磁共振成像技术的原理与应用课件

磁共振成像技术的原理与应用,厦门大学附属中山医院磁共振科,几个基本概念,自旋与进动 稳态 核磁共振现象 磁性原子核 弛豫 加权 序列,自旋与进动,自旋（Spin）：基本粒子的内禀属性，指原子核围绕其轴径做不停地旋转运动。 进动（Precession）：处于主磁场的原子核（带正电荷）以一定的角度绕主磁场轴进行的旋转摆动。,Lamor定律： = .B0,进入主磁场前人体氢质子状态,自旋，但磁矩无序排列，宏观磁化矢量为0！,进入主磁场后,处于低能级的略多于高能级的，表现出纵向磁化矢量！,矢量的合成与分解,稳态（Steady state）,进入主磁场的质子群，保持着处于低能级的质子略多于高能级质子的状态，表现为纵向磁化矢量。,影响高、低能量质子数差值的因数,温度，差值 场强，差值 差别只有百万分之一（ppm） 高、能量质子数的差值是磁共振成像的基础， 场强升高，磁共振信号增加！,垂直于主磁场的横向磁化矢量,由于相位不同，相互抵消，故横向磁化矢量为0！,由于相位不同，每个质子的横向磁化分矢量相抵消，因而并无宏观横向磁化矢量产生,稳态中的宏观磁化矢量,表现为平行于主磁场的纵向矢量，横向矢量为0。 下一步：如何获取磁共振信号？ 纵向磁化矢量无法被测量，只有垂直切割主磁场的横向磁化矢量才可以被测量！,想办法让纵向的磁化矢量倾倒至垂直于主磁场的横向平面！ 给予能量？ 如何给予？ 能量的大小多少合适？,共振现象,条件和结果,发生条件： 固有频率相同！ 结果： 共振、能量传递！,核磁共振现象（Nclear magnetic resonance，NMR）,被激励的是某一种原子核而非分子！,用与磁性原子核进动频率一致的射频脉冲在主磁场垂直方向上对进动的磁性原子核进行激励可使其进动角增大，停止激励后又会发射与激励电磁波相同频率的射频信号。,只有横向磁化矢量可以被测量，所以90的翻转角可以测量到最大的磁共振信号！,磁共振成像需要什么设备？ 激励角度应该多大合适？,宏观纵向磁化矢量：处于低能级的部分氢质子获得能量跃迁进入高能级，高能级和低能级质子数相等，相互抵消而等于零！,宏观横向磁化矢量：质子处于同相位，质子的微观横向磁化矢量相加！,90度脉冲的继发宏观和微观效应,磁性原子核,方能自旋产生核磁！ 中子或质子至少有一方为奇数。 磁共振成像如无特殊说明，均为1H（氢质子）成像。,为什么是1H？,人体元素 1H 14N 31P 13C 23Na 39K 17O 2H 19F,摩尔浓度 99.0 1.6 0.35 0.1 0.078 0.045 0.031 0.015 0.0066,相对磁化率 1.0 0.083 0.066 0.016 0.093 0.0005 0.029 0.096 0.83,以1H（氢质子）用于磁共振成像的原因,人体最多的原子核，大于2/3； 较高的磁化率； 生物代表性。,人体磁共振信号的主要来源,水分子（自由水）中的氢质子（主要） 脂肪中的氢质子 结合水和蛋白质不直接产生信号（T21ms），但可影响自由水的弛豫。,为什么自由水和脂肪中的氢质子可以产生磁共振信号，而结合水和蛋白质中的氢质子不行？,磁共振信号强弱反映了什么？,1H质子的含量 1H质子在不同微环境下的弛豫速度！,射频脉冲关闭后发生了什么？,弛豫,弛豫（Relaxation）,射频脉冲停止后，在主磁场的作用下，横向宏观磁化矢量逐渐缩小到零，纵向宏观磁化矢量从零逐渐回到平衡状态的过程。 分为纵向弛豫和横向弛豫！,纵向弛豫（T1弛豫、自旋-晶格弛豫）,共振过程，高能级质子把能量释放给周围分子的过程，频率约接近，释放约快！,T1值：90脉冲结束后，组织纵向磁化矢量恢复到63%的时间。,晶格（分子）固有频率与能量传递,高于1H质子进动频率：纯水能量传递慢（低信号）,接近1H质子进动频率：脂肪、含中小分子蛋白质能量传递快（高信号）,低于质子进动频率：含高浓度大分子蛋白能量传递慢（低信号）,横向弛豫（T2弛豫、自旋-自旋弛豫）,分子运动造成局部微环境的场强随机波动，加上主磁场的不均匀，根据Lamor定律，出现失相位。