医学磁共振成像（mri）设备与应用课件

第6章 医学磁共振成像（MRI）设备与应用 本章目录： 6.1 MRI成像系统简介 6.2 MRI检查的临床应用 6.3 MRI成像检查的优缺点 6.4 MRI影像设备新技术进展 6.1 MRI成像系统简介 6.1.1 MRI影像设备发展概况 6.1.2 MRI影像设备功能 6.1.3 MRI影像设备主要性能指标 6.1.1 MRI影像设备发展概况 磁共振成像技术是在磁共振波谱学的基础上发展起来的。 磁共振成像自出现以来曾被称为：核磁共振成像、自旋体 层成像、核磁共振体层成像、核磁共振CT等 。 1945年由美国加州斯坦福大学的布洛克（Bloch）和麻省哈 佛大学的普塞尔（Purcell）教授同时发现了磁共振的物理 现象，即处在某一静磁场中的原子核受到相应频率的电磁 波作用时，在它们的核能级之间发生共振跃迁现象。因此 两位教授共同获得1952年诺贝尔物理学奖。 磁共振的物理现象被发现以后，很快形成一门新兴的医学 影像学科磁共振波谱学 。 1971年纽约州立大学的达曼迪恩（Damadian）教授在科学杂 志上发表了题为“核磁共振（NMR）信号可检测疾病”和“癌组织 中氢的T1时间延长”等论文， 1973年曼斯菲德(Mansfields)研制出脉冲梯度法选择成像断层。 1974年英国科学家研制成功组织内磁共振光谱仪。 1975年恩斯托（Ernst）研制出相位编码成像方法。 1976年，得到了第一张人体MR图像（活体手指）。 1977年磁共振成像技术进入体层摄影实验阶段。 几十年期间，有关磁共振的研究曾在三个领域（物理、化学、生 理学或医学）内获得了六次诺贝尔奖。 6.1.2 MRI影像设备功能 现代磁共振成像系统大体结构都很相似，基本上由四个系统组成：即磁 体系统、梯度磁场系统、射频系统和计算机系统。 磁 体 梯度线圈 射频 线圈 梯度 控制 梯度 驱动 接受 通道 发射 通道 脉冲程序 计算机显示器存储器 1磁体系统 磁体系统是磁共振成像系统最重要、成本最高的部件，是磁 共振系统中最强大的磁场，平时我们评论磁共振设备的大小就 是指静磁场的场强数值，单位用特斯拉（Tesla，简称T）或高 斯（Gauss）表示，1T=1万高斯。 临床上磁共振成像要求磁场强度在0.053T范围内。一般将 0.3T称为低场，0.3T1.0T称为中场，1.0T称为高场。磁 场强度越高，信噪比越高，图像质量越好。但磁场强度过高也 带来一些不利的因素。 为了获得不同场强的磁体，生产厂商制造出了不同类型的磁 体，常见的磁体有永久磁体、常导磁体和超导磁体。 （1）永久磁体 永久磁体是由永久磁铁（如铁氧体或铷铁）的磁 砖拼砌而成。它的结构主要有两种，即环型和轭 型。 优点是：造价低，场强可以达到0.3T，能产生优 质图像，需要功率极小，维护费用低，可装在一 个相对小的房间里。 缺点是：磁场强度较低，磁场的均匀度和强度欠 稳定，易受外界因素的影响（尤其是温度），不 能满足临床波谱研究的需要。 （2）常导磁体 常导磁体是根据电流产生磁场的原理设计的。 当电流通过圆形线圈时，在导线的周围会产生磁场 。常导磁体的线圈是由高导电性的金属导线或薄片 绕制而成。它的结构主要由各种线圈组成。 优点是：造价较低，不用时可以停电，在0.2T以下 可以获得较好的临床图像。 缺点是：磁场的不稳定性因素主要是受供电电源电 压波动的影响，均匀度差。