磁共振成像原理讲解材料课件

核磁共振成像原理 Nuclear Magnetic Resonance Imaging, NMRI 主 讲：易三莉 生物医学工程专业 信息工程与自动化学院 昆明理工大学 教材： 核磁共振成像原理 熊国欣 科学出版社 2007年第一版 辅导材料： 1、MRI基础 尹建中译 天津科技翻译出版公司 2004年 2、MRI原理与技术 陈武凡 科学出版社 2012年 l 什么是核磁共振成像？ l 核磁共振成像具有哪些优势？ l核磁共振成像在医学影像中有哪些应 用？ 第一章 导 言 核磁共振： 物质原子核磁矩在外磁场的作用下发生能级分裂，并 在外加射频磁场的能量条件下产生的能级跃迁的核物理 现象。 核磁共振的特点： （1）具有普遍性，在化学元素周期表中92种天然元素中， 具有核磁矩的元素有88种。 （2）不同的核有不同的磁矩，使NMR具有很高的选择性； （3）NMR谱线宽度很窄，因而具有很高分辨率； （4）可进行生物过程和化学变化等动态观测； （Nuclear Magnetic Resonance，NMR） 核磁共振成像： Nuclear Magnetic Resonance Imaging, NMRI 其全称是核磁共振电子计算机断层扫描术。它是根 据生物磁性核在磁场中表现出来的共振特性进行成像的 新技术。由于“核”字的敏感性，故通常将其称为MRI。 核磁共振成像的特点： （1）多参数成像，可提供丰富的诊断信息。 （2）高对比度成像，尤其可获得高对比度软组织的图像 。 （3）任意方位断层，可从三维空间观察人体。 （4）可进行人体能量代谢研究，将解剖结构观察和功能 代谢情况观察相对合。 （5）无电离辐射，对人体没有损伤。 以核磁共振成像与CT成像的比较为例来比较 说明MRI的特点： （3）FMRI功能成像 （4）DTMRI扩散张量成像 第二章 MRI扫描仪 主要内容： 1、对MRI有初步的了解； 2、了解MRI扫描仪有哪些类型； 3、掌握MRI扫描仪的基本结构； 重点： 掌握MRI扫描仪的基本结构；掌握主磁体的种类 ； 第一节 核磁共振仪的系统结构及类型 根据磁场的产生方式不同，可分为三大类： 1.超导型 2.永磁型 3.常导型 根据用途不同，可分为两大类： 1.临床应用型：其主磁体磁场强度在0.20.5T以下； 2.临床研究型：其磁场强度在1.01.5T以上。 根据磁体外形不同，可分为三类： 1、开放式 2、封闭式 3、特殊外形磁体 开放式MRI 封闭式MRI 特殊外形MRI MRI设备结构示意图 MRI成像系统方框图 磁体系统、 谱仪系统、 计算机系统MRI系统： MRI 系 统 结 构 磁体系统 谱仪系统 计算机系统 主磁体：电磁体（或阻抗磁体） 、永磁体 、超导磁体 梯度系统：三组线圈，产生x、y、z三 个 方向的梯度场 射频发生器：频率合成器、正交调制器、 射频功率放大器、射频开关、射 频发射线圈。 射频接收器：接收线圈、衰减器、射频放 大器、模数转换器等 硬件部分：控制台计算机、主计算机、射频 脉冲控制器，梯度脉冲控制器、图 像显示与存储设备 软件部分：系统控制软件、故障诊断软件、 成像协议软件等 用于产生主磁场B0。它是NMR成像系统中一个关键部件 ，决定了MRI设备的图像质量和工作效率。 第二节 核磁共振仪的磁体系统 一、主磁体 磁体材料钕铁硼、钐钴 、铝镍钴等 铝带、铜线、 铜带等 铌钛合金、镁 硼等 运行费用低高高 接收线圈螺旋管型马鞍型马鞍型 是否需要降温否是（水）是（液氦） 磁感应强度0.15T0.5T/2时： Em0，即原子核能量增加； 1、原子核的附加能量 2、塞曼能级 在外磁场的作用下原子核的自旋在空间中只能取特定的几种方 向，空间取向不同，其能量也不同，形成能级分裂，这种现象称为 塞曼效应，分裂后的能级称为塞曼能级。 （1） 分裂后的塞曼能级正、负对称，且间距均为Em=gI NB0 ； （2） 只在相邻塞曼能级间进行跃迁； （3） 无外界激励时，塞曼能级间存在自发跃迁； 外磁场中质子的塞曼能级： mI =1/2 时,自旋方向与B0平行， E1=-0.5gI NB0 mI = -1/2时,自旋方向与B0反平行 ， E2=0.5gI NB0 E1=E0-0.5Em E2=E0+0.5Em E2-E1=Em 第三节 核磁共振现象 核磁共振：若在与外磁B0垂直的平面内施加一个射频脉冲，其能量正好 等于核的两相邻能级间的能量差时，原子核会强烈吸收射频脉冲的能量 ，从低能级跃迁到高能级，这种现象称为核磁共振。 射频脉冲（ radio frequency pulse, RF）：电磁波脉冲，即短促的电磁波 频率为的射频脉冲其脉冲能量为： E=h 产生磁共振的条件： (1) 核有自旋(磁性核) (2) 外磁场，能级分裂 (3) 脉冲能量与原子核相邻能级能量差相等，即h=E=gI NB0 原子核在B0中的拉莫尔角频率 （1）当射频脉冲的角频率与原子核 在磁场B0中的拉莫尔角频率相 等时，会产生核磁共振现象； （2）不同原子核，其旋磁比也不同 ，相应的核磁共振频率也不同 ； （3）相同原子核，外磁场越强，其 核磁共振频率就越高。 