MRI成像基本原理ppt课件

磁共振成像基本原理,池州市人民医院影像科钱彬,难以理解,但很重要,影像人对磁共振原理的理解,电学磁学量子力学高等数学,初高中数学初高中物理加减乘除平方开方,与MRI原理有关的知识,一、磁共振成像技术概述,磁共振实际上应称核磁共振（NMR）核指NMR主要涉及到原子核为了与使用放射性元素的核医学相区别，突出NMR不产生电离辐射的优点，避免“核”引起人们的误解和恐惧，而通称磁共振,磁共振成像,一种生物磁自旋成像技术，利用原子核（氢核）自旋运动的特点，在外加磁场内，用射频脉冲激发后产生信号，用探测器（接收线圈）检测并输入计算机，经过处理转换在屏幕上显示图像英文简称MRI（magneticresonanceimaging）,具有磁性原子核，处于静磁场中，施加射频脉冲（RF），原子核吸收RF能量，产生磁共振现象三个基本条件：磁性原子核静磁场（外磁场）射频脉冲（RF）,二、磁共振现象,条件一：磁性原子核,物质：由分子组成分子：由原子组成原子:由一个原子核和数目不等的电子组成原子核:由数目不等的质子和中子组成，质子带正电荷，中子不带电，电子带负电荷,物质,分子,原子,原子核电子,质子中子,原子的结构,原子核总是绕着自身的轴旋转-自旋(Spin)自旋是原子核的固有属性,通电的环形线圈周围都有磁场存在,质子相当于一个小磁体，其自旋产生的磁场称为核磁,核磁具有自身磁矩，具有方向和大小，方向由法拉第定律确定,法拉第定律,原子核自旋产生磁矩,地磁,铁磁,核磁,所有的原子核都可产生核磁吗？,质子为偶数，中子为偶数,不产生核磁,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,结论：质子数和中子数至少一个为奇数,这样的原子核包括：1H、13C、19F、23Na、31P等百余种元素,何种原子核用于MR成像？,人体磁共振成像选择1H的理由：氢原子核最简单，只有一个质子，一个电子，不含中子1H是人体最多的原子核，约占人体总原子核的2/3以上1H的磁化率在人体磁性原子核中是最高的,目前生物组织的MRI成像主要是1H成像氢原子核也称为氢质子1H的磁共振图像也称为质子像,条件二：静磁场,把人体放进大磁场,静磁场是由磁共振仪器的主磁体产生其强度与方向不变，强度单位B0主磁体类型：超导、常导、永磁静磁场强度（B0）：0.15-3.0T目前临床上最常用的是超导MRI系统,主磁体外形,开放式,封闭式,垂直坐标系用X、Y、Z坐标系来描述磁场的位置Z代表BO方向，即磁力线方向，常与体轴一致X-Y平面代表垂直于磁场方向的平面，三个轴相互垂直,进入主磁场前质子核磁状态,人体内的质子不计其数，产生无数个小磁场，这种小磁场的排列是无序杂乱无章的，方向各异，使每个质子产生的小磁矩相互抵消，因此，人体自然状态下并无磁性，即没有宏观磁化矢量的产生,无序排列,进入主磁场后质子核磁状态,进入主磁场后，人体内的质子产生的小磁场不再是杂乱无章，呈有规律排列。一种是与主磁场平行且方向相同；另一种是与主磁场平行但方向相反。处于平行同向的质子略多于处于平行反向的质子从量子物理学的角度来说，这两种核磁状态代表质子的能量差别。平行同向的质子处于低能级，因此受主磁场的束缚，其磁化矢量的方向与主磁场的方向一致；平行反向的质子处于高能级，能够对抗主磁场的作用，其磁化矢量尽管与主磁场平行但方向相反由于处于低能级的质子略多于处于高能级的质子，因此进入主磁场后，人体产生了一个与主磁场方向一致的宏观纵向磁化矢量（Mo）,平行同向的质子略多于平行反向的质子,低能状态,高能状态,MO,静磁场,BO,处于高能状态太费劲，并非人人都能做到,处于低能状态略多一点,平行反向（高能）,平行同向（低能）,进入主磁场后质子核磁状态,进动进入主磁场后，无论是处于高能级的质子还是处于低能级的质子，其磁化矢量并