另外易受环境因素（如 温度、线圈绕组的位置或尺寸）的影响. （3）超导磁体 荷兰科学家昂尼斯（Kamerlingh Onnes） 在1911年 首先发现某些物质的电阻在超低温下急剧下降为零 的超导性质，电阻的突然消失意味着物质已转变为 某种新的状态，这些物质称为超导体。科学家昂尼 斯获得了1913年诺贝尔物理学奖。 优点是：场强高，稳定性和均匀度好，因此可开发 更多的临床应用功能。 缺点是：技术复杂和成本高。 2梯度磁场系统 梯度磁场简称梯度场，梯度是指磁场强度按其磁场的 位置（距离）的变化而改变，它的产生是由梯度线圈完成的 ，一般在主磁体空间沿着X、Y、Z三个方向放置。梯度线圈 有三组即GX、GY、GZ，叠加在静磁场的磁体内，当线圈 通电时可在静磁场中形成梯度改变。 3射频系统 射频脉冲磁场简称射频脉冲（radio frequency，RF）是 一种以正弦波震荡的射频电波。磁共振系统中应用的频率较低 ，相当于调频广播FM波段，根据静磁场的强度不同其RF频率 也不同。 射频系统作用：用来发射射频磁场，激发样品的磁化强度产 生磁共振，同时，接收样品磁共振发射出来的信号，通过一系 列的处理，得到数字化原始数据，送给计算机进行图像重建。 它是由发射射频磁场部分和接收射频信号部分组成。 4计算机系统 在MRI设备中，计算机系统包括各种规模的计算机、 单片机、微处理器等，构成了MRI设备的控制网络。信 号处理系统可采用高档次微型机负责信号预处理、快 速傅立叶变换和卷积反投影运算。微机系统负责信息 调度（如人机交互等）与系统控制（如控制梯度磁场 、射频脉冲）。 （1）主计算机系统及其功能 功能：主要是控制用户与磁共振各系统之间的通信，负责对 整个系统各部分的运行进行控制，使整个成像过程各部分的 动作协调一致，产生所需的高质量图像。并通过运行扫描软 件来满足用户的所有应用要求，如扫描控制（控制梯度磁场 、射频脉冲）、病人数据管理、归档图像、控制图像的重建 和显示等、评价图像以及机器检测（包括自检）等。 组成：主机、磁盘存储器、光盘存储器、控制台、主图像显 示器（主诊断台）、辅助图像显示器（辅诊断台或工作站） 、图像硬拷贝输出设备（多幅相机、激光相机）、网络适配 器、测量系统的接口部件等。主图像显示器又是控制台的一 部分，用于监视扫描和机器的运行状况。 （2）主计算机系统中运行的软件 整个MRI系统从物理的观点来看可分为用户层、计算 机层、接口层和测量系统等四层。从控制的观点来看，又 可分为软件和硬件两层。应用软件通过操作系统等系统软 件与主计算机发生联系，从而控制整个MRI设备的运行。 如图所示。 应用软 件 操作系 统 主计算 机 硬件接口及 扫描控制器 测量设 备 用户层 计算机层接口 测量系统层 软件硬件 1）系统软件 系统软件用于计算机自身的管理、维护、控制和运行，以及计算机 程序的翻译、装载和维护的程序组。系统软件分为操作系统（系统软件 的核心）、语言处理系统和常用例行服务程序等三个模块。 2）应用软件 应用软件是指为某一应用目的而特殊设计的程序组。在MRI系统中 ，运行的应用软件就是磁共振成像的软件包。软件包中的模块通常有病 人信息管理、图像管理、扫描及扫描控制(应用软件的核心)、系统维护 、网络管理、主控程序等。 3）应用软件的信息交换 应用软件从用户那里直接得到需求信息，将用户的请求 转变为控制数据发往测量、控制设备，获得测量数据，根 据用户的需求输出图像。 （3）图像重建 图像的重建是一个极其复杂的信号处理过程 ，必须在复杂且严格的程序软件控制下进行。