,Lamor定律： = .B,T2值：180脉冲结束后，组织横向磁化矢量衰减到37%的时间。,J-偶联：脂肪内质子间的偶联结构，可以增加磁场的波动，加快横向弛豫失相位，因此，脂肪T2WI呈高信号。,血肿的演变（超急性期）,7小时 细胞内氧合血红蛋白（二价铁），不影响T1、T2弛豫。 类似全血，蛋白含量和质子密度决定T1、T2时间。 等T1、稍长T2信号（高场）。,影响血肿的信号：铁、蛋白质、质子密度,血肿演变（急性期）,3天 去氧血红蛋白（二价铁），疏水性、顺磁性 等T1：疏水性 短T2：铁在细胞内外分布不均,血肿的演变（亚急性期）,4周 高（正）铁血红蛋白，亲水性、顺磁性。 短T1：亲水性 早期短T2：细胞内，不影响T2。 中晚期长T2：细胞内外分布均匀，长T2。,血肿的演变（慢性期）,4周 血肿壁含铁血黄素、铁蛋白：磁场不均匀 等T1 短T2,所有的组织T1T2,加权（Weighting）：突出重点,T1加权成像（T1 weighted imaging，T1WI） T2加权成像（T2 weighted imaging，T2WI） 质子加权成像（Proton density weighted imaging，PDWI） 扩散加权成像（Diffusion weighted imaging，DWI） 磁敏感加权成像（Susceptibility weighted imaging，SWI） 灌注加权成像（Perfusion weighted imaging，PWI）,磁共振信号的空间定位,高度均匀的磁场，每个位置的氢质子进动频率都一致，故每采集一个磁共振信号都代表整个三维容积或二维层面内所有的信息，如何定位来自各个不同位置的信号呢？,地球的磁场强度分布,越靠近南北极越高，越靠近赤道越低！,根据所处磁场强度来定位！,磁共振亦是如此！,磁共振三维空间定位,靠三个方向互相垂直的梯度场实现！ 层面、层厚选择（射频脉冲发射时） 频率编码（信号采集时） 相位编码（信号采集前）,层面、层厚选择（第一步）,第一个梯度场（Z轴）, = .B 进动频率改变,层面、层厚选择（第二步）,发射一定频率（层面选择）范围（即带宽，层厚选择）的射频脉冲。 层面：射频频率 层厚：射频带宽、梯度场强。,梯度场强不变 射频带宽越宽层厚越厚 射频带宽不变 梯度场强越高层厚越薄,决定层厚的因素 射频带宽 梯度场强,调整射频脉冲的带宽、梯度场强的强度，即可随意选择层面的位置和层厚,层面内空间定位,MR采集到的每一个信号均含有全层信息。 必须进行层面内的空间定位编码才能把整个信息分配到各个像素。 空间定位编码包括频率编码和相位编码，两者相互垂直。,相位编码（第二个梯度场）,相位的解析-傅里叶转换,频率编码（第三个梯度场）,频率的解析-傅里叶转换,光的频谱分析三棱镜,傅里叶变换,可以区分不同频率的MR信号。 可以区分相差180的MR信号。,矩阵为256*256的图像需要进行256次相位编码，也即采集256条相位编码线,K空间=傅里叶空间,MR图像原始数据的填充储存空间格式，填充后的资料经傅立叶转换，重建出MR图像。,特点,空间位置：频率、相位 信号强度：幅度 K空间的每一点都包含全层影像信息，其点阵与图像点阵不是一一对应的！,K空间镜像对称性,相位对称性,频率对称性,信号对比与解剖细节,填充K空间中央区域的相位编码线决定图像的对比 填充K空间周边区域的相位编码线决定图像的解剖细节,SE序列,常规K空间的填充形式（对称、循序填充）,K空间的其他填充方式,序列（Sequence）,MR成像过程中，由射频脉冲、梯度磁场、信号采集时刻的设置参数的组合称为脉冲序列（Pulse Sequence）,磁共振信号的采集方法,自由感应衰减序列（直接采集） 自旋回波序列（180射频脉冲回波） 梯度回波序列（频率编码切换回波) 杂合序列（自旋和梯度回波杂合） 以上方法均为测量横向磁化矢量！,自由感应衰减（Free induce decay）,90脉冲激发后立即产生，横向矢量很快衰减！,质子进动失相位造成！,发生自由感应衰减的原因,质子间小磁场的相互作用造成的局部微环境磁场不均匀（随机）T2弛豫 主磁场的不均匀（恒定）主要原因 实际上是T2*弛豫，故很少使用！