MRI的基本原理和概念精讲ppt.ppt

磁共振基础知识 MRI MagneticResonanceImaging MRI 磁 共振 成像 装置 旧称NMRI 核磁共振成像装置 其中N Nuclear 核 MRI的历史 1946年由美国斯坦福大学的FelixBloch和哈佛大学的EdwardPurcell发现核磁共振现象 为此获得1952年诺贝尔奖 1971年RaymondDamadian发现人体不同组织及肿瘤的驰豫时间相互存在差异 开始了磁共振对临床疾病的研究 1977年英国诺丁汉大学获得第一幅人体头部的磁共振图像 1980年MRI装备商品化 1984年中国第一台MRI装机 R Damadian L Minkoff M Goldsmith0 5Tsupercon1977 firstMRimageofahumanbrain thepioneersinMRimaging最早的磁共振成像 MRI基本原理 难以理解 非常重要 学习MRI前应该掌握的知识 电学磁学量子力学高等数学 初中数学初中物理加减乘除平方开方 磁共振成像基本原理 一个放射科医生对磁共振成像的理解 第一节MRI扫描仪的基本硬件 磁体梯度系统射频系统计算机外围设备 磁共振系统基本组成 1 磁体 磁共振最基本的构建产生磁场的装置最重要的指标为磁场强度和均匀度 MRI按磁场产生方式分类 永磁 电磁 常导 超导 磁体 0 35T永磁磁体 1 5T超导磁体 磁体类型 现在为0 2 1 0T 按磁体的外形可分为开放式磁体封闭式磁体特殊外形磁体 MR按主磁场的场强分类MRI图像信噪比与主磁场场强成正比低场 小于0 5T中场 0 5T 1 0T高场 1 0T 2 0T 1 0T 1 5T 2 0T 超高场强 大于2 0T 3 0T 4 7T 7T OPER 0 35T 高斯 gauss G Gauss 1777 1855 1高斯为距离5安培电流的直导线1厘米处检测到的磁场强度 德国著名数学家 于1832年首次测量了地球的磁场 5安培 1厘米 1高斯 地球的磁场强度分布图 特斯拉 Tesla T NikolaTesla 1857 1943 奥地利电器工程师 物理学家 旋转磁场原理及其应用的先驱者之一 1T 10000G 主磁场的均匀度MRI要求磁场高度均匀 提高图像信噪比空间定位准确的需要减少伪影 磁化率伪影 大视野扫描脂肪抑制技术有效区分MRS的不同代谢产物 匀场是通过使用金属片 匀场片 或电磁体 匀场线圈 来提高磁场均匀度的过程 被动匀场 被动匀场磁体系统有一套装有小铁片的多个托盘 用来修正磁场形状 达到一定的磁场均匀度 这些匀场片放置的位置非常重要 测量磁场的均匀度 计算机计算匀场片放置的位置 匀场托盘被拉出 匀场片被放入托盘中托盘重新插入磁体 反复进行此过程 优点 一旦完成匀场 维持匀场将不耗费电能 主动匀场 主动匀场磁体系统在磁体孔径中置有30个独立的线圈 分别调整各个线圈中的微弱电流 可以修正磁场形状 电流的调整在计算机的控制下即可完成 匀场十分简便 缺点 在于制作困难 价格昂贵 磁体的匀场 2 梯度系统 作用 空间定位产生回波 梯度回波 施加扩散加权梯度场进行流动补偿梯度线圈性能的提高 磁共振成像速度加快没有梯度磁场的进步就没有快速 超快速成像技术加快信号采集速度提高图像的SNR 梯度 梯度磁场 梯度磁场的产生 Z轴方向梯度磁场的产生 X Y Z轴上梯度磁场的产生 梯度线圈性能指标梯度场强25 60mT m切换率120 200mT m s 有效梯度场长度50cm 梯度两端磁场强度差值 梯度场强 mT M 梯度场两端的磁场强度差值 梯度场的长度 1000mT 1010mT 990mT 梯度场强 1010mT 990mT 0 5M 40mT M 1000mT 梯度场强 爬升时间 切换率 梯度场预定强度 爬升时间 3 射频系统 射频 发射和接受 系统的作用如同无线电波的天线激发人体产生共振 广播电台的发射天线 采集MR信号 收音机的天线 射频线圈的分类敏感区的形状 体线圈或表面线圈线圈的极性 线性或正交独立接收通道的数目 相控阵线圈 4 计算机系统 控制扫描数据的运算图像显示 5 其他辅助设备 空调检查台激光照相机液氦及水冷却系统 第二节磁共振成像的物理基础 一 原子的结构 原子核总是绕着自身的轴旋转 自旋 Spin 地球自转产生磁场原子核总是不停地按一定频率绕着自身的轴发生自旋 Spin 原子核的质子带正电荷 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 