MRI的成像基本原理与设备课件

磁共振成像简介

磁共振成像：是利用原子核在磁场内共振所产生的信号经重建成像的一种成像技术。核磁共振（nuclearmagneticresonance,NMR）是一种物理现象。早在1946年Block与Purcell就报道了这种现象并应用波谱学。Lauterbur1973年发表了MR成像技术，使核磁共振不仅用于物理学和化学，也应用于临床医学领域。近年来，核磁共振成像技术发展十分迅速，检查范围基本上覆盖了全身各系统。为了避免与核素成像混淆，现改称为磁共振成像。第一节

MRI的成像基本原理与设备图1:质子具有自旋性，所以质子的电荷也在运动。运动的电荷为电流，并能产生磁场。因此质子有自己的磁场，可将其看作一个小磁棒。※质子带正电荷，它们像地球一样在不停地绕轴旋转，并有自己的磁场。众所周知，氢原子核内只有一个质子，尽管生物组织中有磁性的元素约百余种，但现今MRI成像技术中，使用最多的为1H。原因：1、1H为磁化最高的原子核。2、占活体组织原子数量的2/3。

※形成MRI图像的1H原子大部分位于生物组组织的水和脂肪中，因此可以说—MRI成像的组织基础是水的含量。2.氢原子3.强大外加磁场中的生物组织(1)生物组织中的质子沿外磁场方向排列，平行或反平行。质子沿着磁场的磁力线运动（就像一个旋转的陀螺沿地球的重力场运动一样）。图2:正常情况下，质子处于杂乱无章的排列状态。当把它们放入一个外磁场中，就会发生改变。它们仅在平行或反平行于外磁场两个方向上排列。

图4:在外磁场中质子并不是静止地平行或反平行于磁力线。而是沿着外磁场磁力线运动。这种运动形式称为“进动”（precession)，进动的速度用进动频率来测量即质子每秒进动多少次。进动频率不是一个常数，场强越强进动频率越高。(2)射频脉冲(radiofrequencypulse,RF)定义：与质子进动频率相同的一个短促的电磁波。目的：是要扰乱沿外磁场方向宁静进动的质子，改变它们的排列状态。(3)纵向磁化减少

①当RF脉冲引起质子共振后,将能量传递给质子。②原来与主（外）磁场平行的质子（低能态）吸收能量后处于反平行状态。结果：纵向磁化减少（4）横向磁化（新产生的磁矢量）射频脉冲引起质子同步，同进动而产生。

图6:RF脉冲对质子产生两种效应：①它把一些质子升到较高的能级水平（它们指向下方）②它引起质子同步、同相运动。前者导致Z轴，即纵向磁化减少，后者在X-Y平面上产生一个新的磁化（→）即横向磁化，它随着进动的质子而运动。(5)纵向弛豫时间(longitudinalrelaxationtime)T1：射频脉冲后纵向磁化恢复到原来数值所经历的时间。

图7:RF脉冲中断后，质子从高能态返回低能状态，即重新指向上方图中“一个接一个地”画出来，结果纵向磁化增加，恢复到原来数值。图8:在RF脉冲中断后，质子失去相位一致性，失去同步化。当您从上面整体地来看这些失相位的质子时，就会看到质子逐渐呈扇形散开。指向同一方向越来越少，因而横向磁化减少。4.组织的T1与T2

不同组织的T1与T2时间不一样，以此来产生不同的MR信号。不同组织T1弛豫时间组织T1（毫秒）脂肪180肝脏270肾皮质360脑白质390脾脏480脑灰质520肌肉600肾髓质680脑脊液2000水2500组织的T2弛豫时间不同组织的T2弛豫时间也不同，射频脉冲结束后，T2弛豫短的组织丧失其横向磁化，明显快于T2弛豫时间长的组织。二、MRI设备MRI设备：1.磁体2.梯度线圈3.供电部分4.射频发射器5.MR信号接受器6.用户操作系统图9：MRI设备基本结构示意图1.磁体：产生磁场是MR成像系统的核心分类:(1)常导型：线圈用铜、铝绕成，磁场强度最高可达0.15-0.3T。(2)超导型：线圈用铌-钛合金线绕成，磁场强度最高可达0.35-2.0T，用液氦和液氮冷却。(3)永磁型：用磁性物质制成的磁砖组成，较重磁场强度偏低，最高达0.3T。主要技术指标：磁场强度，均匀性和稳定性，并影响图像质量。3.射频发射器与MR信号接受器：统称射频系

