磁共振成像(MRI)的基本原理教案资料

1、磁共振成像(MRI)的基本原理Magnetic Resonance Imaging同济医科大学附属(fsh)协和医院MR室刘定西1第一页，共125页。磁共振现象(xinxing)的发现及发展 1924年pauli在进行电在子波谱(bp)试验中发现了许多原子核象带电的自旋粒子一样具有角动量和磁动量。 1946年美国物理学家Block和Purcell分别测出了在均匀物质中磁共振的能量吸收，进一步证实了核自旋的存在，并为此获得了1952年诺贝尔物理学奖。2第二页，共125页。NSRF3第三页，共125页。T:F射频(sh pn)频率射频(sh pn)强度4第四页，共125页。磁共振的应用(yngyn

2、g) 物理化学|：利用磁共振波谱测定物质的化学结构。 医学(yxu)影象：磁共振成像及化学物质含量测定。5第五页，共125页。第一节：原子(yunz)及其磁特性 原子的构成(guchng) 自旋 自旋磁矩 净自旋6第六页，共125页。原子(yunz)的构成 原子核 核外电子(h wi din z) 质子(zhz)（） 中子核外电子（）7第七页，共125页。原子核的运动(yndng)特性 自旋：物体沿一定方向绕自身某一轴的转动 自旋角动量 I：由于自旋运动的矢量性，自旋具有一定的角动量，自旋角动量I通常(tngchng)也称为自旋I。I为矢量。8第八页，共125页。9第九页，共125页。自旋磁矩

3、 自旋(z xun)粒子的磁性：带电粒子的自旋(z xun)都可产生磁矩。 原子核运动的自旋(z xun)磁矩：每一个自旋(z xun)I对应于一个磁动， =hI：10第十页，共125页。311第十一页，共125页。净自旋(z xun) 原子核的运动:自旋 净自旋：具有自旋磁动量的自旋。 零自旋/非零自旋：净自旋为零/净自旋不为零 净自旋产生(chnshng)的条件:奇数质子和/或奇数中子 净自旋的意义：是磁共振信号来源的基础。 自旋系统：磁场中所有自旋的集合。12第十二页，共125页。1H的原子核结构(jigu)及特性1H原子核仅有一个质子，无中子。其磁化(chu)敏感度高，在人体的自然 丰

4、富度很高，是很好的磁共振靶核。13第十三页，共125页。第二节：磁场(cchng) 磁场的概念 均匀(jnyn)磁场 稳定磁场 交变磁场14第十四页，共125页。磁场(cchng) 物质场 对磁性(cxng)物质的力效应 磁场的强度15第十五页，共125页。均匀(jnyn)磁场大小方向恒定(hngdng)不变的磁场.16第十六页，共125页。交变(jio bin)磁场大小或方向呈规律性变化(binhu)的磁场17第十七页，共125页。XYBX=BsinaBY=BcosaaB(RF) 18第十八页，共125页。第三节：磁场(cchng)对样体的作用 磁化 :磁场对样体作用的过程。 磁化强度m：样

5、体经过磁化而产生的磁矩的大小。 磁化率：单位磁场强度的磁化强度 X= m/B。顺磁性物质的磁化率为正值，抗磁性物质的磁化率为负值(f zh)。 影响磁化率的因素： 1、外层电子；2、原子核结构。19第十九页，共125页。NSM:20第二十页，共125页。磁场(cchng)对磁矩的作用 垂直于磁场的磁矩，磁场对其以磁转矩形式产生(chnshng)作用，即以磁场为轴垂直于磁场转动。21第二十一页，共125页。M1M222第二十二页，共125页。YM0B1XZ23第二十三页，共125页。24第二十四页，共125页。自旋在磁场(cchng)中的运动 进动（旋进）：自旋(z xun)轴绕磁场方向的圆周运

6、动。遵循 lamor 定理，w=rB0 影响进动频率的因素：磁场强度。 进动的方向：上旋态与下旋态。25第二十五页，共125页。26第二十六页，共125页。27第二十七页，共125页。量子化与平衡态 量子化概念：在磁场的作用(zuyng)下，自旋只能处于两种能级状态，低能态（上旋态）与高能态（下旋态）自旋只有吸收或释放一个特定能量值（ E）时才相互转化。 量子化遵循波兹定律E(1/2)/E(-1/2)=exp(rhI/kT) 平衡态：在磁场和温度的作用(zuyng)下，样体达到稳定磁化的状态。是一种动态平衡。28第二十八页，共125页。29第二十九页，共125页。剩余自旋(z xun)与净磁化

