影像物理磁共振成像(MRI)的原理.ppt

磁共振成像 MRI 的原理 磁共振现象 某些特定的原子核在外界静磁场中受一个适当的射频脉冲激励后吸收或释放电磁能的现象一 磁共振成像机的基本结构磁体梯度系统射频系统计算机系统检查床与操作控制台 1 磁体 永久 0 3T阻抗超导 0 35 2T场强 超低场 002 009 低场 01 03中场 03 10 高场 10 2T磁场强度 磁力在空间某处的强度 1Tesla 10000gause 约地球磁场强度的20000多倍 均匀性 成像磁场空间一定范围的磁场强度的标准差与主磁场强度的比 以ppm为单位 百万分之一 稳定性 磁场强度在单位时间内的相对变化率 2 梯度系统 一个绝对均匀的磁场不能提供任何空间信息 因为所有的质子都具有相同的共振频率 发射出不能区分的MR信号 要确定共振的质子相应空间位置必须改变磁场的空间结构 它由梯度放大器及X Y Z三组梯度线圈组成 3 射频系统 射频线圈 发射线圈 发送射频脉冲 激发自旋 原子核自旋系统吸收相同频率的RF磁场能量而从平衡态变为激发态的过程称MR 接收线圈 小线圈具有较好的信噪比 射频放大器 调制不同类型的射频并通过发射线圈发射至兴趣区 射频接收放大器 将MR信号先放大再进行数字化及进一步处理 射频屏蔽 防止外界电磁波对MR影响而产生伪影 避免RF对磁体室外接收器产生干扰 4 计算机系统 图像的重建与显示5 检查床与操作控制台 二 怎样的原子核产生磁场 自旋特性的原子核 且质子与中子必须一个是奇数 自旋是自然界普遍存在的现象 但16O 12C不能用于MRI 磁矢量为零 自然界2 3的同位素具有奇数质子或中子1H 13C 19F 23Na 31P有净核自旋称自旋磁体 三 自旋质子在磁场中的运动 1 质子的进动 圆锥 陀旋 运动2 自旋质子须保持一个恒定的频率 拉莫频率 Larmor公式 w0 f rB0质子产生信号 被接收与利用 3 自旋弛豫 从激发态恢复至平衡态的一个动态自然过程 附 名词解释 晶格 MRI中原子核周围的环境称为晶格 平衡态 质子在温度与磁场强度不变的情况下充分磁化后 磁化矢量保持衡定 这种稳定状态为平衡态 激发态 质子吸收能量 RF 后的不稳定状态为激发态 四 病人 质子 进入外加磁场时会发生什么情况 1 质子在正常情况下是随意排列的 杂乱无章 宏观磁化矢量和为零 自由态 2 质子进入外加磁场时会发生二种情况 顺 逆外加磁场的方向 磁化 3 顺磁场方向的低能态 逆磁场方向的高能态 磁化 稳定状态 四 病人 质子 进入外加磁场时会发生什么情况 4 质子进动 圆锥运动 Larmor公式 w0 f rB05 自旋质子弛豫 微观上讲 共振即诱发两种质子能态间的越迁 产生磁共振所需能量即为质子两种基本能态之差 能量来源于射频脉冲 五 核磁共振现象 微观上 共振即诱发质子二种能态间的跃迁 产生磁共振所需能量即为质子二种基本能态之差 RF频率仅在与质子群的进动频率一致时 才出现共振 六 核磁共振现象 宏观上 受RF激励的质子群发生共振时 其磁化矢量M不再与主磁场B0平行 RF越强 持续时间越长 RF停止时 M偏离B0越远 七 自旋质子弛豫 90 RF停止时 M垂直于B0 Mz 0 平行于xy平面 Mxy最大 180 RF停止时 M平行于B0 但方向相反 横向磁化矢量Mxy 0 Mz最大 小结 质子带有正电荷 并不停地作旋转运动 旋转着的质子产生磁场犹如一个小磁棒 病人入磁场后 体内的质子 小磁场 以二种方式排列 顺低能态 逆高能态 RF激励质子进动 如陀螺在重力下旋转 进动频率可依Larmor公式计算 外加磁场愈强 进动频率愈高 磁共振现象 指某些特定的原子核置于静磁场内 并受到一个适当的RF磁场的激励时 所出现的吸收和放出RF磁场的电磁能的现象 八 产生MR的三个条件 外加磁场 质子 自旋特性的原子核 质 中子之一 为奇数 RF 频率须与质子进动频率相同 九 核磁弛豫 RF符合Larmor频率 被激励的质子群发生共振 宏观磁化矢量M离开平衡状态 