统或射频线圈

一般概念：MR成像系统通过射频线圈发射电磁波对人体组织进行激发，人体组织的MR信号也是通过射频线圈被检测。在MRI中，同一射频线圈可在序列周期内不同的时间分别执行发射和接受两种任务，即是发射线圈又是接受线圈。4.用户操作系统分类：(1)成像操作系统（又称操作员系统）主要功能是数据采集和影像重建。影像重建是通过指令在专用的阵列处理器中进行。(2)影像分析系统（又称医生系统）主要功能是影像显示和诊断分析。组成:这两个系统由计算机和计算器终端组成。第二节

MRI图像特点1、灰阶成像具有一定T1、T2差别的各种组织，包括正常与病变组织转为模拟灰度的黑白影。2、流空效应心血管内的血液由于流动迅速，使发射MR信号的氢原子核离开接收范围之外，所以测不到MR信号在T1WI和T2WI中均呈低信号，称为流空效应（flowingvoideffect)。图10：人体断面，有一个血管横贯穿其中。当施加第一个90°脉冲时，该层面上的所有质子都受到无线电波的影响。中止RF脉冲后，记录该层面的信号。此时，原来血管内的血液已离开了受检层面，因此，没有来自血管的信号，在图上呈黑色。3、三维成像MRI可获得人体横断面、冠状面、矢状面及任何方向断面的图像，有利于三维定位，一般CT则难于做到直接三维显示，需采用重建的方法才能获得冠状面和矢状面以及三维重建立体像。则可使器官及病变成像的方法。4、有关MRI图像的几个概念（1）T1加权像（T1Weightedimage,T1WI)主要反映组织间T1特征参数的MRI图像。（2）T2加权像（T2Weightedimage,T2WI)主要反映组织间T2特征参数的MIR图像。注意：MRI成像时一个层面可有T1WI和T2WI两种扫描成像方法，分别获得同一层面这两种图像有助于显示正常组织和病变组织。T1WI有利于观察解剖结构。T2WI则对显示病变较好。MRI影像虽然也以不同灰度显示，但反映的是MR信号强度的不同或弛豫时间的长短，而CT图像灰度反映的则是组织密度。5、信号强度公式I=Hf(V)(1-e-TR/T1)(e-TE/T2)I

—信号强度TR—脉冲间隔时间H—质子密度TE—自旋回波时间T1和T2—弛豫时间e—自然对数f(V)—流体速度的函数说明：如检查物为同一部位的组织，H、f(V)为常数，信号强度取决于TR、TE、T1、T2，这些变量从公式中可看出，T1或TE增加时I值变小，反之I值变大。T2或TR增大时I值增大，反之I值变小。不同的组织H和T1、T2

