MRI基本原理.ppt

一 MRI仪器的基本硬件构成主要由 1 主磁体 产生磁场的装置 根据主磁体产生磁场的不同分为永磁型和电磁型 电磁型主磁体分为常导磁体及超导磁体 根据磁场的高低分为低场 0 5T 中场 0 5 1 0T 高场 1 0 2 0T 及超高场 2 0T 主磁场的场强可采用高斯 Gauss G 或特斯拉 Tesla T 来表示 特斯拉是目前磁场强度的国际单位 高场强MRI仪的主要优势表现为 1 具有高质子磁化率和图像信噪比 2 在保证足够信噪比的前提下 可缩短MRI的信号采集时间 3 磁共振频谱 MRS 对代谢产物的分辨能力提高 4 更容易实现脂肪饱和技术 5 增强磁敏感效应 使基于血氧饱和度水平依赖 BOLD 效应增加 脑功能成像的信号变化更为明显 但MRI仪场强增高也带来以下问题 设备成本增加 价格提高 2 噪声水平增加 虽然可采用静音技术降低噪声 但反过来又增加了成本 3 因为射频的特殊吸收率 SAR 与主磁场场强的平方成正比 高场强下射频脉冲的能量在人体内累积明显增大 SAR值问题在3 0T超高场强机上表现得尤为突出 4 运动 化学位移和磁化率伪影更为明显 2 梯度系统 由梯度线圈 梯度放大器 数模转换器 梯度控制器 梯度冷却装置等构成 梯度线圈安装于主磁体内 梯度系统主要作用 1 进行MRI信号的空间定位编码 2 产生MR回波 梯度回波 3 施加扩散加权梯度场 4 进行流动补偿 5 进行流动液体的流速相位编码 3 射频系统 由射频发生器 射频放大器和射频线圈构成 射频线圈有发射线圈和接收线圈之分 4 计算机系统 控制着MRI仪的脉冲激发 信号采集 数据运算和图像显示 5 其它辅助设备 检查床 液氮及水冷却系统 空调 图像存储和打印等 磁共振成像的物质基础 一 原子的结构原子是由原子核和位于其周围轨道中的电子构成 电子带有负电荷 原子核由中子和质子构成 中子不带电荷 质子带有正电荷 二 自旋和核磁的概念任何磁性原子核都具有以一定频率绕自身轴进行高速旋转的特性 该特性称为自旋 由于原子核带有正电荷 磁性原子核的自旋就形成电流环路 产生具有一定大小和方向的磁化矢量 我们把这种由带正电荷原子核自旋产生的磁场称为核磁 三 磁性和非磁性原子核并非所有原子核都有自旋 如果原子核内的质子和中子数均为偶数 则该种原子核无自旋和核磁 被称之为非磁性原子核 反之 有自旋和核磁的原子核称为磁性原子核 磁性原子核需要符合以下条件 1 中子和质子均为奇数 2 中子为奇数 质子为偶数 3 中子为偶数 质子为奇数 四 用于人体磁共振成像的原子通常所指的MRI为氢质子的MR图像 原因有 1 1H的磁化率很高 2 1H占人体原子的绝大多数 决定MRI图像的参数是 质子密度 横向 T2 弛豫时间 纵向 T1 弛豫时间这是MRI显示解剖结构和病变的基础 五 人体组织MRI信号的主要来源需要指出 并非所有质子都产生MRI信号 常规MRI信号主要来源于水分子的质子 简称水质子 部分组织的信号也可来源于脂肪中的质子 简称脂质子 人体内的水分子可以分为自由水和结合水两种 前者指蛋白质大分子周围水化层中的水分子 这些水分子黏附于蛋白质大分子的部分基团上 与蛋白质大分子不同程度的结合在一起 其运动受限 后者是指未与蛋白质结合 能自由活动的水分子 地球自转产生磁场氢质子总是不停地按一定频率绕着自身的轴发生自旋 Spin 氢质子带正电荷 其自旋产生的磁场称为核磁 