磁共振成像基础知识培训课件

磁共振成像概述 磁共振成像的历史 1946年，美国斯坦福大学的Bloch和哈佛大 学的Purcell发现了物质的核磁共振现象 1978年，英国诺丁汉大学和阿伯丁大学的 物理学家获得了第一幅人体头部的核磁共 振图像 后来为了区别核医学成像，不引起误解， 将核磁共振成像（NMR）称为磁共振成像（ MRI） MRI扫描仪的基本硬件构成 一般的MRI仪由以下几部分组成 主磁体 梯度线圈 脉冲线圈 计算机系统 其他辅助设备 主 磁 体 主磁体为一种外加磁场，磁共 振成像就是在这种外加磁场内进行 的。按主磁体的类型不同，可将磁 共振成像仪分为以下三种类型： 1.永磁型 2.常导型 3.超导型 永磁型 优点：1.造价与维护费用更低，不耗电 ，不需冷冻剂；2.磁力线垂直于孔腔，使用 螺旋管线圈，可提高信噪比。 缺点：1.场强较低，0.3-0.35T；2.重量 过大；3.磁场均匀性受室温的影响大，对室 温要求高（波动范围1）；4.成像速度 慢 。 常导型 优点：1.造价低；2.磁体重量轻；3.磁 场可关闭 缺点：1.耗电量大；2.场强低0.2- 0.4T；3.产热量大，需大量循环水冷却 ；4.磁场均匀性受磁体温度的影响大。 超导型 优点：1.场强高(0.5-3.0T) ；2.磁场稳 定均匀；3.成像速度快，图象质量好。 缺点：1.造价高；2.需要补充液氦和 液氮；日常维护费用高。 梯度线圈 梯度线圈性能的提高 磁共振成像速度加 快 梯度线圈性能指标 梯度场强 20mT/m 切换率 50mT/m.s 脉冲线圈 作用：激发人体产 生共振；采集MR信 号 脉冲线圈的进步显 著提高了MR图像的 质量 计算机系统 用于数据 的运算、 显示图像 、控制扫 描。 MRI的物理学基础 磁共振中的基本物理学概念 1、物质是由原子构成的，而 原子是由核外电子和原子 核组成的。 2、不同物质其原子核由不同 数目的质子和中子组成。 3、氢核内没有中子，只有单 个质子，带正电，作自旋 运动，产生磁场，并具有 极性。人体内含有丰富的 氢质子，各自极性排列杂 乱无章。目前的MRI都是利 用1H核成像 4、带正电荷的H质子围绕自身轴旋转,称“自 旋”。该自旋轴亦围绕某一轴旋转，称“进 动”。 5、人体进入均匀的磁场B0中,杂乱无章的H 原子核逐渐按主磁场方向排列并继续进动 （进动轴与B0一致），即“磁化”。 B0 6、在常温的状态下顺 静磁场B0排列的氢质 子数比逆向排列者多 10-6倍。故净磁化矢 量M在Z轴上的分量与 静磁场B0方向一致， 称“纵向磁化矢量（ M0）”。由于各个氢质 子进动不同步，故在XY 平面上的分量相互抵 消，为0。（矢量是具有一定 方向和大小的物理量） 7、组织净磁化向量即受静磁场的作用（相当于陀 螺受到重力作用），也受射频磁场的作用（相当 于对陀螺顶端水平方向的弹力）。当有射频磁场 （频率单一的电磁波）作用于H质子时，只要射频 磁场频率与磁化矢量进动频率相同，H质子吸收其 能量，磁化矢量进动角度将会越来越大。 8、射频脉冲（RF）愈长，进动角度愈大，可以使进 动角度增加到900的RF称900 RF。在垂直于主磁场 的RF作用下，氢质子同步旋转进动，逐渐从Z轴倒 向XY平面旋转，形成新的磁化矢量，称“横向磁 化矢量” （或虽然没有完全倒向XY平面，但由于 RF的作用，使氢质子旋转进动同步，净磁化矢量 在XY平面形成的分量亦称 ） 。 9、组织的磁化矢量是由许许多多质子的成分所构 成的，每个质子的进动频率也直接取决于主磁场 强度。主磁场强度和磁化矢量进动频率之间遵循 拉摩尔方程 f=B0/2 f是进动频率，B0是主磁场强度，是磁旋比，对 于每一种原子核，磁旋比是一个常数，氢质子的 磁旋比约为42.58 10、磁化矢量在XY平面旋进，产生变化的磁场，根 据法拉第定律，若在磁场内有一个线圈，则会在 线圈内产生变化的电流，即MR信号，这是一个释 放能量的过程。 