不同，当使用不同的TR、TE脉冲序列时就产生了不同组织的MR信号。6、正常组织的MRI图像特点

脂肪和骨髓组织脂肪和骨髓组织有较高的质子密度，且这些质子具有非常短的T1值和长的T2值。根据信号强度公式，脂肪和骨髓组织在T1WI和T2WI时均为高信号，呈白色。肌肉组织肌肉组织所含的质子密度明显少于脂肪和骨髓组织，且具有较长的T1和较短的T2弛豫时间。根据信号强度公式，T1的增加和T2的减少均使MR信号减小，所以肌肉组织在T1WI信号强度较低，呈灰黑色。T2WI信号强度增加不多，呈中等灰黑色。骨骼组织①骨皮质——所含质子密度很少，根据信号强度公式在H值趋向于0时，I值主要按H值的变化而改变。所以较少受到TR、TE、T1、T2的影响。骨皮质MR信号非常弱，无论在T1WI和T2WI时均为黑色。②钙化软骨——其质子密度和MR信号均与骨皮质相似，无论在T1WI和T2WI时均为黑色。③纤维软骨——其组织内的质子密度明显高于骨皮质和钙化软骨，且组织具有较长T1和较短T2值，故在T1WI和T2WI像上信号强度不高，呈中低灰色影。④透明软骨——其组织内含有75-80%水分，具有较大的质子密度，并且有较长T1和T2值。在T1WI像上因T1值较长信号强度较低，而在T2WI像上，因T2值较长，信号明显增加，呈较白的影像。淋巴结质子密度较高，且具有较长的T1和较短的T2值。根据信号强度公式，质子密度高，信号强度较高，但在T1WI时因其长T1特点，信号强度增加不多。呈中等信号，在T2WI像上因其T2值不长。信号强度也增加不多，呈中等灰色影像。流动血液血管内流动的血液在MR扫描时其信号强度与其流速有关。具有“流动效应”。因而在T1WI、T2WI像上均呈低信号。但是如果TE（回波时间）长，血管内有涡流存在，可出现“高信号”，此外，因层流现象存在，（即血管中心部血流速度均比周边快）因而在血管的截面上，信号强度有差别。气体氢质子密度最小，根据信号强度公式，当H趋向于零时，MR信号强度也趋向于零。因此，无论在T1WI、T2WI像上气体均呈黑色无信号区（在MR像中最低的信号强度）。水众所周知水的质子密度极高。且具有长T1和长T2值，所以在T1WI像上水呈低信号为黑色。在T2WI像信号强度明显增加，呈白色。主要观察正常骨髓脂肪肌肉骨皮质图12：右膝关节及胫骨上端矢状位，T1WI图像主要观察正常骨髓脂肪肌肉骨皮质图13：右膝关节及胫骨上端矢状位，T2WI图像主要观察脂肪骨髓脑脊液肌肉脊髓椎间盘图14：腰胝椎矢状位，T1WI图像主要观察脂肪骨髓脑脊液肌肉脊髓椎间盘图15：腰胝椎矢状位，T2WI图像主要观察脂肪骨髓脑脊液肌肉脊髓椎间盘图16：腰胝椎矢状位，脂肪抑制图像主要观察正常关节软骨图17：右膝关节矢状位，FFE序列主要观察正常关节软骨图18：右膝关节轴位,FFE序列主要观察气体淋巴结图19：胸部轴位,T1WI图像主要观察气体淋巴结图20：胸部轴位,T2WI图像主要观察气体淋巴结图21：胸部冠状位,T1WI图像主要观察气体淋巴结图22：胸部冠状位,T2WI图像主要观察气体淋巴结图23：正常胸部轴位,T1WI图像7、病理组织的MRI图像特点水肿：无论何种原因所致的水肿，如：血管、中毒、外伤。也无论是实质性或间质性。组织水肿均会引起局部液体量增多。水中有极高的质子密度且有长T1和长T2值，因此T1WI像上为低信号（黑色），T2WI为高信号（白色）。出血MR表现极为复杂，其影像改变与出血的部位、时间有关1-3天内（急性期）：细细胞的血红蛋白仍为脱氧血红蛋白，而脱氧血红蛋白无明显顺磁作用。不使T1缩短，所以T1WI像上不表现高信号。但可使T2缩短，在T2WI像上可表现稍低于周围组织的信号强度。此期，水肿仍较明显。3-14天（亚急性期）：此期红细胞容解破坏。脱氧血红蛋白被氧化成高铁血红蛋白。后者有明显缩短T1值，延长T2值的作用，故在T1WI和T2WI像上呈现高信号。此期水肿仍存在。14天（慢性期）：此期高铁血红蛋白进一步氧化的半色素。同时由于巨噬细胞吞噬作用，使含铁血黄素沉着于血肿周边。这些物质系非顺磁性物质，使T2值明显缩短，因此在血肿周边出现低信号影像环带。余部仍为高信号。随时间延长，血肿逐渐吸收，T1WI像上信号强度逐渐减弱，T2WI像上由于含铁血黄素沉积也呈低信号。变性不同组织变性机制不同，故MR信号表现不一脑组织：脑组织变性中一种称为多发性硬化的病症。系脑组织过早脱髓鞘改变，变性部分水分增加。T1和T2值延长，出现T1WI低信号、T2WI高信号改变。椎间盘：椎间盘变性时，富含蛋白质和水分的弹性间盘组织、水分减少，组织内的质子密度减少。因而在T1WI和T2WI像上变性的间盘信号强度降低，呈现低信号。坏死坏死组织的MR信号强度，依组织类型和坏死内容物不同而不同。原则上，坏死组织水分增多，组织的T1和T2值延长。