因而以前把磁共振成像称为核磁共振成像 NMRI 进入主磁场前后人体内质子核磁状态的改变 一 进入主磁场前人体内质子的核磁状态人体所含质子不计其数 每个质子自旋均能产生一个小磁场 由于这种小磁场的排列处于杂乱无章的状态 使每个质子产生的磁化矢量相互抵消 因此人体在自然状态下并无磁性 即没有宏观磁化矢量的产生 通常情况下 尽管每个质子自旋均产生一个小的磁场 但呈随机无序排列 磁化矢量相互抵消 人体并不表现出宏观磁化矢量 二 进入主磁场后人体内质子的核磁状态当人体位于主磁场中时 体内质子产生的小磁场呈有规律排列 主要有两种排列方式 一是与主磁场方向平行 另一种是与主磁场方向相反 从量子物理学的角度而言 二者代表质子的能量差别 与主磁场平行同向的质子处于低能级 其磁化矢量方向与主磁场一致 平行反向的质子处于高能级 其磁化矢量与主磁场相反 由于低能级质子略多 使人体产生一个与主磁场方向一致的宏观纵向磁化矢量 把人体放进大磁场 进入主磁场前后人体组织质子的核磁状态 进入主磁场后人体被磁化了 产生纵向宏观磁化矢量 磁共振接收线圈不能检测出纵向磁化矢量 但接收线圈能检测到旋转的横向磁化矢量 即此时主磁场内氢质子仍处于低能状态 给低能的氢质子能量 氢质子获得能量进入高能状态 释放能量的过程即核磁共振 怎样才能使低能氢质子获得能量 进入高能状态 产生共振 由射频线圈发射射频脉冲即可 90度脉冲由射频线圈产生 90度脉冲激发后产生的宏观和微观效应 低能的氢质子有一半获得能量进入高能状态 高能和低能质子数相等 纵向磁化矢量相互抵消而等于零 质子的微观横向磁化矢量相加 产生宏观横向磁化矢量 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 这个过程称为核磁弛豫 核磁弛豫又可分解为两个部分 横向弛豫纵向弛豫 横向弛豫 也称为T2弛豫 简单地说 T2弛豫就是横向磁化矢量减少的过程 能量衰减2 3所需要的时间即T2弛豫时间 横向弛豫过程使质子群由相位一致变为互异 所以又称自旋 自旋弛豫 纵向弛豫 也称为T1弛豫 是指90度脉冲关闭后 在主磁场的作用下 纵向磁化矢量开始恢复 直至恢复到平衡状态的过程 纵向磁化矢量恢复到原能量2 3时所需时间即T1弛豫时间 在纵向弛豫过程中高能态的质子将其能量扩散到周围环境 所以又称为自旋晶格弛豫 不同的组织横向弛豫速度不同不同的组织T2值不同T2值小 横向磁化矢量减少快 MR信号低 黑 T2值大 横向磁化矢量减少慢 MR信号高 白 水T2值约为3000毫秒 MR信号高脑T2值约为100毫秒 MR信号低 不同组织有不同的纵向弛豫速度不同组织T1值不同T1值越小 纵向磁化矢量恢复越快 MR信号强度越高 白 T1值越大 纵向磁化矢量恢复越慢 MR信号强度越低 黑 脂肪的T1值约为250毫秒 MR信号高 白 水的T1值约为3000毫秒 MR信号低 黑 核磁弛豫过程是高能状态氢质子释放能量的过程 此时接收线圈接收该能量 并将其转化为信号 根据信号的高低在显示器上显示出由黑到白的不同灰阶的图像 氢质子含量高的组织纵向磁化矢量大 90度脉冲后偏转到横向的磁场越强 MR信号强度越高 图像越白 此时的MR图像可区分质子密度不同的两种组织 但此时检测到的只是一次射频脉冲激发氢质子释放能量所显示的图像仅仅是反应不同组织氢质子含量的差别 对于临床诊断来说是远远不够的 所以在实际工作中 