第四章 核磁共振的宏观描述 主要内容： 1、理解什么是磁化强度、旋转坐标系 2、理解并掌握什么是纵向磁化、横向磁化；了解/2 脉冲、脉冲以及部分翻转脉冲的概念； 3、掌握纵向弛豫、横向弛豫以及纵向弛豫时间及横 向弛豫时间等概念； 重 点： 掌握纵向弛豫、横向弛豫以及纵向弛豫时间及横向弛豫 时间等概念； 磁 化：磁场中的物体在外磁场作用下，在磁场方向上 产生磁性的过程。不同物质磁化程度不同，磁化大小用 磁化强度m表示。 磁化强度：单位体积内所有原子核磁矩的矢量和； 磁化率 ：物体在磁场中被磁化产生磁化的能力（磁敏 感性），定义为产生磁化强度与施加磁场之比： 第一节 基本概念 第二节 核磁共振 一、平衡态 (1) 当没有外磁场时，核磁矩的方向杂乱无章，对外合 成磁矩为零，其磁化矢量 M0，即不呈现磁性。 (2) 在外磁场B0的作用下，各核磁矩围绕该磁场拉莫进 动,并产生能级分裂。 纵向：与外磁场B0平行的方向； 横向：与外磁场B0垂直的方向； 纵向磁化：物质在外磁场中产生的沿外磁场方向的 磁化强度矢量M0。 没有外磁场时原子核的分布 外磁场作用下原子核的分布 （1）在外磁场的作用下 ，磁场中的原子核绕B0 进动并产生能级分裂， 根据玻尔兹曼分布规律 ，处在低能级的核子数 多于高能级的核子数， 从而产生纵向磁化矢量 M0； （2）由于核子的分布是 均匀的，所以它们在XOY 平面上的分量相互抵消 ，即横向分量Mxy=0; M00,产生纵向磁化； Mxy=0，无横向磁化； 质子不停围绕Z轴旋 转，该图描述的是某 一时刻质子的状态。 旋转坐标系：描述核磁共振的 一种基本概念；其Z轴及原点 O不变，XOY轴旋转。 M0和Mxy 的矢量和 M M0 二、激发态 核磁共振沿着x轴方向施加一射频脉冲B1，当射频 脉冲的角频率等于原子核的拉莫尔角频率时，则产 生核磁共振。此时，原子核吸收相同频率的射频磁 场能量而从平衡态变为激发态； 激发射频磁场对自旋系统的作用过程 （1）射频脉冲的作用下 ，质子吸收射频能量由 低能级跃迁到高能级， 造成纵向磁化矢量M0减 小； （2）射频脉冲使质子不 再均匀分布，而是进行 同相位旋转，即同方向 同速度旋转; 横向磁化所有质子在同一时刻指向同一方向以拉莫尔角频率绕 外磁场进动，其核磁矩在该方向的叠加所表现出的磁化强度。 M00，产生横向磁化； M0和Mxy的 矢量和 M M0+ Mxy M相当于M0 向XOY轴偏转 角 三、驰豫过程 驰豫过程质子系统的激发态是不平衡的状态，当去 掉射频脉冲时，质子将会恢复到原来的平衡态， 质子 的这种从激发态向平衡态恢复的过程就称之为驰豫过程 ； 驰豫过程包括两方面: 纵向弛豫过程:纵向磁化分量M0的恢复 横向弛豫过程:横向磁化分量 MXY的衰减 纵向驰豫与横向弛豫同时开始但各自独立； 弛豫：Relaxation; 1、纵向弛豫过程：放出能量，从高能级向低能级跃迁；纵 向磁化逐渐增加；称为T1弛豫过程,又称热弛豫或自旋晶格 弛豫，主要反映局部的能量交换信息 。 c、最后回归原始 状态，纵向磁化恢 复到最大 a、射频结束瞬间， 纵向磁化为零，横 向磁化最大； b、反平行质子释放能 量跃迁回平衡态，纵 向磁化逐渐增大 2、横向弛豫过程：质子的自旋作用造成质子系统的相位分 散，横向磁化矢量逐渐减小；也称为T2弛豫过程。 a、射频结束瞬间， 横向磁化达到最大, 进动相位一致 b、质子之间的相互作 用造成的磁场的差异使 得进动相位分散，横向 磁化矢量逐渐减小 d 、最终相位完 全分散，横向磁 化矢量为零 质子的自旋自旋：当两个自旋质子彼此靠近时，一个质子自旋产生的 磁场会影响邻近它的质子，其结果是使它们均匀分布。 3、驰豫过程的综合表示（三种运动的综合过程） (1)磁化矢量的进动(2)纵向磁化增大(3)横向磁化减小 弛豫时间：当去掉射频脉冲时，质子从激发态恢复到 原来的平衡态所需时间。 驰豫时间包括： 纵向驰豫时间T1: 用于描述质子从被激发的状态恢复到平行状态时纵向磁化强度 MZ逐渐增大的快慢的物理量。纵向恢复可表示为 ： 横向驰豫时间T2： 用于描述质子从被激发的状态恢复到平行状态时横向磁化强度 Mxy衰减的快慢的物理量，横向恢复可表示为： 4、弛豫时间 T2比T1快510倍，当纵向磁化强度恢复到M0时，横向磁化强度Mxy早已恢复到 0. （1）纵向弛豫快慢遵循指数递增规律，纵向驰豫时间T1的值定义为 ：从0增大到最大值M0的63%的所需时间。 T1是组织的固有特性，给定外磁场的情况下不同组织的T1值不 同； T1受外磁场的影响，同一组织当外磁场强度越强则T1越长； （2）横向弛豫快慢遵循指数递增规律，横向驰豫时间T2的值定 义为：从最大值Mxymax下降到最大值的37%所需时间。 