核磁共振成像

1、会计学1核磁共振成像核磁共振成像第1页/共67页自由感应衰减信号自由感应衰减信号(FID)自旋回波信号自旋回波信号(SE)梯度回波信号（梯度回波信号（GrE）一般不用一般不用 FID信号来信号来重建图像，原因是：重建图像，原因是：1，信号的较大幅度部，信号的较大幅度部分被掩盖在分被掩盖在900射频之射频之内；内；2，线圈发射和接，线圈发射和接受通路之间来不及切受通路之间来不及切换；换；较为常用的也是最早用较为常用的也是最早用以进行磁共振图像重建以进行磁共振图像重建的信号，只是需要多施的信号，只是需要多施加一次加一次1800RF脉冲，回脉冲，回波时间较长波时间较长较新的可大大缩短磁共较新的可大大

2、缩短磁共振扫描时间的用以重建振扫描时间的用以重建图像的信号，又称场回图像的信号，又称场回波波可获取的三种磁共振信号可获取的三种磁共振信号第2页/共67页u自由进动：是指射频场作用停止后磁化强度矢量自由进动：是指射频场作用停止后磁化强度矢量M的的进动。进动。自由衰减信号（自由衰减信号（free induction decay signal, FIR）指的是在探测线圈中感应出的自由进动，又叫自由进动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。衰减。FID是是NMR的信号源。的信号源。u自由感应衰减自由感应衰减(FID):信号信号随着随着时间而消失（时间而消失（类似于阻尼震荡信号类似于阻尼

3、震荡信号），但频率），但频率不变。不变。第3页/共67页MM的的z z分量被分量被B0所淹没，因此，所淹没，因此，FID只能在只能在xoy面上检测。面上检测。xyMl 的形成可以看作的形成可以看作是由原先相位均匀分布是由原先相位均匀分布的核磁矩向某一方向集的核磁矩向某一方向集中而使矢量加强的结果。中而使矢量加强的结果。当外施交变磁场经过时间当外施交变磁场经过时间t t后，磁化矢量后，磁化矢量MM处于处于 。此时在。此时在x-yx-y平面上有分量平面上有分量1BtsinxyMMxyMl 在固定坐标系中在固定坐标系中以以 的角速度绕的角速度绕 z z 轴轴在在x-yx-y平面内旋转。平面内旋转。0

4、第4页/共67页FID信号（电压）为信号（电压）为 为真空磁导。为真空磁导。FID信号正比于磁化强度矢量的横向分信号正比于磁化强度矢量的横向分量量 。FID信号确实反映了宏观磁化强度矢量信号确实反映了宏观磁化强度矢量M的变化。的变化。00( )xyv tSQM 0 xyM 若在若在 x-y 平面内置一检测线圈，则平面内置一检测线圈，则 将以每秒将以每秒 的频率的频率切割线圈，从而产生电势。这就是检测到的切割线圈，从而产生电势。这就是检测到的 FID 信号。信号。xyM0/ 2第5页/共67页第6页/共67页二、自旋回波信号二、自旋回波信号900射频结束瞬间射频结束瞬间，磁化翻转到横向，磁化翻转

5、到横向，开始横向弛豫，开始横向弛豫，即散相即散相静止磁场中，静止磁场中，宏观磁化与场宏观磁化与场强方向一致，强方向一致，纵向宏观磁化纵向宏观磁化最大最大施加施加900射频脉冲，射频脉冲，纵向磁化翻转到横向纵向磁化翻转到横向，横向磁化最大，横向磁化最大施加施加1800射频脉冲射频脉冲，质子进动反向，质子进动反向,相位开始重聚相位开始重聚经过与散相相同的经过与散相相同的时间后时间后,相位重聚完相位重聚完全全,横向磁化再次达横向磁化再次达到最大值到最大值此时的线圈感应此时的线圈感应信号即为自旋回信号即为自旋回波信号波信号自旋回波信号的产生过程自旋回波信号的产生过程第7页/共67页基本基本SE序列的序

