核磁共振原理(经典由简入深)

1,第一章核磁共振成像原理,本章主要讲述内容：,磁共振信号的产生磁共振信号的获取与傅立叶变换像素位置信息的确定（梯度）像素灰度信息（信号幅度）的确定序列参数对图像权重的影响磁共振成像序列,2,简述磁共振成像过程,1.,3,4,5,第一节磁共振信号的产生,发电；磁带、录像带；磁盘；音响；MRI的核心。,6,7,1、人体MR成像的物质基础,原子的结构,8,他想：既然通电的线圈类似一只磁铁，反过来，一个天然磁体不是也像一只通电线圈吗？那么，天然磁铁上的电流在哪里？安培注意到这样一个事实，那就是把一条形磁体折为两段，结果变成了两个独立的磁体，照此分下去，天然磁体的每一颗粉末也都是独立的磁体，都有N极和S极；安培想：在原子、分子或分子团等物质微粒内部，存在着一种环形电流-分子电流(后人也叫它“安培电流”)，分子电流使每个物质微粒都形成了一个微小的磁体，环性的分子电流的磁场使它的两侧相当于两个磁极。这两个磁极是跟分子电流不可分割地联系在一起的。未磁化的物体分子电流的方向非常紊乱，对外不显示磁性。磁化后，分子电流的方向变得大致相同，于是对外显示出磁作用。,安培是电学领域里的牛顿,9,原子核总是绕着自身的轴旋转自旋(Spin),10,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）。,自旋与核磁,11,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。,何种原子核用于人体MR成像？,12,人体内有无数个氢质子（每毫升水含氢质子31022）每个氢质子都自旋产生核磁现象人体象一块大磁铁吗？,13,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。,14,把人体放进大磁场,15,进入主磁场前后人体组织质子的核磁状态,16,进动(Precession)质子在静磁场中以进动方式运动这种运动类似于陀螺的运动,质子进动,陀螺运动,17,进动频率(PrecessionFrequency),拉莫尔方程,其中：0：进动的频率（Hz或MHz）B0：外磁场强度(单位T，特斯拉)。：旋磁比；质子的为42.5MHz/T。,18,19,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,20,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,？,21,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,22,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,23,如何才能产生横向宏观磁化矢量？,？,？,？,24,3、什么叫共振，怎样产生磁共振？,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。,25,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。,？,26,90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,27,90度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。,28,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度脉冲后偏转横向的磁场越强，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,29,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。,非常重要,30,4、射频线圈关闭后发生了什么？,31,无线电波激发使磁场偏转90度，关闭无线电波后，磁场又慢慢回到平衡状态（纵向),32,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,33,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。