磁共振成像(MRI)的基本原理.ppt

1 磁共振成像 MRI 的基本原理MagneticResonanceImaging 同济医科大学附属协和医院MR室刘定西 2 磁共振现象的发现及发展 1924年pauli在进行电在子波谱试验中发现了许多原子核象带电的自旋粒子一样具有角动量和磁动量 1946年美国物理学家Block和Purcell分别测出了在均匀物质中磁共振的能量吸收 进一步证实了核自旋的存在 并为此获得了1952年诺贝尔物理学奖 3 N S RF 4 T F 射频频率 射频强度 5 磁共振的应用 物理化学 利用磁共振波谱测定物质的化学结构 医学影象 磁共振成像及化学物质含量测定 6 第一节 原子及其磁特性 原子的构成自旋自旋磁矩净自旋 7 原子的构成 原子核核外电子 质子 中子 核外电子 8 原子核的运动特性 自旋 物体沿一定方向绕自身某一轴的转动自旋角动量I 由于自旋运动的矢量性 自旋具有一定的角动量 自旋角动量I通常也称为自旋I I为矢量 9 10 自旋磁矩 自旋粒子的磁性 带电粒子的自旋都可产生磁矩 原子核运动的自旋磁矩 每一个自旋I对应于一个磁动 hI 11 3 12 净自旋 原子核的运动 自旋净自旋 具有自旋磁动量的自旋 零自旋 非零自旋 净自旋为零 净自旋不为零净自旋产生的条件 奇数质子和 或奇数中子净自旋的意义 是磁共振信号来源的基础 自旋系统 磁场中所有自旋的集合 13 1H的原子核结构及特性 1H原子核仅有一个质子 无中子 其磁化敏感度高 在人体的自然丰富度很高 是很好的磁共振靶核 14 第二节 磁场 磁场的概念均匀磁场稳定磁场交变磁场 15 磁场 物质场对磁性物质的力效应磁场的强度 16 均匀磁场 大小方向恒定不变的磁场 17 交变磁场 大小或方向呈规律性变化的磁场 18 X Y BX Bsina BY Bcosa a B RF 19 第三节 磁场对样体的作用 磁化 磁场对样体作用的过程 磁化强度m 样体经过磁化而产生的磁矩的大小 磁化率 单位磁场强度的磁化强度X m B 顺磁性物质的磁化率为正值 抗磁性物质的磁化率为负值 影响磁化率的因素 1 外层电子 2 原子核结构 20 N S M 21 磁场对磁矩的作用 垂直于磁场的磁矩 磁场对其以磁转矩形式产生作用 即以磁场为轴垂直于磁场转动 22 M1 M2 23 Y M0 B1 X Z 24 25 自旋在磁场中的运动 进动 旋进 自旋轴绕磁场方向的圆周运动 遵循lamor定理 w rB0影响进动频率的因素 磁场强度 进动的方向 上旋态与下旋态 26 27 28 量子化与平衡态 量子化概念 在磁场的作用下 自旋只能处于两种能级状态 低能态 上旋态 与高能态 下旋态 自旋只有吸收或释放一个特定能量值 E 时才相互转化 量子化遵循波兹定律E 1 2 E 1 2 exp rhI kT 平衡态 在磁场和温度的作用下 样体达到稳定磁化的状态 是一种动态平衡 29 30 剩余自旋与净磁化 剩余自旋 平衡态时 上旋态与下态自旋差 净磁化M 宏观磁化 自旋系统在磁场作用下产生的磁化总量 是所有自旋磁矩的矢量和 M B0 N T影响M的因素 静磁场强度 温度 自旋密度 单位体积的自旋数 纵向磁化 平行于磁场方向的磁化矢量横向磁化 垂直于磁场方向的磁化矢量 31 32 磁共振成像中的坐标系统 X Y Z 33 第四节核磁共振现象 单摆共振核磁共振 34 单摆共振的条件 系统与激发源的固有频率相同系统吸收能量内能增加 F 35 核磁共振的条件 激发磁场的频率与自旋系统的进动频率相等 自旋系统吸收激发磁场能量内能增加 36 射频 射频及磁特性射频的空间效应射频激发与核磁共振章动与翻转角 rB1t90 180 脉冲 脉冲射频对自旋磁矩的相位相干效应 37 X Y BX Bsina BY Bcosa a B RF 38 X Y Z M0 B1 射频磁场对磁矩的激发 39 40 射频激发使自旋的横向磁矩相位一致 相位相干 产生一个大的横向磁化矢量MXY 相位是矢量与参照轴间的夹角 MXY 横向磁化的相位相干进动 41 横向磁矩的相位 X Y m1 m3 m2 MXY a 42 X Y M0 B1 横向磁化的检测 MXY 43 自旋弛豫 自旋弛豫 