6、列结构序列的序列结构重复时间重复时间回波时间回波时间第8页/共67页第9页/共67页三、梯度回波三、梯度回波(GRE)信号信号梯度回波序列缩短扫描时间分析图梯度回波序列缩短扫描时间分析图使用使用脉冲而非脉冲而非900脉冲脉冲,使使 纵向磁化弛豫加快纵向磁化弛豫加快,极大减少极大减少TR时间时间使用翻转梯度产使用翻转梯度产生回波而非生回波而非180脉冲脉冲,从而从而允许最短的允许最短的TE时时间间,给缩短给缩短TR带带来空间来空间梯度回波梯度回波(Gradient Echo)第10页/共67页梯度回波产生过程梯度回波产生过程质子在反质子在反向梯度下向梯度下加速散相加速散相反向梯反向梯度度正向梯度

7、正向梯度(又又称重聚梯度称重聚梯度)梯度翻转梯度翻转,进动反进动反向向相位重相位重聚过程聚过程相位重聚完成相位重聚完成,横向磁化达到最横向磁化达到最大大,此时感应的此时感应的信号即为梯度回信号即为梯度回波信号波信号第11页/共67页序列参数对图像权重的影响序列参数对图像权重的影响T1-90脉冲和脉冲和180脉冲的间隔时间脉冲的间隔时间T2-自旋自旋-自旋相互自旋相互作用的时间常数作用的时间常数TE-回波时间回波时间TR-序列重复时间序列重复时间TextuTR对对T1权权重的影响重的影响lTR越长越长,T1权权重越小重越小lTR越短越短,T1权权重越大重越大uTE对对T2权权重的影响重的影响lT

8、E越长越长,T2权权重越大重越大lTE越短越短,T2权权重越小重越小第12页/共67页第13页/共67页第14页/共67页1组织中的浓度组织中的浓度MRIMRI只限于氢核成像。只限于氢核成像。磁共振图像又称质子磁共振图像又称质子图。图。NMRNMR信号强度与信号强度与每个体素中磁性核的每个体素中磁性核的量（即它在组织中的量（即它在组织中的浓度成）正比。浓度成）正比。2磁场的均匀性磁场的均匀性3磁场的均匀性磁场的均匀性第15页/共67页基本概念基本概念：像素像素：组成灰度数字图像的基本单元。体素：体素：像素对应人体内的位置。像素灰度信息：像素灰度信息：对应体素的检测信息的强度。不同成像手段进行不

9、同成像手段进行位置对应的手段不位置对应的手段不同同对磁共振而言,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。不同成像手段的检不同成像手段的检测信息不同测信息不同第16页/共67页F一维傅里叶变换一维傅里叶变换：( )( ),iwtFf t edt利用傅里叶变换可对不同函数的频率进行分解。利用傅里叶变换可对不同函数的频率进行分解。在在MRI中，为了对一定共振频率范围内的质子都进行激中，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发，必须使用时域内的矩形脉冲作为激励的能量。1( )( )2i tf tFedF傅里叶反变换傅里叶反变换：第17页/共67页

10、越短，它覆盖的频率范围就越宽。越短，它覆盖的频率范围就越宽。1. 1. 矩形脉冲矩形脉冲第18页/共67页2.2.脉冲脉冲第19页/共67页第20页/共67页第21页/共67页第22页/共67页傅立叶变换的作用傅立叶变换的作用复杂的时间域信号复杂的时间域信号简单的频率域信号简单的频率域信号傅立叶变换傅立叶变换傅立叶变换Amplitude第23页/共67页梯度斜率越大，系统性能越好梯度斜率越大，系统性能越好第24页/共67页拉莫尔方程拉莫尔方程（Larmor equation）：00B改变磁场 就可改变共振频率 。00BB 又叫梯度磁场，是指沿直角坐标系某坐标方向呈线性又叫梯度磁场，是指沿直角坐

11、标系某坐标方向呈线性变化的磁场。变化的磁场。空间定位：在主磁场空间定位：在主磁场 上叠加一个变化的小磁场上叠加一个变化的小磁场 ，从，从而使成像层面上各处的磁场得以改变。而使成像层面上各处的磁场得以改变。 0BB第25页/共67页n 在在Z方向叠加的强度方向叠加的强度随随Z变化的磁场，叫变化的磁场，叫Z方向梯度场；方向梯度场；n 在在X方向叠加的强度方向叠加的强度随随X变化的磁场，叫变化的磁场，叫X方向梯度场方向梯度场;n 在在Y方向叠加的强度方向叠加的强度随随X变化的磁场，叫变化的磁场，叫Y方向梯度场方向梯度场;NSB0B0ZB0+B(z)0NSB0B0XB0+B(x)0NSB0B0YB0+