,34,不同的组织横向弛豫速度不同不同的组织T2值不同,35,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。,36,不同组织有不同的纵向弛豫速度不同组织T1值不同,37,在任何序列图像上，信号采集时刻旋转横向的磁化矢量越大，MR信号越强,38,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,39,5、磁共振“加权成像”,T1WI,T2WI,PD,40,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？,41,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！,42,T2WI,43,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！,？,44,T1WI,45,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”。,46,90,180,回波,TE,TR,TE：回波时间TR：重复时间,6、如何区分T1WI、T2WI,47,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,AC=扫的图像的第几层，这是第2层图像。TA=扫这层的当时的时间。,48,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,49,3、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,如何区分T1WI、T2WI,T2WI,T1WI,T1WI,T2WI,50,名词解释1、T1WI、T2WI、PDWI2、何为加权3、何为弛豫,51,MRI的成像基本过程1)氢质子群的平时状态-杂乱无章、相互抵消2)外加磁场B0的氢质子状态-纵向磁化、进动3)施加射频磁场的氢质子状态-激励共振、横向磁化4)中断RF后的氢质子状态-弛豫、散发能量(无电信号的电磁能)5)接收无电信号转化为MR信号6)用MR信号重建图像,52,90射频脉冲,RF脉冲的作用是在共振条件下激发质子使磁化强度矢量旋转，当磁化强度矢量绕射频场B1旋转90时，该RF脉冲称为90脉冲。旋转180时，称180脉冲。,53,脉冲序列：施加90度脉冲，等待一定时间，再施加一个90度或180度脉冲，这种连续施加脉过程为脉冲序列。重复时间：两个激励脉冲间的间隔时间。回波时间：90度脉开始之时到回波完成之间的时间间隔。,脉冲序列,54,90脉冲后，产生横向磁化，中止脉冲，质子产生弛豫，横向磁化开始消失，质子失去相位一致性，在质子未弛豫完成的某一时间内(TE)，D在XY平面上再施加180脉冲，使质子改变向相反的方向进动，停止脉冲后的TE时间时，质子再次聚集横向磁化的同向位方向上，产生较强的MR信号，叫回波,回波的概念,55,90,180,回波,TE,TR,TE：回波时间TR：重复时间,56,第二节基本磁共振成像序列简述,自由感应衰减信号(FID),自旋回波信号(SE),梯度回波信号（GrE）,一般不用FID信号来重建图像，原因是：1，信号的较大幅度部分被掩盖在900射频之内；2，线圈发射和接受通路之间来不及切换；,较为常用的也是最早用以进行磁共振图像重建的信号，只是需要多施加一次1800RF脉冲，回波时间较长,较新的可大大缩短磁共振扫描时间的用以重建图像的信号，又称场回波,可获取的三种磁共振信号,57,一、自由感应衰减信号,自由进动：是指射频场作用停止后磁化强度矢量M的进动。自由衰减信号（freeinductiondecaysignal,FIR）指的是在探测线圈中感应出的自由进动，又叫自由进动衰减。FID是NMR的信号源。自由感应衰减(FID):信号随着时间而消失（类似于阻尼震荡信号），但频率不变。