肉芽组织：机体对坏死组织的清除和修复，多形成肉芽组织，其内包括大量的良性血管和纤维结缔组织。质子密度较正常组织高，具有长T1和T2值特点。

慢性纤维结缔组织：（部分肉芽组织修复后）其质子密度较新鲜肉芽组织明显减少。致T2值缩短，因此在T1WI、T2WI像上均呈低信号。钙化部分组织修复的结果为钙化，其它如肿瘤组织钙化等。钙化组织内质子密度非常少，MR信号无论在T1WI和T2WI像上均为低信号。囊变为一种较特殊的病理改变。囊内容物可大体分为二种：一种富含有纯水分。另一种富含蛋白质水分。

富含纯水分的囊变（自由水）：具有长T1和T2值，MR信号与水肿相同。富含蛋白质水分（结合水）：其水分子受大分子蛋白质的吸引作用，而进入水化层时，其T1的弛豫时间达不到单纯水的长度。所以T1WI像上信号有所增加，呈中等到高信号，T2WI像上为较高信号。肿瘤病理组织成份复杂，MR信号强度变化不一。其信号改变与肿瘤的组织结构有关，如含有脂肪的脂肪瘤或脂肪肉瘤，呈脂肪信号。含有钙化或骨化组织的肿瘤，信号在T1WI、T2WI均为低信号强度，等等。但一般来讲肿瘤的质子密度较正常组织高。T1值延长不明显，而T2值明显延长，因此在T1WI上呈中等信号T2WI像上呈高信号强度。图24：颅脑轴位，经半卵圆中心层面，T1WI图像左顶叶约4.75.67cm类圆形病灶，呈等T1信号，病灶前方可见指状长T1水肿信号（左枕叶脑膜瘤）。图25：颅脑轴位，经半卵圆中心层面，T2WI图像左顶叶约4.75.67cm类圆形病灶，呈长T2信号，病灶前方可见指状长T2水肿信号（左枕叶脑膜瘤）。图26：颅脑轴位，经半卵圆中心层面，T1WI增强图像左顶叶约4.75.67cm类圆形病灶，明显强化，病灶前方水肿区不强化（左枕叶脑膜瘤）。图27：颅脑轴位，经基底节区层面，T1WI图像右侧外囊，1.05.0cm，长带状短T1，高信号病灶（右外囊慢性血肿）。图28：颅脑轴位，经基底节区层面，T2WI图像右侧外囊，1.05.0cm，长带状长T2高信号病灶，周边可见短T2低信号环（右外囊慢性血肿）。图29：颅脑轴位，经半卵圆中心层面，T1WI图像左额顶叶交界区，4.03.4cm，等长T1病灶（左额顶交界区慢性血肿）。图30：颅脑轴位，经半卵圆中心层面，T2WI图像

左额顶叶交界区，4.03.4cm，长T2病灶，周周边可见短T2低信号环。病灶前方可见长T2水肿区（左额顶交界区慢性血肿）。图31：颅脑轴位，经半卵圆中心层面，T1WI图像可见半卵中心斑片状、点状、长带状，长T1低信号改变（脱髓鞘改变）。图32：颅脑轴位，经半卵圆中心层面，T2WI图像可见半卵中心斑片状、点状、长带状，长T2高信号改变（脱髓鞘改变）。图33：颅脑轴位，经半卵圆中心层面，T2WI/FLAIR图像可见半卵中心斑片状、点状、长带状，长T1、T2信号区，呈FLAIR高信号（脱髓鞘改变）。图34：腰椎矢状位，正中侧面T1WI图像见腰3