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)部的結構圖像，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、醫(yī)療、石油化工、食品農(nóng)業(yè)等領域獲得了廣泛的應用。核磁共振成像(MRI)原理應用用于人體內(nèi)部結構就產(chǎn)生出一種革命性的醫(yī)學診斷工具–核磁共振成像儀。將快速變化的梯度場應用于核磁共振成像儀中，提升了MRI的速度，使該技術在科學研究中的廣泛應用成為現(xiàn)實。

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薄層，這些薄層稱為層面，這個過程成為選片。每個層面可分為由許多被稱為體素的小體積組成（如下圖1）。對每一個體素標定一個記號，這個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行解碼，得到該層面各個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關系，把體素信號的大小顯示在熒光屏對應像素上，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線性梯度磁場，將導致總磁場（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，兩端之間的磁場強度呈梯度分布。在磁場梯度方向上使共振頻率產(chǎn)生可預見的變化。

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。運用三個相垂直的磁場梯度，在不同的時間內(nèi)，對核磁共振信號源進行空間三維定位。
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，雖然每個質(zhì)子都有微小的磁矩存在，但是由于空間方向上的隨機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)子的磁矩方向會傾向于與外磁場的方向一致或相反，并產(chǎn)生一個與外磁場方向相同的縱向磁化強度矢量M₀,即被磁化。磁化后的質(zhì)子處于穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)設定的掃描參數(shù)，核磁共振儀發(fā)出一個頻率與質(zhì)子進動頻率相同的射頻激勵脈沖，進動質(zhì)子收到激勵后，吸收射頻激勵脈沖的能量，縱向磁化強度矢量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強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軸方向的三個梯度線圈分別產(chǎn)生Gx、Gy和Gz。
外磁場B₀是均勻強磁場，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基礎上，再疊加一個同方向的線性梯度場G_z，該梯度場磁場強度的大小沿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┥系拇艌鰪姸认嗤?，不同位置的層面上（圖中1、2、3層面）由于梯度場的強度不同，所以不同位置層面的磁場強度不同。由拉摩爾進動公式可知：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計為滿足其他層面的磁共振條件時，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。對于核磁共振設備，層厚表示一定厚度的掃描層面。層面的選取在實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)磁場強度的大小是不均勻的，是在一定范圍內(nèi)線性變化的。或者說每一位置的層面對應一定的磁場范圍。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，層面太薄時每個體素內(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，信號強度增加，圖像的表觀改善。