采用脉冲序列对人体进行激发扫描 如自旋回波 SE 脉冲序列 反转恢复 IR 脉冲序列 梯度回波 GE 脉冲序列等 磁共振 加权成像 T1WI T2WI 何为加权 所谓的加权就是 重点突出 的意思T1加权成像 T1WI 突出组织T1弛豫 纵向弛豫 差别T2加权成像 T2WI 突出组织T2弛豫 横向弛豫 差别质子密度加权成像 PD 突出组织氢质子含量差别 T2加权成像 T2WI 反映组织横向弛豫的快慢 T1加权成像 T1WI 反映组织纵向弛豫的快慢 重要提示 90 180 回波 TE TR TE 回波时间TR 重复时间 6 如何区分T1WI T2WI 如何区分T1WI T2WI 1 看TR TET2WI 长TR 2000毫秒 长TE 50毫秒 T1WI 短TR 400 800毫秒 短TE 10 15毫秒 T2WI T1WI 如何区分T1WI T2WI 2 看水和脂肪T1WI 水 如脑脊液 胃液 肠液 尿液 呈低信号 黑 脂肪呈很高信号 很白 T2WI 水呈很高信号 很白 脂肪信号有所降低 灰白 T2WI T1WI 如何区分T1WI T2WI 3 看其他结构脑组织 T1WI 白质比灰质信号高T2WI 白质比灰质信号低腹部 T1WI 肝脏比脾脏信号高T2WI 肝脏比脾脏信号低 T2WI T1WI T1WI T2WI 三 MRI的基本技术和新技术 常规MRIMRA扩散成像灌注成像MR水成像 脑功能成像MRI电影MR频谱分析介入性MRI MR血管成像 MRA 不用造影剂的MRA 常规MRA 适用于全身血管病变的显示 也可用于血管血液流速 流量分析 对比增强MRA 能提高常规MRA的准确性和真实性 适用于动脉瘤 大血管疾病的MRA检查 对于大血管疾病的检查 对比增强MRA已经能基本取代血管造影 MRI扩散 弥散 成像 扩散加权像上扩散值高的区域表现为低信号 而扩散值低的区域表现为高信号 超早期脑缺血区域细胞毒性水肿 水分子扩散下降约50 表现为高信号 扩散加权成像能够在缺血发作后2小时即显示缺血病灶 扩散加权成像的临床应用 DWI在临床上主要用于超急性期脑梗死的诊断和鉴别诊断 在DWI上 超急性和急性梗死脑组织表现为高信号 其显示梗死区明显早于常规T1和T2加权像 由于其他脑组织病变 如多发硬化的活动病灶 部分肿瘤 血肿 脓肿等 也可表现为DWI高信号 需要注意进行鉴别诊断 此外 DWI也可能用于其他脏器和组织 如肝脏 肾脏 乳腺 脊髓 骨髓等 提供病变的诊断和鉴别诊断信息 但此方面的经验还不多 有待于进一步研究 灌注成像 动态对比增强磁共振脑血流灌注成像 dynamiccontrast enhancedMRperfusion weightedimaging 简称PWI 急性脑缺血发作早期 局部脑血流灌注有下降 PWI所显示的脑组织内血流灌注明显异常区域面积常大于DWI上的异常高信号区域 DWI上的异常高信号区域多位于病灶中心 最终发展为梗塞灶 而扩大的部分既可以演变为梗塞灶的一部分 也可以逐渐缩小而且信号回复正常 MRI水成像技术 利用人体内的水作为天然对比剂清晰显示含水器官的解剖和病变 内耳水成像MR延腺管造影MR脊髓造影 MRM MR胆胰管造影 MRCP MR尿路造影 MRU 内耳水成像 水成像技术的临床应用 MRCP是目前临床上最常用的水成像技术 主要适应证包括胆道结石 胆道肿瘤 胆道炎症 胰腺肿瘤 慢性胰腺炎 胆胰管变异或畸形等 MRU主要适应证有 