7、 剩余自旋：平衡态时，上旋态与下态自旋差。 净磁化M（宏观磁化）：自旋系统在磁场作用下产生的磁化总量。是所有自旋磁矩的矢量和 。M=B0N/T 影响M的因素：静磁场强度(cchng qingd)、温度、自旋密度（单位体积的自旋数）。 纵向磁化：平行于磁场方向的磁化矢量 横向磁化：垂直于磁场方向的磁化矢量30第三十页，共125页。31第三十一页，共125页。磁共振成像中的坐标(zubio)系统XYZ32第三十二页，共125页。第四节 核磁共振(h c n zhn)现象 单摆(dn bi)共振 核磁共振33第三十三页，共125页。单摆(dn bi)共振的条件 系统与激发(jf)源的固有频率相同 系

8、统吸收能量内能增加F34第三十四页，共125页。核磁共振(h c n zhn)的条件 激发磁场的频率与自旋系统的进动频率相等。 自旋系统吸收激发磁场能量(nngling)内能增加35第三十五页，共125页。射频(sh pn) 射频及磁特性 射频的空间效应 射频激发与核磁共振 章动与翻转(fn zhun)角= rB1t 90、180脉冲，脉冲 射频对自旋磁矩的相位相干效应36第三十六页，共125页。XYBX=BsinaBY=BcosaaB(RF) 37第三十七页，共125页。XYZM0B1射频磁场射频磁场(cchng)对磁矩的对磁矩的激发激发38第三十八页，共125页。39第三十九页，共125页

9、。射频激发射频激发(jf)使自旋的横向磁矩相位一致使自旋的横向磁矩相位一致（相位相干），产生一个大的横向磁（相位相干），产生一个大的横向磁化矢量化矢量MXY。相位是矢量与参照轴间。相位是矢量与参照轴间的夹角的夹角MXY横向磁化的相位横向磁化的相位(xingwi)相干进动相干进动40第四十页，共125页。横向(hn xin)磁矩的相位XYm1m3m2MXYa41第四十一页，共125页。XYM0B1横向磁化横向磁化(chu)的检测的检测MXY42第四十二页，共125页。自旋(z xun)弛豫 自旋弛豫：自旋系统由激发态恢复到其平衡态的过程。可分为纵向弛豫和横向弛豫两个过程。 纵向弛豫（自旋晶格(j

10、n )弛豫、T1弛豫）：纵向磁化逐渐恢复的过程。 横向弛豫（自旋自旋弛豫、T2弛豫）：横向磁化逐渐消失的过程43第四十三页，共125页。44第四十四页，共125页。纵向弛豫的机理(j l) 波动的晶格磁场是一个连续频率的波动磁场，Lamor 频率的晶格磁场可以吸收激发态自旋(z xun)所释放的量子化能量，恢复其平衡态。晶格磁场的频率越接近 Lamor 频率，纵向弛豫的速度越快。人体各种不同类型组织的晶格磁场频率有差异。纵向弛豫速度不同。45第四十五页，共125页。影响(yngxing)纵向弛豫的因素 组织特异性：中等大小分子快，小分子及大分子慢 晶格的物理(wl)状态：液态快、固态慢。 晶格

11、的温度：低快，高慢。 周围大分子结构：加快。 磁场强度：低场快，高强慢46第四十六页，共125页。纵向弛豫特征(tzhng)时间常数T1 T1：射频激发(jf)停止后，纵向磁化弛豫至其平衡态值的63%时所经历的时间。 MZ = M0(1e-t/T1) T1的物理学意义：弛豫周期。47第四十七页，共125页。纵向磁化(chu)对比由于各种组织的T1不同，在纵向弛豫过程中，不同时刻各种组织在纵向磁化中的比例不同，因而产生了不同组织间的纵向磁化对比(dub)。也称为T1对比(dub)。48第四十八页，共125页。T1加权图像(t xin) 图像的对比主要依赖(yli)T1对比称为T1加权（权重）图像

12、。T1 weighted image49第四十九页，共125页。50第五十页，共125页。T1图像(t xin)T1 Image 每一个像素(xin s)的亮度表示其所对应的构成体素的组织的T1值,这种图像称为T1图像。51第五十一页，共125页。人体(rnt)正常组织的T1值0 050050010001000150015002000200025002500300030000.2T0.2T1.0T1.0T1.5T1.5T脂肪脂肪肌肉肌肉脑白质脑白质闹灰质闹灰质脑脊液脑脊液52第五十二页，共125页。 由于磁场的不均匀性，自旋(z xun)的进动频率不同，当RF 停止后，横向磁矩间很快出现相位弥