11、撤消RF后，新建立的横向磁化矢量逐步消失 ，称“横向弛豫”，反映横向磁化衰减、丧失的 过程。其消失至最大值37%所需的时间称该组织的 “T2”。 13、纵向磁化矢量逐步恢复，称“纵向弛豫”。其 反映自旋核把吸引的能量传递给周围晶格所需的 时间。其恢复到原来大小的63%所用时间称该组织 的“T1”。 提 示 不同组织有着不同横向 (T2)弛豫或/和纵向(T1) 弛豫速度，是MRI显示解 剖结构和病变的基础。 14、氢质子的 上述吸收和 释放能量的 过程称“共 振”，共振 的条件是射 频脉冲的频 率和氢质子 的拉莫尔频 率一致。 MRI形成的基本理论 根据拉莫尔方程，质子的进动频率与场强成 正比，若（利用梯度磁场）令病人体内空间各点 的场强不同，不同空间位置的质子将以不同的频 率进动,则产生的MR信号频率也不同，藉之就能确 定MR信号产生的部位。 梯度磁场 由主磁体提供的静磁场，在成像空间内其磁 场是均匀的，而梯度磁场却是在静磁场中放入通 电线圈，产生新的磁场，使磁场中的一点的磁场 比另一点强，从而获得MR成像的位置信息。 目前设计的梯度磁场有三种：层面选择梯度 磁场，频率编码梯度磁场和相位编码梯度磁场。 这三种梯度磁场由三个梯度磁场来完成，这 三个梯度磁场的方向均按3个基本轴线（X、Y、Z 轴）的方向，联合使用梯度磁场亦可获得任意斜 面的图像。通常GZ指人体自头至脚的梯度磁场， GX指左右梯度磁场，GY指前后梯度磁场。 层 面 选 择 在固定的主磁场上附 加一个线性的梯度磁 场，就会在受检体上 形成不同共振频率的 空间坐标。如右图， 在1.0T的磁场中，加 入一个梯度磁场，则 一端场强高，氢质子 共振频率也高，另一 端场强低，氢质子共 振频率也低。选用不 同频率的RF去激励相 应位置的质子，就可 以达到选择层面的目 的。 成像平面信号的定位 在平面内是采用频率梯度磁场改变氢质子的进动 频率，运用相位梯度磁场短时间作用于氢质子来 改变其相位，从而确定各自位置的。 傅里叶变换 傅里叶变换的功能是将信号从时间阈值转换为频 率阈值 ，用于“翻译”频率与相位编码的信号成份 。通过傅里叶变换每个复合信号都被分解成一系 列具体与体素相应的频率成分。 就象一个乐队演出的乐曲，是一个多频率的复合信 号，我们的耳朵能够分辨出每一个声调和频率，能 区分出钢琴、小提琴及其它乐器，是因为我们的听 神经具有傅里叶变换的能力。 图像重建 如前所述，傅里叶变换可 将复合信号的频率和相位 成分区分开。故沿着一个 平面的两个垂直方向行相 位（行）和频率（列）编 码，便可得到该层面每个 体素的信息。就象电影院 座位按排、行编号那样， 各个体素由不同的频率和 相位组合，在矩阵中有其 特有的位置,再由计算机计 算出每个体素的灰阶值， 就得出一幅MR图像。 脉冲序列：是一具有特定时序和幅度的射频 脉冲。 重 要 性： 控制着系统施加RF脉冲、梯度和 数据采集方式，并决定图像的加 权、图像质量及对病变显示的敏 感性。 分 类： 分三类： SE 、IR 、GRE 脉冲序列 SE (Spin echo)脉冲序列 1、常规SE序列：是一个以900-1800为 序列的脉冲序列，先施加一个900脉冲 ，继而施加一个1800复相位脉冲使质子 相位重聚，产生自旋回波信号。 90脉冲间隔时间TR(Time of Repetition ，重复时间)；90至获取回波的时间 TE(Time of Echo，回波时间)。 所谓的加权加权就是“突出突出”的意思 T1加权成像（T1WI）-突出组织T1弛豫（ 纵向弛豫）差别 T2加权成像（T2WI）-突出组织T2弛豫（ 横向弛豫）差别。 在任何序列图像上，信号采集时刻横向的磁化 矢量越大，MR信号越强。 T1加权成像、T2加权成像 短TR、短TET1加 权像，T1像特点：组 织的T1越短，恢复 越快，信号就越强 ；组织的T1越长， 恢复越慢，信号就 越弱。 