尿路结石 肾盂肾盏肿瘤 输尿管肿瘤 膀胱肿瘤 其它原因的尿路梗阻 泌尿系变异或畸形等 MR脊髓成像主要适应证包括 椎管内肿瘤 椎管畸形 脊神经鞘袖病变 脊柱退行性病变 脊柱外伤等 MR涎腺管造影多用于腮腺导管病变的检查 MR内耳水成像借助于耳蜗及半规管内的淋巴液作为天然对比剂成像 主要用于膜迷路病变的检查 脑功能磁共振成像 脑功能磁共振成像是以血氧水平相关 BloodOxygenationLevelDependent 即BOLD 效应为基础的 其原理是基于血红蛋白在带氧和不带氧时的磁性不同 当血红蛋白不携带氧时 它是顺磁性的 其结果是影响在血管附近的磁场的均匀性 因此降低磁共振信号 当血红蛋白携带氧时 它是非顺磁性的 它对磁场的影响很小 因此磁共振可以用来检测血液中的含氧浓度 磁共振波谱分析 MRS 磁共振技术主要有二大应用 磁共振成像 MRI 研究人体组织器官大体形态的病生理改变 磁共振波谱分析 MRS 研究人体能量代谢的病生理改变 二者的物理学基础都是磁共振现象 MRI对比剂 CT由于软组织分辨力较低 常需要借助对比剂来显示病变及其特性 尽管MRI的软组织对比明显高于CT 但有时仍需要使用对比剂 使用MRI对比剂的目的 使用MRI对比剂的目的在于 1 提高图像的信噪比和对比噪声比 有利于病灶的检出 2 通过病灶的不同增强方式和类型 帮助病灶定性 3 提高MR血管成像的质量 4 利用组织或细胞特异性对比剂获得特异性信息 可提高病灶检出率和定性诊断的准确率 MRI对比剂的作用原理 传统X线造影检查和CT增强扫描是利用对比剂本身对X线的衰减作用来达到造影增强目的 而MRI对比剂则不同 其本身不产生信号 信号仍来源于质子 对比剂通过影响质子的弛豫时间 间接改变组织的信号强度 某些物质进入人体组织靠近共振质子时 能有效改变质子所处磁场环境 影响质子的弛豫时间 能缩短质子弛豫时间者为顺磁性物质 延长质子弛豫时间者则为逆磁性物质 利用这些物质对质子弛豫时间的不同影响 可选择性增加或减低组织的信号强度 实现人为提高组织对比度的目的 MRI对比剂的分类 按其对T1和T2弛豫的影响可将之分成T1加权和2加权对比剂 按其增强还是减弱信号强度可将之分为阳性和阴性对比剂 按其在体内的生物学分布特点分为非特异性和特异性对比剂 通常对比剂存在于细胞外间隙 主要经肾脏排泄 故又称肾性对比剂 有些对比剂选择性分布于某些器官和组织 不经肾脏或仅部分经肾脏清除 称非肾性对比剂 根据不同磁特性 MRI对比剂还可分为顺磁性 超顺磁性 铁磁性以及逆磁性4种对比剂 目前临床常用的MRI对比剂是钆喷替酸葡甲胺 GD DTPA 为离子型非特异性细胞外液对比剂 可用于全身MR增强扫描 其常规剂量为每千克体重0 1mmol 最大允许剂量为每千克体重0 3mmol GD DTPA的主要临床应用 1 脑和脊髓病变 2 垂体腺瘤或微腺瘤检查 3 脑灌注加权成像 主要用于急性脑缺血或肿瘤等 4 进行腹部实质性脏器的动态增强扫描 5 心肌灌注及活性检查 6 对比增强MRA MRI的优点和缺点 与CT比较 重要提示 尽管MRI有很多优点 在定位诊断方面明显优于CT 在定性诊断方面也能提供更多的信息 但是部分病变的MRI信号变化仍缺乏特异性 因而有些病变的定性诊断仍较困难 MRI不是万能的 MRI与CT是互补的 优点 组织分辨率较CT高 可检出更多的病变大多数病变不用造影剂就能较好显示不用造影剂就可较好显示血管没有骨性伪影 