自旋系统由激发态恢复到其平衡态的过程 可分为纵向弛豫和横向弛豫两个过程 纵向弛豫 自旋晶格弛豫 T1弛豫 纵向磁化逐渐恢复的过程 横向弛豫 自旋自旋弛豫 T2弛豫 横向磁化逐渐消失的过程 44 45 纵向弛豫的机理 波动的晶格磁场是一个连续频率的波动磁场 Lamor频率的晶格磁场可以吸收激发态自旋所释放的量子化能量 恢复其平衡态 晶格磁场的频率越接近Lamor频率 纵向弛豫的速度越快 人体各种不同类型组织的晶格磁场频率有差异 纵向弛豫速度不同 46 影响纵向弛豫的因素 组织特异性 中等大小分子快 小分子及大分子慢晶格的物理状态 液态快 固态慢 晶格的温度 低快 高慢 周围大分子结构 加快 磁场强度 低场快 高强慢 47 纵向弛豫特征时间常数T1 T1 射频激发停止后 纵向磁化弛豫至其平衡态值的63 时所经历的时间 MZ M0 1 e t T1 T1的物理学意义 弛豫周期 48 纵向磁化对比 由于各种组织的T1不同 在纵向弛豫过程中 不同时刻各种组织在纵向磁化中的比例不同 因而产生了不同组织间的纵向磁化对比 也称为T1对比 49 T1加权图像 图像的对比主要依赖T1对比称为T1加权 权重 图像 T1weightedimage 50 51 T1图像T1Image 每一个像素的亮度表示其所对应的构成体素的组织的T1值 这种图像称为T1图像 52 人体正常组织的T1值 53 由于磁场的不均匀性 自旋的进动频率不同 当RF停止后 横向磁矩间很快出现相位弥散 相位不相干 去相位 进动 使横向磁化矢量逐渐消失 横向弛豫的机理 54 横向弛豫特征时间常数T2 T2 射频激发停止后 横向磁化弛豫至其平衡态值的37 时所经历的时间 MXY M0e t T2T2的物理学意义 弛豫周期 55 56 57 影响横向弛豫的因素 组织特异性 大小分子快 小分子慢 晶格的物理状态 液态慢 固态快 晶格的温度 低快 高慢 周围大分子结构 加快 无磁场强度依赖性 58 横向磁化对比 由于各种组织的T2不同 在横向弛豫过程中 不同时刻各种组织在横向磁化中的比例不同 因而产生了不同组织间的横向磁化对比 也称为T2对比 59 T2弛豫图 60 T2加权图像 图像的对比主要依赖T2对比称为T2加权 权重 图像 T2weightedimage 61 T2图像T2Image 每个像素的亮度对应于其所代表的构成体素的组织的T2值 这种图像称为T2图像 62 人体正常组织的T2值 63 T2 弛豫 由于磁体磁场本身的不均匀性而产生的横向磁化的快速衰减 T2 弛豫 由于T2 和T2共同作用而产生的横向弛豫 也称为有效T2弛豫时间 1 T2 1 T2 1 T2T2 加权图像 图像的对比主要依赖于T2 对比 64 第六节 MR信号的产生及种类 FID信号产生SE信号产生方法及原理刺激回波产生及性质梯度回波产生及原理 65 FID信号 电磁感应原理横向磁化的感应信号V Mxy cos t激发角度为 则Mxy M0 sin e t T2 VFID M0sin cos t e t T2 FID信号的衰变 自旋相位相干 重聚 去相位 66 自由感应衰减信号 FID 67 SE信号产生方法及原理 回波180 脉冲的去T2 效应及SESE的特性 68 自旋回波信号 SE 69 70 71 72 73 SE信号的特点 消除了T2 效应信号幅度大可用于T1 T2加权成像信号幅度随T2衰减 74 梯度回波及原理 梯度磁场的去相位效应反相梯度磁场的聚相位效应梯度回波GE 75 76 TG 77 78 梯度回波信号GRE 79 刺激回波及性质 连续 脉冲的作用 相位累积效应 刺激回波的性质 自旋回波 900 900 a a a 80 第七节MR图像重建原理 一维傅立叶变换重建 反投影 二维傅立叶变换重建 K 空间数据重建 81 傅立叶变换 将时间 强度的信号关系变换为频率 强度的信号关系 这种数学变换模式称为傅立叶 Fouriertransform 变换 82 1DFT重建 梯度与梯度磁场层面选择及相关因素 Gz D体素的频率编码及投影 83 1 2 3 4 5 6 7 8 9 84 85 空间频率与K 空间 空间频率 是指波动性信号在一定方向上单位距离的波动周期数 单位是 周 m 