第六章 磁共振成像(第一节至第二节).ppt

,医学影像物理学,第六章磁共振成像,主编：南京医科大学吴小玲编者海南医学院许建梅华北理工大学侯淑莲,2003年诺贝尔医学或生理学奖获得者,第六章磁共振成像,核磁共振成像是利用原子核在强磁场内发生共振产生的信号经图像重建的成像技术。,第六章磁共振成像,1.磁体2.梯度系统3.射频系统（1）射频线圈(发射线圈和接收线圈)（2）射频发射放大器（3）射频接收放大器（4）射频屏蔽,主要设备,体部线圈,射频线圈,头部线圈,膝关节线圈,乳腺线圈,主要设备,4.輔助部分(1)检查床：承载病人(2)操作控制台：操纵MR检査、影像处理、拍摄照片(3)磁屏蔽,主要设备,第一节磁共振信号与加权图像第二节磁共振图像重建第三节快速成像序列第四节磁共振血管成像第五节磁敏感加权成像,目录,加权图像(weightedimaging,WI),TE、TR、TI（脉冲序列参数主观量可调节）,MRI图像像素明暗,MR信号强弱,、T1、T2（组织相关参数客观量不可调）,取决于,T1决定,调整TE、TR实现,T1WI,T2决定，调整TE、TR实现,T2WI,质子密度决定，调整TE、TR实现,PDWI,取决于,MR信号实质上是横向磁化强度在xy平面旋进时，接收线圈上所产生的感应电动势。,图像灰度主要由,第一节磁共振信号与加权图像,T1WI,T2WI,加权图像(weightedimaging,WI),PDWI,第一节磁共振信号与加权图像,加权图像,第一节磁共振信号与加权图像,一、FID信号加权与图像对比度形成,三、自旋回波序列与加权图像,四、反转恢复序列与加权图像,二、自由感应衰减类序列,静磁场均匀时，自由感应衰减信号（FID）的衰减速度反应了样品自旋-自旋相互作用的时间常数T2；但通常静磁场是不均匀的，自旋-自旋相互作用与磁场的不均匀性共同作用，使FID信号的衰减更快，用时间常数T2*来描述。,一、FID信号加权与图像对比度形成,第一个RF90脉冲后纵向磁矩的恢复横向磁矩的衰减经TR时间后发射第二个90脉冲，时，FID信号强度为,左图上面红点显示TR时刻纵向磁化矢量的恢复值，下面红点显示TE时刻的横向磁化矢量值。,1.FID信号强度讨论,一、FID信号加权与图像对比度形成,纵向磁矩的恢复，横向磁矩的衰减,2.FID信号的加权与对比度,一、FID信号加权与图像对比度形成,（a）长TR不能很好显示A、B组织T1差异，短TR较好显示A、B组织T1对比度，（b）短TE不能很好显示A、B组织T2差异，长TE较好显示A、B组织T2对比度,（a）,(b),（1）TR与FID信号TR足够长，纵向磁化矢量接近恢复到M0，产生的FID信号强度基本上与T1无关。选择长的TR(TRT1)，可以抑制组织的T1差别对信号的影响。TR较短，纵向磁化矢量只能恢复到Mz，恢复的程度与T1有关。组织A的T1短，纵向磁化矢量恢复得快，产生的信号强。选择合适的TR，组织之间的T1差别被突出。,TR对T1加权的影响（组织A、B的质子密度相同）,一、FID信号加权与图像对比度形成,（2）TE与FID信号TE足够短，组织的横向弛豫还没来得及展开，产生的FID信号基本上与T2*无关。选择短TE(TET1)、短TE(T1)、长TE(T2),一、FID信号加权与图像对比度形成,二、自由感应衰减类序列与加权图像,饱和恢复序列（saturationrecoery，SR），时序见上图，由一系列等间隔的90RF脉冲组成，每个90脉冲后采集FID信号。,第二节磁共振图像重建,缺点：1.TR很短，纵向磁矩恢复的不好，信号很弱，得不到清晰的T1加权像2.T2*太短，不能得到T2加权像SE序列解决了该问题,三、自旋回波序列与加权图像,1.自旋回波（spinecho，SE）序列组成及信号产生的物理机制（1）单回波自旋回波序列一个脉冲周期里发射RF脉冲时序：90o脉冲TI180o脉冲TR：序列重复时间。TI：90RF脉冲到180RF脉冲之间的时间。TE：回波时间（echotime）指90RF脉冲到自旋回波峰值之间的时间。