磁共振成像MRI技术实用教案

1、 MRI MRI设备已成为最先进、最昂贵的现代化设备已成为最先进、最昂贵的现代化诊断设备之一。诊断设备之一。MRIMRI设备既是评价医院综合能设备既是评价医院综合能力力(nngl)(nngl)的一项重要指标，又是医院现的一项重要指标，又是医院现代化程度和诊断水平的标志。代化程度和诊断水平的标志。 核磁共振扫描现在已经成为一项常规的核磁共振扫描现在已经成为一项常规的医学检查，全球估计共有医学检查，全球估计共有2200022000台全身核磁共台全身核磁共振扫描仪投入使用，每年扫描总数超过振扫描仪投入使用，每年扫描总数超过60006000万次。本章将以临床应用型永磁开放式万次。本章将以临床应用型永磁

2、开放式MRIMRI设设备为例，系统地介绍备为例，系统地介绍MRIMRI设备的构成和工作原设备的构成和工作原理。理。第1页/共37页第一页，共38页。第一节 概 述一、发展(fzhn)简史 MR现象于1946年第一次由布洛赫（F.Bloch） 领导的斯坦福大学研究小组和伯塞尔(E.Purcell） 领导的哈佛大学研究小组分别在水与石蜡中独 立地观察到。因此，布洛赫和伯塞尔共同获得 了1952年的诺贝尔物理学奖。随后，人们利用MRI技术进行了多领域的应用。MRI设备早期 集中在物理和化学方面，用来(yn li)确定化学成分、分 子结构和反应过程。1967年，第一次用MRI设备 测试人体活体。 第2

3、页/共37页第二页，共38页。 19711971年，达马丁（年，达马丁（DamadianDamadian）发现了）发现了MRIMRI的一个重要参数的一个重要参数T1T1。肿瘤组织的。肿瘤组织的T1T1值远大于相应正常组织的值远大于相应正常组织的T1T1值。此结果预示着值。此结果预示着MRIMRI设备在医学诊断中的广阔应用设备在医学诊断中的广阔应用前景。前景。 19731973年，受年，受CTCT图像重建的启示，纽约州立大学的劳特布尔（图像重建的启示，纽约州立大学的劳特布尔（LauterburLauterbur）在）在NatureNature杂志上发表了杂志上发表了MRIMRI设备空间定位方法（

4、均匀静磁场上迭加梯度磁场）。设备空间定位方法（均匀静磁场上迭加梯度磁场）。利 用利 用 M R IM R I 模 型 （ 两 个 并 排 在 一 起 的 充 水 试 管 ） 的 四 个 一 维 投 影 ， 成 功模 型 （ 两 个 并 排 在 一 起 的 充 水 试 管 ） 的 四 个 一 维 投 影 ， 成 功(chnggng)(chnggng)的获得了第一幅的获得了第一幅MRIMRI模型的二维图像。模型的二维图像。第3页/共37页第三页，共38页。 19741974年，曼斯菲尔德（年，曼斯菲尔德（MansfieldMansfield）研究出脉冲梯度法选择成像断层的方法。）研究出脉冲梯度法选

5、择成像断层的方法。 19751975年，恩斯特（年，恩斯特（ErnstErnst）研究出相位编码的成像方法。）研究出相位编码的成像方法。 19771977年，爱特斯坦（年，爱特斯坦（EdelsteinEdelstein）、赫切逊（）、赫切逊（HutchisonHutchison）等研究出自旋扭曲）等研究出自旋扭曲（Spin WarpSpin Warp）成像法。）成像法。 19771977年，达马丁完成了首例动物活体肿瘤检测成像，并获得首张人体活体年，达马丁完成了首例动物活体肿瘤检测成像，并获得首张人体活体MRIMRI设备设备(shbi)(shbi)图像。图像。 第4页/共37页第四页，共38页