T2与磁场强度无关； 不同成分和结构的组织T2不同，例如水的T2值要比固体 的T2值长； T2的长短取决于组织内部的局部小磁场的均匀性对小磁 化散相的有效性； 几种常见组织在不同场强下的T1，T2及质子密度值 组织T1T2 质子密度 (%) 0.2T1.0T1.5T 脂肪240-609.6 白质3906207187610.6 灰质4908109989110.6 脑脊液14002500300014010.8 肌肉370730860509.3 四、射频脉冲及翻转角 纵向磁强度M0在射频脉冲的作用下，偏离Z轴与Z 轴成角，这个称为翻转角 (1)/2脉冲:正好使M0翻转到XOY平面上的射频脉 冲称为/2脉冲； (2)脉冲:正好使M0翻转到Z轴的负方向的射频脉 冲称为脉冲； (3)角脉冲:在射频脉冲作用下 ，使M0翻转偏离Z 轴角度，且T1(b)重复时间TRT1 (b)重复时间 TRT1B）： TR1 MZA1 MZB1 (1) 使用较小的TR1时，组织B较组织A纵 向驰豫恢复快，因而MZB1明显大于 MZA1，信号强度对比明显； TR2 MZA2 MZB2 (2) 使用较大的TR2时，组织B 与组织A纵 向驰豫都接近M0，因而MZB2与MZA2， 差异不大，信号强度对比不明显； 注：MRI图像中不同组织的灰度取决于组织MR信号的强度，信号越强， 图像就越亮。 结论：短TR增加T1对比，长TR减弱T1对 比。 2、翻转角对组织信号强度的影响 对于特定T1组织，在给定的短TR条件下，信号强度与翻转角之间的 关系如下： （1）翻转角越大，纵向磁化强度越小，横向磁化强度越大。翻转到横 向的磁化强度才可以被测到； （2）翻转角越小，纵向磁化强度越大，横向磁化强度越小；每次脉冲 激励时纵向磁化强度大，则信号强度也大； （3）产生最高信号强度的理想翻转角由组织T1与所用TR决定，这个理 想的翻转角称为Ernst角； 3、T1与生物组织的关系 T1的大小与组织中质子把它们的能量释放到周围的晶格，或从周 围晶格吸收能量的过程有关。当组织中的质子的自然运动角频率与拉莫 尔角频率接近时，将产生最有效的能量传递，该组织具有最小的T1。 质子的自然运动频率取决于组织的物理状态，它受到与它们相连或 周围邻近原子的影响： 质子所处组织质子的自然运动角频率T1值 自由水中的质子远大于拉莫尔角频率较长 固体中的质子低于拉莫尔角频率中等 结合水中的质子与拉莫尔角频率相似较短 脂肪中的质子与拉莫尔角频率相似最短 生物组织中T1测量值取决于组织中水的含量： 脑脊液、水肿区、坏死组织及肿瘤等含有大量自由水，具有较长T1值 ； 脂肪及蛋白质溶液具有短的T1值。 第二节 横向磁化及T2对比 一、回波时间TE 回波时间TR（echo time TE）: 从横向磁化强度最初产生到接收信号间的时间间隔被称为 回波时间，又称为回波延迟时间。 当射频脉冲激励后，横向磁化强度矢量Mxy从最大值Mxymax 开始按指数衰减，衰减原因： （1）自旋自旋相互作用； （2）外磁场不均匀性； 在接收线圈中，接收信号SI的强度直接取决于横向磁化 强度Mxy。 Mxy按以下指数关系衰减： 二、TE与横向磁化强度Mxy的关系 接收信号强度SI与回波时间的关系如下： 未考虑磁场不均匀的情况 点A处开始检测，即TE=0 时开始检测，此时信号最 强。 点B处开始检测，即TE0 时开始检测，此时信号随 时间延长按指数衰减。 三、组织的T2对比 对于质子密度相同的两种组织A 和B，由于它们的质子密度相同，因 而它们在外磁场B0中产生的纵向磁化强度M0 相同，由于A与B是不同的 组织因而它们的横向驰豫时间T2不同，其衰减曲线如下图（T2AT2B）： T2值是根据衰减曲线从t=0处画其切线 ，切线与横坐标的交点即为T2值。 两种组织信号强度之比为： 1、T2与组织对比 (1) 使用较小的TE1时，组织A与组织B横向磁化衰减刚开始，因而MxyA1与 MxyB1信号差异较小，信号强度对比不明显； (2) 使用适中的TE2时，组织B 比组织A横向磁化衰减明显要快，因而MxyB2 与MZxyA2差异明显，信号强度对比明显； 结论：非常短以及非常长的TE都不能得到明显的T2对比，适当选择 TE才可 得到较好的T2对比 TE1TE2 TE3 (3) 使用较大的TE3时，组织A 比组织B横向磁化衰减都接近于0，两种组织 的信号强度都非常低，没有临床应用价值； MxyA1 MxyB1 MxyA2 MxyB2 2、T2与生物组织的关系 质子所处组织质子间的距离T1值 自由水质子间距离较远较长 脂肪组织质子间距离较近中等 蛋白质组织质子间距离较近中等 固体组织质子间距离很近较短 蛋白质液体与蛋白质含量有关最短 T2是组织的固有特性，仅取决于组织的性质，即组织的T2值取决于 该组织内的氢质子失相伴的速率。 不同组织的T2值如下表： T2值在医学临床的应用： 具有较长T2值的组织：脑脊液、肾、水肿、多发性硬化斑块以及肿瘤 ，这些组织的T2信号为较强信号； T2具有较短值的组织：肺癌、成骨性肿瘤、胰腺癌等纤维化肿瘤；正 常的脾脏、肝脏、肌肉等较短；这些组织的T2信号较弱； 第三节 T1加权、T2加权、质子密度加权 Mxy衰减规律为： 结合纵向磁化 ，则Mxy衰减可 表示为： 由于初始纵向磁化强度M0与质子密度 成正比，因 而： *质子密度：表示组织内能够充分移动以改变方向和沿外 磁场方向排列的质子数。 不同组织的初始磁化强度由质子密度的大小决定：水的 质子密度大于 脂肪组织，脂肪组织的质子密度大于固体组织 因此：M0水M0脂肪M0固体 M0水 M0脂肪 M0固体 T1加权图像：信号的强度主要由组织的T1决定，用这 种信号重建的图像称为T1加权图像；（选用较短的TR与 TE值；） T2加权图像：依赖的强度主要由组织的T2决定，用这 种信号重建的图像称为T1加权图像；（选用较长的TR值 以 及较长的TE值；） 质子密度图像：信号的强度由氢质子密度决定，则这 种信号重建的图像称为质子密度加权图像。