,自旋回波（Spin echo，SE）,质子失相位的原因(T2*弛豫) 1、 T2弛豫：质子小磁场的相互作用造成的磁场不均匀（随机）所致； 2、主磁场的不均匀（恒定）质子失相位的主要原因,T2弛豫(1+2-1),180脉冲,T2*弛豫与T2弛豫,180度复相脉冲的作用,T2*弛豫与T2弛豫区别,90,180,回波,TE,TR,TE：回波时间TR：重复时间,SE序列结构图,SE序列信号采集结构图,自旋回波的参数,TR：Time of repeation，重复时间 TE：Time of echo，回波时间 180脉冲施加时间=TE/2 FA：Flip angle，翻转角 SE序列的FA：90,如何设计T1WI、T2WI图像？,TR决定图像T1对比，大部分组织T1值约数百至数千毫秒。 较短TR产生T1对比，而长TR可以剔除T1对比。 TE决定图像T2对比，大部分组织T2值约数十至一百多毫秒。 较长TE产生T2对比，而短TE可以剔除T2对比。 射频脉冲的翻转角无决定作用！,SE序列的组织权重对比决定因素,T1WI,短TE，横向失相位差别不明显,横向弛豫,短TR，纵向矢量未完全恢复,T2WI,长TE，横向失相位产生对比,横向弛豫,长TR，纵向矢量完全恢复,PDWI,短TE，横向失相位差别不明显,横向弛豫,长TR，纵向矢量完全恢复,SE序列权重图像参数,T1WI：短TR（决定，200-600ms）、短TE（剔除，20ms），TR越短T1权重越重。 T2WI：长TR（剔除，2000ms）、长TE（决定，50-150ms），TE越长T2权重越重。 PDWI：长TR（剔除， 2000ms）、短TE （剔除，20ms）。 参数应选择在两种组织T1或T2值的平均值附近，可得到最好的T1或T2对比！ 场强增高，T1值延长，T2值缩短，应适当调整参数！,SE序列特点,组织对比度好。 图像信噪比高。 磁敏感伪影不明显。 信号容易解释。 成像时间长。 不能屏气扫描。 目前经典的SE序列较少适用。,对磁场不均匀度不敏感,SE-T1WI,TIR-T1WI,FLASH-T1WI,快速自旋回波序列,弛豫增强快速采集（Rapid Acquisition with Relaxation Rnhancement, RARA） Turbo SE, TSE（西门子、飞利浦） Fast SE, FSE（GE）,90,回波1,回波2,回波5,回波4,回波3,180,180,180,180,180,90,ES,ETL5,有效TE,TR,快速SE的序列结构、回波强度及TE差异,100%,时间（ms）,Mxy,TE1,TE2,TE3,TE4,TE5,回波1强度,回波2强度,回波3强度,回波4强度,回波5强度,快速SE序列的参数,回波链（echo train）：一个90射频脉冲后由于180聚焦脉冲而产生的一串回波。 回波链长度（echo train length, ETL）：一个90射频脉冲后由于180聚焦脉冲而产生的回波个数。 有效回波时间（effective TE）：90射频脉冲的中点至填充K空间中心的回波中点的时间。 回波间隙（echo spacing, ES）：同一个90射频脉冲内，两个相邻回波中点的时间间隔。,回波1,回波2,回波5,回波4,K频率,K相位,回波3,90,回波1,回波2,回波5,回波4,回波3,180,180,180,180,180,90,ES,ETL5,有效TE,TR,快速SE的序列的结构和K空间填充顺序,模糊效应,快速SE序列的特点,快速成像：回波链的长度决定，亦成为加速因子。 图像权重由有效TE 决定：每个回波的信号强度不一致，填充K空间中心的回波（即有效TE）决定权重。 模糊效应：回波间的强度差异，在傅里叶转换时发生相位错误导致。 脂肪信号强度增高：J-偶联被打断；180脉冲的磁化转移效应导致其他组织信号相对降低。 对磁场不均匀不敏感：同SE，180聚相位脉冲的作用。 能量沉积增加：短时间内连续180射频脉冲，SAR。