TE=2TI,SE序列与SE信号,（2）自旋回波施加180脉冲后，自旋核聚相，横向磁化矢量增大，TE时刻达到最大值，随后自旋核继续旋时，发生散相，横向磁化矢量减小。产生一个先增大后减小的信号，称之为自旋回波信号。,三、自旋回波序列与加权图像,SE序列与SE信号,图（a）：90RF脉冲的作用将M0倒向y轴，产生，对横向磁化矢量有贡献的所有自旋核同相。图（b）：主磁场不均匀，使位于不同磁场强度的自旋核旋进角速度不同，BB0处的自旋核相对y轴顺时针转动，BTE时，可以证明纵向磁化矢量自旋回波信号的幅值为K是常数，与自旋核种类、静磁场有关；回波信号还与自旋核运动状态f(v)有关，这里假设自旋核静止。,三、自旋回波序列与加权图像,4.SE序列的加权图像满足条件TRTE自旋回波信号的幅值为通过调整脉冲序列参数TR和TE，可以改变某个组织相关参数对信号影响的权重，得到不同组织相关参数的加权图像。TR决定纵向磁化矢量的恢复程度；TE长度决定横向磁化矢量的衰减程度,SE序列TR时刻纵向磁化矢量的恢复值TE时刻的横向磁化矢量,三、自旋回波序列与加权图像,T1大的地方I值较小，图像呈现弱信号；脑脊液T1长，图像很暗；T1小的地方I值较大，图像呈现强信号，脂肪组织T1很短，在图像表现得很亮。,1）图像特点（不考虑）,三、自旋回波信号与加权图像,TWI,正常人SE序列T1加权图像,（1）T1加权图像,2）T1加权原理,加权条件短TE(820ms)短TR(合适的短值，,TET1，e-TR/T10,2）T2加权原理,三、自旋回波信号与加权图像,优点：能得到最佳对比度，对病变组织进行定性分析,理论原理（不考虑）（文字分析省略）,由于质子密度对信号的影响是永远存在的，如果T1和质子密度对信号的影响相反，情况会变得复杂。我们简单讨论质子密度相同时，其它组织相关参数的加权情况。,TRT1,B0=1.5T,长TR实现了T2加权，合适的长TE保证了合适的对比度,合适的TE保证合适的对比度,TE长,TE合适,TE短,三、自旋回波序列与加权图像,4.SE序列的加权图像（3）质子密度加权图像（PDWI）：抑制T1差异对信号的影响，选择长，时约20002500ms）;抑制T2差异对信号的影响，选短，约120ms）。图像对比度主要由质子密度决定，得到质子密度加权像。质子密度越大的组织，在图像上越亮。,PDWI,三、自旋回波序列与加权图像,人体正常组织在T1WI和T2WI的灰度,三、自旋回波序列与加权图像,四、反转恢复序列与加权图像,1.反转恢复（inversionrecovery，IR）序列（1）IR序列一个脉冲周期的RF脉冲时序为：180TI90，产生FID信号。TR：序列重复时间。TI：反转时间，指180RF脉冲到90RF脉冲之间的时间。,IR序列及FID信号,（2）反转恢复自旋回波（IRSE）序列在IR序列的基础上，每个脉冲周期的90RF脉冲后，增加一个180RF脉冲，产生自旋回波。RF脉冲时序为：180-TI-90-TE/2-180。TR：序列重复时间。TI：反转时间。TE：回波时间。,IRSE序列及SE信号,四、反转恢复序列与加权图像,（3）IR序列的特点1）当TR足够长时，纵向磁化矢量在一个脉冲周期结束时得到充分恢复，使每次发射反转180脉冲时，纵向磁化矢量基本上为M0。随后，纵向磁化矢量恢复为纵向磁化在恢复过程中存在的零点（拐点），对应的时间为,180脉冲后Mz的转折点,四、反转恢复序列与加权图像,2）反转180脉冲后纵向磁化矢量的恢复程度将影响回波信号大小。由于180反转脉冲延长了纵向弛豫过程，加大了不同组织间的信号差别，增大了对比度，使IR序列能够获得重T1加权图像。,IR序列中TI对T1加权的影响,四、反转恢复序列与加权图像,四、反转恢复序列与加权图像,3）SE、FID序列影响信号的序列参数有两个：TR、TE；IRSE序列是三个TR、TE和TI。IRSE与SE序列加权参量TR对应的是TI。,2.IRSE序列的幅值（1）序列的幅值第一个180RF脉冲，将磁化强度矢量M0倒向-z轴。