（选用较长的 TR与较短的TE值；） 第四节 重聚焦射频脉冲和自旋回波 一、重聚焦射频脉冲(refocusing pulse) 由于磁场和化学位移的非均匀性等非T2原因使横向磁化 快速衰减，导致图像质量下降，因而在接收信号之前再用一 个射频脉冲，使非T2因素已经开始衰减的横向磁化的相位再 重新聚集在一起，这样的射频脉冲称为重 聚焦脉冲。 （1）重聚焦脉冲在TE/2时刻施加，即在回波时间的是 间使用重聚焦脉冲，也就是射频脉冲与回波峰值 时间之间 的中点； （2）重聚焦脉冲采用脉冲最有效，称为重聚焦脉 冲； （3）一个重聚焦脉冲后接收的信号称为自旋回波， 它是FID信号的恢复； （4） 重聚焦脉冲可以校正由于磁场的非均匀性和化 学位移等非T2因素所引起的质子失相位； 二、自旋回波 (spin echo) 自旋回波脉冲序列就是通过使用重聚焦脉冲来获得自 旋回波的，它是首先施加/2脉冲，经过时间就可获得一 个回波，这个回波就是自旋回波，也就是说在接收信号的中 间时刻施加重聚焦脉冲，接收信号的时刻就能够接收到自 旋回波。 回波信号的特点： （1）回波形状：回波形状恰似两个FID信号背靠背对接起 来。这说明在/2脉冲作用后和重聚焦脉冲作用前的时间 内是散相运动，横向磁化强度衰减；在到2的时间内是聚 相运动，并且在2时刻达到相位一致，即达到回波峰值，之 后又是散相运动。 （2）回波峰值：在t=0到t= 2期间，由于磁场不均匀造 成失相，通过重聚焦脉冲使相位在2时刻变为一致，但在 这期间由于质子自旋自旋作用仍然造成横向磁化强度的衰减 。即从FID信号峰值到自旋回波峰值之间按T2规律衰减。 （3）自旋回波衰减速率：自旋回波信号衰减较快，与FID 信号一样由T2*决定。 TR TE =TE/2 FID echo 课后思考: 1.纵向磁化矢量的恢复正比于： (a) e-t/T1 (b) e-t/T2 (c) 1- e-t/T1 (d) 1- e-t/T2 2.横向磁化矢量的衰减正比于： (a) e-t/T1 (b) e-t/T2 (c) 1- e-t/T1 (d) 1- e-t/T2 3.下列哪个是正确的： (a) T2T2*T1 (b) T2*T2T1 (c) T1T2T2* (d) T1T2*T2 4.判断： T2*受外磁场不均匀性的影响 5.判断： T2受外磁场不均匀性的影响 6.判断： T2受T2*的影响 7.判断：FID的衰减率由T2决定 1,c;2,b;3,c;4,Y;5,N;6,N;7,N 8、计算题：脑白质与脑脊液二者的T1、T2值分别如下： 白质（WM）：T1500ms,T2=100ms 脑脊液（CSF）： T12000ms,T2=200ms 假定二者自旋密度(H)=100。 (1) 在TR=2000ms时求出脑白质与脑脊液的相对信号比值（图 中的A点与B点） (2) 计算TE的交叉点，即脑白质一脑脊液有相等的T2信号时 的回波时间（C点） (3) 计算脑白质和脑脊液在TE25ms时的信号强度，脑脊液/ 脑白质的比值； (4) 计算当TR3000ms，TE=200ms时的信号强度，脑脊液/脑 白质的比值； 注：e-0.13=0.88;e-0.25=0.78; e-1=0.37; e-1.5=0.22; e-2=0.14; e-4=0.02; e-60; Ln2=0.69; ln0.78=-0.25; 1.56 88ms 0.72 2.06 第六章 图像重建：层面选取 主要内容： 1. 核磁共振成像的基本原理：了解人体磁共振成像的生理 基础；掌握图像重建的基本原理；了解傅利叶变换及傅 利叶成像等模仿； 2. 了解线性梯度场的概念；掌握层面的选择；掌握层厚（ THK）的概念； 3. 层间交叉；层面选择失相位和复相位；中心频率 重 点： 1. 掌握核磁共振成像的基本原理； 2. 了解如何进行层面选择及层厚的原理，掌握其原理； 3. 了解什么是中心频率； 第一节 核磁共振成像 一、医学图像的基础知识 1、体素与像素 体素（voxel)：代表人体组织的小的体积元，它是一个空间 概念，有长、宽、高等尺寸，通常用体积或容积描述体 素大小。体素越大，所包含的质子就越多，它的磁共振 信号就越强。 像素（pixel)：图像的最小单位，一幅图像是由许多纵横排 列的像素构成的一个矩阵，矩阵的每个点对应图像中的 一个像素。 像素 体素 磁共振成像时，每个体素所发出的MR信号被转变为图像 中的像素亮度信息，信号强，像素就亮，反之则暗。而体素发 出的信号强度又由体素内组织的质子密度、驰豫时间等因素决 定。 2、灰度与灰阶 灰度：图像中像素的亮度称为灰度，表示灰度高低的数 值称为灰度值 灰阶（灰度级）：将一定范围内的灰度值分为若干个等 级，每个等级叫一个灰度级，相同灰度级的亮度相同，不同 灰度级亮度不同。 计算机灰度表示方法：用全表示黑，用全表示白， 二进制位数代表灰度级的多少，位数越多，灰度级就越多。 图像深度：在图像中表示像素亮度值的二进制位数即为 图像深度。 