核磁共振成像 物理原理和方法PDF电子书下载

第1章 核磁共振基本原理 1

1.1 原子核的磁性 1

1.1.1 原子核的自旋角动量和自旋磁矩 1

1.1.2 原子核的磁化和顺磁磁化率 4

1.2 核磁共振条件 6

1.2.1 塞曼能级和共振跃迁 6

1.2.2 自由核磁矩的拉莫尔进动和共振章动 7

1.3 弛豫过程和弛豫时间 9

1.3.1 自旋-晶格相互作用，自旋-晶格弛豫时间T1 9

1.3.2 自旋-自旋相互作用，自旋-自旋弛豫时间T2 11

1.3.3 相关时间 13

1.3.4 人体水质子弛豫特性 14

1.3.5 肿瘤鉴别 18

1.4 NMR量子力学描述 19

1.5 磁共振经典理论 21

1.5.1 磁化强度矢量M和弛豫假设 21

1.5.2 布洛赫方程和旋转坐标系 22

1.5.3 布洛赫方程的稳态解 25

1.5.4 NMR信号的高度、宽度、形状等特征量 25

1.5.5 自旋核的动态（横向）磁化率 27

1.5.6 主磁场不均匀引起的吸收线加宽 28

1.6 布洛赫方程的暂态解、脉冲傅里叶变换核磁共振 28

1.6.1 磁化强度M的章动 29

1.6.2 自由感应衰减 29

1.6.3 FID信号的傅里叶变换 30

1.7 自旋回波（SE） 33

1.8 简单脉冲序列，弛豫时间T1 、 T2的测量 35

1.8.1 反向恢复（IR）序列测量T1 35

1.8.2 自旋回波序列（90°-τ-180°）测T2 36

1.8.3 CP序列（90°-τ-180°-2τ-180°-2τ-…）测T2 37

1.8.4 CPMG脉冲序列（90°-τ-180°y′-2τ-180°y′-2τ-…） 38

1.9 NMR信号检测与信噪比 39

1.9.1 并联谐振和端电压 39

1.9.2 NMR信号强度 41

1.9.3 噪声和噪声系数 42

1.9.4 NMR信噪比 44

参考文献 46

第2章 NMR成像原理 48

2.1 空间编码原理 48

2.1.1 NMR成像发展的历史背景 48

2.1.2 线性磁场梯度 49

2.1.3 投影 51

2.1.4 背投影 53

2.1.5 劳特伯NMR成像实验 54

2.2 傅里叶成像 56

2.2.1 虚拟的劳特伯投影重建改进方案 56

2.2.2 傅里叶成像实验 58

2.2.3 二维傅里叶变换 59

2.2.4 傅里叶成像技术与投影重建技术的比较 61

2.3 傅里叶成像理论 62

2.3.1 峰形函数与滤波函数 62

2.3.2 K-空间 65

2.3.3 MR图像重建公式 66

2.3.4 恩斯特二维及多维谱理论简介 68

2.4 spin-warp傅里叶成像 70

2.5 层面选择 71

2.5.1 层面取向和位置 71

2.5.2 层面厚度 73

2.5.3 层面选择激发 73

2.5.4 sinc脉冲的截断效应 76

2.5.5 汉明窗和汉宁窗 77

2.6 RF脉冲 78

2.6.1 矩形脉冲，硬脉冲 78

2.6.2 选择激发RF脉冲，软脉冲 80

2.6.3 选择性饱和脉冲 81

参考文献 85

第3章 临床基本通用脉冲序列 88

3.1 自旋回波脉冲序列 89

3.1.1 基本单层面自旋回波脉冲序列的时序 89

3.1.2 采样、采样率、采样带宽和频率编码方向线分辨率 91

3.1.3 “混叠”问题和过采样 92

3.1.4 数据矩阵与K-空间 93

3.1.5 二维图像的信噪比 94

3.1.6 信噪比对场强的依赖性 95

3.1.7 相位编码方向图像分辨率和梯度的选择 96

3.1.8 自旋回波序列的像元素信号强度公式 97

3.1.9 加权像 97

3.1.10 成像时间 99

3.2 改进的自旋回波变型序列 99

3.2.1 标准双回波和多回波序列 100

3.2.2 对比度加权双回波序列 100

3.2.3 快自旋回波（fSE）脉冲序列 101

3.2.4 fSE的图像对比度 102

3.2.5 fSE双回波图像 103

3.2.6 快恢复快SE序列 104

3.2.7 多层面SE脉冲序列（MSE） 105

3.2.8 多层面快SE序列 107

3.2.9 RF功率和特定吸收率（SAR） 108

3.3 反向恢复（IR）脉冲序列 111

3.3.1 标准IR序列的时序 111

3.3.2 快反向恢复序列（fast IR） 113

3.3.3 多层面IR序列 113

3.3.4 T1加权的IR实像动态范围 114