二 自旋与核磁 地磁 磁铁 核磁示意图 原子核自旋产生核磁 核磁就是原子核自旋产生的磁场 非常重要 三 所有的原子核都可产生核磁吗 质子为偶数 中子为偶数 质子为奇数 中子为奇数质子为奇数 中子为偶数质子为偶数 中子为奇数 产生核磁 不产生核磁 用于人体MRI的为1H 氢质子 原因有 1 1H的磁化率很高 2 1H占人体原子的绝大多数 通常所指的MRI为氢质子的MR图像 四 何种原子核用于人体MR成像 人体元素1H14N31P13C23Na39K17O2H19F 摩尔浓度99 01 60 350 10 0780 0450 0310 0150 0066 相对磁化率1 00 0830 0660 0160 0930 00050 0290 0960 83 人体内常见的磁性原子核 人体内有无数个氢质子 每毫升水含氢质子3 1022 每个氢质子都自旋产生核磁现象人体象一块大磁铁吗 第三节进入主磁体前后人体内质子核磁状态的变化 没有外加磁场的情况下 质子自旋产生核磁 每个氢质子都是一个 小磁铁 但由于排列杂乱无章 磁场相互抵消 人体并不表现出宏观的磁场 宏观磁化矢量为0 通常情况下人体内氢质子的核磁状态 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 把人体放进大磁场 指南针与地磁 小磁铁与大磁场 矢量的合成与分解 进入主磁场前后人体组织质子的核磁状态 处于高能状态太费劲 并非人人都能做到 处于低能状态的略多一点 007 进入主磁场后磁化矢量的影响因素 温度 主磁场强度 质子含量 温度温度升高 磁化率降低主磁场场强场强越高 磁化率越高 场强几乎与磁化率成正比质子含量质子含量越高 与主磁场同向的质子总数增加 磁化率不变 处于低能状态的质子到底比处于高能状态的质子多多少 室温下 300k 0 2T 1 3PPM0 5T 4 1PPM1 0T 7 0PPM1 5T 9 6PPM PPM为百万分之一 处于低能状态的氢质子仅略多于处于高能状态的质子 在主磁场中质子的磁化矢量方向是绝对同向平行或逆向平行吗 Precessing 进动 进动是核磁 小磁场 与主磁场相互作用的结果进动的频率明显低于质子的自旋频率 但比后者更为重要 非常重要 B 进动频率Larmor频率 磁旋比42 5兆赫 T B 主磁场场强 高能与低能状态质子的进动 由于在主磁场中质子进动 每个氢质子均产生纵向和横向磁化矢量 那么人体进入主磁场后到底处于何种核磁状态 处于低能状态的质子略多于处于高能状态的质子 因而产生纵向宏观磁化矢量 尽管每个质子的进动产生了纵向和横向磁化矢量 但由于相位不同 因而只有宏观纵向磁化矢量产生 并无宏观横向磁化矢量产生 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 进入主磁场后 质子自旋产生的核磁与主磁场相互作用发生进动 非常重要 进动使每个质子的核磁存在方向稳定的纵向磁化分矢量和旋转的横向磁化分矢量 由于相位不同 只有宏观纵向磁化矢量产生 并无宏观横向磁化矢量产生 进入主磁场后人体被磁化了 产生纵向宏观磁化矢量不同的组织由于氢质子含量的不同 宏观磁化矢量也不同磁共振不能检测出纵向磁化矢量 纵向磁化Longitudinalmagnetization 把病人置入强外磁场中 可诱发一个新的磁矢量 这个磁矢量与外磁场平行 因为它平行于外磁场 与外磁场处于同一方向 故不能测量 MR能检测到怎样的磁化矢量呢 MR不能检测到纵向磁化矢量 但能检测到旋转的横向磁化矢量 横向磁化 沿着外磁场的磁化不能测量 因此 需要一个横向于外磁场的磁化 如何才能产生横向宏观磁化矢量 第四节磁共振现象 共振 能量从一个震动着的物体传递到另一个物体 而后者以前者相同的频率震动 射频脉冲radiofrequency RF pulse 一个短促的电磁波 称为射频脉冲 当质子频率与射频脉冲频率相同时 就能进行能量交换 体内进动的氢质子怎样才能发生共振呢 给低能的氢质子能量 氢质子获得能量进入高能状态 即核磁共振 怎样才能使低能氢质子获得能量 产生共振 进入高能状态 磁共振现象是靠射频线圈发射无线电波 射频脉冲 激发人体内的氢质子来引发的 这种射频脉冲的频率必须与氢质子进动频率相同 低能的质子获能进入高能状态 微观效应 射频脉冲激发后的效应是使宏观磁化矢量发生偏转射频脉冲的强度和持续时间决定射频脉冲激发后的效应 低能量 中等能量 高能量 宏观效应 90度脉冲继发后产生的宏观和微观效应 