12、B(Y)0三个基本梯度场三个基本梯度场第26页/共67页人体的三面人体的三面示意图示意图横断面横断面冠状面冠状面矢状面矢状面第27页/共67页空间的三维空间的三维水平磁场水平磁场水平磁场垂直磁场垂直磁场垂直磁场B0（Z）B0(Z)一般常导和超导磁体一般常导和超导磁体产生水平磁场，水平产生水平磁场，水平方向（人体长轴）为方向（人体长轴）为Z方向方向一般永磁体产生垂直一般永磁体产生垂直磁场，垂直方向为磁场，垂直方向为Z方方向，人体长轴一般定向，人体长轴一般定义为义为X方向方向YZXZXY第28页/共67页u梯度场梯度场 的大小和方向均可改变。的大小和方向均可改变。Bu主磁场主磁场 是匀强磁场，其大

13、小和方向是固定不变的。是匀强磁场，其大小和方向是固定不变的。0Bu 中心的场强总为零，与中心的场强总为零，与 叠加后，磁体中心的场强不变。叠加后，磁体中心的场强不变。0B第29页/共67页体素定位体素定位： MRI成像时，体素发出的成像时，体素发出的NMR信号的强信号的强度被转变为图像中像素的亮度。度被转变为图像中像素的亮度。第30页/共67页v为了得到任意层面的空间信息，为了得到任意层面的空间信息，MRI系统在系统在 x, y, z 三个坐标方向均使用梯度磁场三个坐标方向均使用梯度磁场 (Gx , Gy , Gz 梯度梯度)， 分别用相互垂直的三个梯度线圈产生。分别用相互垂直的三个梯度线圈产

14、生。第31页/共67页F1.选择扫描层面：选择扫描层面：一般由层面选择梯度来完成。一般由层面选择梯度来完成。F2.用其余两个梯度定位：用其余两个梯度定位：在二维傅里叶成像中，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即为频率编码和相位编码，解码后即得检测点的平面坐标。面坐标。F3.对所确定的空间点的坐标所对应的空间体素发对所确定的空间点的坐标所对应的空间体素发出出NMR信号进行检测便得到了所需的图像对比度。信号进行检测便得到了所需的图像对比度。第32页/共67页MRI空间坐标的建立是由空间坐标的建立是由三维梯度磁场三维梯度磁场来实现的。来实现的。将来自每个体素的将来自每个

15、体素的NMR信号与来自其他体素的信号分信号与来自其他体素的信号分离的方法离的方法：层面选择层面选择 空间编码空间编码空间坐标空间坐标三、磁共振图像重建三、磁共振图像重建第33页/共67页 MRI的层面选择是通过三维梯度的不同组合来实现的。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。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层面的选择采用的是选择性激励选择性激励的原理：的原理：选择性激励（选择性激励（selective excitation）：）：指用一个有限频宽（窄带）指用一个有限频宽（窄带）的射频脉冲仅对共

16、振频率在该频带范围的质子进行共振激发的技术。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。Gz 或GyGy或GzGx矢状面矢状面Gz或GxGx或GzGy冠状面冠状面Gy 或GxGx或GyGz横轴面横轴面层面方向层面方向频率编码梯度频率编码梯度相位编码梯度相位编码梯度层面选择梯度层面选择梯度第34页/共67页 选层梯度选层梯度Gs层厚与梯度强度成反相关层厚与梯度强度成反相关层厚与射频频宽成正相关层厚与射频频宽成正相关第35页/共67页以横轴位成像为例以横轴位成像为例选选G Gz z作为选层梯度作为选层梯度第36页/共67页第37页/共67页0()zzBzG选层过程选层过程层面内所有

17、质子层面内所有质子的共振频率均相的共振频率均相同（称为自选面同（称为自选面），垂直于），垂直于z轴轴的所有层面的共的所有层面的共振频率均不同振频率均不同在在z向施加梯度后向施加梯度后，沿，沿z轴各层面上轴各层面上质子的进动频率为质子的进动频率为：用窄带脉冲进行用窄带脉冲进行激发，实现每次激发，实现每次只激发一层。在只激发一层。在进行选择性激励进行选择性激励时多用时多用sinc函数函数，在非选择性激，在非选择性激励时常使用很窄励时常使用很窄的方波的方波123第38页/共67页第39页/共67页在选层梯度脉冲后施加一相反的梯度脉冲，称为在选层梯度脉冲后施加一相反的梯度脉冲，称为180相位相位重聚焦