T1加权像 T2加权像 长TR、长TET2 加权像， T2像特 点：组织的T2越长 ，恢复越慢，信号 就越强；组织的T2 越短，恢复越快， 信号就越弱。 长TR、短TE质子密度加权像，图像特点： 组织的 H 越大，信号就越强； H 越小，信号 就越弱。 脑白质：65 % 脑灰质：75 % CSF： 97 % 质子密度加权像 常规SE序列的特点 最基本、最常用的脉冲序列。 得到标准T1 WI 、 T2 WI图像。 T1 WI观察解剖好。 T2 WI有利于观察病变，对出血较敏感。 伪影相对少（但由于成像时间长，病人易 产生运动）。 成像速度慢。 2、FSE脉冲序列 原理： FSE脉冲序列，在一次900脉冲后施加 多次1800复相位脉冲，取得多次回波并进行 多次相位编码，即在一个TR间期内完成多条 K空间线的数据采集，使扫描时间大大缩短 。 在一次成像中得到同一层面的不同加 权性质的图像。 FSE序列时序图 扫描参数： T1WI-短TE，20ms TR,300600ms ETL26 T2WI-长TE，100 长TR，4000 ETL812 优 点： 时间短，显示病变。 缺 点： 对出血不敏感，伪影多等。 FSE序列T1WI和T2WI 反转恢复序列(Inverse Recovery,IR) IR序列是用来得到最 佳T1像的成像序列。 IR序列是由一个 180反转脉冲使 Mz0 反转，此后脉冲同SE 序列。 180- 90-180-Echon 180脉冲反转脉冲结束后，无MXY的存在，MZ开 始恢复，等MZ过了0点后，在时刻 t=TI (Time of Inversion反转时间)，再施加一个 90脉冲(此后的 脉冲方式同SE)，再施加180脉冲，就可以得到回波 信号。IR序列的TR一般为18002500ms，而TI=400 600ms。 IR序列M的变化过程 IR序列特点 IR序列具有强T1对比特性； 可设定TI，饱和特定组织产生具有特征 性对 比图像(STIR、FLAIR)； 短 TI 对比常用于新生儿脑部成像； 采集时间长，层面相对较少。 STIR序列(Short TI Inversion Recovery) 在IR恢复过程中，组织的MZ都要过0点，但时间不 同。利用这一特点，对某一组织进行抑制。 如脂肪，由于其T1时间比其他组织短，取 TI=0.69T1(T1为脂肪弛豫时间)，脂肪的信号好过0点 ，接收不到它的信号。突出其他组织。 STIR应用于膝关节 膝盖矢状像（脂肪抑制） 常规 FLAIR序列 当T1非常长时，几乎所有组织的MZ都已恢复，只有 T1非常长的组织的 MZ接近于0，如水，液体信号被抑 制，从而特出其他组织。FLAIR (Fluid Attenuation IR) 常用于对CSF抑制。 FLAIR序列 SE T2加权 FLAIR，脑室水被抑制， 白质信号更清楚 IR序列的运用 脑部IR的T1加权可使灰白质的对比度更大。 眼眶部STIR能抑制脂肪信号，增加T2对比，使 眼球后球及视神经能更好显示。 脊髓采用FLAIR技术能抑制脑脊液搏动产生的 伪影，以利于显示颈、胸段脊髓病变。 肝部微小病变，使用IR能处到较好显示。 关节使用IR能同时提高水及软骨的敏感性。 梯度回波(Gradient Echo, GRE) GRE不采用180 脉冲对相位聚合，而用一 对极性相反去相位梯度场与相位聚合梯度场 ，采用小角度翻转角便纵向磁化快速恢复， 缩短了TR时间，提高成像速度。 GRE有两个基本序列： FLASH(Fast Low Angle Shot)消除残余横向 磁化矢量 FISP(Fast imaging with stead state precession) 增强残余横向磁化矢量 FLASH 采用“破坏(扰相)”残余横向磁化矢量。在 数据采集结合后，在沿层面选择梯度方向施加 “破坏”梯度，使用残存的横向磁化矢量加速 去相位，从而消除上一周期残存的横向磁化。 颈5椎体陈旧性骨折伴颈髓外伤后软化。 (2) FLASH(600/35/25)颈髓内病灶中长T2改变。 