,58,59,60,自旋回波序列简述,900射频结束瞬间，磁化翻转到横向，开始横向弛豫，即散相,静止磁场中，宏观磁化与场强方向一致，纵向宏观磁化最大,施加900射频脉冲，纵向磁化翻转到横向，横向磁化最大,施加1800射频脉冲，质子进动反向,相位开始重聚,经过与散相相同的时间后,相位重聚完全,横向磁化再次达到最大值,此时的线圈感应信号即为自旋回波信号,自旋回波信号的产生过程,61,62,基本SE序列的序列结构,重复时间,回波时间,63,梯度回波(GRE)序列,梯度回波序列缩短扫描时间分析图,使用脉冲而非900脉冲,使得纵向磁化弛豫加快,从而极大的减少TR时间,使用翻转梯度产生回波而非1800脉冲,从而允许最短的TE时间,给缩短TR带来空间,梯度回波(GradientEcho),64,第三节磁共振图像重建,基本概念：像素：组成灰度数字图像的基本单元。体素：像素对应人体内的位置。像素灰度信息：对应体素的检测信息的强度。,不同成像手段进行位置对应的手段不同,对磁共振而言,实现像素与体素对应的手段是施加三个维度上的梯度磁场。,不同成像手段的检测信息不同,65,1、磁共振信号的获取与傅立叶变换,如果在垂直于XY平面，加一个接收线圈，会接收到什么信号？,自由感应衰减(FID):信号随着时间而消失（类似于阻尼震荡信号），但频率不变。,66,一、傅立叶变换,一维傅里叶变换：,利用傅里叶变换可对不同函数的频率进行分解。,在MRI中，为了对一定共振频率范围内的质子都进行激发，必须使用时域内的矩形脉冲作为激励的能量。,傅里叶反变换：,67,MRI中常用的傅立叶变换,越短，它覆盖的频率范围就越宽。,1.矩形脉冲,68,矩形脉冲宽度无限窄,2.脉冲,69,傅立叶变换的作用,复杂的时间域信号,简单的频率域信号,傅立叶变换,Amplitude,70,二、梯度场的模型,梯度斜率越大，系统性能越好,71,1.梯度磁场的产生,拉莫尔方程（Larmorequation）：,又叫梯度磁场，是指沿直角坐标系某坐标方向呈线性变化的磁场。,空间定位：在主磁场上叠加一个变化的小磁场，从而使成像层面上各处的磁场得以改变。,72,在Z方向叠加的强度随Z变化的磁场，叫Z方向梯度场；在X方向叠加的强度随X变化的磁场，叫X方向梯度场;在Y方向叠加的强度随Y变化的磁场，叫Y方向梯度场;,三个基本梯度场,73,人体的三面,示意图,横断面,冠状面,矢状面,74,空间的三维,水平磁场,垂直磁场,B0（Z）,B0(Z),一般常导和超导磁体产生水平磁场，水平方向（人体长轴）为Z方向,一般永磁体产生垂直磁场，垂直方向为Z方向，人体长轴一般定义为X方向,Y,Z,X,Z,X,Y,75,2.梯度场与主磁场的叠加,梯度场的大小和方向均可改变。,主磁场是匀强磁场，其大小和方向是固定不变的。,中心的场强总为零，与叠加后，磁体中心的场强不变。,76,3.梯度场及其作用,体素定位：,MRI成像时，体素发出的NMR信号的强度被转变为图像中像素的亮度。,77,为了得到任意层面的空间信息，MRI系统在x,y,z三个坐标方向均使用梯度磁场(Gx,Gy,Gz梯度)，分别用相互垂直的三个梯度线圈产生。,78,4.三个梯度场的使用,1.选择扫描层面：一般由层面选择梯度来完成。2.用其余两个梯度定位：在二维傅里叶成像中，即为频率编码和相位编码，解码后即得检测点的平面坐标。3.对所确定的空间点的坐标所对应的空间体素发出NMR信号进行检测便得到了所需的图像对比度。,79,MRI空间坐标的建立是由三维梯度磁场来实现的。,将来自每个体素的NMR信号与来自其他体素的信号分离的方法：层面选择空间编码频率编码,空间坐标,三、磁共振图像重建,80,1.层面选择,MRI的层面选择是通过三维梯度的不同组合来实现的。任意斜面成像，其层面的确定要两个或三个梯度的共同作用。,层面的选择采用的是选择性激励的原理：,选择性激励（selectiveexcitation）：指用一个有限频宽（窄带）的射频脉冲仅对共振频率在该频带范围的质子进行共振激发的技术。,81,在Z方向叠加梯度场可以选择层面，RF的频带宽度与梯度强度共同决定层厚。,选层梯度Gs,层厚与梯度强度成反相关,层厚与射频频宽成正相关,82,83,以横轴位成像为例选Gz作为选层梯度,84,选层过程,层面内所有质子的共振频率均相同（称为自选面），垂直于z轴的所有层面的共振频率均不同,在z向施加梯度后，沿z轴各层面上质子的进动频率为：,用窄带脉冲进行激发，实现每次只激发一层。在进行选择性激励时多用sinc函数，在非选择性激励时常使用很窄的方波,1,2,3,85,86,3.