图 像重建的本质是对原始数据的高速数学运算（包 括累加平均去噪声、相位校正、傅立叶变换等） 。图像重建既可用软件完成也可用硬件完成，软 件重建的速度要慢于硬件。 （4）图像显示 图像重建结束后，得到的是表示图像各点不 同亮度的一组数据，这些图像数据立即被送入 主计算机系统的海量存储器或硬盘中，并以图 像的形式输出才能让人眼看到。最成熟、最受 欢迎的显示方法是电子视频显示系统，目前比 较流行的是液晶显示器。图像的显示不仅限于 当前的病人，在会诊或进行回顾性研究时还需 要调出以往病人的图像。 6.1.3 MRI影像设备主要性能指标 本节介绍了MRI影像设备的主要性能指 标，包括主磁体、梯度磁场、射频线圈的 主要性能指标。 （1）磁场强度 磁共振设备磁场强度的大小就是指静磁场的场强数值 大小，单位用特斯拉（Tesla，简称T）或高斯（Gauss） 来表示，1T=1万高斯。 （2）磁场均匀度 所谓磁场均匀度是指在特定容积（常取球形空间）限 度内磁场的同一性程度，即穿过单位面积的磁感应线是否 相同。 （3）磁场稳定度 磁场的稳定度分时间稳定度和热稳定度两种。 时间稳定度是指磁场随时间而变化的程度。磁场随 时间变化会产生相位差，导致图像伪影。 热稳定度是指磁场值随环境温度变化而漂移的程度 。永磁体和常导磁体的热稳定度较差，超导磁体的时间稳 定度和热稳定度都能满足要求。 （4）有效孔径 有效孔径是指梯度线圈、匀场线圈、射频体 线圈和内护板等部件均安装完毕后所得到的空间 ）。全身MRI设备，磁体有效孔径须足以容纳人 体为宜，一般来说，内径应大于65厘米。孔径较 小可使病人产生幽闭恐惧感。 年来出现的开放式磁体使病人躺在半敞开的 检查床上，不会产生幽闭恐惧感，并能开展磁共 振介入治疗项目。 （5）磁场的逸散度 强大的主磁体周围形成的逸散磁场，其 逸散程度称为逸散度。它的危害是对附近 的铁磁性物体产生很强的吸引力，对人体 健康、医疗仪器设备受到不同程度的损害 、干扰和破坏。逸散程度的措施是对磁体 采取各种有效的屏蔽。 2梯度磁场的性能指标 （1）有效容积（梯度场的均匀容积） 有效容积是指线圈所包容的、其梯度场能够满足 一定线性要求的空间区域。 （2）梯度场的线性 梯度场的线性是衡量梯度场平稳度的指标。线性 越好，表明梯度场越精确，图像的质量就越好。 （3）梯度场的强度 梯度场强度是指梯度场能够达到的最大值。 与主磁场相比梯度磁场是相当微弱的。梯度场强 度大，磁场梯度就可以更大些，可进行超薄层面 的扫描。 （4）梯度场变化率和梯度上升时间 梯度场变化率是指单位时间内梯度场变化的 程度，即最大梯度与上升时间的比率，亦称梯度 切换率。梯度上升时间是指梯度场达到某一预定 值所需的时间。梯度上升性能的提高，可开发更 快速的成像序列. （5）梯度场工作周期 梯度场工作周期是指在一个成像 周期的时间内梯度场工作时间所占的 百分数。成像周期是指MRI设备采集一 次数据所需的时间，即一个脉冲序列 执行一遍所需的时间。梯度场工作周 期与成像层数有关，成像层数越多， 梯度场的工作周期百分数越高。 6.2 MRI检查的临床应用 6.2.1 中枢神经系统检查 6.2.2 颈部检查 6.2.3 胸部检查 6.2.4 腹部检查 6.2.5 盆腔检查 6.2.6 骨骼肌肉与关节检查 T1和T2： T1和T2是组织在一定时间间隔内接受一系列 脉冲后的物理变化特性，不同组织有不同的T1和 T2，它取决于组织内氢质子对磁场施加的射频脉 冲的反应。 