FISP FISP(稳态FLASH) 利用残余MXY，使其参与MR成像。 数据采集结束后，在频率与相位编码方向施加极性相 反的梯度，消除梯度磁场对残存的MXY去相位作用， 使上一周期残存的MXY也保持相对幅度(稳态)。 GRE序列图像特性与序列参数关系 磁共振血管造影 MR Angiography (MRA) MRA方法 TOF Time of Flight 时间飞越法 PC Phase Contrast 相位对比法 “黑血”法 预饱和技术 MRA成像方法是基于GRE梯度回波序列 时间飞越效应TOF 流动质子若在成像层内受激励，但在相位重聚 (回波)前流出成像层未经复相位过程;或质子在 激励后流入成像层内而未受激励但经历复相位过 程,这两种状态均无信号产生。 预先对成像层面内的静止组织使用额外的RF，使 H质子倒向XY平面进动，在下一个900RF到来时， 只要TR很短，H质子尚未充分弛豫，而很少吸收 并释放RF能量，回波信号很低，称“饱和”。 而从外层流入的血液中的H质子由于未受前一个 RF的影响，弛豫完全,吸收能量多,回波信号高。 这种利用RF脉冲，预先饱和周围组织，达到使之 信号减弱，而使流入血液信号增强的方法即TOF 。 在2D TOF中，每次只激发一个层面，层厚 小，通常流入血液处于未饱和，只要流动与层 面垂直，快慢流动均可获得较好的信号。 2D TOF具有较小的流入饱和效应,对于慢速， 如静脉及静脉窦成像很好，对于血流方向一致 的血管，显示良好。 2D-TOF 2D-TOF 3D-TOF 运用特殊的计算方法将多个层面的2D-TOF 进行叠加，便构成了三维的容积成像 3D-TOF。 3D-TOF信号丢失少，空间分辨率高，采集 时间短。对动脉瘤、血管狭窄等病变显示 好。 3D- TOF 血流中的H质子流过梯度磁场时失去相位一致性而 使信号减弱乃至消失，静止组织中的H质子相位仍保 持一致而使信号较强，于是血管与静止组织之间形 成了对比，再用一种称为双极流动编码梯度进行翻 转，就可使血流呈高信号，周围组织呈低信号，这 便是PCA。 PC A相位对比法 2D PC 3D PC 黑 血 法 使用RF脉冲在预定区域内饱和全部的磁化 向量,使该区组织在MR图像上呈黑色低信号 ，血流流经此区即处于饱和状态，再进入 成像容积时较少吸收和释放能量，呈黑色 低信号。而成像容积内静止组织因未被饱 和而呈较高信号。 黑 血 法 MRA临床应用 颅内血管MRA 3D-TOF 3D-PC用于动、静脉及复杂血流显示， 时间长 2D-TOF矢状窦等慢流显示 2D-PC也可用于矢状窦成像及流速预测 颈部血管MRA 多层2D-TOF，2D，3D-PC用于动、静脉 显示 MRA临床应用 l 胸部血管MRA 主动脉及分支、肺动、静脉系用CE-MRA 2D、3D-TOF用于主动脉显示 2D-PC加心电同步技术常用于主动脉流量分析 l 腹部血管MRA 首选CE-MRA 3D-TOF与PC可用于肾动脉 l四肢血管MRA 3D-CE-MRA对四肢血管的动脉、静脉期显示好 2D-TOF也可用于四肢血管显示 MRI水成像 利用人体内的水作为天然对比剂，用梯度 回波重T2WI，清晰显示含水器官的解剖和病 变。 内耳水成像内耳水成像 MRMR涎腺管造影涎腺管造影 MRMR脊髓造影（脊髓造影（MRMMRM） MRMR胆胰管造影（胆胰管造影（MRCPMRCP） MRMR尿路造影（尿路造影（MRUMRU） 内内 耳耳 水水 成成 像像 MRU MRI增强扫描技术 常用的造影剂为钆二乙三胺五醋酸（ Gadolinium-DTPA， Gd-DTPA），与含碘剂 造影剂相比，安全性相当高。 根据病变有无强化、强化的程度、类型来 鉴别诊断疾病。 T1像右侧 顶叶皮层旁 圆形等T1灶 呈短T2信 号 增扫呈圆 形均匀强化 ，境界清。 MRI的临床应用 MRI经过几十年的飞速发展，应用范围日益 广泛，已成为最重要的诊断工具之一。