非完全与主磁场方向平行，而总是与主磁场有一定角度质子除了自旋运动外，还绕主磁场轴进行旋转摆动，我们把质子的这种旋转摆动称为进动,进动是质子小磁场与主磁场相互作用的结果,进动,进动运动就像一个垂直旋转着的陀螺，用小锤对着它的顶端撞击一下，陀螺出现了倾斜，自旋轴偏离重力线方向，与重力线形成夹角，并绕重力线旋转,自旋核的进动,一个氢质子处在Bo中如陀螺样旋进，它的磁矩轴倾斜，且绕Bo方向旋转，与Bo间有一个夹角，为旋进角,静磁场,（BO）,进入主磁场后质子核磁状态,进动频率（Larmor频率）计算公式：B代表Larmor频率，为磁旋比（对于某一种原子核来说是个常数，质子的约为42.5mHZ/T），B为主磁场的场强，单位为特斯拉（T），从式中可以看出，质子的进动频率与主磁场强度呈正比。,进入主磁场后质子核磁状态,由于进动的存在，质子自旋产生的小磁场可以分解成两个部分：1）方向恒定的纵向磁化分矢量（沿主磁场方向）2）在XY平面旋转的横向磁化分矢量纵向磁化分矢量产生一个与主磁场同向的宏观纵向磁化矢量（MO）横向磁化分矢量相互抵消，因而没有宏观横向磁化矢量(MXY),平衡态时在Bo中的质子群MXY=0M0=MZ,静磁场中人体组织获得磁化,人体进入静磁场后，经过质子有序排列，组织宏观上产生了一个纵向磁化矢量MZ，组织有了磁性纵向磁化矢量MZ不是振荡磁场，不移动，不旋转，无法测定记录振荡磁场是一种随时间而变化的磁场，它的磁场变化可在天线内感应产生电压，用电流表可以测定,条件三：射频脉冲（RF）,？,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,MR能检测到怎样的磁化矢量呢？,MZ不是振荡磁场，无法单独检测，不能用于成像如果要检测质子的自旋，收集信号，只有在垂直于静磁场Bo方向的横向平面有静磁化矢量为了设法检测到特定质子群的静磁化矢量，并用于成像，需使静磁化矢量偏离Bo方向为了达到这个目的，在MRI中采用了射频脉冲,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,？,如何才能产生横向宏观磁化矢量？,射频脉冲的作用,共振排列起一组音叉，敲击一个音叉振动发音时，组内与之音调相同的音叉就会吸收能量振动发音，这个过程叫做“共振”共振：能量从一个振动着的物体传递到另一个物体，后者以与前者相同的频率振动。共振的条件是相同的频率，实质是能量的传递照此原理，将电磁波的能量发射到质子群上，一旦M加大偏转角并产生旋转，即可达到产生振荡磁场的目的,共振,条件：频率一致实质：能量传递,射频脉冲（RF）,射频脉冲（radiofrequency，RF）系统产生能量激发质子共振，并接受质子释放的能量,组成：射频放大器射频通道脉冲线圈：发射线圈接收线圈,作用：激发人体产生共振（广播电台的发射天线）采集MR信号（收音机的接收天线）,RF系统包括下列组件：,脉冲线圈的分类：按作用分两类激发并采集MRI信号（体线圈）仅采集MRI信号，激发采用体线圈进行（绝大多数表面线圈）,按与检查部位的关系分：体线圈表面线圈：第一代：线性极化表面线圈第二代：圆形极化表面线圈第三代：圆形极化相控阵线圈第四代：一体化全景相控阵线圈,射频脉冲（RF）条件,RF的频率与质子的进动频率相同激发：RF把能量传递给低能级质子的过程（共振）质子群共振后生成横向磁化矢量MRI信号检测是在XY平面进行的，,射频脉冲的种类,根据RF激发后静磁化矢量偏转的角度90o射频脉冲180o射频脉冲小角度射频脉冲令偏转角达90o的射频脉冲称为90o射频脉冲RF脉冲作用后，静磁化矢量Mo翻转90o到XY平面上垂直方向：MZ=o水平方向：MXY最大，大小等于Mo,宏观效应,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