18、梯度（重聚焦梯度（rephasing gradient）。）。这样补偿信号幅度由于层面内质子群进动这样补偿信号幅度由于层面内质子群进动 的相位发散导致的的相位发散导致的信号幅度的降低。信号幅度的降低。相位重聚梯度脉冲又叫相位补偿脉冲，持续时间约相位重聚梯度脉冲又叫相位补偿脉冲，持续时间约1s，目的，目的导致层面内质子的相位相干。导致层面内质子的相位相干。第40页/共67页对对MRI线圈内得到的复合共振信号（由成像层面内所有质子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。同时发出）加以分辨。平面定位梯度平面定位梯度：相位编码梯度相位编码梯度 频率编码梯度频率编码梯度相位编码

19、梯度相位编码梯度：在在y方向上提供了体素的识别信息。方向上提供了体素的识别信息。频率编码梯度频率编码梯度：在在x方向上提供了体素的识别信息。方向上提供了体素的识别信息。第41页/共67页设设Gx和和Gy分别为频率编码和相位编码梯度，同时设分别为频率编码和相位编码梯度，同时设Gx和和Gy分分别位于图像矩阵的行和列方向。别位于图像矩阵的行和列方向。nx和和ny分别为矩阵的列数和分别为矩阵的列数和行数。行数。第42页/共67页|相位编码（相位编码（phase encoding）：利用相位编码梯度磁场）：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造成质子有规律的进动相位差，

20、用此相位差来标定体素空间位置的方法。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，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。该梯度就接通多少次。|在在Gy作用期间，体素所发出的作用期间，体素所发出的RF信号并不利用。因此，信号并不利用。因此，相位编码梯度又叫准备梯度。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。相位编码用来识别行与行之间体素的位置。第43页/共67页1. v1，v2和和v3分别表示相位编码方向上三个相邻的体素。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。开始有相同的相位，并

21、以相同的频率进动。3.相位编码梯度相位编码梯度Gy开启。开启。 该方向上磁化强度矢量将以不同频率进动，公式：该方向上磁化强度矢量将以不同频率进动，公式：0()yyByG越大，质子进动越快。越大，质子进动越快。编码过程编码过程0()yy yyytByG ty相位编码梯度持续时间相位编码梯度持续时间ty后，该方向上体素的进动相位后，该方向上体素的进动相位 为：为：产生的相位差产生的相位差 为：为：yy yyG t y4.在在t=ty时刻，相位编码梯度关断。此时进动频率逐渐恢时刻，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。这就是相位编码的复至原频率，但进动相位差被保留。这就

22、是相位编码的所谓所谓“相位记忆相位记忆（phase memory）”功能。功能。第44页/共67页图示：第45页/共67页施加施加GP,质子沿质子沿Y向所受磁场线性向所受磁场线性,进动频率线性进动频率线性,相相位线性位线性Gp结束后结束后,Y向磁场均向磁场均匀匀,质子进动频率一致质子进动频率一致,但线性相位保留下来但线性相位保留下来,并与并与Y向位置一一对向位置一一对应应Gp施加之前施加之前,质质子沿子沿Y向进动频向进动频率相位均相同率相位均相同第46页/共67页频率编码：频率编码：利用梯度磁场造成相关方向上个磁化矢量进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

23、的空间位置动频率的不同，并以此为根据来标记体素的空间位置。0()xBxGx与与y轴平行的各列体素的进动频率轴平行的各列体素的进动频率 为为：x频率编码频率编码第47页/共67页成像层面的成像层面的X向位置向位置采集信号经傅立叶采集信号经傅立叶变换后的频谱变换后的频谱二者一一对应二者一一对应第48页/共67页梯度回波脉冲序列梯度回波脉冲序列RF:Gs:Gp:Gro:SIG:相位编码梯度相位编码梯度,需需要反复施加要反复施加128次次,且幅度线性变化且幅度线性变化第49页/共67页MRI线圈中接收到的信号是受激层面内个体素所产生的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。信号的

24、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。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。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。换为体素空间位置的差别。第50页/共67页第51页/共67页根据信号的获取

