5.1.2 磁共振成像原理
前面简述了核磁共振的基本概念，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制组织内部的结构图像。将这种技术用于人体结构成像，就产生了一种有效的医学诊断工具。应用快速变化的梯度磁场，核磁共振成像速度大幅提升，使得该技术在临床诊断和科学研究的应用成为现实，为临床医学、神经生理学和认知神经科学的迅速发展起到了强有力的推动作用。
1.感应信号与梯度磁场
前文提到，横向磁化矢量
垂直并围绕主磁场B0进行拉莫进动。由法拉第电磁感应定律可知，横向磁矢量
的变化使得环绕在人体周围的接收线圈产生感应电流，即MR信号。90°脉冲后，由于受横向、纵向弛豫的影响，磁共振信号以指数曲线形式衰减，这种过程称为自由感应衰减（free induction decay，FID），如图5.8所示。由于脉冲发射和接收生物组织原子核的共振信号不在同一时间产生，而射频脉冲和生物组织发生的共振信号的频率又是一致的，因此可以用一个线圈兼做发射和接收。
图5.8 FID信号示意图
为了按照空间分布区分进行检查，进而实现核磁共振成像，需要把收集到的信号进行空间编码。常用的定位方法包括投影重建法、2D傅里叶变换法和3D傅里叶变换法。
MRI的梯度磁场可以分为三种：选层梯度场GZ、相位编码梯度场GY以及频率编码梯度场GX。梯度磁场是通过3对（X，Y，Z）梯度线圈通以电流产生的。
1）选层梯度场GZ
于主磁场B0再附加一磁感应强度为BZ的梯度磁场GZ，则总的磁感应强度为B0+BZ，该梯度场磁场强度沿Z轴方向由小到大均匀改变，即沿Z轴方向自左到右磁感应强度不同。与Z轴垂直的方向很薄的层面上磁感应强度相同，根据Larmor定律，检查组织的质子群有相同的进动频率，如以这个频率加一脉冲信号进行激励，那么该层面的氢原子会发生共振。选层梯度磁场GZ作用示意图如图5.9所示。
2）相位编码梯度场GY
在施加90°脉冲GZ梯度磁场后，横轴层面的质子发生共振。在采集信号前启动GY梯度，到采集信号时停止。由于GY梯度的作用，磁感应强度较大处的质子磁化质量转得比磁感应强度较小处的质子要快，从而使磁化矢量失去相位的一致性。相位编码梯度场GY原理如图5.10所示。
图5.9 选层梯度场GZ作用示意图（摘自百度图片）
图5.10 相位编码梯度场GY原理
3）频率编码梯度场GX
横轴层面被选出来后，采集信号时开启频率编码梯度场GX。被检组织X轴的质子相对位置各不相同，所以对应的磁场GX的强度也不同。磁感应强度较大处的质子共振频率比磁感应强度较弱处的质子要大，从而达到了按相对位置在X轴上进行频率编码的目的。由于被激励的横轴层面发出的为一混合不同频率的信号，依据傅里叶变换可以区分出这一混合信号的不同频率，进而在X轴上分出相对位置不同的质子。
经过GX和GY梯度场的编码，二维MR影像由不同的频率和相位组合决定了每个质子在矩阵中有其独特位置，计算每个像素的灰度值就可形成这一层的MR影像。
2.主要的射频脉冲序列
目前较为常见的扫描序列包括自旋回波（spin echo，SE）序列、反转恢复（inversion recovery，IR）序列以及梯度回波（gradient echo，GRE）序列三种。
自旋回波序列是最常用的序列之一。其原理大致如下：首先，质子的磁化矢量平行于Z轴（纵向），接着加一个90°射频脉冲磁化矢量翻转至XY平面。由于磁场的不均匀性，质子进动频率不同，所以很快变为异步，使得XY平面磁化矢量信号强度衰减至零。接着加入180°脉冲，质子进动反向，相位离散的质子绕X轴旋转180°，离散的相位逐渐重聚，XY平面磁化矢量逐渐恢复到刚加入90°脉冲时的强度，即磁化矢量的最大值。此时线圈感应到的信号为自旋回波信号，其时序如图5.11所示。
图5.11 自旋回波时间序列（书后附彩插）
回波时间指的是180°脉冲产生至测量回波的时间，采用TE（echo time）表示。重复时间指的是两次90°脉冲之间的时间（脉冲序列是有周期性的），采用TR（repetition time）表示。通过调节TR、TE突出某个组织特征的影像被称作加权像（weighted image，WI）。我们在研究脑结构与功能时常见的加权像包括T1WI（T1-weighted imaging，基于T1加权成像）、T2WI，如图5.12所示。其中T1WI利用短重复时间（TR）和回波时间（TE）测量自旋晶格弛豫。不同的组织表现如表5.2所示，其中T2WI用长TR和TE时间测量自旋-自旋弛豫，更强的信号意味着更大的水分子含量。T1WI的TR常设置为100～500 ms，TE常设置为15～30 ms。T2WI的TR常设置为200～1 500 ms，TE常设置为90～150 ms。
表5.2 不同组织在T1W I与T2W I中的表现特征
续表
图5.12 T1W I（左）、T2W I（右）
梯度回波序列是在自旋回波序列基础上发展起来的，较自旋回波序列最大的不同之处在于：首先，梯度回波序列使用的激励脉冲的倾角一般小于90°，使得纵向磁化弛豫加快，极大地缩短了TR，从而缩短了数据采集时间。其次，GRE序列不使用180°射频脉冲使横向磁化矢量聚相，而是用反向梯度实现产生回波信号目的，支持最短的TE。梯度回波序列只有单一的激励，其时序如图5.13所示。
图5.13 梯度回波序列时序图
反转恢复序列是在180°脉冲使磁化矢量后翻转180°，各种组织的磁化强度以各自的纵向弛豫时间以时间常数指数式向Z轴正方向增加，在弛豫过程中施加90°脉冲，将恢复的纵向磁化强度转化为横向，从而检测FID信号的脉冲序列。之后在很短暂的时间内再加180°脉冲，用来消除场非均匀性引起的相位异步。初始180°脉冲与90°脉冲的间隔时间称为反转时间（inversion time，TI）。反转恢复序列时序图如图5.14所示。
图5.14 反转恢复序列时序图（书后附彩插）
在中枢神经系统疾病的研究和检测中最为常用的IR序列是FLAIR（fluid-attenuated inversion recovery，液体衰减反转恢复），它通过设置使流体为零的反转时间来抑制流体。例如，它可以在脑成像中抑制脑脊液对图像的影响，从而清晰地显示脑室周高强度病变，如多发性硬化（MS）斑块、肿瘤相关浸润等。FLAIR像示例如图5.15所示。