磁共振成像 先说最简单的频率编码
上一篇科普文，其中提到，磁共振成像正是基于不同组织的弛豫时间不同，反应在图像上有明有暗的差异。
相比于弛豫，成像最大的功能在于选层和定位，即图像能反映样品内部结构、解剖信息等。
那磁共振成像是如何实现选层定位的，其原理（相比于弛豫）又有什么不同？
相比于其他技术，磁共振成像对操作者的要求更高。
只有了解其基本原理的基础上，成像的结果才能得到准确的解释。
今天我们就来讲磁共振成像的原理，本文约2300字，阅读之前，请大家带着以下几个问题去看，效果可能更好。
内容可能不好理解，建议先收藏后阅读。
选层脉冲是包含一个固定的选层频率，还是覆盖一定的带宽？
相位编码梯度是通过什么实现相位不同的编码的？
相位编码和频率编码为什么不能同时进行？
K空间内的某个位置的点，与图像中对应位置的像素点是一一对应的关系吗？
磁共振成像属于断面成像，首先要确定这个断面所处的空间位置，即首先需要选层。
01
选层（Z方向）
之前我们讲发生共振的条件中提到：“当外界施加一定的射频能量，满足频率=原子核进动的拉莫尔频率” 拉莫尔频率ω=γ×B0
其中：γ代表旋磁比（固定的），B0是外磁场强度
如何实现选层呢？如果样品在均匀的静磁场中，样品每一层的磁场强度B0处处相同，拉莫尔频率也处处相同，彼此没有差别，没办法做到针对某一层单独激励了。
选层的做法就是，在原来的静磁场基础上叠加一个线性梯度磁场B’=z*Gz,线性梯度磁场与Z方向的位置有关（类似于海拔每升高100米，气温降低0.6℃这样的线性关系），因此获得每一层面处的拉莫尔频率都与其Z方向的位置相关，即ωz=γ(B0+z*Gz), 只需要选择那一层氢质子的进动频率，施加选层脉冲，选择性的只激发某层就可以了，这样层就被选出来了。
通过B0场和梯度磁场Gz叠加，使得沿着Z方向的每个位置的拉莫尔频率不同，从而实现选层
▲imaios.com
需要注意的是：
选层脉冲覆盖一定的带宽，因此能激发一定厚度的层面的信息，可以通过调节选择脉冲的带宽和切片选择梯度的幅度来改变切片的厚度。
选层脉冲具有一定的激励窗宽Δf（频带），切片厚度是Δf的函数，窗宽越宽，切片越厚。
反之则相应减小。
脉冲窗宽固定，梯度越强，空间进动频率变化越大，切片越薄。
因此我们所看到的磁共振图像，并非像拍的照片一样反映的是物体的平面，而是一个切片（有薄有厚）内信号的叠加和累计。
选完层之后，确定了一个二维的截面，还需要确定X和Y方向的位置。
02
相位编码和频率编码详解
什么是相位编码？什么是频率编码？
磁共振成像中信号的空间定位主要是借助于梯度场，选层是这样，频率编码和相位编码亦是如此。
频率编码示意图，通过施加梯度磁场，改变不同位置质子的自旋频率，从而将其区分。
，在X方向上，起初大家所处的磁场都是B0，都以ω0的进动频率自旋，沿着X方向施加梯度磁场Gx，造成沿着X方向每处的B0不同，质子的进动频率不同，分别为ω1、ω2、ω3，因此在X方向上三者的差别就出来了。
频率编码还好理解，相位编码稍微复杂一些
在X方向上实现了区分，那Y方向怎么区分呢？答案就是通过施加梯度磁场，实现各自的相位不同。
未施加梯度磁场前
施加梯度磁场
在沿着x方向施加一线性梯度场Gy，则在层面内，沿y方向的不同位置，由于梯度场的加入，每处的磁场强度By不同，产生三种不同的旋转速度，有的转的快有的转的慢，作用一段时间，其相位也明显不同。
撤去梯度磁场
累积相位仍在存在，使的三者相位仍然不同。
撤去梯度场后，但是由于之前频率不同，积累的相位却是无法撤销的，所有Y方向不同位置的自旋在相位梯度Gy作用后，带着各自独特的相位角以ω0的角速度绕B0旋转，于是产生三个独特的相位差。
由此我们可以看出，相位编码必须施加一段时间撤去之后产生相位差异，而频率编码必须施加的同时去采集（一旦撤销频率编码梯度，大家频率又相同，无法分辨）。
因此在实际中，我们一般是先施加相位编码，然后关闭相位编码梯度，施加频率编码梯度同时采集信号（正因此有时候频率编码梯度也叫做读出梯度）。
03
相位编码和频率编码过程
将以上过程连起来，我们进行相位编码和频率编码进行二维空间定位，用示意图来表示如下所示：
起初，层面内共振一致，相位一致
施加相位编码梯度
撤销相位编码梯度
相位梯度的本质也是改变频率，在梯度场高的地方，质子转动的更快，在撤下梯度场后，产生的相位差就更大。
相位编码梯度施加完成后（Gy关闭），在X方向施加梯度Gx，那么在X方向，不同位置的自旋的共振频率再次被改变，这种共振频率的差异，一直保持到信号采集结束。
如此，也就把X方向的信息定位出来了。
在相位编码结束后施加频率编码
所以，最终我们采集到3个信号，但是这3个信号中频率差和相位差都不同，因此9个点中每一点的频率、相位都不同，因此据此把这9个点对应的位置确定下来。
将以上采集到的三条信号逐条填充到K空间中（当然实际MRI成像不可能只有三条）。
关于采集信号和填充K空间的过程，这个比较复杂，这里先用简单的文字描述一下。
在此过程中，相位编码在每次激励过程中递减到零，再递增到最大；每一次重复完成一条K空间线的填充。
由此可以看出，每一条数据线都是对一个层面的激励，而这一条数据线中的每个点都是不同相位、幅度和频率的综合，因此说K空间每个点都含有这个层面像素的信息；通过对这条数据线的逆傅立叶转换（在K空间完成填充之后）即可转换灰阶图像。
从H质子到编码，再到K空间，再到形成一幅完整的MRI图像，我们用一个动图来表示（略显恐怖）。
▲imaios.com
04
MRI成像案例
说了这么多枯燥的原理，我们放一些具体的实例来轻松一下。
食品组（所用仪器为纽迈分析0.5TMRI设备）
生命科学组（纽迈分析0.5T及1.0T设备）
造影剂体外成像（0.5T）
▲造影剂体外成像
所用仪器为：纽迈分析核磁共振造影剂成像分析仪
NM21-015V-I
小鼠肺部原位肿瘤观察（0.5T）
▲25g正常鼠/肺部肿瘤小鼠瘤观察
所用仪器为：纽迈分析小动物核磁共振成像仪
NM21-060H-I
小鼠血管造影（1.0T）
▲小鼠血管造影成像
当然磁共振成像在临床前科研中的应用远远不止列出的造影剂、肿瘤、血管研究等，具体的应用参见下图，如果有您感兴趣的，欢迎联系我们获取更多的资料和文献。
END
篇幅所限，关于0.5T和1.0T小动物成像的更多功能和应用案例，请联系我们工程师获取
PS 写在最后：
其实这篇文章早在7月份就写完了，一直修改改改到现在才发，可见核磁知识的严谨和深奥（当然也有小编知识有限），写原创科普文实在不易，但纽迈非常乐意在科普、宣传低场核磁的道路上不断前行，只因有你们的关注和支持！