25、形式，根据信号的获取形式，MRIMRI成像法可以分为：成像法可以分为： 点成像、线成像、面成像、体成像点成像、线成像、面成像、体成像第52页/共67页1.1.点成像法点成像法 对每个体素的对每个体素的NMR信号逐一地进行测量的成像方法信号逐一地进行测量的成像方法主要有敏感点法。主要有敏感点法。2. 2. 线成像法线成像法 一次采集一条扫描线数据的成像方法一次采集一条扫描线数据的成像方法主要有：多敏感点成像法、线扫描以及多线扫描成像法。主要有：多敏感点成像法、线扫描以及多线扫描成像法。优缺点：点线法比较简单，但信噪比优缺点：点线法比较简单，但信噪比(SNR)较低，成像时间长，基本被淘汰。较低，成

26、像时间长，基本被淘汰。3. 3. 面成像法面成像法 一次性获得整个平面信息的成像方法一次性获得整个平面信息的成像方法主要有自旋回波平面成像等。主要有自旋回波平面成像等。优缺点（回波成像）：成像时间最短，信噪比高。优缺点（回波成像）：成像时间最短，信噪比高。4. 4. 三维体积成像法三维体积成像法 在三维成像中不使用选层梯度，其选层空在三维成像中不使用选层梯度，其选层空间定位由第二个相位编码梯度来完成间定位由第二个相位编码梯度来完成该相位编码梯度的步数决定图像重建时成像容积内可划分的层面数。该相位编码梯度的步数决定图像重建时成像容积内可划分的层面数。优缺点：信噪比高，但耗时。优缺点：信噪比高，但

27、耗时。第53页/共67页信噪比信噪比对比度对比度分辨率分辨率第54页/共67页在在MRI中，图像对比度是组织体素的中，图像对比度是组织体素的NMR信号不同而形信号不同而形成的。成的。组织对比度组织对比度：11111ABABTTTCTT磁共振成像的目的磁共振成像的目的，就是通过图像处理的方法，准确无，就是通过图像处理的方法，准确无误地产生可见的图像对比度。误地产生可见的图像对比度。第55页/共67页u信噪比（信噪比（SNR或或S/N，signal to noise ratio）是信）是信号幅度与噪声幅度的比值。号幅度与噪声幅度的比值。u信噪比是衡量图像质量最重要的指标。任何增加信号信噪比是衡量图

28、像质量最重要的指标。任何增加信号强度或减小噪声水平的措施，均可使强度或减小噪声水平的措施，均可使SNR提高，提高，SNR的提高，即可加快扫描速度，又能提高图像的空间分辨的提高，即可加快扫描速度，又能提高图像的空间分辨率。率。uMRI是一种灵敏度极低的技术。尽可能提高是一种灵敏度极低的技术。尽可能提高SNR，是，是所有所有MRI设备制造商所追逐的目标之一。设备制造商所追逐的目标之一。u内部噪声源：人体和电路元件。内部噪声源：人体和电路元件。第56页/共67页（三）空间分辨率（三）空间分辨率第57页/共67页1.多参数成像，可提供丰富的诊断信息。多参数成像，可提供丰富的诊断信息。2.高对比度成像，

29、可得出详尽的解剖学图谱。高对比度成像，可得出详尽的解剖学图谱。3.任意方位断层，使医学界从三维空间上观察人体成为现实。任意方位断层，使医学界从三维空间上观察人体成为现实。4.人体能量代谢研究，有可能直接观察细胞活动的生化蓝图。人体能量代谢研究，有可能直接观察细胞活动的生化蓝图。5.不使用造影剂，可观察心脏和血管结构。不使用造影剂，可观察心脏和血管结构。6.无电离辐射，一定条件下可进行介入无电离辐射，一定条件下可进行介入MRI治疗。治疗。7.无骨伪影干扰，后颅凹病变清晰可辨。无骨伪影干扰，后颅凹病变清晰可辨。第58页/共67页T1 ContrastTE = 14 msTR = 400 msT2 ContrastTE = 100 msTR = 1500 msProton DensityTE = 14 msTR = 1500 msMRI多参数成像多参数成像第59页/共67页二）磁共振成像的缺点二）磁共振成像的缺点定量诊断困难定量诊断困难禁忌症多禁忌症多图像易受多种伪影影响图像易受多种伪影影响对钙化灶和骨皮质灶不够敏感对钙化灶和骨皮质灶不够敏感成像速度