层面内信号的定位,对MRI线圈内得到的复合共振信号（由成像层面内所有质子同时发出）加以分辨。,平面定位梯度：相位编码梯度频率编码梯度,相位编码梯度：在y方向上提供了体素的识别信息。,频率编码梯度：在x方向上提供了体素的识别信息。,87,设Gx和Gy分别为频率编码和相位编码梯度，同时设Gx和Gy分别位于图像矩阵的行和列方向。nx和ny分别为矩阵的列数和行数。,88,相位编码,相位编码（phaseencoding）：利用相位编码梯度磁场造成质子有规律的进动相位差，用此相位差来标定体素空间位置的方法。相位编码梯度工作于脉冲状态，有多少个数据采集周期，该梯度就接通多少次。在Gy作用期间，体素所发出的RF信号并不利用。因此，相位编码梯度又叫准备梯度。相位编码用来识别行与行之间体素的位置。,89,1.v1，v2和v3分别表示相位编码方向上三个相邻的体素。,2.开始有相同的相位，并以相同的频率进动。,3.相位编码梯度Gy开启。,该方向上磁化强度矢量将以不同频率进动，公式：,y越大，质子进动越快。,编码过程,相位编码梯度持续时间ty后，该方向上体素的进动相位为：,产生的相位差为：,4.在t=ty时刻，相位编码梯度关断。此时进动频率逐渐恢复至原频率，但进动相位差被保留。这就是相位编码的所谓“相位记忆（phasememory）”功能。,90,加入相位编码梯度(Gp),沿Y方向的质子在进动相位上呈现线性关系,将采集信号经傅立叶变换后,可以得到Y向位置与相位的一一对应关系。,施加GP,质子沿Y向所受磁场线性,进动频率线性,相位线性,Gp结束后,Y向磁场均匀,质子进动频率一致,但线性相位保留下来,并与Y向位置一一对应,Gp施加之前,质子沿Y向进动频率相位均相同,91,频率编码：利用梯度磁场造成相关方向上个磁化矢量进动频率的不同，并以此为根据来标记体素的空间位置。,与y轴平行的各列体素的进动频率为：,频率编码,92,频率编码梯度(Gro)使沿X向质子所处磁场线性变化,从而共振频率线性变化,将采集信号经傅立叶变换后即可得到频率与X方向位置的线性一一对应关系。,成像层面的X向位置,采集信号经傅立叶变换后的频谱,二者一一对应,93,94,体素空间编码,傅立叶变换可将一个混合FID信号的频率和相位成份区别开,95,四、小结,MRI线圈中接收到的信号是受激层面内个体素所产生的NMR信号的总和。在二维成像技术中，由于相位编码梯度和频率编码梯度共同作用，各相邻体素产生的信号在频率和相位上均存在细微的差别。这种差别表现在相位编码方向上就是进动相位的不同，表现在频率编码方向上就是进动频率的不同。通过二维傅里叶变换，就可使以频率和相位表示的差别转换为体素空间位置的差别。,96,第五节序列参数对图像权重的影响,TR对T1权重的影响,TE对T2权重的影响,TR越长,T1权重越小;TR越短,T1权重越大,TE越长,T2权重越大;TE越短,T2权重越小,97,T2加权像(T2WI),主要由T2差别形成的图像，主要反映组织间T2的不同长TR，长TE。一般TR1000mSec，TE80mSec长TR抑制T1；长TE增加T2对比,98,T1加权像(T1WI),主要由T1差别形成的图像，主要反映组织间T1的不同短TR、短TE。一般TR500mSec，TE50mSec短TR抑制T2；短TE提高信噪比,99,质子加权像（PdWI),主要由质子密度差别形成的图像，反映组织间质子密度的不同长TR、短TE。一般TR1000mSec，TE50mSec长TR抑制T1；短TE抑制T2,100,2、水成像,采用极长TR和TE技术，获得重T2WI，突出水的信号主要有：MRCP胆胰管造影、MRU尿路造影、MRM脊髓造影,101,MRCP,102,103,(1)临床疑有胆道结石需要进一步明确诊断，并判断结石的位置、大小、数量及形成，以便为治疗方法的选择提供依据。(2)各种检查无法区分是阻塞性黄疸还是内科黄疸的病人。(3)胆囊切除术后仍有症状者，为进一步分析其发生的原因。(4)疑有先天性胆道异常者。(5疑有胆道良性狭窄，需要进一步明确诊断，以了解狭窄的部位及范围者。(6)临床疑有胆道蛔虫的病人，在明确诊断的同时，可通过内窥镜将蛔虫取出。(7)疑有其他胆道疾病，如硬化胆管炎及先天性胆总管囊肿等。(8)疑有慢性胰腺炎的病人。(9)胰腺肿瘤，尤其疑有胰腺体尾部癌。,104,MRU,105