6、。 19801980年，阿勃亭（年，阿勃亭（AberdeenAberdeen）领导的研究小组发表了利用二维傅立叶变换对图）领导的研究小组发表了利用二维傅立叶变换对图像进行重建的成像方法。该成像方法效率高、功能多、形成的图像分辨力高、伪像进行重建的成像方法。该成像方法效率高、功能多、形成的图像分辨力高、伪影小，目前医用影小，目前医用MRIMRI设备均采用该算法。设备均采用该算法。 19831983年，年，MRIMRI设备进入市场。设备进入市场。 MRIMRI设备具有对软组织成像好的优点。把大量的波谱设备具有对软组织成像好的优点。把大量的波谱(bp)(bp)分析技术运用到医分析技术运用到医用用MR

7、IMRI设备上，使设备上，使MRIMRI设备不仅可获得解剖学信息，而且可获得其他方面的信息，设备不仅可获得解剖学信息，而且可获得其他方面的信息，如生理和生化方面的信息。如生理和生化方面的信息。 第5页/共37页第五页，共38页。二、主要二、主要(zhyo)(zhyo)特点及临床应用特点及临床应用 MRI与CT各有优点，可以互相补充。通过MRI设备与CT扫描机的性能比较和临床应用比较，可以看出：MRI设备的优点为： 多参数成像，可提供(tgng)丰富的诊断信息 多方位成像 大视野成像 组织特异性成像 人体能量代谢研究 无电离辐射，即无创性检查 无骨伪影干扰 第6页/共37页第六页，共38页。MR

8、IMRI设备的缺点为：设备的缺点为：成像速度慢成像速度慢对钙化对钙化(gihu)(gihu)灶和骨皮质病灶不够灶和骨皮质病灶不够敏感敏感图像易受多种伪影影响图像易受多种伪影影响禁忌症多禁忌症多定量诊断困难定量诊断困难第7页/共37页第七页，共38页。三、主要三、主要(zhyo)技术参数技术参数 与其它影像设备(shbi)相比，影响MRI图像的信号强度或图像密度的参数较多。这些参数大体可分为组织参数和设备(shbi)参数两大类。1组织参数 它是人体的内在信息参数。组织参数主要有质子密度（）、纵向驰豫时间（T1）、横向驰豫时间（T2）、化学位移（）、液体流速（v）和波动。其中，组织参数、T1和T2

9、决定图像信号的密度。组织参数决定水与脂肪的分离成像，能引起化学位移伪影。组织参数v和波动可用来进行血管成像，能引起运动伪影。第8页/共37页第八页，共38页。 2 2设备参数设备参数 它是成像所依赖的设备及成像过程的测量条件参数。设备参数主要有磁场它是成像所依赖的设备及成像过程的测量条件参数。设备参数主要有磁场强度、梯度磁场强度和切换率、线圈特性（包含发射和接收）、测量条件。根据诊断目的强度、梯度磁场强度和切换率、线圈特性（包含发射和接收）、测量条件。根据诊断目的的不同，可以选择不同的参数来产生所需要的的不同，可以选择不同的参数来产生所需要的MRIMRI图像。图像。 重复时间（重复时间（tim

10、e of repetitiontime of repetition，TRTR）、回波时间（）、回波时间（time of echotime of echo，TETE）和反转时间）和反转时间（time of inversiontime of inversion，TITI）决定）决定(judng)(judng)图像的性质。即图像的权重。层厚、平图像的性质。即图像的权重。层厚、平均采样次数、像素尺寸、有效视野和层数决定均采样次数、像素尺寸、有效视野和层数决定(judng)(judng)扫描区域并控制图像信号的密扫描区域并控制图像信号的密度。各种应用软件可获得不同性质和不同区域的度。各种应用软件可获得不

11、同性质和不同区域的MRIMRI图像，而且成像速度快、有效抑制伪图像，而且成像速度快、有效抑制伪影、功能完善。影、功能完善。第9页/共37页第九页，共38页。第二节第二节 磁共振成像的物理学原理磁共振成像的物理学原理(yunl) 磁共振成像（磁共振成像（MRI)MRI)是利用生物体内特定原是利用生物体内特定原子磁体性核在磁场中表现出核磁共振作用而产子磁体性核在磁场中表现出核磁共振作用而产生信号，经空间编码、重建而获得生信号，经空间编码、重建而获得(hud)(hud)图图像的一种技术。其物理基础为核磁共振理论，像的一种技术。其物理基础为核磁共振理论，其本质是一种能级见跃迁的量子效应。其本质是一种能