13、散（相位不相干、去相位）进动，使横向磁化矢量逐渐消失。横向(hn xin)弛豫的机理53第五十三页，共125页。横向弛豫特征(tzhng)时间常数T2 T2：射频激发(jf)停止后，横向磁化弛豫至其平衡态值的37%时所经历的时间。 MXY = M0e-t/T2 T2的物理学意义：弛豫周期。54第五十四页，共125页。55第五十五页，共125页。56第五十六页，共125页。影响(yngxing)横向弛豫的因素 组织特异性：大小分子快，小分子慢。 晶格的物理状态：液态慢、固态快。 晶格的温度：低快，高慢(gomn)。 周围大分子结构：加快。 无磁场强度依赖性。57第五十七页，共125页。横向磁化(

14、chu)对比由于各种组织的T2不同，在横向弛豫过程中，不同时刻各种组织在横向磁化中的比例不同，因而产生了不同组织间的横向磁化对比(dub)。也称为T2对比(dub)。58第五十八页，共125页。T2弛豫图59第五十九页，共125页。T2加权图像(t xin) 图像的对比主要依赖(yli)T2对比称为T2加权（权重）图像。T2 weighted image60第六十页，共125页。T2图像(t xin)T2 Image 每个像素的亮度对应于其所代表的构成体素的组织的T2值，这种图像(t xin)称为T2图像(t xin)。61第六十一页，共125页。人体(rnt)正常组织的T2值0 020020

15、0400400600600800800100010001200120014001400T2T2脂肪脂肪肌肉肌肉脑白质脑白质脑灰质脑灰质脑脊液脑脊液62第六十二页，共125页。 T2弛豫：由于磁体磁场(cchng)本身的不均匀性而产生的横向磁化的快速衰减。 T2*弛豫：由于T2和T2共同作用而产生的横向弛豫，也称为有效T2弛豫时间。 1/T2* = 1/T21/T2 T2*加权图像：图像的对比主要依赖于T2*对比63第六十三页，共125页。第六节:MR信号的产生(chnshng)及种类 FID信号产生 SE信号产生方法及原理 刺激回波(hu b)产生及性质 梯度回波(hu b)产生及原理64第六

16、十四页，共125页。FID信号(xnho) 电磁感应原理 横向磁化的感应信号(xnho) V=Mxycost 激发角度为, 则Mxy=M0sine-t/T2* VFIDM0sincoste-t/T2* FID信号(xnho)的衰变:自旋相位相干、重聚、去相位65第六十五页，共125页。自由(zyu)感应衰减信号(FID)66第六十六页，共125页。SE信号产生方法(fngf)及原理 回波 180脉冲的去T2效应(xioyng)及SE SE的特性67第六十七页，共125页。自旋回波(hu b)信号（SE）68第六十八页，共125页。69第六十九页，共125页。70第七十页，共125页。71第七十

17、一页，共125页。72第七十二页，共125页。SE信号(xnho)的特点 消除了T2效应 信号幅度(fd)大 可用于T1、T2加权成像 信号幅度(fd)随T2衰减73第七十三页，共125页。梯度(t d)回波及原理 梯度磁场的去相位(xingwi)效应 反相梯度磁场的聚相位(xingwi)效应 梯度回波GE74第七十四页，共125页。75第七十五页，共125页。TG76第七十六页，共125页。77第七十七页，共125页。梯度(t d)回波信号GRE78第七十八页，共125页。刺激回波及(bj)性质 连续脉冲(michng)的作用:相位累积效应。 刺激回波的性质：自旋回波。900900aaa79

18、第七十九页，共125页。第七节 MR图像重建(zhn jin)原理 一维傅立叶变换(binhun)重建(反投影) 二维傅立叶变换(binhun)重建(K-空间数据重建)80第八十页，共125页。傅立叶变换(binhun) 将时间强度的信号关系变换为频率(pnl)强度的信号关系。这种数学变换模式称为傅立叶（Fourier transform)变换。81第八十一页，共125页。1DFT重建(zhn jin) 梯度与梯度磁场 层面选择及相关(xinggun)因素=GzD 体素的频率编码及投影82第八十二页，共125页。12345678983第八十三页，共125页。84第八十四页，共125页。空间(k

19、ngjin)频率与K-空间(kngjin) 空间频率：是指波动性信号在一定方向上单位距离的波动周期(zhuq)数，单位是:周/m。和时间频率（Hz、周/s)有本质的区别为一个空间矢量，通常以Kx、 Ky、 Kz分别表示其在X、Y、Z三个互相垂直方向上的空间频率分量。其总量等于三个分量的矢量和。 K-空间（K-space）：以空间频率Kx、Ky、Kz为单位的空间坐标系所对应的一个频率空间。二维K -空间为一个平面。85第八十五页，共125页。空间(kngjin)频率与K-空间(kngjin)的关系 任何一个具有(jyu)空间频率的信号都对应于K-空间内一个点；反之，K-空间内的任何一点代表且只代