3、图像的窗口技术 l 根据DICOM 3.0标准的规定，医学图像的深度（包括MRI ）应为12位，即图像中每个像素的亮度将用2124096个 灰阶来表示。 l 人的肉眼只能分辨出64个灰度级的变化； l 计算机的显示具有256(普通)或1024 (高级)个灰度级； 窗口技术：在4096个灰阶的仅取出灰度值在一定范围的像素 按其灰阶进行显示，而将灰度值大于给定范围的 像素置为全白，灰度值小于给定范围的像素置为 全黑。 窗宽 （256个灰阶 ） 下限上限窗位 全黑 全白 二、MRI成像 1、人体MRI成像的生理基础 l临床MRI是靠水质子给出的信息进行成像诊断的； l在整个人体的脏器、组织中，水载着细胞内外环境的信 息； l人体水的特性包括：密度分布、存在状态以及运动情况 ； l水质子成像参数包括：质子密度成像、T1加权成像、T2 加权成像以及分子自扩散系数D成像等； 磁 共 振 成 像 过 程 框 图 处于静磁场的成像物体 用Z轴方向的梯度磁场选择层面 用X轴方向的梯度磁场频率编码 用Y轴方向的梯度磁场相位编码 信号采集 信号处理，得到数字图像 层面图像显示 2、MRI成像的过程 3、MRI成像的特点 优点： （1）多参数成像，可提供丰富的诊断信息； （2）高对比度成像，尤其是可获得高对比度的软组织的图像 。 （3）任意方位断层，可从三维观察人体。MRI使用三个线性 梯度场任意组合来选定所需层面，所选层面可以是横轴 位、矢状位、冠状位，也可以是任意方位的层面； （4）人体能量代谢研究，将解剖结构观察和功能代谢情况观 察相结合。MRI的出现，使疾病诊断深入到分子生物学 水平； （5）无电离辐射，对人体没有损伤。 局限： （1）成像速度较慢； （2）对钙化灶和骨皮质病灶不够敏感； （3）图像易受多种伪影影响； （4）禁忌症多； （5）定量诊断困难； 第二节 层面选择 一、基本概念 1、磁体坐标系： MRI系统的磁体产生的磁场可分为水平磁场与垂直磁场 。本章主要基于纵向磁场进行分析。 水平磁场垂直磁场 B0（Z ） B0(Z) 一般常导和超导磁体 产生水平磁场，水平 方向（人体长轴）为Z 方向 一般永磁体产生垂直 磁场，垂直方向为Z方 向，人体长轴一般定 义为X方向 Y Z X Z X Y 2、三个标准断面： 横断面、矢状面、冠状面 ； 3、线性梯度场（linear field gradient） 磁感应强度大小随位置以线性方式变化的磁场， 简称梯度场。MRI系统中在x、y和z轴均使用了线性梯度 场，分别称为Gx、Gy、Gz。 线性梯度磁场是MRI系统的重要指标之一。一般仪器 一旦出厂，线性梯度场性能就已经设定好，不能更改。 线性梯度磁场的强度一般为外磁场的数千分之一，单位 为mT/m。 u梯度场B的大小和方向均可改变。 u主磁场 B0是匀强磁场，其大小和方向是固定不变的。 u 中心的场强总为零，与B0叠加后，磁体中心的场强不变。 4、梯度场与主磁场的叠加 二、层面选择 1、层面选择： 在外磁场方向，叠加一个同方向线性梯度场Gz，由于 梯度场的作用使用不同位置的磁场强度不同，根据拉莫尔 进动公式，若把射频脉冲的频率设计为满足甘醇 层的磁共 振条件时，该层将产生核磁共振，而其他层因不满足条件 ，而不产生核磁共振。激发核磁共振的射频脉冲的频率水 同，可使不同层面产生 核磁共振，这一过程称为层面选择 ，或选片。 2、层面选择脉冲：Gz（section select gradient） 去相 位波 复相 位波 梯度脉冲 复相位波应满足：若复相位波与去相位波强度相同，则复相位 波作用时间为去相位波作用时间的一半；若它们的作用时间相 同，则复相位波的强度是去相位波的一半。从而保证它除了使 质子进动相位恢复一致外，没有其他影响。 层面选择梯度的特点： （1）层面选择梯度在射频脉冲作用时才开启，射频脉冲作 用后关闭； （2）层面选择梯度包括去相位波与复相位波两部分； （3）用不同频率的射频脉冲激励不同的层面产生 磁共振 ，它是以层面选择梯度Gz不变为基础的； （4）层面选择梯度与成像的平面有关，Gz对应横断面； Gx对应矢状面；Gy对应冠状面； 3、层厚（thickness, HTK）及带宽 层厚：在MRI中，层厚表示一定厚度的扫描层面，即在 实际临床操作中层面的选取都是有一定厚度。 带宽：由于选片梯度的作用，每一层面内磁场强度的大 小是不均匀的，是在一定范围内线性变化的，它们对应一定 的磁场范围，因而，使该层面发生磁共振的射频脉冲频率将 不是单一的拉莫尔频率，而是具有一定的频率范围，这个频 率范围就称为带宽。 决定层厚的因素： (1)射频脉冲的带宽：带宽越宽，对应的层厚就越厚。 (2)层面选择梯度Gz：Gz斜率越大，即变化越快，对应的 层厚越小 (3)带宽与层厚Z间的关系为：=GzZ Gz 层厚 层厚与图像质量的关系： (1)层面薄，则成像层面分辨率高，层面厚则分辨率低。 (2)层面薄，则信号强度弱；层面厚则信号强度强，信噪 比高。 部分容积效应：部分容积效应是由于从体素到像素的转化而 造成的。体素是三维概念，而像素是二维概念，当体素 中存在很高信号的小组织块时，会导致整个体素的像素 值呈高信号，这种假像称为部分容积效应。 