TR和TE： TR是重复时间即射频脉冲的间隔时间,TE是回 波时间即从施加射频脉冲到接受到信号问的时间 ，TR和TE的单位均为毫秒（ms），可以做出分 别代表组织Tl或T2特性的图像（T1加权像或T2加 权像;通过成像参数的设定也可以做出既有Tl特性 又有T2特性的图像，称为质子密度加权像。 T1加权像和T2加权像： 观察图像的TE和TR值可区分，TE短可为20ms ，长可为80ms，TR短可为600ms，长可为3000ms 。短TE短TR为T1加权像，而TE、TR均长的为T2加 权像，短TE长TR者为质子密度加权像。 观察液体结构如脑室、膀胱或脑脊液，若液体 是亮的，很可能为T2加权像，若液体是暗的，则可 能为T1加权像。 磁共振成像检查常用的成像序列和检查方法： 磁共振图象是通过采用特定的成像序列扫描而 获得的。目前，临床上最常用的是自旋回波序列 （SE序列）。通过改变序列中的TR（射频重复时 间）和TE（回波时间）两个参数，可分别获得质子 密度、T1和T2的加权图像，三种不同成像参数的 加权图像，各分别代表了组织的三种不同的磁共振 特性，借以分辨正常组织并识别病变。 MRI造影剂的种类及适应症： （一）、种类： 1、顺磁性阳性造影剂。常用的有Gd-DTPA（马根 维显；磁显葡胺）等。其作用主要使T1缩短，在T1 加权像上呈高信号。 2、超顺磁性物质。常用的有纳米氧化铁颗粒（ SPIO）等。其作用主要使T2缩短，在T2加权像上是 低信号。 （二）、适应症： 1、某些肿瘤的鉴别诊断。 2、确定血脑屏障是否被破坏。 3、提高病变的发现率。 对病人进行磁共振成像检查时： 要避免带有含铁等顺磁性物质的物品，如手表 、金属项链、假牙、金属钮扣、金属避孕环等进入 检查室，因为这些带有顺磁性物质的物品，可使图 像中产生大片的无信号伪影，不利于病灶的显示。 带有心脏起搏器的病人，严禁做磁共振成像检查。 对体内有金属弹片存留、术后有银夹残留，金属性 内固定板、假关节等的病人，磁共振成像检查要持 慎重态度，必需检查时要严密观察，病人如有局部 不适，应立即中止检查，防止弹片、银夹等在高磁 场中移动，以致损伤邻近大血管和重要组织。 MRI检查的禁忌症： 病人体内装有磁易感性物质或装置，这些结构 的移动或功能丧失会引起不良后果。如： 1.心脏起搏器； 2.耳蜗移植体； 3.某些人工心脏瓣膜； 4.骨骼生长刺激器和神经刺激器（TENs）； 5.动脉夹或圈； 6.金属结构（框周）； 7.某些假体。 MRI检查的禁忌症： 病人体内装有磁易感性物质或装置，这些结构 的移动或功能丧失会引起不良后果。如： 1.心脏起搏器； 2.耳蜗移植体； 3.某些人工心脏瓣膜； 4.骨骼生长刺激器和神经刺激器（TENs）； 5.动脉夹或圈； 6.金属结构（框周）； 7.某些假体。 1MRI检查在脑和头颅疾病中应用 n 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，定位也更加准确。 n 对颅底及脑干的病变因无伪影可显示得更清楚 。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。 n MRI还可直接显示一些颅神经，可发现发生在 这些神经上的早期病变。 对于中枢神经系统的先天性病变MRI是最好的影像学 检查方法。 脑膜瘤破坏颅骨 左侧听神经瘤 图6.10（AE）AB为左顶动静脉畸形；CD为左大脑后动脉动脉瘤； A B C D 2MRI检查在脊柱和脊髓中应用 （1）检查技术：MRI技术的应用，MRI没有骨骼 伪影，显示脊髓、椎管效果特别好；MRI的直 接矢状位和冠状位成像，对于脊髓和椎管的整体 显示有优势；MRI可以多种成像方法同时使用 ，对于脊髓变性、肿瘤等病变的显示敏感。