統的梯度線圈必須可以快速改變靜態磁場的強度，使成像區域的場強變化大約5%。系統須要高壓（工做在幾千伏特）、大電流（幾百安培）驅動產生梯度磁場的線圈。在知足大功率需求的同時還要確保低噪聲和高穩定性，線圈中的任何電流擾動都會致使RF拾取信號中的噪聲，從而直接影響到圖像信號的完整性。



爲了區分不一樣類型的人體組織，MRI系統對接收信號的幅度進行分析。被激發的原子核連續輻射信號，直到將激發期間所吸取的能量徹底釋放掉。指數衰減信號的時間常數一般在幾十毫秒到1秒；恢復時間是場強的函數，並取決於不一樣類型的人體組織。利用時間常數的變化能夠識別出人體組織的類型。

6. 發送/接收線圈

發送和接收線圈用於激勵氫原子並接收原子核恢復產生的信號，這些線圈必須針對特殊的人體部位進行成像優化，這就須要系統可以靈活地配置線圈。針對須要成像的人體部位，可使用獨立的發送和接收線圈，也可使用組合在一塊兒的發送/接收線圈。此外，爲了提升圖像的採集次數，MRI系統使用多路發送/接收線圈並行工做，獲取更多的信息，固然，這須要藉助線圈位置的空間相關性。

7. RF接收器

RF接收器用於處理來自接收線圈的信號。目前，多數MRI系統具備6路或更多通道的接收器，處理來自多路線圈的信號。信號的頻率範圍大約分佈在1MHz至300MHz，頻率範圍在很大程度上取決於靜態磁場的強度。接收信號的帶寬很窄，一般小於20kHz，與梯度磁場的強度有關。

傳統的MRI接收器配置包含一個低噪聲放大器（LNA），隨後接混頻器。混頻器進行信號混頻，把有用信號變頻到較低中頻，而後通過12位至16位高分辨率、低速模/數轉換器（ADC）轉換成數字信號。採用這種接收架構，ADC能夠工做在1MHz如下的採樣率。因爲帶寬需求較低，能夠利用單片高於1MHz至5MHz採樣率的ADC，經過模擬複用器以時分複用形式轉換多路信號。

高性能ADC的出現造就了新的接收器架構。能夠利用寬帶、採樣率高達100MHz的12位至16位高分辨率ADC直接對信號進行採樣，從而省去接收通道的模擬混頻器。

8. 發送器

MRI發送器產生激發氫原子的RF脈衝，激發脈衝的頻率範圍和梯度磁場強度設置成多少取決於成像區域的寬度。典型的發射脈衝以±1kHz至關窄的帶寬產生輸出信號。須要時域波形產生該窄帶信號，相似於傳統的同步信號。該波形一般在基帶以數字形式產生，而後通過混頻器變頻到適當的中心頻率。傳統的發送機制須要低速數/模轉換器（DAC），產生基帶波形，該信號的帶寬很是窄。

一樣，利用新一代DAC技術能夠改善傳統的發送器架構。經過高速、高分辨率DAC能夠直接產生高達300MHz的RF發射脈衝。在數字域便可產生整個頻帶的波形並進行上變頻。

9. 圖像信號處理

按照k間隔採集頻率和相位信號，顯示處理器/計算機計算k間隔採集數據的二維傅里葉變換，生成灰度圖像信號。