MRI 成像原理解析

磁共振成像（MRI）是一种利用原子核在磁场中的共振现象获取人体内部结构图像的无创医学影像技术。

一、基本物理原理

1. 质子自旋

• 人体约 70% 由水（H₂O）组成
• 水中氢原子核（质子）具有自旋特性，产生微小磁场
• 在无外加磁场时，这些质子的磁化方向随机分布

2. 外部磁场作用

• 施加强大静磁场（B₀）后，质子磁化矢量沿磁场方向排列
• 大部分处于低能态，小部分处于高能态
• 形成宏观纵向磁化矢量（$M_z$）

3. 拉莫尔频率

其中 γ 为旋磁比，B₀ 为磁场强度。质子进动频率与磁场强度成正比。

二、信号激发与采集

1. 射频脉冲（RF Pulse）

• 发射特定频率的射频脉冲
• 当频率等于拉莫尔频率时，发生核磁共振
• 质子吸收能量，从低能态跃迁至高能态
• 90° 脉冲可将宏观磁化矢量翻转到横向平面

2. 弛豫过程

脉冲关闭后，系统恢复平衡状态：

3. 信号采集

• 质子进动切割接收线圈
• 产生随时间衰减的自由感应衰减信号（FID）
• 也可以采集自旋回波信号（SE），减小磁场不均匀的影响

三、空间编码与图像重建

1. 梯度磁场

2. K 空间与傅里叶变换

• 采集的原始数据存储于 K 空间（傅里叶变换域）

• K 空间中心主要包含对比度信息（低频）

• K 空间周边主要决定空间分辨率（高频）

• 通过二维傅里叶变换将 K 空间数据转换为最终图像

  ┌─────────────────────────────────────┐ │ MRI 系统架构 │ ├─────────────────────────────────────┤ │ 1. 主磁体 → 产生均匀静磁场（B₀） │ │ 2. 梯度线圈 → 空间定位 │ │ 3. 射频系统 → 激发与接收 │ │ 4. 计算机系统 → 控制、重建、显示 │ │ 5. 屏蔽系统 → 磁屏蔽与射频屏蔽 │ └─────────────────────────────────────┘

四、T1/T2 加权成像

五、MRI 优势与局限

优势： 无电离辐射、软组织对比度优异、多参数多方位成像，并支持 fMRI、DWI、MRS 等功能成像。

局限： 成像时间相对较长、对运动敏感，部分心脏起搏器或金属植入物患者存在禁忌，检查成本也相对较高。

这张示意图把“质子 → 主磁场 → RF 激发 → T1/T2 弛豫 → 梯度编码 → K 空间 → FFT 重建”的完整链路放在了一起。