3.3.5 对比度概念，差噪比（CNR） 115

3.4 对比度模型和压脂肪技术（STIR） 118

3.4.1 本征对比度 118

3.4.2 对SE序列图像的T1权重的分析 119

3.4.3 IR序列的重T1对比度加权成像 120

3.4.4 抑制脂肪的STIR技术 123

3.4.5 抑制脑脊液的FLAIR技术 123

3.5 梯度回波（GE）脉冲序列 125

3.5.1 GE序列基本概念 125

3.5.2 允许小角倾倒 126

3.5.3 单位时间信噪比、单位时间差噪比 127

3.5.4 T2弛豫效应 128

3.5.5 磁化率效应 128

3.5.6 三维成像 129

3.6 相干稳态GE脉冲序列（GRASS） 131

3.6.1 残余横向磁化强度的重聚相 132

3.6.2 稳态自由进动 133

3.6.3 CE-FAST（或PSIF）序列的时序 134

3.6.4 对比度 135

3.6.5 SSFP双回波 138

3.6.6 True FISP序列 139

3.7 不相干GE序列，FLASH，恩斯特角 140

3.7.1 破坏梯度回波（sGE）序列 141

3.7.2 恩斯特角 141

3.7.3 sGE序列的对比度 142

3.7.4 破坏梯度回波序列的应用要领 143

3.7.5 如何选用稳态自由进动GE和FLASH序列 144

3.8 超快FLASH脉冲序列 145

3.8.1 自旋密度加权的超快FLASH成像 145

3.8.2 T1加权反向恢复（IR）超快FLASH成像 146

3.8.3 T2加权的超快FLASH成像 147

3.8.4 化学位移选择性饱和超快FLASH成像 148

3.8.5 NMR谱的超快FLASH成像 148

3.9 受激回波脉冲序列 149

3.9.1 “8”球回波和受激回波 150

3.9.2 间隔三个RF脉冲激发M？的相干路径和回波 152

3.9.3 受激回波成像序列 153

参考文献 154

第4章 单射成像和高速脉冲序列 158

4.1 提高成像速度的途径、K-空间和高速序列类别 158

4.1.1 半傅里叶成像和四分之一傅里叶成像 158

4.1.2 归一化K-空间 159

4.1.3 脉冲梯度和在K-空间的扫描轨迹 161

4.2 回波平面成像（EPI）序列 162

4.2.1 原始EPI序列 162

4.2.2 改进的EPI序列 164

4.2.3 EPI序列对硬件的要求 165

4.3 常用或基本EPI序列 166

4.3.1 SE-EPI序列 166

4.3.2 GE-EPI序列 167

4.3.3 IR-EPI序列 168

4.3.4 单射EPI成像时间，最小回波间隔ESP及最大回波列长度 168

4.3.5 EPI序列图像对比度 170

4.4 EPI序列的伪影 171

4.4.1 化学位移伪影 171

4.4.2 交错多射EPI 172

4.4.3 N/2奈奎斯特鬼影 173

4.4.4 奈奎斯特鬼影的校正 175

4.4.5 图像畸变伪影 177

4.4.6 图像畸变伪影的校正 179

4.4.7 T2感应的图像模糊 181

4.4.8 体元内散相 181

4.5 EPI变型序列 181

4.5.1 省略偶回波的EPI 181

4.5.2 圆形EPI 182

4.5.3 测量T2 -map的变型EPI序列 182

4.5.4 三维EPI，即回波体积成像（EVI） 183

4.6 渐开平面螺旋序列 184

4.6.1 原始单射渐开平面螺线（spiral）扫描序列 184

4.6.2 变型spiral序列 187

4.6.3 典型spiral数学描述 189

4.6.4 spiral序列的应用和优缺点 193

4.6.5 模糊校正 195

4.7 RARE序列 196

4.8 GRASE序列 197

4.8.1 GRASE脉冲序列 199

4.8.2 GRASE相位编码次序 200

4.8.3 回波时间移动 207

4.8.4 相位校正 209

4.9 高速STEAM序列 210

参考文献 211

第5章 自旋激发动力学与RF脉冲设计 216

5.1 自旋激发动力学 216

5.1.1 旋转坐标系 216

5.1.2 RF磁场 217

5.1.3 布洛赫方程 217

5.1.4 布洛赫方程的小倾倒角近似解 219

5.1.5 布洛赫方程的大倾倒角解 220

5.1.6 RF脉冲度量参数 227