,小角度,90o,180o,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，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,横向磁化发出磁共振信号,MXY不停的旋转，这是一种振荡磁场，传播至附近一处固定的天线内即可产生感应电流MXY振荡磁场就是组织发出的磁共振信号，天线内感应生成的电流即为接受的信号,激励,接收,三、磁化强度的弛豫过程,90o射频脉冲当射频脉冲的能量正好使宏观纵向磁化矢量偏转90o，即完全偏转到XY平面，我们称这种脉冲为90o射频脉冲。,90o射频脉冲,微观上，90o射频脉冲效应分解为两个部分90o射频脉冲使处于低能级多出于高能级的那部分质子，有一半获得能量进入高能级状态。这就使处于低能级和高能级的质子数相同，两个方向的纵向磁化分矢量相互抵消，因此，宏观纵向磁化分矢量等于零90o射频脉冲前，质子的横向磁化分矢量相位不同（失相位）；90o脉冲可使质子的横向磁化分矢量处于同一相位，因而产生了一个最大的宏观横向磁化矢量,射频脉冲关闭后发生了什么？,无线电波激发后，人体内宏观磁场偏转了90度，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度脉冲后磁化矢量偏转，产生的旋转的宏观横向矢量越大，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,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度脉冲关闭后过一定时间才进行MR信号采集,核磁弛豫,弛豫,Relaxation,放松、休息,核磁弛豫,定义：90o脉冲关闭后，组织的宏观磁化矢量逐步恢复到平衡状态的过程核磁弛豫可分为两个相对独立的部分：横向磁化矢量逐渐变小直至消失，称为横向弛豫纵向磁化矢量逐渐恢复直至最大（平衡状态），称为纵向弛豫,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。,横向弛豫,T2弛豫原因：质子失相位,横向弛豫,T2时间（T2值）：横向磁化矢量衰减到最大值（Mo）37%所需要的时间不同组织由于质子受周围微观磁环境影响不同，T2值不同，即T2弛豫速度不同；T2时间长的组织，横向弛豫速度慢。不同的场强T2值也会发生变化。,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。原因：释放能量,纵向弛豫,T1时间（T1值）：宏观纵向磁化矢量恢复到最大值（Mo）63%所用的时间不同的组织由于质子周围的分子自由运动频率不同，其纵向弛豫速度存在差别，即T1值不同。人体组织的T1值受主磁场场强的影响较大，一般随场强的增大，组织的T1值延长。,四、磁共振信号空间定位,梯度磁场的概念叠加在静磁场Bo上有线性变化的磁场，引起磁场强度的线性变化，通过对质子自旋频率和相位的识别，获取信号的空间位置，即信号进行了空间编码空间编码的意义：对磁共振信号进行空间定位，获得三维空间坐标位置，采集数据，重建图像梯度线圈：置于磁体内的额外线圈，产生梯度磁场,梯度线圈,三对梯度线圈组成每对梯度线圈电流大小相同，极性相反一对线圈在一个方向产生一个强度呈线性变化的磁场,层面选择梯度：Z方向，Gz相位编码梯度：Y方向，Gy频率编码梯度：X方向，Gx,空间编码,1、层面选择梯度（Gz）层面位置选择：通过改变射频脉冲的中心频率，可以按需要的顺序激发不同的层面层面厚度选择：改变射频脉冲的带宽或梯度磁场斜率，可以选择不同层面的厚度Gz先开通，Gy和Gx关闭,2、相位编码梯度（Gy）在Y方向施加一个梯度，对信号进行编码，以确定信号来自二维空间行的位置，相