20、表一个空间频率。 K=Kx+ky+kz K2=Kx2+Ky2+Kz2 K2=Kx2+Ky2(二维、方向由Kx、 Ky决定)86第八十六页，共125页。梯度磁场与磁共振信号(xnho)的空间频率的关系 梯度磁场强度与时间(shjin)的累积效应称为梯度动量（Gradient Moment），在梯度动量的作用下，沿着梯度方向的自旋之间的相位成规律的波动，其波动的周期数对应于梯度方向的一定距离，即空间频率。所以在梯度磁场的作用下，磁共振信号便可以具有空间频率。因此，可以将其写入K-空间内某一坐标位置。87第八十七页，共125页。一维梯度动量效应-产生(chnshng)一为维空间频率信号GytKy=1

21、/fov88第八十八页，共125页。一维梯度动量产生的具有(jyu)一维空间频率的磁共振信号GytKy信号信号(xnho)区区无信号无信号(xnho)区区89第八十九页，共125页。二维梯度动量(dngling)产生旋转（二维）空间频率信号GytGxtK=Kx+Ky90第九十页，共125页。二维梯度动量效应-产生(chnshng)二维空间频率信号 由K2=Kx2+Ky2(二维-空间)可见(kjin)：在二维K-空间内，随着Kx 、Ky的变化，空间频率大小相等但方向不同的一系列空间频率,在同一个圆轨迹上；反之，在同一圆轨迹上的所有K-空间坐标数据对应于一系列空间频率大小相等、方向连续变化的空间频

22、率信号。即相当于一个大小不变、方向绕K-空间中心旋转的空间频率信号。91第九十一页，共125页。2DFT重建(zhn jin) 黑白(hibi)图像的产生 K-空间的概念 空间频率的概念 空间频率的产生 K-空间数据的填写 逆向FT及MR图像92第九十二页，共125页。MRI基本(jbn)序列 自旋回波采集(cij)（Spin Echo） 梯度回波采集(cij)(Gradient Echo) 反转恢复采集(cij)(Inversion recovery) 部分饱和采集(cij)(Partial Saturation) 刺激回波采集(cij)(Steam)93第九十三页，共125页。磁共振各种特

23、殊(tsh)成像技术 磁共振血管造影技术(MRA) 时间(shjin)飞跃法 (Time of flight) 相位对比法(Phase contrast) 幅度对比法(Magnitude contrast) 对比剂增强法(Contrast enhance)94第九十四页，共125页。MRI心电门控技术(jsh) 心电门控触发(chf) 肢端脉搏触发(chf) 回顾性心电门控95第九十五页，共125页。磁共振水成像技术(jsh) MRCP MRU MRM MRD MRS96第九十六页，共125页。MRI造影剂 T1造影剂 GD-DTPA（二乙烯(y x)三厂五乙-酸钆） T2造影剂- SPIO(

24、超顺磁氧化铁)97第九十七页，共125页。MRI呼吸触发(chf)技术 呼吸(hx)门控 呼吸(hx)补偿98第九十八页，共125页。磁共振饱和(boh)成像技术 频率饱和 幅度饱和 化学位移饱和 磁化(chu)传递饱和99第九十九页，共125页。磁共振电影(dinyng) 心脏运动电影 关节(gunji)活动电影 三维结构转动显示电影100第一百页，共125页。功能(gngnng)成像技术 弥散成像 灌注(gunzh)成像 脑活动功能成像101第一百零一页，共125页。第八节：磁共振系统(xtng)的构成 磁体及主磁场(cchng) 梯度系统 射频系统 计算机系统102第一百零二页，共125

25、页。103第一百零三页，共125页。磁体(ct) 永磁体 超导磁体(cho do c t) 常导磁体104第一百零四页，共125页。梯度(t d) 梯度系统构成(guchng) 梯度系统的作用105第一百零五页，共125页。射频(sh pn)系统 RF线圈(xinqun) RF放大器 RF接受放大器 屏蔽106第一百零六页，共125页。计算机系统 A-D转换器 阵列(zhn li)处理机 用户计算机107第一百零七页，共125页。MRI的图像(t xin)质量参数108第一百零八页，共125页。MR图像特征指标及评价(pngji)方法 SNR C/CNR R、Rs A (artifact)109第一百零九页，共125页。SNR 噪声(zoshng)的概念及主要来源 信号的概念及来源 信噪比的概念 SNR的评价 SNR=S/N110第一百一十页，共125页。影响(yngxing)SNR因素 设备因素（B0、线圈、梯度） 选择序列及参数技术(jsh) 影像参数SNR=VtNSANxNyNz111第一百一十一页，共125页。C对比度 对比度的概念(ginin) C的评价 C=S1S2/S1+S2112第一百一十二页，共125页。影响(yngxing)C的因素 组织类型 脉冲序列(xli) 序列(xli)参数 对比剂113第