5.2 SLR脉冲设计 228

5.2.1 硬脉冲近似和正SLR变换 229

5.2.2 逆SLR变换 231

5.2.3 多项式设计和SLR脉冲 232

5.2.4 脉冲设计参数关系 234

5.2.5 设计考虑和实例 238

5.3 复合脉冲 243

5.3.1 二项式型复合脉冲 244

5.3.2 其他定型复合脉冲设计理论 247

5.4 绝热脉冲设计 255

5.4.1 绝热激发原理和绝热条件 256

5.4.2 绝热反向180°脉冲设计 258

5.4.3 绝热章动物理机制 262

5.4.4 90°绝热激发脉冲 263

5.4.5 绝热旋转180°重聚脉冲 264

5.4.6 偏离共振效应 268

5.5 复合绝热脉冲 273

5.5.1 任意章动角绝热平面旋转 273

5.5.2 BIR脉冲的矢量描述 276

5.5.3 BIR-4脉冲 278

5.5.4 绝热脉冲的应用 280

5.6 二维RF脉冲，二维空间选择激发 280

5.6.1 RF激发κ-空间 280

5.6.2 RF激发κ-空间中采样速度、采样密度和采样函数 282

5.6.3 离散κ-空间分析 283

5.6.4 产生回波平面型轨迹的梯度、RF脉冲波形计算 285

5.6.5 产生spiral轨迹的梯度、RF脉冲波形计算 289

5.6.6 产生径向轨迹的梯度、RF脉冲波形计算 291

5.7 空间-频谱RF脉冲设计 292

5.7.1 SPSP脉冲 292

5.7.2 二维空间一维谱RF脉冲设计 298

5.8 具有多项式-相位响应（PPR）的宽带RF脉冲 301

5.8.1 设计方法 301

5.8.2 结果 302

参考文献 305

第6章 扩散磁共振成像 310

6.1 扩散对磁共振信号的影响 310

6.1.1 扩散现象的物理描述 310

6.1.2 在平衡态、稳态条件下如何观察扩散 312

6.1.3 扩散对MR信号的影响 313

6.2 自旋回波扩散磁共振成像序列 315

6.2.1 支配磁化强度M扩散输运的Bloch-Torrey方程 315

6.2.2 磁共振扩散测量方法和脉冲序列 317

6.2.3 扩散磁共振成像 319

6.2.4 自旋回波（SE）扩散成像序列 321

6.2.5 扩散加权像（DWI）的临床应用价值 322

6.3 b因子计算 324

6.3.1 在扩散系数测量的自旋回波序列中b因子的计算 324

6.3.2 在脉冲梯度SE序列中b因子随脉冲波形的变化 326

6.3.3 在扩散MRI中成像编码梯度对b因子的贡献 327

6.3.4 在SE扩散成像实验中的扩散时间和扩散梯度的“滤波”效应 329

6.3.5 裁剪脉冲序列使bi和bcl最小 330

6.4 扩散MRI灵敏度及其生物系统中的扩散效应 331

6.4.1 最小可测量的扩散系数 331

6.4.2 最佳梯度因子b 332

6.4.3 生物系统中微观动力学和微观结构效应 333

6.4.4 受限制扩散 334

6.4.5 各向异性扩散 336

6.4.6 在多隔间系统中的扩散 337

6.4.7 代谢扩散 338

6.5 受激回波扩散成像序列 338

6.5.1 受激回波序列 339

6.5.2 测量扩散的双极脉冲梯度受激回波序列 340

6.5.3 受激回波扩散成像 341

6.5.4 受限制扩散的STEAM成像 341

6.5.5 动物中枢神经系统的扩散加权STEAM成像研究 342

6.5.6 人脑的扩散加权高速STEAM成像序列 343

6.5.7 在异质系统中测量扩散的魔不对称梯度受激回波（MAGSTE）序列 345

6.6 扩散EPI成像序列 346

6.6.1运动伪影 346

6.6.2 EPI扩散加权成像（DWI）序列 347

6.6.3 扩散加权图像的畸变 347

6.7 扩散张量MR成像 348

6.7.1 有效扩散张量Deff 349

6.7.2 b矩阵 349

6.7.3 扩散张量成像（DTI） 351

6.7.4 最佳b值选择以及优势方向 352

6.7.5 只用7次DWIs确定D的简单方法 353

6.7.6 扩散椭球 355

6.7.7 扩散张量Deff的不变量及导出量 356

6.7.8 扩散张量成像数据的处理 358

6.7.9 扩散张量成像在临床的应用 360

6.7.10 图像畸变问题 361

6.8 基于DTI的神经纤维束造影 362