4、层间交叉 射频脉冲： 分为非选择性射频脉冲和选择性射频脉冲（软脉冲） 本节针对选择性射频脉冲介绍两种主要选择性射频脉冲： a、 高斯射频脉冲；b、辛格射频脉冲 注：辛格函数的频率特性比高斯函数好，频率范围具有 较好的带宽，但由于其在时间域中的截断而造成频率域的 函数并非理想的矩形，其边缘具有 拖尾。 a、 高斯射频脉冲； 傅利叶变换 （1）射频脉冲的频率范围不是理想的矩形，而是高斯曲线 形状； （2）当两个具有一定带宽的高斯形状的频率所对应的相邻 层面就会产生 交叉，即层间交叉。 层面1 层面2 层间交叉 层面1层面2 层间距 层间距（slice gap）：为避免层间交叉，在连续的带宽间保持一个间隔， 在对应的成像层面上则会产生间隙，相邻两层之间的距离称为层间距。 层面系数：层间距与层厚之比称为层面系数。 b、辛格射频脉冲sinc(t)/t 傅利叶变换 5、中心频率 中心频率是指对于具有一定带宽的射频脉冲，其中心 的频率值称为中心频率。 (1) 射频脉冲的中心频率对应层面的位置；带宽与层厚对 应； (2) 在层面厚度确定的情况下，层面选择梯度Gz斜率越大 ，相邻两层间的中心频率相差越大； (3) 中心频率一般在兆赫兹数量级，而射频脉冲的带宽非 常窄，一般都在千赫兹数量级。 第七章 图像重建：频率编码相位编码 主要内容： 1. 频率编码的概念；频率编码梯度去相位和复相位；梯度 回波和自旋回波； 2. 相位编码的概念；相位编码梯度脉冲；脉冲序列（PSD ）基础； 3. 了解数据空间基础及采样；掌握什么是数据空间；信号 的采样；采集时间；多层面采集技术；二维图像的信噪 比等概念； 重 点： 1. 掌握频率编码的概念；频率编码梯度去相位和复相位； 2. 了解梯度回波和自旋回波，掌握其原理； 3. 了解什么是数据空间； 第一节 频率编码 2、频率编码：沿X轴方向加一梯度磁场GX，从而使不同X坐标 的质子的进动频率同，进而依据这种进动频率的差异来确定X 坐标。 GX称为频率编码梯度（frequency encoding gradient） 。 一、频率编码及相关概念 1、空间编码：沿Gz、Gy、Gx等梯度方向的相应的位置信息称 为空间编码。通过空间编码以后，不同体素发射的MR信号频率 、相位、相位变化率均不相同，依据这些信息和信号强度可正 确地重建图像。 沿x轴方向施加x梯度Gx；与y轴平行的各列体素的进动频 率x为 x= (B0+xGx) x是x的函数，不同的x决定了不同的进动频率 所接受的信号中已包含有体素的空间位置信息 二、频率编码数学原理 cos0t0cos0t 2cos0tcos0t0 0-2cos0tcos0t x y cos0t0cos0t 2cos0tcos0t0 0-2cos0tcos0t 接收到的信号 整个层面信号4cos0t cos0t0cos+0t 2cos0tCos-0t0 0-2cos-0tcos+0t x y Gx+ 接收到的信号 (-cos-0t)+(3cos0t)+(2cos+0t) （1）频率编码梯度场Gx仅在接收信号的期间内施加，在非接 收信号期间不施加Gx; （2）在每次接收信号期间内所施加的频率编码梯度场Gx都相 同；频率编码梯度场梯度较大（斜率大），则相邻两列之 间的频率差异大； （3）在射频激励脉冲作用期间应为选片梯度场Gz进行层面选 择，在MR信号测量期间应用读出梯度Gx进行频率编码， 两者的施加的时间不同； （4）施加梯度场Gx，对各体素产生MR信号的幅值不会发生 变化，各体素信号幅值仅取决于质子密度。 三、频率编码基本特征 四、频率编码梯度去相位和复相位 由于在接收信号时施加频率编码梯度Gx，从Gx打开到TE时 刻这段时间内，由于频率编码梯度造成的所选层面所有体素失 相位是我们所不需要的，它将使信号强度减小。这个问题可通 过施加去相位波Gx来解决。 去相位 波Gx 复相位 波Gx 梯度脉 冲Gx Gx造成最大失相位 Gx作用造成同相位 Gx继续作用造成失相位 一个完整的频率编码梯度应包括去相位波Gx和复相位 波Gx，两者一起构成一个完整的频率编码梯度。需注意以下 两点： （1） Gx其强度与作用时间的乘积等于Gx的强度与作用时 间的乘积的一半； （2）施加Gx只能补偿频率编码梯度Gx造成的失相位，但 不能补偿外磁场不均匀及化学位移造成的失相位； （3）施加相反方向梯度使因梯度本身造成失相位变为一致的 机制与重聚焦脉冲有所不同。 五、梯度回波与自旋回波 由于频率编码梯度中的负向Gx使横向磁化强度失相位 ，从而消除FID信号，随后和紧接着正向的Gx使失相位的质 子重聚焦，由于Gx是Gx作用的一半，从而产生一个回波 ，称为梯度回波（gradient echo），特点如下： （1）与自旋回波相似是两个FID信号 背对背连接起来的信号 ； （2）由于梯度编码脉冲不能像重聚焦脉冲一样，消除磁 场不均匀以及化学位移对T2的影响，因而梯度回波的峰值按 T2*衰减； 第二节 相位编码 一、频率编码及相关概念 1、相位编码：在激励脉冲结束后，在沿层面的Y轴方向加 一短时间的梯度磁场GY，由于不同Y坐标的自旋磁矩的进 动频率不一样，从而在磁场GY撤除后，磁矩的位相不一样 。依据位相的不同可以区分Y坐标。这称为相位编码。 