,回波链长度差异,6,19,30,快速SE的衍生技术及序列,裁饰射频技术（Tailored RF） 快速回复FSE序列（fast recovery FSE） 单次激发RARE序列（Single Shot RARE）,90,回波1,回波2,回波5,回波4,回波3,180,180,180,180,180,90,90,回波1,回波2,回波5,回波4,回波3,145,160,170,175,180,90,裁饰射频技术（Tailored RF）,裁饰射频技术（Tailored RF）,改变聚集脉冲的角度，达到每个聚焦脉冲回波强度一致。 减少模糊效应。 减少SAR。,减少模糊效应,PDWI with TRF,PDWI without TRF,Tailored RF的作用,Tailored RF ON,Tailored RF OFF,快速回复FSE序列结构图,Fast recovery FSE（FRFSE,GE） TSE-Restore（SIEMENS） TSE-DRIVE（PHILIPS）,快速回复FSE序列原理,FSE T2WI,FRFSE T2WI,TR=2000ms，TE=100ms，Matrix448256，ETL=9 NEX=2，TA=132，FOV=24cm18cm,快速回复FSE序列应用,加快长T1组织的纵向弛豫，缩短成像时间。 主要用于短回波链的T2WI序列。,FSE,SS-FSE,单次激发RARE序列（Single Shot RARE）,SS-TSE（Single Shot TSE, SIEMENS、PHILIPS） SS-FSE（ Single Shot FSE, GE）,SS-RARE序列的特点,成像速度快：一次90脉冲后完成K空间填充，可屏气扫描。 没有纵向弛豫的污染。 T2权重较重，主要用于水成像。 模糊效应较明显。 脂肪信号较高。 SAR值高，用小于180的聚焦脉冲。,SS-RARE的应用,厚层投射成像MRCP TR无穷大 TE1100ms TA1s,FIESTA,胆囊多发结石,尿路水成像（MRU）,厚层投射成像MRM TR无穷大，TE1100ms TA5s,反转恢复序列 （Inversion Recovery, IR）,90脉冲能产生最大的横向磁化矢量 180脉冲能产生最大的反的纵向磁化矢量,Time （ms）,纵向磁化矢量,90脉冲后的纵向弛豫,与90脉冲相比，180脉冲能将组织的纵向弛豫差别增加1倍，也就是说T1对比增加1倍！,IR序列结构图（180预脉冲+SE）,TI,TE,TR,IR序列的参数,TR：相邻两个180反转恢复脉冲中点的时间间隔。 TI：180反转恢复脉冲中点至邻近90脉冲中点的时间间隔。,增加T1对比,IR-T1WI, COR PHILIPS,SE-T1WI，TRA SIEMENS,IR-T1WI, TRA SIEMENS,选择性抑制组织信号,Time （ms）,180预脉冲后的纵向弛豫,纵向磁化矢量,TI1,TI2,TI=T169% 脂肪的TI225ms70%157.5ms 水的TI=3500ms702500ms,脂肪抑制：短反转时间反转恢复 （Shot TI inversion recovery, STIR）,TI150ms TR6000ms ETL11 TE90ms Nex2 TA330,水抑制：液体抑制反转恢复（FLIAR：Fluid attenuated inversion recovery）,特点,T1对比好。 T1对比由TI决定。 选择合适的TI可选择性抑制一定TI值的组织。 成像时间长，至少与T2WI的TR一样长。 现基本被Turbo IR取代。,快速IR序列（Fast IR：IR+FSE）,对磁场不均匀不敏感,FIR-T1WI,FLASH-T1WI,对磁场不均匀不敏感,FIR-T1WI,FLASH-T1WI,频率选择法脂肪饱和,利用水与脂肪进动频率的差别（化学位移）,频率选择饱和法（Frequency selective saturation, FS）,亦称化学位移选择饱和法（Chemical shift selective saturation, CHESS） 最常用于脂肪抑制。 高特异性和选择性。 对场强依赖性高， = .B0，场强越高