t=0时，无横向磁化矢量产生，不产生MR信号。称该180RF脉冲为反转脉冲。根据旋转坐标系中Bloch方程t时刻的纵向磁化矢量为TI时施加90RF脉冲，将恢复的纵向磁化矢量倒向xy平面形成横向磁化矢量，横向磁化矢量以Mz为初始值按指数规律衰减，衰减时间常数为T2*，产生FID信号。,四、反转恢复序列与加权图像,如果在90RF脉冲后再发射一个180RF脉冲，构成IRSE序列，则可获得自旋回波信号。TR足够长时(TR2000ms)，纵向磁化矢量得到足够恢复，每个脉冲周期开始时纵向磁化矢量近似为M0，90RF脉冲结束后经时间TE，产生最大的横向磁化矢量为IRSE序列产生的自旋回波信号的幅值为,四、反转恢复序列与加权图像,（2）IRSE序列的拐点当TR足够长时，纵向磁化矢量在一个脉冲周期结束时得到充分恢复，使每次发射反转180脉冲时，纵向磁化矢量基本上为M0。随后，纵向磁化矢量恢复为纵向磁化在恢复过程中存在的零点（拐点），由幅度公式，幅度为零对应的时间为,180脉冲后Mz的转折点,四、反转恢复序列与加权图像,四、反转恢复序列与加权图像,如果在反转时间TI为某组织T1值的ln2倍时，施加90RF脉冲，该组织无横向磁化产生，无法检测到MR信号。利用IR序列的这一特点，可以选择性地抑制某种组织的信号。,由于用IRSE序列成像选择的TR比SE序列还要长，在获取质子密度加权像和T2加权像时，通常用SE序列，而不用IRSE序列。通常用IRSE序列获得T1加权像。根据公式通过调整反转时间TI来控制T1对图像对比度的影响，调整回波时间TE来控制T2对图像对比度的影响，得到不同的加权图像。,四、反转恢复序列与加权图像,3.IRSE序列的成像应用,（1）T1加权图像选择中等TI值(400800ms，短TE（1020ms）得到T1加权图像。,IR序列中TI对T1加权的影响,四、反转恢复序列与加权图像,需要注意的是，通常MR图像反映的是MR信号的大小，图中纵坐标为负的那部分曲线对信号的贡献应该取它的绝对值，如图中的虚线所示。必须合理选择反转时间TI，才能得到T1对比度好的图像。,IR序列中TI对T1加权的影响,四、反转恢复序列与加权图像,在满足长TR（2000ms)的前提下，选择中等TI（400800ms），使大部分组织的纵向磁化矢量已恢复到正值，可增强组织T1差异对信号的影响。选择短TE（1020ms），抑制T2差异对信号的影响，获得T1加权图像。当反转时间TI取值较小时，会出现对比度翻转的现象。即T1大的组织在T1加权图像中表现为亮信号。,IR序列中TI对T1加权的影响,四、反转恢复序列与加权图像,（2）短时反转恢复（shortTIinversionrecovery，STIR）成像技术由于脂肪中质子密度较大，无论T1还是T2加权均表现为高信号。为更好显示被脂肪遮蔽的病变，降低脂肪引起的运动伪影，鉴别脂肪与非脂肪结构等原因，需要抑制脂肪信号。选择可抑制脂肪信号，脂肪的T1短，所以抑制脂肪所选的TI短。1.5T的磁共振成像仪，脂肪的T1值为200250ms，TI取值为140175ms。选择短TE（1030ms），长TR（大于2000ms），得到T1加权图像。,四、反转恢复序列与加权图像,（3）流动衰减反转恢复序列（fluidattenuatedinversionrecovery，FLAIR）在T2WI中，脑脊液的信号很强，且较长的TE会造成因脑脊液搏动而产生伪影。抑制脑脊液信号，可使周围的病变组织在图像中更突出，提高了病变识别能力。选择可抑制脑脊液的信号。脑脊液的T1很长，所以抑制脑脊液所选的TI很长。1.5T的磁共振成像仪，脑脊液的T1值为30004000ms，TI取值为21002500ms。TR需要大于TI的3-4倍。若选择较长的TE，可得到T2加权图像。若选择短TE，得到质子密度加权图像。,四、反转恢复序列与加权图像,B01.5时，脂肪T1200ms，水T13000ms，选TI140ms，可抑制脂肪，选TI2100ms，抑制脑脊液。