扫描 平面一般为矢状面和横断面，必要时可以加做冠 状面，层厚一般采用45mm或更薄。 图6.12（AC）脊髓星形细胞瘤。A为T1WI，B为T2WI，C为Gd-DTPA增强 T1WI示肿瘤强化 ABC n MRI对眼耳鼻咽喉部的肿瘤性病变显示好，如鼻 咽癌对颅底、颅神经的侵犯，MRI显示比CT更清晰 更准确。 n 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。 6.2.2 颈部检查 6.2.3 胸部检查 肺脏的MRI图像均呈黑色低信号，因此在显示 肺内微细结构以及肺内病灶的细节等方面明显劣 于CT，故多不用于肺脏疾病的诊断。但MRI在显 示纵隔和肺门的病变、胸壁的病变、臂丛神经病 变以及肺动脉栓塞的诊断方面也具有较重要的价 值。由于纵隔内血管的流空效应及脂肪的高信号 特点，因此不必注射对比剂即可清晰显示纵隔内 肿瘤的位置及与周围结构的关系或增大的淋巴结 ，如图6.13。 左上肺鳞癌 主动脉夹层 MRI检查已经成为肝脏局灶性病变最好的影 像方法，明显提高了术前诊断的正确率，例如肝 癌、肝血管瘤、转移瘤、结节状增生及肝腺瘤等 均有相应的MRI表现特征。 n 常规MRI检查并不适于胆道病变的诊断，目前 主要是利用MRCP（磁共振胰胆管成像）无创地 显示肝内外胆管扩张以及梗阻的部位与形态，对 胆道梗阻的良、恶性病变的鉴别诊断提供必要的 证据。胆囊癌表现为正常胆囊形态消失，胆囊区 出现肿块影，T1WI呈低信号、T2WI呈高信号， 肿瘤常直接侵犯周围肝脏组织及肝门区域。 6.2.4 腹部检查 图6.16 A为胆总管内多发结石呈低信号影；B为肝门区胆管癌引起胆道高位梗阻。 AB 6.2.5 盆腔检查 nMRI可显示子宫、卵巢、膀胱、前列腺、精囊等 器官的病变。可直接看到子宫内膜、肌层，对早 期诊断子宫肿瘤性病变有很大的帮助。对卵巢、 膀胱、前列腺等处病变的定位定性诊断也有很大 价值。 A B 图6.18 A显示双侧肾盂输尿管扩张积水；B显示左输尿管下段肿 瘤（）。 6.2.6 骨骼肌肉与关节检查 nMRI对关节内的软骨盘、肌腱、韧带的损伤，显 示率比CT高。由于对骨髓的变化较敏感，能早期 发现骨转移、骨髓炎、无菌性坏死、白血病骨髓 浸润等。对骨肿瘤的软组织块显示清楚。对软组 织损伤也有一定的诊断价值。 图6.19 A为正常膝关节T1WI显示韧带（）；B为胫骨上段骨肉瘤破坏骨质。 A B 6.3 MRI成像检查的优缺点 MRI优于CT: 1.没有电离辐射； 2.多方位成像（横断面、冠状面、矢状面和斜面）； 3.解剖结构细节显示较好； 4.对组织结构的细微病理变化更敏感（如骨髓的浸润 ，脑水肿）； 5.由信号强度可以确定组织的类型（如脂肪，血液和 水）； 6.组织对比优于CT。 6.3 MRI成像检查的优缺点 磁共振成像术的主要不足: 在于它扫描所需的时间较长，因而对一些不配 合的病人的检查常感困难，对运动性器官，例如胃 肠道因缺乏合适的对比剂，常常显示不清楚；对于 肺部，由于呼吸运动以及肺泡内氢质子密度很低等 原因，成像效果也不满意。磁共振成像对钙化灶和 骨骼病灶的显示，也不如CT准确和敏感。磁共振成 像术的空间分辨力，也有待进一步提高。 6.4 MRI影像设备新技术进展 n目前,磁共振影像设备的发展趋势，一是