上一篇科普文，其中提到，磁共振成像正是基於不同組織的弛豫時間不同，反應在圖像上有明有暗的差異。相比於弛豫，成像最大的功能在於選層和定位，即圖像能反映樣品內部結構、解剖信息等。那磁共振成像是如何實現選層定位的，其原理（相比於弛豫）又有什麼不同？
相比於其他技術，磁共振成像對操作者的要求更高。只有了解其基本原理的基礎上，成像的結果才能得到準確的解釋。
今天我們就來講磁共振成像的原理，本文約2300字，閱讀之前，請大家帶著以下幾個問題去看，效果可能更好。內容可能不好理解，建議先收藏後閱讀。
選層脈衝是包含一個固定的選層頻率，還是覆蓋一定的帶寬？
相位編碼梯度是通過什麼實現相位不同的編碼的？
相位編碼和頻率編碼為什麼不能同時進行？
K空間內的某個位置的點，與圖像中對應位置的像素點是一一對應的關係嗎？
磁共振成像屬於斷面成像，首先要確定這個斷面所處的空間位置，即首先需要選層。
01
選層（Z方向）
之前我們講發生共振的條件中提到：「當外界施加一定的射頻能量，滿足頻率=原子核進動的拉莫爾頻率」 拉莫爾頻率ω=γ×B0
其中：γ代表旋磁比（固定的），B0是外磁場強度
如何實現選層呢？如果樣品在均勻的靜磁場中，樣品每一層的磁場強度B0處處相同，拉莫爾頻率也處處相同，彼此沒有差別，沒辦法做到針對某一層單獨激勵了。
選層的做法就是，在原來的靜磁場基礎上疊加一個線性梯度磁場B』=z*Gz,線性梯度磁場與Z方向的位置有關（類似於海拔每升高100米，氣溫降低0.6℃這樣的線性關係），因此獲得每一層面處的拉莫爾頻率都與其Z方向的位置相關，即ωz=γ(B0+z*Gz), 只需要選擇那一層氫質子的進動頻率，施加選層脈衝，選擇性的只激發某層就可以了，這樣層就被選出來了。
通過B0場和梯度磁場Gz疊加，使得沿著Z方向的每個位置的拉莫爾頻率不同，從而實現選層
▲imaios.com
需要注意的是：
選層脈衝覆蓋一定的帶寬，因此能激發一定厚度的層面的信息，可以通過調節選擇脈衝的帶寬和切片選擇梯度的幅度來改變切片的厚度。
選層脈衝具有一定的激勵窗寬Δf（頻帶），切片厚度是Δf的函數，窗寬越寬，切片越厚。反之則相應減小。
脈衝窗寬固定，梯度越強，空間進動頻率變化越大，切片越薄。
因此我們所看到的磁共振圖像，並非像拍的照片一樣反映的是物體的平面，而是一個切片（有薄有厚）內信號的疊加和累計。
選完層之後，確定了一個二維的截面，還需要確定X和Y方向的位置。
02
相位編碼和頻率編碼詳解
什麼是相位編碼？什麼是頻率編碼？
磁共振成像中信號的空間定位主要是藉助於梯度場，選層是這樣，頻率編碼和相位編碼亦是如此。
頻率編碼示意圖，通過施加梯度磁場，改變不同位置質子的自旋頻率，從而將其區分。
先說最簡單的頻率編碼，在X方向上，起初大家所處的磁場都是B0，都以ω0的進動頻率自旋，沿著X方向施加梯度磁場Gx，造成沿著X方向每處的B0不同，質子的進動頻率不同，分別為ω1、ω2、ω3，因此在X方向上三者的差別就出來了。
頻率編碼還好理解，相位編碼稍微複雜一些
在X方向上實現了區分，那Y方向怎麼區分呢？答案就是通過施加梯度磁場，實現各自的相位不同。
未施加梯度磁場前
施加梯度磁場
在沿著x方向施加一線性梯度場Gy，則在層面內，沿y方向的不同位置，由於梯度場的加入，每處的磁場強度By不同，產生三種不同的旋轉速度，有的轉的快有的轉的慢，作用一段時間，其相位也明顯不同。