,脂肪和水在反转180脉冲后的纵向弛豫曲线及零点,四、反转恢复序列与加权图像,一、梯度磁场和梯度,二、层面选择,三、相位编码与频率编码,第二节磁共振图像重建,四、二维傅里叶变换图像重建,五、k空间,六、三维傅里叶变换成像,第二节磁共振图像重建,用于MRI图像重建的信号是MR信号。该信号是受检体中所有被激发的1H发出信号的总和。当线圈接收到的MR信号不包含位置信息时，将无法从接收信号中恢复出每个体素的信号。人为构建一个随空间位置变化的磁场，可以使处在不同位置的体素中的自旋核以不同的拉莫尔频率旋进，从而将空间位置信息编码到检测的MR信号中。用梯度磁场实现MR信号的空间定位。应用一定的数学方法从检测的MR信号中得到每个体素产生的信号，实现磁共振图像重建。,（2）梯度磁场的梯度（gradient）磁场强度大小沿某个方向位置变化率称为沿这个方向的磁场梯度，磁场的梯度是矢量，其方向为该点场强增加率最大的方向。在直角坐标系中的分量形式表示为,一、梯度磁场和梯度,（1）梯度磁场（gradientmagneticfield）磁场强度的大小随位置发生变化的磁场。,即沿x、y、z三个方向梯度。,空间任一点的磁场梯度为,一、梯度磁场和梯度,（3）梯度磁场的描述Gx、Gy、Gz表示了沿x、y、z方向单位长度上磁场强度的变化量，其为常数称之为线性磁场梯度，对应的磁场称为线性梯度磁场，简称线性梯度场。常用单位mTm-1。梯度磁场的梯度数量级约为1.0Gauss/cm。梯度磁场的强度要远小于主磁场。梯度磁场的三个分量为,（4）在MRI中，常用正交的沿x、y、z方向的三个线性梯度磁场来实现对接收信号的空间定位。,MRI的磁体系统的坐标系,一、梯度磁场和梯度,（4）主磁场与梯度磁场的叠加,主磁场与梯度磁场的叠加,二、层面选择,横断面,冠状面,矢状面,MRI可以在任意方位上选取断层。三个基本的断层是垂直于z轴的横断面，垂直x轴的矢状面、垂直y轴的冠状面。,二、层面选择,1.层面选择与层厚（1）层面选择以横断面为例讨论层面的选择。选择一个与z轴垂直的横断面，可通过施加一个z方向的梯度磁场来实现。梯度磁场的梯度为Gz。梯度场的磁场强度大小为总磁场强度为自旋核的进动角频率为z坐标不同的层面上自旋核旋进的角频率不同。,若向受检体发出一个特定频率的射频脉冲，沿z方向只有某个层面上的自旋核的旋进振频率与射频脉冲频率相同，位于该层面的质子被激发，产生MR信号。其他层面中的质子均不处于共振状态，未受激励。只有一个层面被选择。,静磁场：z方向磁场的梯度：用公式计算出,不同层面上自旋核的旋进频率(MHz),二、层面选择,二、层面选择,若发射RF脉冲的角频率为则位于z1的层面被选择（2）层厚RF脉冲具有一定的带宽w，所选择的断层有一定的厚度z。层厚依赖于层面选择梯度的大小及射频脉冲的带宽。在RF脉冲不变的情况下，可通过改变层面选择梯度的大小，改变层厚。梯度越大，层厚越薄。,层面厚度与选层梯度的关系,发射中心角频率为1、带宽为的RF脉冲，与梯度为Gz的选层梯度场配合，将选择激励位于z1处厚度为z断层。,二、层面选择,MRI的磁体系统的坐标系,选层,二、层面选择,2.RF脉冲的形状对断层的影响（1）软脉冲指选择性激发脉冲。sinc形脉冲是一种软脉冲。可以用来选层。理想sinc形脉冲：在时间轴上无限延伸，选出断层的轮廓是矩形。实际发射的是包含主瓣和若干个副瓣的sinc形脉冲，选择断层的轮廓偏离了理想矩形。,理想sinc形脉冲,截断的sinc形脉冲,（2）硬脉冲指非选择性脉冲，不能用于选层。矩形脉冲是硬脉冲。,矩形脉冲,二、层面选择,三、相位编码与频率编码,1.相位编码在z处选好某一断层，该层上所有体素的横向磁化矢量在RF脉冲结束瞬间处于同相状态，旋进频率相同，无法区分它们产生的信号。在y轴方向施加相位编码梯度场Gy，总磁场强度为不同y处的体素所经历的磁场不同，其横向磁化矢量旋进的角频率不同，为在梯度场作用一段时间ty后获得的相位不同，为,选层结束瞬间自旋核处在同相状态,三、相位编码与频率编码,相位与体素的y坐标有关，不同行的体素的横向磁化矢量经历一段时间ty后，具有不同的相位。