低能的超出部分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 使质子处于同相位 质子的微观横向磁化矢量相加 产生宏观横向磁化矢量 当施加RF脉冲后 质子会发生什么变化 正常情况下 无线电波的图形类似一根鞭子 MRI的无线电波也起着一根鞭子样的作用 它使进动的质子同步化 同向进动的质子产生一个新的横向磁化 90 脉冲激发使质子发生共振 产生最大的旋转横向磁化矢量 这种旋转的横向磁化矢量切割接收线圈 MR仪可以检测到 无线电波激发后 人体内宏观磁场偏转了90 MRI可以检测到人体发出的信号 氢质子含量高的组织纵向磁化矢量大 90 脉冲后偏转到横向的磁场越强 MR信号强度越高 此时的MR图像可区分质子密度不同的两种组织 非常重要 检测到的仅仅是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 我们总是在90 脉冲关闭后过一定时间才进行MR信号采集 非常重要 射频线圈关闭后发生了什么 无线电波激发使磁场偏转90 关闭无线电波后 磁场又慢慢回到平衡状态 纵向 第五节核磁驰豫 Relaxation 弛豫 放松 休息 2020 3 19 83 可编辑 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 T2弛豫的原因自旋质子磁场暴露在大磁场与临近自旋质子的小磁场中由于分子的运动 质子周围的小磁场不断波动每个质子感受的磁场不均匀 磁场高 质子进动快 场强低 质子进动慢 同相位进动的质子失相位 根据Lamor定律 T2弛豫是由于进动质子的失相位用T2值来描述组织T2弛豫的快慢 不同的组织横向弛豫速度不同 T2值不同 纵向弛豫 也称为T1弛豫 是指90 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 纵向弛豫的机理 90 激发 低能的质子获能进入高能状态 纵向弛豫 高能的质子释放能量 晶格震动频率低于质子进动频率能量传递慢 含高浓度大分子蛋白 晶格震动频率接近于质子进动频率能量传递快 脂肪 含中小分子蛋白质 高能的质子把能量释放给周围的晶格 分子 晶格震动频率高于质子进动频率能量传递慢 纯水 T1弛豫是由于高能质子的能量释放回到低能状态用T1值来描述组织T1弛豫的快慢 不同组织有不同的T1弛豫时间 人体各种组织的T2弛豫要比T1弛豫快得多 T2 T1 重要提示 不同组织有着不同质子密度横向 T2 弛豫速度纵向 T1 弛豫速度这是MRI显示解剖结构和病变的基础 第六节磁共振 加权成像 T1WI T2WI PD 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 何为加权 MR不能检测到纵向磁化矢量 但能检测到旋转的横向磁化矢量 MR只能采集旋转的横向磁化矢量 在任何序列图像上 信号采集时刻横向的磁化矢量越大 MR信号越强 T2加权成像 T2WI 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 反映组织横向弛豫的快慢 T2WI T1加权成像 T1WI 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 反映组织纵向弛豫的快慢 T1WI 液体具有长T1与长T2 与液体 水相比 脂肪具有短T1与短T2 重要提示 人体大多数病变的T1值 T2值均较相应的正常组织大 因而在T1WI上比正常组织 黑 在T2WI上比正常组织 白 第七节MRI的空间定位 MRI空间定位X轴 Y轴 Z轴三维空间定位层面层厚选择频率编码相位编码 由于地球磁场存在从赤道到南北极逐渐减弱的梯度在地球上可根据所处位置的磁场强度来确定其位置 MRI的三维空间定位也通过三个梯度场强来实现 层面层厚选择 发射的射频脉冲不可能是单一频率 我们可以控制和调整射频脉冲的带宽 射频脉冲有一定的频率范围 带宽 CT的层面选择和层厚控制 床位和准直器 层面层厚选择 第一个梯度场 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 决定层厚的因素梯度场强射频带宽 调整射频脉冲的带宽 梯度场强的强度和位置 即可随意选择层面的位置和层厚 层面内的空间定位体素 Voxel 像素 Pixel MR 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 