MRI 也几乎适用于全身各系统的检查。 MRI无骨性伪影，可随意作直接的多方向切 层，对颅脑、脊柱和脊髓的解剖和病变的显 示，尤优于CT。MRI可不用血管造影剂，显 示血管结构，在对肿块、淋巴结和血管结构 之间的相互鉴别方面，有独到之处。MRI的 软组织分辨能力高于CT数倍，能敏感地检出 组织成分中水含量的变化，常可比CT更有效 和早期地发现病变。 MRI的主要不足：扫描时间较长；胃肠道因 缺乏合适的对比剂，常常显示不清楚；对于 肺部，成像效果也不满意。MRI对钙化灶和 骨骼病灶的显示，也不如CT准确和敏感。 颅脑与脊髓 MRI对脑肿瘤、脑炎性病 变、脑白质病变、脑梗塞、脑先天性异 常等的诊断比CT更为敏感，可发现早期 病变 MRI通过多种方向的切层扫描,定位也更 加准确，较CT更加全面的明确肿瘤的部 位及周围结构的关系。 颅脑与脊髓 MR应用 由于MRI不受骨质及空气伪影的 影响，对颅底及脑干的病变显 示得更清楚 多发性硬化的CT扫描常为正常 ，MRI则几乎能发现绝大多数的 病灶,尤其是T2WI成像更加敏感 。 目前MRI是脱髓鞘疾病的首选方 法。 MRI可直接显示脊髓的全貌，因而对脊髓 肿瘤或椎管内肿瘤、脊髓白质病变、脊 髓空洞、脊髓损伤等有重要的诊断价值 。对椎间盘病变，MRI可显示其变性、突 出或膨出。显示椎管狭窄也较好。对于 颈、胸椎，CT常显示不满意，而MRI显示 清楚。另外，MRI对显示椎体转移性肿瘤 也十分敏感。 MRI可不用造影剂显示脑血管，发现有 无动脉瘤和动静脉畸形 但急性期脑出血MRI信号不明显，多为 等信号，而CT则表现为高密度，很容 易发现，因此，脑出血急性期应首选 CT检查。 亚急性硬膜外血肿 73 结节性硬化 Gd-DTPA +C 脑 干 胶 质 瘤 小 脑 梗 塞 83 脑 脓 肿 122 垂 体 微 腺 瘤 285 脑 室 内 囊 352 脑 转 移 瘤 355 T2 T13椎体压缩性骨折、胸髓挫裂伤、椎管狭窄 髓 内 星 形 胶 质 细 胞 瘤 385 外伤性脊髓软化 382 C45椎间盘突出颈髓压迫 C4 C24神经鞘瘤 Gd-DTPA +C Chiari 畸形 55 头颈部MRI应用 由于MRI能做多种切面的成像，且不存在骨 及牙齿的伪影，因此十分适合于头颈部肿 瘤的检查，对眼耳鼻咽喉部的肿瘤性病变 显示比CT更清晰更准确，特别是明确鼻咽 癌侵犯范围、颈部淋巴结转移和鉴别鼻咽 癌放疗后复发或纤维化，评价眼眶内肿瘤 范围与结构的关系。MRI还可做颈部的血管 造影，显示血管异常。对颈部的肿块，MRI 也可显示其范围及其特征，以帮助定性。 高位颈静脉 鼻咽癌向粘膜下浸润生长 鼻咽癌侵犯咽旁间隙 3D-TOF MRA 胸部 MRI应用 MRI特别适合于肺门及纵隔肿块或转移 淋巴结的检查，可区别血管断面还是淋巴 结。在显示肿块与肺门、纵隔血管关系方 面优于CT，对纵隔肿瘤的定位定性也极有 帮助。但观察肺门较小结节病灶和支气管 的侵犯略差于CT。由于气体在MRI上无信号 ，肺内病变常不作MRI检查。用心电门控技 术，MRI可直接显示心肌和左右心室腔，对 纵隔内大血管的情况可清楚显示 。 胸 主 动 脉 夹 层 肺 癌 461 纵隔畸胎瘤 464 先天性心脏病 472 476 先天性胸主动脉缩窄 478 主 动 脉 夹 层 动 脉 瘤 腹部 MRI MRI对肝、肾、肾上腺、胰、脾、等实质性 脏器疾病的诊断可提供十分有价值的信息， 有助于确诊。对小病变也较易显示，因而能 发现早期病变。 MRI能明确肿瘤的大小、位置及其与肝门静 脉关系，对肝海绵状血管瘤的诊断与核素肝 血管扫描及动态CT扫描相似。 MR胰胆道造影（MRCP）可显示胆道和胰管， 可替代ERCP。 对肝囊肿检出较超声更敏感，MRI也能发现 胆管扩张、胆囊结石及胆管肿块，但与CT 及超声比较没有更多的优点。对肝硬化的 诊断,CT是首选。 MRI对肾及肾上腺的诊断价值与CT相当