位编码应用于层面选择梯度之后，频率编码梯度应用之前Gz关闭后，Gy开通，Gx关闭,3、频率编码梯度（Gx）区分信号来自于扫描矩阵中的那一列使沿X轴的空间位置信号具有频率特征而被编码，最终产生与空间位置相关的不同频率的信号使用频率编码梯度场采集信号，Gx也叫读出梯度场Gz和Gy关闭后，Gx开通,Z、Y、X轴上梯度磁场的产生,五、磁共振成像序列,常规脉冲序列由五部分组成：射频脉冲层面选择梯度场相位编码梯度场频率编码梯度场磁共振信号,MRI脉冲序列种类很多,（一）、自旋回波序列（SE）,与时间相关的概念：1、重复时间（TR）：两个激发脉冲间的间隔时间2、回波时间（TE）：激发脉冲与产生回波之间的间隔时间3、回波链长度（ETL）：一次90o脉冲激发后所产生和采集的回波数目4、反转时间（TI）：180o反转脉冲中点到90o脉冲中点的时间间隔5、信号激励次数（NEX）：通过增加采集次数，降低噪声,提高图像质量6、采集时间：整个脉冲序列完成信号采集所需要的时间,SE序列结构,激发脉冲,层面选择梯度,相位编码梯度,频率编码梯度,MR信号,90度脉冲激发组织产生横向磁化矢量,SE序列图,90度脉冲关闭后，所产生的横向磁化矢量很快衰减（自由感应衰减FID）,横向磁化矢量衰减是由于质子失相位,质子失相位的原因：1、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2、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度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度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,SE序列形成机制,SE序列特点,采用90度激发脉冲和180度复相脉冲进行成像磁共振成像的经典序列，临床上得到广泛应用序列结构比较简单，信号变化容易解释组织对比度号，SNR较高，伪影少,SE序列不足,一次激发仅采集一个回波，因而序列采集时间较长，T2WI常需要十几分钟以上采集时间长，因而难以进行动态增强扫描为较少伪影，NEX常需要2次以上，进一步增加了采集时间,（二）、快速自旋回波序列（FSE）,与SE序列比较SE序列：一次90度射频脉冲激发后只有一个180度重聚脉冲，只采集一个自旋回波FSE序列：一次90度射频脉冲激发后多个180度重聚脉冲，采集多个自旋回波FSE序列中，每个TR时间内获得多个彼此独立的相位编码数据，即形成每个回波所要求的相位梯度大小不同，采集的数据可填充K空间的几行，最终一组回波结合形成一幅图像，从而缩短了扫描时间。,90,180,180,180,180,180,90,回波1,回波2,回波3,回波4,回波5,TR,ETL5,FSE序列结构图,快速自旋回波序列结构图（FSE）,快速自旋回波序列特点,极大降低扫描时间，减少运动伪影不易产生磁敏感伪影基本保持SE序列特点，图像信噪比稍差，因为后面的回波因T2衰减信号降低脂肪组织信号强度增大,（三）、反转恢复序列（IR）,反转恢复序列（IR）=180o反转脉冲+SE反转时间（TI）：组织的纵向磁化矢量从主磁场负方向逐步恢复，大小为零的时间IR序列中，每一种组织处于特定的TI时，该组织的信号为零TI值依赖于该组织的T1值，组织的T1值越长，TI值越大在TI时刻，90度脉冲激发，由于没有宏观纵向磁化矢量（零）而不产生横向磁化矢量，该组织就不产生信号利用此特点，选择性抑制某种组织的信号,反转恢复序列结构图（IR）,TR,TI,TE,自旋回波,IR序列特点,优点是增加T1对比，缺点是扫描时间长临床应用:IRT1WI（T1FLAIR)：增加脑灰白质对比T2-FLAIR（黑水作用）：用于纯水样成分的抑制脂肪抑制T1W