12、级见跃迁的量子效应。第10页/共37页第十页，共38页。一、磁场一、磁场(cchng)对样体的磁化作用对样体的磁化作用 样体经磁场作用样体经磁场作用(zuyng)(zuyng)后在磁场方向后在磁场方向上产生磁矩的过程称为磁化，其大小称为磁化上产生磁矩的过程称为磁化，其大小称为磁化强度（强度（M M）。）。 =M/B =M/B或或M= BM= B式中，式中， 为磁化率，为磁化率，B B为磁场强度。为磁场强度。物质物质M M的大小的大小(dxio)(dxio)取决于其原子取决于其原子结构。结构。X X的正负表示物质的顺磁性。的正负表示物质的顺磁性。第11页/共37页第十一页，共38页。( (一一)

13、 )原子核的磁特性原子核的磁特性 原子是由原子核绕核运动的电子所组成，原子原子是由原子核绕核运动的电子所组成，原子核又由带正电的质子核又由带正电的质子(zhz)(zhz)和不带电的中子组和不带电的中子组成。原子核绕其特定轴旋转的特性称为自旋。自成。原子核绕其特定轴旋转的特性称为自旋。自旋过程中所产生的动量称为原子核磁矩。旋过程中所产生的动量称为原子核磁矩。第12页/共37页第十二页，共38页。=hI式中，式中，称为旋磁比常数称为旋磁比常数(chngsh)，1H的的=42.58MHZ/Th表示自选大小的物理单位表示自选大小的物理单位,1h=1.05458910-3 JSI为自选量子数为自选量子数

14、第13页/共37页第十三页，共38页。（二）磁场（二）磁场(cchng)对原子核磁矩的作对原子核磁矩的作用用 在无外加磁场在无外加磁场(cchng)(cchng)时，核磁矩是随机时，核磁矩是随机排列的。在外加磁场排列的。在外加磁场(cchng)(cchng)（B0B0）的作用）的作用下，磁矩沿着外加磁场下，磁矩沿着外加磁场(cchng)(cchng)方向成平行方向成平行或反向排列。沿着或反向排列。沿着B0B0方向为低能态（上旋态），方向为低能态（上旋态），反向则为高能态（下旋态）。反向则为高能态（下旋态）。其能级差为：其能级差为： E=hB0其中其中(qzhng)h为普朗克常量为普朗克常量第1

15、4页/共37页第十四页，共38页。在温度和外加磁场不变的情况下，两种能态：低能(dnng)他E(+1/2)和高能态（E-1/2）处于平衡状态。平衡态质子自旋磁距遵循波尔兹曼分布：N(-1/2)/ N(+1/2)=e-E/kT对于(duy)质子E=hB0，令 T=300K,B0=1Tesla,则：N(-1/2)/ N(+1/2)=e-E/kT =100000/100006 第15页/共37页第十五页，共38页。二、核磁共振的量子物理学理论二、核磁共振的量子物理学理论 由于由于(yuy)磁场对自旋系统的量子化作磁场对自旋系统的量子化作用，使自旋系统产生低能态与高能态的级用，使自旋系统产生低能态与高

16、能态的级差差E。若射频的能量。若射频的能量Er恰好等于该能恰好等于该能级差级差E，则低能态自旋可吸收其能量跃，则低能态自旋可吸收其能量跃迁至高能态；射频停止后，自旋系统将释迁至高能态；射频停止后，自旋系统将释放出能量并恢复至平衡态。放出能量并恢复至平衡态。第16页/共37页第十六页，共38页。三、驰豫三、驰豫 驰豫是指自旋系统由激发态恢复至其平衡态的过驰豫是指自旋系统由激发态恢复至其平衡态的过程，也就是纵向磁化恢复和横向程，也就是纵向磁化恢复和横向(hn xin)磁化磁化衰减的过程。衰减的过程。ZYXMB0MxyMz第17页/共37页第十七页，共38页。（1）纵向）纵向(zn xin)驰豫及纵