6.8.1 纤维束跟踪算法理论 363

6.8.2 纤维束追踪算法的执行步骤 365

6.8.3 神经纤维束造影的临床应用 366

6.8.4 MR神经纤维束造影所面临的问题 368

6.9 复杂神经纤维结构成像 369

6.9.1 q-空间成像概念 370

6.9.2 扩散谱成像 372

6.9.3 高角度分辨扩散加权成像（HARDI） 374

6.9.4 多张量扩散模型——FORECAST方法 376

6.9.5 q-球成像 379

6.9.6 评述和讨论 387

6.9.7 基于交叉纤维成像的纤维束造影 388

6.10 扩散峰度成像 391

6.10.1 任意阶扩散张量成像 391

6.10.2 扩散峰度成像（DKI） 395

6.10.3 从DKI导出ODF估计 399

参考文献 404

第7章 MR图像重建 415

7.1 傅里叶重建 415

7.1.1 填零 415

7.1.2 移相 416

7.1.3 数据窗函数 417

7.1.4 矩形视野 420

7.1.5 多线圈数据重建 421

7.1.6 图像变形校正 422

7.1.7 缩放比例 423

7.1.8 基线校准 423

7.2 方格化重建 424

7.2.1 方格化变换的基础 426

7.2.2 重建时间 428

7.2.3 方格化核 429

7.2.4 密度补偿 430

7.2.5 方格化数学 431

7.3 并行采集MRI 434

7.3.1 SENSE重建 436

7.3.2 SMASH重建 443

7.3.3 灵敏度校准 445

7.3.4 AUTO-SMASH和VD-AUTO-SMASH 449

7.3.5 GRAPPA重建 451

7.3.6 SPACE RIP重建算法 455

7.3.7 PILS重建算法 457

7.3.8 并行采集MRI方法的重新分类 458

7.3.9 PRUNO重建算法 459

7.3.10 UNFOLD算法 461

7.4 部分傅里叶重建 462

7.4.1 填零 463

7.4.2 零差处理 463

7.4.3 迭代的零差处理 468

7.5 相位差重建 470

7.5.1 相位差map重建一般步骤和反正切函数主值范围 471

7.5.2 反正切运算 472

7.5.3 相位阵列多线圈数据 474

7.5.4 可预期相位误差和伴随场的校正 474

7.5.5 图像变形校正 475

7.5.6 图像比例缩放 476

7.5.7 噪声掩模 476

7.6 观共享重建 477

7.6.1 K-空间关键孔技术 478

7.6.2 BRISK技术 480

7.6.3 TRICKS技术 481

7.6.4 实时成像和滑动窗重建 482

7.6.5 心电触发电影（CINE）采集 483

7.6.6 分段心脏采集和观共享 484

参考文献 485

第8章 MRI扫描仪概论 493

8.1 MRI扫描仪总体结构简介 494

8.1.1 磁体部分 495

8.1.2 谱仪电子学部分 497

8.1.3 计算机部分 497

8.2 MRI主磁体系统简介 498

8.2.1 超导磁体系统 498

8.2.2 永磁磁体系统 502

8.2.3 电磁体 504

8.3 MRI梯度系统 505

8.3.1 度量梯度线圈优劣的指标 505

8.3.2 超导MRI梯度线圈传统结构 506

8.3.3 永磁或电磁MRI系统的梯度线圈结构 508

8.3.4 梯度线圈的新发展 510

8.3.5 梯度放大器和开关时间 510

8.3.6 振动伪影的校正 511

8.4 MRI的RF线圈系列 512

8.4.1 RF线圈的功能和本征物理特性 512

8.4.2 LC谐振槽路 513

8.4.3 RF线圈设计考虑要点 515

8.4.4 螺线管及变型螺线管线圈 516

8.4.5 蝶形线圈 517

8.4.6 在圆柱内产生横向磁场的线圈 517

8.4.7 鸟笼形线圈 518

8.4.8 RF线圈系列 519

8.4.9 TEM线圈 520

8.4.10 表面线圈和相位阵列线圈 521

8.5 射频发射／接收系统 522

8.5.1 概述 522

8.5.2 发射／接收（T/R）开关 523

8.5.3 RF线圈和发射机的匹配 525

8.5.4 RF线圈和接收机前放的连接 526

8.5.5 正交混合器和正交调制器 527

8.5.6 发射通道 528

8.5.7 RF功率放大器 528

参考文献 528