cos0t0cos0t 2cos0tcos0t0 0-2cos0tcos0t x y v1 v2 v3 二、相位编码数学原理 设v1,v2,v3分别表示相位编码方向上 三个相邻的体素 1、开始时所有体素的磁化矢量 M1,M2,M3相位相同并以 相同频率进动。当t=0时，相位编码梯度Gy开启； 2、Gy作用下，相位编码方向上各体素处于不同磁场。沿 相位编码方向各磁化强度矢量进动频率为： y= (B0+yGy) v3进动频率 v2进动频率 v1进动频率 3、进动频率不同导致进动相位不同；相位编码梯度持续 时间ty后各体素的情况： 进动相位y为： y=y ty = (B0+yGy) ty 相位差为： y= yGy ty = y y ty 4、 t=ty时刻，相位编码梯度关闭，各体素再次置于相同 的外磁场，此时： 进动频率恢复Gy作用前数值 Gy诱发的进动相位差保留相位记忆 Gy加入前磁化矢量的相位 Gy加入后对相位的作用 x y Gy 三、相位编码基本特征 （1）相位编码梯度Gy必须在施加频率编码梯度Gx之前打开 ，通常是在射频脉冲以后可刚好在Gx之前施加，或其中的 任意时刻; （2）线性梯度场Gy作用时间通常非常短，因而又称为相位 梯度编码脉冲； （3）线性梯度场Gy 每间隔TR周期都反复使用，反复使用次 数由成像层面沿y轴方向的行数所决定； （4）每次使用的线性梯度场Gy的强度都不相同，因而每次 接收信号的振幅和相位都不同； 第三节 脉冲序列基础 一、脉冲序列及相关概念 脉冲序列:射频脉冲和磁场梯度的特征和持续时间组合称 为脉冲序列,它提供了我们在MRI成像过程中所进行事 件的顺序时间步骤,它通过图解说明MR成像过程中事 件发生的顺序,它是显示射频脉冲、磁场梯度和接收信 号的时间图 。 二、自旋回波脉冲序列 片选梯度脉冲 TR TE TE/2 相位梯度脉冲 相频率梯度脉冲 三、脉冲序列的特点 一般而言脉冲序列图只给出一个周期的内容， 其他周期内容除相位编码梯度强度不同外其余均相 同。 在脉冲序列中，一个周期包括四个阶段： 预备期（preparation period) 发展期（evolution period) 混合期（mixing period) 检测期（detection period) (1)预备期（preparation period) 在自旋回波脉冲序列中，预备期由一个/2射频激励脉冲 组成， /2射频脉冲作用时间在所有周期内是固定不变的。 预备期内纵向磁化强度矢量在射频脉冲作用下偏离纵向，产 生横向磁化。 (2)发展期（evolution period) 相位编码梯度的持续时间即为发展期，此时FID信号已经 产生，但暂时不进行检测。在不同周期内，相位编码梯度的 持续时间固定不变，但强度是变化的。 (3)混合期（mixing period) 在自旋回波脉冲序列中，施加重聚焦脉冲的持续时间就 是混合期。这是一个非线性操作，取决于不同的脉冲序列， 目的是增强MR的强度。 (4)检测期（detection period) 频率编码梯度的持续时间就是检测期，回皮信号在这一期 间内被检测采相N次。频率编码梯度的强度及期持续时间是固 定不变的。 在最后的检测期测完一，经过一定的延迟时间，以等待纵 向磁化强度恢复到它的稳态值，为下次扫描做准备。 第四节 数据空间基础 一、相关概念 （1）相位编码数：y方向相位编码的次数，即成像层面的行 数。对于mn层面图像矩阵而言，相位编码数为m； （2）频率编码数：每一次相位编码时，所具有的不同频率数 目为频率编码数，也就是成像层面的列数。对于mn层面图 像矩阵而言，频率编码数为n； （3）数据空间：对于mn的成像层面，需进行m次相位编 码，每次编码所接收的信号都以一行的形式填充到数据空间 中，其特点如下： a、数据空间的 水平方向与竖直方向均表示时间。竖直方向 为相位编码时间，水平方向为一次接收信号的总时间； b、数据空间中的每一行信号的时间间隔为脉冲重复时间 TR； c、数据空间中每一行信号具有不同相位，代表一个回波； d、不同的层面对应不同的数据空间，放置于数据空间中的 数据也都是来自同一层面; e、数据空间中每一行的信号都是层面内所有体素信号的叠 加，都含有该层面整幅图像的信息。 二、时间域数据空间 （1）模拟数据空间：每一次相位编码所接收到的信号为模 拟信号，将这个随时间变化的模拟信号存放于数据空间中的 各行，这样的数据空间称为模拟数据空间。 （2）数字化数据空间：通过采样的方法将数据空间中的模 拟信号数字化，然后以同样的方式填充数据空间即为数字化 的数据空间也称为时域的K空间。 无梯度 0 正向梯度 1 反向梯度 1 反向梯度 127 正向梯度 128 （1）模拟数据空间 （2）数字化数据空间 采 样：将模拟信号进行数字化的过程就称为采样； 采样间隔：连续两个采们点之间的时间间隔，用Ts表示； 采样频率：采样间隔的倒数即为采样频率，用1/Ts表示； 采样时间：对一个信号进行采样所需要的时间即为采样时间 ，用Ts表示； 采样点数：对模拟信号进行采样的次数，采样点数越多越能 够从采样数据中恢复出原始数据；在本文为了便于快速 傅利叶变换，通常采样点数N取2的整数次幂。 