撤去梯度磁場
累積相位仍在存在，使的三者相位仍然不同。
撤去梯度場後，但是由於之前頻率不同，積累的相位卻是無法撤銷的，所有Y方向不同位置的自旋在相位梯度Gy作用後，帶著各自獨特的相位角以ω0的角速度繞B0旋轉，於是產生三個獨特的相位差。
由此我們可以看出，相位編碼必須施加一段時間撤去之後產生相位差異，而頻率編碼必須施加的同時去採集（一旦撤銷頻率編碼梯度，大家頻率又相同，無法分辨）。因此在實際中，我們一般是先施加相位編碼，然後關閉相位編碼梯度，施加頻率編碼梯度同時採集信號（正因此有時候頻率編碼梯度也叫做讀出梯度）。
03
相位編碼和頻率編碼過程
將以上過程連起來，我們進行相位編碼和頻率編碼進行二維空間定位，用示意圖來表示如下所示：
起初，層面內共振一致，相位一致
施加相位編碼梯度
撤銷相位編碼梯度
相位梯度的本質也是改變頻率，在梯度場高的地方，質子轉動的更快，在撤下梯度場後，產生的相位差就更大。
相位編碼梯度施加完成後（Gy關閉），在X方向施加梯度Gx，那麼在X方向，不同位置的自旋的共振頻率再次被改變，這種共振頻率的差異，一直保持到信號採集結束。如此，也就把X方向的信息定位出來了。
在相位編碼結束後施加頻率編碼
所以，最終我們採集到3個信號，但是這3個信號中頻率差和相位差都不同，因此9個點中每一點的頻率、相位都不同，因此據此把這9個點對應的位置確定下來。
將以上採集到的三條信號逐條填充到K空間中（當然實際MRI成像不可能只有三條）。
關於採集信號和填充K空間的過程，這個比較複雜，這裡先用簡單的文字描述一下。
在此過程中，相位編碼在每次激勵過程中遞減到零，再遞增到最大；每一次重複完成一條K空間線的填充。
由此可以看出，每一條數據線都是對一個層面的激勵，而這一條數據線中的每個點都是不同相位、幅度和頻率的綜合，因此說K空間每個點都含有這個層面像素的信息；通過對這條數據線的逆傅立葉轉換（在K空間完成填充之後）即可轉換灰階圖像。
從H質子到編碼，再到K空間，再到形成一幅完整的MRI圖像，我們用一個動圖來表示（略顯恐怖）。
▲imaios.com
04
MRI成像案例
說了這麼多枯燥的原理，我們放一些具體的實例來輕鬆一下。
食品組（所用儀器為紐邁分析0.5TMRI設備）
生命科學組（紐邁分析0.5T及1.0T設備）
造影劑體外成像（0.5T）
▲造影劑體外成像
所用儀器為：紐邁分析核磁共振造影劑成像分析儀
NM21-015V-I
小鼠肺部原位腫瘤觀察（0.5T）
▲25g正常鼠/肺部腫瘤小鼠瘤觀察
所用儀器為：紐邁分析小動物核磁共振成像儀
NM21-060H-I
小鼠血管造影（1.0T）
▲小鼠血管造影成像
當然磁共振成像在臨床前科研中的應用遠遠不止列出的造影劑、腫瘤、血管研究等，具體的應用參見下圖，如果有您感興趣的，歡迎聯繫我們獲取更多的資料和文獻。
END
篇幅所限，關於0.5T和1.0T小動物成像的更多功能和應用案例，請聯繫我們工程師獲取
PS 寫在最後：
其實這篇文章早在7月份就寫完了，一直修改改改到現在才發，可見核磁知識的嚴謹和深奧（當然也有小編知識有限），寫原創科普文實在不易，但紐邁非常樂意在科普、宣傳低場核磁的道路上不斷前行，只因有你們的關注和支持！