17、向驰豫及纵向(zn xin)驰豫时间驰豫时间 当射频脉冲关闭后，在静磁场的作用下，组织中的宏观纵向磁化矢量将逐渐恢复到激发前平衡状态(zhungti)，把这一过程称为纵向驰豫，即T1驰豫。Mz=M0(1-e-t/T1)令t=T1，则Mz=0.63M0.由此，定义T1是指纵向磁化矢量从最小值恢复(huf)至平衡态的63%所经历的驰豫时间，或者说，每经过一个T1时间则纵向磁化恢复(huf)其剩余量的63%。第18页/共37页第十八页，共38页。100%Mz时间(shjin)63%Mz=M0(1-e-t/T1)T1T2T3T4T5第19页/共37页第十九页，共38页。100%时间(shjin)63%

18、脂肪(zhfng)白质(bizh)脑脊液Mz=M0(1-e-t/T1)第20页/共37页第二十页，共38页。（2）横向）横向(hn xin)驰豫及横向驰豫及横向(hn xin)驰豫时间驰豫时间 当射频脉冲关闭后，在静磁场的作用下，组织中的宏观横向磁化(chu)矢量将逐渐恢复到激发前平衡状态，把这一过程称为横向驰豫，即T2驰豫。MXY=MXYmaxe-t/T2式中，Mxymax是驰豫过程开始时横向磁化矢量Mxy的最大值。令t=T2，则Mxy=0.37M0.由此，定义T2是射频脉冲停止后，横向磁化矢量衰减至最大值的37%所经历的时间(shjin)，也就是说，每过一个T2时间(shjin)，横向磁化

19、减少至其剩余值的37%。第21页/共37页第二十一页，共38页。100%Mxy时间(shjin)37%T22T23T2MXY=MXYmaxe-t/T2第22页/共37页第二十二页，共38页。100%Mxy时间(shjin)37%脂肪(zhfng)白质(bizh)脑脊液MXY=MXYmaxe-t/T2第23页/共37页第二十三页，共38页。 人体不同器官的正常组织与病理组织的T1是相对固定的，而且它们之间有一定的差别，T2也是如此（表1-5-1a、b）。这种组织间弛豫时间上的差别，是MRI的成像基础(jch)。有如CT时，组织间吸收系数（CT值）差别是CT成像基础(jch)的道理。但MRI不像C

20、T只有一个参数，即吸收系数，而是有T1、T2和自旋核密度（P）等几个参数，其中T1与T2尤为重要。因此，获得选定层面中各种组织的T1（或T2）值，就可获得该层面中包括各种组织影像的图像。第24页/共37页第二十四页，共38页。表1-5-1a 人体正常(zhngchng)与病变组织的T1值（ms）第25页/共37页第二十五页，共38页。表1-5-1b 正常颅脑(l no)组织的T1值和T2值（ms）第26页/共37页第二十六页，共38页。四 磁共振信号(xnho)的产生 射频脉冲停止后，纵向磁化矢量转向横向磁化矢量。正如一个XY平面内的旋转磁体可以在接收线圈内产生感应电压(diny)，这个随时间

21、波动的电压(diny)即MR信号。ZYM0XMZMXZYXMB0第27页/共37页第二十七页，共38页。五 磁共振信号的空间(kngjin)定位 MR信号是宏观磁化矢量经激发后在线圈(xinqun)内感应出的信号，是自选信号的总和，无空间位置信息，不能形成图像，必须对其进行空间编码及图像重建才能得到MR图像。MRI的空间编码技术是采用梯度磁场，以达到选层和体素编码的目的。 梯度在物理学上是指在一定方向上强度随空间的变化(binhu)率，梯度是一个矢量。在MR技术上，梯度磁场是指在一定方向上磁场强度的变化(binhu)情况，即在一定方向上场强与位置成正比例变化(binhu)。第28页/共37页第二十八页，共38页。 在在MRIMRI基础上，梯度磁场是指在一定方向上基础上，梯度磁场是指在一定方向上磁场强度的变化情况及在一定方向上场强与位磁场强度的变化情况及在一定方向上场强与位置呈正比例变化。置呈正比例变化。 为了得到任意为了得到任意(rny)(rny)层面的空间信息，层面的空间信息，MRIMRI系统在系统在X X、Y Y、Z Z三个坐标方向均使用梯度磁三个坐标方向均使用梯度磁场，它们分别被称为场，它们分别被称为GXGX梯度、梯度、GYGY梯度、梯度、GZG