但RF停止后 M又自发地回复到平衡状态 这个过程称为 核磁弛豫 90 RF停止后 M围绕B0轴旋转 M末端沿着上升螺旋逐渐靠向B0 RF结束的一瞬间 Mxy达最大值 Mz 0 恢复到平衡时 Mz达最大值 Mxy 0在弛豫过程中磁化矢量M强度并不恒定 纵 横向部分必须分开讨论 弛豫过程可用两个时间值描述 即纵向弛豫时间 T1 和横向弛豫时间 T2 纵向弛豫 自旋晶格弛豫 纵向弛豫时间 T1 指90 RF后 达到原纵向磁化矢量63 的时间 质子从RF波吸收能量 处于高能态 即被激励 的质子数目增加 T1弛豫是质子群释放已吸收的能量以恢复原来高 低能态平衡的过程 在恢复过程中 质子处于一个磁波动环境中 受到分子的Brown氏运动的影响 MR成像 磁波动的频率与RF一致时 激发高能态的质子 使其能量扩散到周围环境 晶格 两种高能态的质子恢复到平衡状态 横向弛豫 自旋 自旋弛豫 横向弛豫时间 T2 指90 RF后 原横向磁化矢量值衰减到37 的时间 组织中水分子的热运动持续产生磁场的小波动 周围磁环境的任何波动可造成质子共振频率的改变 使质子振动稍快或稍慢 使质子群由相位一致变为互异 即热运动的作用使质子间的旋进方位和频率互异 但无能量的散出 因此T2弛豫也称自旋 自旋弛豫 脑脊液 脂肪 37 84 1400 Mxy t ms 十 MR信号 与强大的主磁场方向一致的质子场强不能测定 需改变方向 十一 核磁共振信号 在弛豫过程中 横向磁化矢量Mxy的变化使环绕在人体周围的接收线圈产生感应电动势 这个可以放大的感应电流即MR信号自由感应衰减 90 RF后MR信号以指数曲线形式衰减RF与生物组织原子核的共振信号不同时 但同频率可用一个线圈兼作发射和接收 磁共振信号的测量只能在垂直于主磁场的xy平面进行 由于磁化矢量本身就是一个磁场 所以它在xy平面的旋进正如一个xy平面内的旋转磁体 可以在接收线圈内产生感应电压 这个随时间波动的电压即为MR信号 十二 加权像 通过调节TR TE得到突出某个组织特征参数的图像 质子密度N H 加权像 长TR 1500 2500ms 短TE 15 25ms T1加权像 T1WI 短TR 500ms 短TE 15 25ms T2加权像 T2WI 长TR 1500 2500ms 长TE 90 120ms 十三 各种正常和病变组织的T1 T2值均不同 正常和病变组织的氢原子的T1 T2受周围化学环境或磁环境的影响 周围化学环境改变氢原子核的行为 进而改变组织所发出的RF波 换言之 氢原子的T1 T2可反映其周围的化学环境或磁环境在MR成像中 质子密度是一种成像参数 但不如另外二种成像参数T1 T2重要 因为T1 T2 氢原子核的行为 提供了更为重要周围 磁气候 的信息 HH 如 乙醇H C C HOH 十四 MR图像用信号强度代表能量的高低 高信号 白中等信号 灰低信号 黑1 信号强度与T1成反比 同一时间内Fat的MR强 H2O的MR弱 2 信号强度与T2成正比 同一时间内H2O的MR强 Fat的MR弱 3 分子量 中等分子信号强 低分子信号弱 高分子信号弱 黑色素 含铁血黄素 4 质子密度 某一定区域内自旋质子的密度 5 流空效应 十五 常见组织的MR信号特点 种类组织特性信号骨皮质 空气 质子密度低弱致密结T1长 T2短弱缔组织 脑积液 T1很长 T2很长 T1低T2高实质脏器 质子密度高 T1较长 T2较长中等信号脂肪 T1短 T2长T1 T2高信号 十六 序列技术 自旋回波SE脉冲序列 由于磁场的不均匀性 自旋磁矩的旋进频率各不相同 激发态自旋的相位相干性逐渐丧失 称去相位 这种相位效应使横向磁化迅速衰减 SE 90 Ti 180 T 去相位 90 RF后使同步的质子群异步 相位由一致变为分散 摺叠扇逐渐张开 相位回归 180 RF后质子群离散的相位又相互趋向一致 摺叠扇合起 列队操练 十七 其它脉冲序列 反转恢复序列IR 快速自旋回波序列 TSE梯度自旋回波序列 TGSE快速反转恢复序列 TIR半付理叶采集单次激发快速自旋回波序列