频率编码 频率编码依靠梯度磁场 带有不同频率的MR信号 通过付立叶转换可以区分 第二个梯度场 相位编码 相位编码还是依靠梯度磁场 第三个梯度场 频率编码和相位编码区别 梯度场施加方向不同 施加的时刻不同 频率编码在MR信号采集的同时施加 相位编码在采集前施加 相位编码示意图 相位编码 付立叶转换可区分不同相位的MR信号 付立叶转换只能区分相位相差180 的MR信号 付立叶转换只能区分相位相差180度的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 第八节K空间及其填充 K空间为MR图形原始资料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 K空间的填充 矩阵为256 256的图像需要采集256条相位编码线来完成K空间的填充 每条相位编码线含有全层MR信息 K空间呈对称填充K空间的数据点阵与图像的点阵不是一一对应的 K空间及其填充 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 激发编码 信号采集 K空间填充 付立叶转换 图像显示 第九节自旋回波序列 医生选择脉冲序列的作用 可以把MR医生比作一个指挥家 通过选择某些脉冲序列 他能改变最后信号 这些信号本身受不同参数的影响 自旋回波 spinecho SE 序列结构图 90 脉冲激发组织产生横向磁化矢量 SE序列图 180 脉冲的作用 90 激发脉冲关闭后 所产生的横向磁化矢量很快衰减 自由感应衰减 FID 横向磁化矢量的衰减是由于质子失相位 质子失相位的原因质子小磁场的相互作用造成磁场不均匀 随机 真正的T2弛豫主磁场的不均匀 恒定 后者是造成质子失相位的主要原因 1 2产生的横向磁化矢量衰减实际上为T2 弛豫 180 复相脉冲可以抵消主磁场恒定不均匀造成的信号衰减 从而获得真正的T2弛豫图像 180 脉冲可使因主磁场恒定不均匀造成失相质子的相位重聚 产生自旋回波 复相脉冲的作用模拟 如果不让汽车开回来 使用一个180 脉冲 就不可能说出信号强度的减低是由于组织的固有特性 汽车乘客的形状 还是由于外部的影响 即不同的汽车速度 所致 T2 与T2的差别 用180度复相脉冲采集回波 MR信号 的序列称为自旋回波序列 SE序列 90 180 回波 TE TR TE 回波时间TR 重复时间 SE序列结构 TR决定图像的T1成分TE决定图像的T2成分 很长的TR 所有的组织T1完全弛豫 剔除图像的T1弛豫差别 很短的TE可基本剔除图像的T2成分 长TR 2000ms 长TE 50ms T2WI 长TR 长TE T2加权像 使用长TR 长TE时 T2差别就有足够的时间显示出来 所得图像是T2加权像 短TR 200 500ms 短TE 20ms T1WI 短TR 短TE T1加权像 使用短TR 组织的纵向磁化还未完全恢复 因此 T1差别将以信号强度的差别显示出来 短TE时 T2差别不能真正地显示出来 长TR 2000ms 短TE 20ms PD 长TR 短TE 质子密度加权像 选择长TR 纵向磁化时间T1的差别不再重要了 因为所有组织的纵向磁化都已完全恢复 非常短的TE 由T2不同所致的信号强度差别还未显示出来 短TR 200 500ms 短TE 20ms 长TR 2000ms 长TE 50ms 长TR 2000ms 短TE 20ms T1WI T2WI PD T1WI T2WI PD 总结一下MR成像的过程 把病人放进磁场 人体被磁化产生纵向磁化矢量发射射频脉冲 人体内氢质子发生共振从而产生横向磁化矢量 同时进行空间定位编码 关掉射频脉冲 质子发生T1 T2弛豫线圈采集人体发出的MR信号 计算机处理 付立叶转换 显示图像 磁共振成像过程 射频发射器 射频接收器 磁共振信号 发射射频 接收射频 第十节影响MR信号强度的因素 影响MR信号强度的因素组织本身的特性 质子密度 T1值 T2值等 设备和成像技术参数 主磁场场强 所用的序列 成像参数 如TR TE 激发角度 等 流动液体 静止组织MR信号强度的影响因素 组织的MR信号强度 signalintensity SI K N H e TE T2 1 e TR T1 上式中SI为信号强度 K为常数 N H 是质子密度 e为自然常数 等于2 71828182845904 TE为回波时间 TR为重复时间 T2为组织的T2值 T1为组织的T1值 SI K N H e TE T2 1 e TR T1