采样时间与采样间隔之间的关系： Ts NTs 混叠现象：如果采样间隔设置得过宽，即采样次数过少，那 么在对采样结果进行傅利叶变换后，方波之间由于 距离过近而产生 混叠现象。 混叠现象 采样定理：为避免混叠，采样频率必须至少是信号最大频率 的两倍，令采样频率为s，信号最大频率为max ，则：s= 1/Ts 2max 。 采样带宽：即信号被采样的频率，令采样带宽为BW，则： BW= 1/Ts 采集时间：对整个成像层面的信号通过采样的方式进行采集 ，并填充列K空间的相应行，整个过程所需要的时 间称为采集时间。采集时间与脉冲重复时间TR， 相位编码数Np以及采集次数NEX有关： 采集时间NpTRNEX 7 7数字化数据空间 二维傅利叶变换： 图像重建：在时间域K空间中，若它的列数为频率编码数，行 数为相位编码数，对这个数据矩阵进行傅利叶变换 就可重建出层面图像，这个过程称为图像重建。重 建后的数据叫图像数据，其各点的数值即为图像的 像素灰度值。 三、核磁共振图像的信噪比 信噪比：图像的信号强度与噪声强度的比值。通常 用SNR表示。 核磁共振图像的信噪比与体素体积大小成正比，与 相位编码数Np、采样数Nf、采集次数NEX的平方根成 正比，与接收器的带宽BW的平方根成反比，即： 机器常数 层厚 课后思考: 1.为了达到更薄的层厚可以： (a) 降低发射带宽 (b)降低接收带宽 (c)降低层面选择梯度的强度 (d) 以上所有项 2.Gy梯度施加于： (a) /2脉冲时刻 (b) /2脉冲与重聚焦脉冲之间 (c) 接收信号的时刻(d) 重聚焦脉冲与接收信号之间 3.强度相同的情况下，层面选择梯度的去相位波作用时间是复相位波作 用时间的： (a) 0.5倍(b)1倍(c)2倍 (d)4倍 4.以下哪种情况可增强信号的分辨率： (a) 减小层厚(b)减少相位编码 (c)减少频率编码 (d)b与c都行 1,a;2,b;3,c;4,a; 5.判断：sinc函数的傅利叶变换是矩形 6.判断： 高斯函数的傅利叶变换是矩形 7.判断：根据采样定理为避免混叠，采样频率必须至少是信号内 最低频率的两倍； 8.判断：采样带宽（BW）是取样间隔Ts的倒数； 9.判断：SNR与1/BW成正比； 5, Y;6,N;7,N; 8,Y; 9,N; 10. 假如一个射频脉冲的频率范围由500Hz500Hz，其所选择的层 厚为5mm，请问层而选择梯度为多少？ 11. 对于一个最小射频带宽BW=426Hz和最大梯度Gz=10mT/m时，所 能达到的最小层厚是多少？ 12. 在1.5T条件下，当采样时间Ts=8ms,采集层面为：256256个体素 ，采样点数与频率编码数相同，请问：采样时间间隔为多少？ 采样带宽为多少？ 4.7mT/m 1mm 0.03ms; 32KHz 第九章 K空间 主要内容： 1. 掌握K空间的基本概念，掌握什么是视野，掌握梯度脉冲 及带宽等与视野的关系并能进行相关计算； 2. 掌握K空间的基本特点，掌握期共轭对称性，了解部分采 集技术，掌握MRI图像虚部与实部特性； 3. 了解MRI傅利叶成像过程； 4. 了解空间分辨率、采集时间、及TR与TE等参数之间的关 系； 重 点： 1. 掌握K空间的基本概念，掌握什么是视野，掌握梯度脉冲 及带宽等与视野的关系并能进行相关计算； 2. 掌握K空间的基本特点，掌握期共轭对称性； 3. 掌握MRI图像虚部与实部特性； 第一节 K空间基础 一、数据空间 假设一个层面为1515的矩阵，其相位编码是从负相最大值到正 相最大值，采样点数与频率编码数一样，所得到的数据空间如下： 相位编码方向 频率编码方向 TR Ts 采样时间Ts 7 0 +7 数据空间的特点： （1）水平坐标与竖直方向坐标均为时间轴； （2）水平坐标表示频率编码，竖直方向坐标表示相位 编码；列数表示取样点数，行数表示相位编码数； （3）采集一个回波被填充数据空间的一行，称为傅利 叶行，每一行对应不同的相位编码梯度； （4）数据空间点的每个点，均为取样点通过数据采集 所得到； （5）数据空间中的点只与采样点对应，并不与体素对 应； （6）数据空间中的数据称为原始数据，也称为K空间 数据，对其进行快速傅利叶变换则可得重建出反映成像物 体的图像数据； 二、视野 （1）视野（ Field of View FOV）：是MRI操作者所选 取身体成像部分的大小尺寸，也就是实施扫描的解剖区域 ，也称为扫描野，这是一个面积的概念。多数情况下使用 正方形视野。 （2）回波带宽（BW）：接收信号的频率范围即接收 信号的带宽，也称回波带宽。 （FOV）x：表示频率编码方向的视野；是一个长度概 念； （FOV）y：表示相位编码方向的视野；是一个长度概 念； 图像 视野中心 (FOV)x Gx x B0 B0 (FOV)x/2 0 -max +max Gx x 图像 视野中心 (FOV)x (FOV)x/2 (a) 沿x轴视野与梯度的关系(b) 沿x轴视野带宽的关系 假设B0=0 假设外磁场强度B0=0，层面中心为坐标原点的情况下 ，可以知到沿x轴方向磁场强度大小Bx为： Bx=Gxx x=Bx/2=Gxx/2 max=Gx(FOV)x/(22) -max=-Gx(FOV)x/(22) 接收信号的频率范围为2max为即接收信号的B