关闭梯度场后，层面内所有体素又处在主磁场中，具有相同的旋进角频率，但相位的差别被保留下来了。用相位的差别来区分y坐标不同的各行体素所产生的MR信号，这个过程称为相位编码（phaseencoding）。,选层结束瞬间,相位编码完成时,三、相位编码与频率编码,2.频率编码沿x轴方向施加频率编码梯度场Gx。总磁场强度为坐标为x的同一列体素的横向磁化矢量以相同的角频率旋进不同列的体素有不同的x坐标，旋进的角频率不同。只要不关闭梯度场，这种旋进频率的差异就存在。,频率编码,三、相位编码与频率编码,用频率的差别来区分x坐标不同的各列体素所产生的MR信号，称为频率编码（frequencyencoding）。,频率编码,三、相位编码与频率编码,经选层激励、相位编码和频率编码后，断层内个体素产生的MR信号将具有不同的相位和频率。,空间编码后层面内各体素产生信号的频率和相位分布,3.梯度散相位的校正（1）选层梯度散相位的校正断层内所有自旋核在RF脉冲作用的中心时间点t1/2被瞬间激励，此时自旋核处在同相状态。z处的自旋核受选层梯度作用时间t1/2，产生的相位为受负梯度作用时间t2=t1/2，产生的相位为总相位为负梯度场抵消了正的选层梯度场产生的散相，实现了相位的重聚。,选层梯度的散相与相位重聚梯度的聚相,三、相位编码与频率编码,通过频率编码梯度场极性的切换，可解决频率编码梯度场引起的相散导致MR信号衰减的问题。负梯度场经作用时间t产生的散相，可被作用相同时间的正梯度场抵消。在TE时刻出现最大信号。产生梯度回波。,三、相位编码与频率编码,（2）频率编码梯度场散相位校正,频率编码梯度的散相与相位重聚、梯度回波的形成,相位编码持续的时间短，梯度弱，一般忽略它引起的散相,四、二维傅里叶变换图像重建,1.信号采集为了让计算机处理数据，需要把连续的MR信号变为离散的数字信号，这个过程称为信号采样。采样时间为Ts，采样点数为n，两相邻采样点之间的时间间隔为t，1/t为采样频率。,连续信号的离散采集,四、二维傅里叶变换图像重建,2.二维傅里叶变换（2DFT）图像重建接收的MR信号是断层所有体素共同产生的，每个体素对接收信号的贡献由信号强度与相位共同决定。经选层激励、相位编码和频率编码后，每个体素的横向磁化矢量的总相位累积为每个体素产生的MR信号大小为s(x,y)，与体素的、T1、T2有关。每个体素产生的信号可表示为整个断层所产生的MR信号为,四、二维傅里叶变换图像重建,定义x方向和y方向的空间频率其中称为约化磁旋比。空间频率：表示具有空间周期性的物理量在单位长度上发生周期性变化的次数，单位为m-1或Hz。整个断层所产生的MR信号可用空间频率表示为当f(x,y)与时间无关时，f(x,y)与是一对傅里叶变换对。,实际操作中通过模数转换技术得到,四、二维傅里叶变换图像重建,采集信号，对采集的信号进行二维傅里叶逆变换，即可得到每个体素的信号强度为用灰度表示每个体素的信号大小，实现磁共振图像重建。这种重建图像的方法，叫二维傅里叶变换（2DFT）图像重建。,五、k空间,1.k空间的建立及填充过程,k空间是以空间频率为坐标轴的空间。横轴kx代表频率编码，纵轴ky代表相位编码，列数Nx等于取样点数，行数Ny等于相位编码步数。,k空间示意图,k空间的实质就是磁共振成像中采集的原始数据的存放空间。,用圆点的大小表示填入k空间数据的大小。,五、k空间,1.k空间的建立及填充过程,采一个回波填充数据矩阵的一行，称为傅里叶行。每个取样点对应k空间一个点。同一行中，相邻点之间的时间间隔等于取样间隔t。不同的脉冲序列对行的填充次序有不同的要求。,五、k空间,每次频率编码的梯度场Gx大小和方向都保持不变，即x坐标相同的点（列）有相同的x梯度场强。每一行具有相同的，不同的kx。由于施加加速散相的负梯度场和重聚的正梯度场使信号幅度最大恰好在中央，两边共轭对称排列。,ky以对称方式排列，设Ny=2ny从Ny=-(ny-1)行逐次到Ny=ny，施加相位编码次数叫步数，每一步增加的Gy脉冲的幅度DGy为步距，每步的时间间隔就是重复周