[发明专利]一种磁共振成像的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及磁共振成像(MRI)系统，特别是涉及一种新型的磁共振成像的方法及其装 置。

背景技术

当前的磁共振成像系统工作时，需要将人体置于一个强大的静磁场中，通过向人体发射 射频脉冲使人体部分区域的原子核受到激发。射频场撤除后，这些被激发的原子核辐射出射 频信号，由天线接收。当在这一过程中加入梯度磁场后，就可以通过射频信号获得人体的空 间分布信息，从而重建出人体的二维或三维图像。

由于图像的信噪比与磁场强度相关，磁场强度越强，图像的信噪比越高，因此在磁共振 成像系统中都有一个强磁场的磁体，其发展趋势也是磁场强度越来越高，使得系统的体积和 成本也越来越大越大。为了在不增大磁场强度的前提下提高图像信噪比，或者在采用较低磁 场强度的条件下获得相当于高磁场强度的图像质量，一些新的成像方法得到了重视。

一种方法是采用预极化方式成像，即在一个低的磁场环境下施加一个强的脉冲磁场，脉 冲磁场对样品进行极化，脉冲磁场撤除后在低的磁场环境中进行磁共振成像，以达到增强图 像质量的目的。

另外一种方法是采用新的磁共振信号检测方法，用来增强信号的信噪比，提高图像质量。 光学原子磁力计被用来检测磁共振信号，可以将磁共振信号的信噪比提高几个数量级。

光学原子磁力计是基于光泵磁共振原理。在探测磁共振信号方面，不直接探测原子对射 频量子的发射或吸收，而是采用光探测的方法，探测原子对光量子的发射吸收。由于光量子 的能量比射频量子高七八个数量级，所以探测信号的灵敏度得以提高。比如对于Rb的气态 自由原子，它的满壳层外只有一个电子，该价电子处于第五壳层，主量子数n＝5。主量子数 为n的电子，其轨道量子数L＝0，1，…，n-1。因此，对应基态L＝0，最低激发态L＝1。电子还 具有自旋，电子的自旋量子数s＝1/2.。由于电子的自旋与轨道有相互作用(L-S耦合)，原 子的能级会发生分裂，形成精细结构，其能量差是：

ΔE＝g_Fμ_BB

由式上可以看出，ΔE与B成正比。因光抽运而使Rb原子分布偏极化达到饱和以后，Rb 蒸气不再吸收光，从而使透过Rb样品泡的光增强。这时，在垂直于产生塞曼分裂的磁场B 的方向加一频率为v的射频磁场，当v和B之间满足磁共振条件hv＝g_Fμ_BB时，在塞曼子 能级之间产生感应跃迁，称为磁共振。Rb原子发生的能级间的跃迁破坏了原子分布的偏极化， 而同时，原子又继续吸收入射的光而进行新的抽运，透过样品泡的光就变弱了。随着抽运过 程的进行，粒子又被抽运到初始的能级上。随着粒子数的偏极化，透射再次变强。光抽运与 感应磁共振跃迁达到一个动态平衡。光跃迁速率比磁共振跃迁速率大几个数量级，因此光抽 运与磁共振的过程就可以连续地进行下去。

投射到Rb样品泡上的光，一方面起光抽运作用，另一方面，透射光的强弱变化反映样 品物质的光抽运过程和磁共振过程的信息，因此又可以兼作探测光，用以观察光抽运和磁共 振。这样，对Rb样品加一射频场(同时存在着使Rb原子产生塞曼分裂的磁场)，用光照射 Rb样品泡，并探测透过样品泡的光强，就实现了光抽运-磁共振-光探测。在探测过程中射频 光子的信息转换成了频率高的光频光子的信息，这就使信号功率提高了8个数量级。

以上过程称为光泵磁共振，光泵磁共振用于进行成像时，将光泵磁共振探头置于被测样 品附近，这样被测样品的原子进动产生的磁矩的扰动将对光泵磁共振探头的探测光强度进行 调制，因此被调制的光强信号包含样品的磁共振编码信息，通过采集足够的包含不同编码信 息的磁共振信号，进行图像重建就可以形成样品的磁共振图像。由于信号的增强，可以在很 低的磁场条件下获得较高的图像质量，因此这种方法受到重视。

显然，这种方法存在的问题是，对环境的要求非常严格，在探测时周围的杂散磁场若达 到了原子磁矩产生的磁场强度的量级，就会对探测产生干扰。由于光泵磁共振的射频频率同 探头所在的磁场强度成正比，若背景磁场过强，则样品的磁矩产生的磁场对光强度的调制将 十分微弱，难以被探测到，而样品的极化磁场和编码磁场相对于光泵磁共振的要求都过于强 大，因此必须克服外加磁场对光泵磁共振探测的影响。光泵磁共振是直接探测原子的自旋进 动磁矩，显然距离探头远近不同的磁矩具有不同的灵敏度，因而影响成像的质量。