和时间频率 Hz 周 s 有本质的区别为一个空间矢量 通常以Kx Ky Kz分别表示其在X Y Z三个互相垂直方向上的空间频率分量 其总量等于三个分量的矢量和 K 空间 K space 以空间频率Kx Ky Kz为单位的空间坐标系所对应的一个频率空间 二维K 空间为一个平面 86 空间频率与K 空间的关系 任何一个具有空间频率的信号都对应于K 空间内一个点 反之 K 空间内的任何一点代表且只代表一个空间频率 K Kx ky kzK2 Kx2 Ky2 Kz2K2 Kx2 Ky2 二维 方向由Kx Ky决定 87 梯度磁场与磁共振信号的空间频率的关系 梯度磁场强度与时间的累积效应称为梯度动量 GradientMoment 在梯度动量的作用下 沿着梯度方向的自旋之间的相位成规律的波动 其波动的周期数对应于梯度方向的一定距离 即空间频率 所以在梯度磁场的作用下 磁共振信号便可以具有空间频率 因此 可以将其写入K 空间内某一坐标位置 88 一维梯度动量效应 产生一为维空间频率信号 Gy t Ky 1 fov 89 一维梯度动量产生的具有一维空间频率的磁共振信号 Gyt Ky 信号区 无信号区 90 二维梯度动量产生旋转 二维 空间频率信号 Gyt Gxt K Kx Ky 91 二维梯度动量效应 产生二维空间频率信号 由K2 Kx2 Ky2 二维 空间 可见 在二维K 空间内 随着Kx Ky的变化 空间频率大小相等但方向不同的一系列空间频率 在同一个圆轨迹上 反之 在同一圆轨迹上的所有K 空间坐标数据对应于一系列空间频率大小相等 方向连续变化的空间频率信号 即相当于一个大小不变 方向绕K 空间中心旋转的空间频率信号 92 2DFT重建 黑白图像的产生K 空间的概念空间频率的概念空间频率的产生K 空间数据的填写逆向FT及MR图像 93 MRI基本序列 自旋回波采集 SpinEcho 梯度回波采集 GradientEcho 反转恢复采集 Inversionrecovery 部分饱和采集 PartialSaturation 刺激回波采集 Steam 94 磁共振各种特殊成像技术 磁共振血管造影技术 MRA 时间飞跃法 Timeofflight 相位对比法 Phasecontrast 幅度对比法 Magnitudecontrast 对比剂增强法 Contrastenhance 95 MRI心电门控技术 心电门控触发肢端脉搏触发回顾性心电门控 96 磁共振水成像技术 MRCPMRUMRMMRDMRS 97 MRI造影剂 T1造影剂 GD DTPA 二乙烯三厂五乙 酸钆 T2造影剂 SPIO 超顺磁氧化铁 98 MRI呼吸触发技术 呼吸门控呼吸补偿 99 磁共振饱和成像技术 频率饱和幅度饱和化学位移饱和磁化传递饱和 100 磁共振电影 心脏运动电影关节活动电影三维结构转动显示电影 101 功能成像技术 弥散成像灌注成像脑活动功能成像 102 第八节 磁共振系统的构成 磁体及主磁场梯度系统射频系统计算机系统 103 104 磁体 永磁体超导磁体常导磁体 105 梯度 梯度系统构成梯度系统的作用 106 射频系统 RF线圈RF放大器RF接受放大器屏蔽 107 计算机系统 A D转换器阵列处理机用户计算机 108 MRI的图像质量参数 109 MR图像特征指标及评价方法 SNRC CNRR RsA artifact 110 SNR 噪声的概念及主要来源信号的概念及来源信噪比的概念SNR的评价SNR S N 111 影响SNR因素 设备因素 B0 线圈 梯度 选择序列及参数技术影像参数SNR V 112 C对比度 对比度的概念C的评价C S1 S2 S1 S2 113 影响C的因素 组织类型脉冲序列序列参数对比剂 114 CNR CNR概念CNR评价CNR SNRA SNRB 115 R Rs R Rs的概念R Rs的评价Rs 1 体素体积 116 影响R Rs的因素 FOV Lx Ly Lz Nx Ny NzK 空间方式 117 特殊技术对图像质量的影响 半傅立叶技术半回波技术三维部分K 空间超频带采样MT压脂技术内插技术 118 MRI伪影 边缘伪影几何变形回卷伪影流动伪影技术性伪影 119 边缘性伪影 运动伪影化学伪影水脂