有利于后颅窝 椎管等部位病变的检查多参数成像 能为病变检出和鉴别诊断提供更多信息可任意断面成像 CT一般仅进行横断面成像无放射线损伤 缺点 钙化显示不及CT显示骨皮质结构较差受磁场影响 一般监护仪器不能进入MR室 因而不适用危重病人价格比较昂贵操作较为复杂伪影较多 MRI安全性的注意事项 一 致冷剂安全性超导MR成像仪一般应用液氦和液氮作为制冷剂 当发生失超或容器受到猛烈撞击破裂时 可能发生液氮或液氦泄漏 通常泄漏的液氮或液氦会通过专用的管道排出 若发生意外进入磁体室 则可能引起室内人员的冻伤或窒息 二 铁磁性物质的抛射铁磁性物质被高强主磁场吸引 可高速向磁体抛射 引起人员伤害或设备损坏 患者 家属及医务人员在进入扫描室前 均应将所有铁磁性物质去除 三 心脏起搏器主磁场和射频脉冲会干扰心脏起搏器的工作 起搏器导线的诱发电流还可引起心律失常或组织烧伤 故安装心脏起搏器者禁止进入5高斯线范围 更不能进入MR扫描室或接受MRI检查 四 监护仪器和呼吸机普通监护仪器和呼吸机受主磁场 梯度场及射频脉冲的干扰 在磁体室内无法正常工作 故被监视的患者不能接受MRI检查 但是近年来已经有MR室专用监护仪和呼吸机问世 五 体内人工植入物如果植入物为铁磁性物质 就不能进行MRI检查 若植入物由非磁性不锈钢或钛合金材料制成 则可以进行MRI检查 目前普遍采用的宫内节育器一般都用非铁磁性材料如塑料或铜合金制成 可进行MRI检查 但老式节育器可产生明显的伪影 若进行盆腔或骶尾部的检查 必须先将节育器摘除 六 金属异物体内有金属异物 特别是眼球内铁磁性异物 者不宜进行MRI检查 以免引起伤害 如果不明确有无体内金属异物 可先进行X线摄影检查加以确定 七 幽闭恐惧症有部分患者在MRI室内出现紧张 恐慌等精神反应 甚至导致MRI检查失败 其中较为严重的反应是幽闭恐惧症 患者不能忍受狭小的空间 在MRI磁体内出现压抑 憋气 恐惧等严重反应 八 妊娠虽然MRI可用于胎儿检查 但仍有人主张妊娠3个月以内的孕妇不宜从事MRI工作或接受MRI检查 此外 GD DTPA等多种MRI对比剂可通过胎盘屏障进入胎儿体内 目前也不主张对孕妇使用MRI对比剂 MRI安全注意事项 体内有大块金属植入体的患者 如人工股骨头等 应尽量避免MRI检查 外伤病人进行MRI检查前因明确体内有无金属 怀孕3个月以内者不宜接受MRI检查或从事MRI工作 危重病人一般不宜接受MRI检查 因一般监护仪器不能进入MRI室 所有人员包括病人 家属及医务人员 进入MR扫描室前 应去除体表所有金属物及其他有可能影响检查及安全的物品 包括听诊器 刀片 镊子 血管钳 持针器 钥匙 鞋钉 皮带 拉链 手表 呼机 手机 磁卡 磁盘等 担架 轮椅 氧气瓶等金属物禁止带入MRI室检查开始后病人家属及医务人员最好不要留在MR扫描室 如特别需要留在MRI室者检查期间请勿随意走动 绝对禁止进入MRI室及进行MRI检查的情况 A 装有心脏起搏器的病人 B 有眼球金属异物的病人 重要提示 危险 八 MRI在各系统的应用 颅脑适应症 颅内各种肿瘤 脑内肿瘤 脑膜肿瘤 脑室肿瘤 垂体肿瘤 颅神经肿瘤 转移瘤 其他颅内肿瘤 颅内炎症 脑炎 脑脓肿 结核 脑膜炎症 寄生虫病 其其他炎症 脑血管疾病 血管畸形 动脉瘤 颅内出血 脑梗塞 扩散成像 灌注成像 MRA相结合能检出超急性期脑梗塞 其他脑血管疾病 各种颅脑发育