磁共振成像(MRI)的基本原理课件

磁共振成像(MRI)的基本原理

MagneticResonanceImaging

同济医科大学附属协和医院MR室刘定西1磁共振成像(MRI)的基本原理

MagneticReson磁共振现象的发现及发展

1924年pauli在进行电在子波谱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磁共振现象的发现及发展

1924年pauli在NSRF3NSRF3T:F射频频率射频强度4T:射频频率射频强度4磁共振的应用物理化学|：利用磁共振波谱测定物质的化学结构。医学影象：磁共振成像及化学物质含量测定。5磁共振的应用物理化学|：利用磁共振波谱测定物质的化学结构。5第一节：原子及其磁特性原子的构成自旋自旋磁矩净自旋6第一节：原子及其磁特性原子的构成6原子的构成原子核核外电子质子（＋）中子核外电子（－）7原子的构成原子核核外电子（－）7原子核的运动特性自旋：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通常也称为自旋I。I为矢量。8原子核的运动特性自旋：物体沿一定方向绕自身某一轴的转动899自旋磁矩自旋粒子的磁性：带电粒子的自旋都可产生磁矩。原子核运动的自旋磁矩：每一个自旋I对应于一个磁动μ，μ=гhI：10自旋磁矩自旋粒子的磁性：带电粒子的自旋都可产生磁矩。10311311净自旋原子核的运动: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净自旋原子核的运动:自旋121H的原子核结构及特性1H原子核仅有一个质子，无中子。其磁化敏感度高，在人体的自然丰富度很高，是很好的磁共振靶核。131H的原子核结构及特性1H原子核仅有一个质子，无中子。13第二节：磁场磁场的概念均匀磁场稳定磁场交变磁场14第二节：磁场磁场的概念14磁场物质场对磁性物质的力效应磁场的强度15磁场物质场15均匀磁场大小方向恒定不变的磁场.16均匀磁场16交变磁场大小或方向呈规律性变化的磁场17交变磁场大小或方向呈规律性变化的磁场17XYBX=BsinaBY=BcosaaB(RF)18XYBX=BsinaBY=BcosaaB(RF)18第三节：磁场对样体的作用磁化:磁场对样体作用的过程。磁化强度m：样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。影响磁化率的因素：1、外层电子；2、原子核结构。19第三节：磁场对样体的作用磁化:磁场对样体作用的过程。19NSM:20NSM:20磁场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作用，即以磁场为轴垂直于磁场转动。21磁场对磁矩的作用垂直于磁场的磁矩，磁场对其以M1M222M1M222YM0B1XZ23YM0B1XZ232424自旋在磁场中的运动进动（旋进）：自旋轴绕磁场方向的圆周运动。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自旋在磁场中的运动进动（旋进）：自旋轴绕磁场方向的圆周运动。26262727量子化与平衡态量子化概念：在磁场的作用下，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下，样体达到稳定磁化的状态。是一种动态平衡。28量子化与平衡态量子化概念：在磁场的作用下，自旋只能处于两种能2929剩余自旋与净磁化剩余自旋：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=ΔB0·N/T影响M的因素：静磁场强度、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剩余自旋与净磁化剩余自旋：平衡态时，上旋态与下态自旋差。303131磁共振成像中的坐标系统XYZ32磁共振成像中的坐标系统XYZ32第四节核磁共振现象单摆共振核磁共振33第四节核磁共振现象单摆共振33单摆共振的条件系统与激发源的固有频率相同系统吸收能量内能增加F34单摆共振的条件系统与激发源的固有频率相同F34核磁共振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内能增加35核磁共振的条件激发磁场的频率与自旋系统的进动频率相等。35射频

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角θ=rB1t90°、180°脉冲，α脉冲射频对自旋磁矩的相位相干效应36射频

射频及磁特性36XYBX=BsinaBY=BcosaaB(RF)37XYBX=BsinaBY=BcosaaB(RF)37XYZM0B1射频磁场对磁矩的激发38XYZM0B1射频磁场对磁矩的激发383939射频激发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化矢量MXY。相位是矢量与参照轴间的夹角MXY横向磁化的相位相干进动40射频激发使自旋的横向磁矩相位一致MXY横向磁化的相位相干进动横向磁矩的相位XYm1m3m2MXYa41横向磁矩的相位XYm1m3m2MXYa41XYM0B1横向磁化的检测MXY42XYM0B1横向磁化的检测MXY42自旋弛豫自旋弛豫：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自旋弛豫自旋弛豫：自旋系统由激发态恢复到其平衡态的过程。可分4444纵向弛豫的机理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纵向弛豫的机理波动的晶格磁场是一个连续频率的影响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状态：液态快、固态慢。晶格的温度：低快，高慢。周围大分子结构：加快。磁场强度：低场快，高强慢46影响纵向弛豫的因素组织特异性：中等大小分子快，小分子及大分子纵向弛豫特征时间常数T1T1：射频激发停止后，纵向磁化弛豫至其平衡态值的63%时所经历的时间。MZ=M0(1－e-t/T1)T1的物理学意义：弛豫周期。47纵向弛豫特征时间常数T1T1：射频激发停止后，纵向磁化弛豫至纵向磁化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。也称为T1对比。48纵向磁化对比由于各种组织的T1不同，在纵向弛豫过程中，不同时T1加权图像图像的对比主要依赖T1对比称为T1加权（权重）图像。T1weightedimage49T1加权图像图像的对比主要依赖T1对比称为T5050T1图像

T1Image每一个像素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。51T1图像

T1Image每一个像素的亮度表示其所对应的构人体正常组织的T1值52人体正常组织的T1值52由于磁场的不均匀性，自旋的进动频率不同，当RF停止后，横向磁矩间很快出现相位弥散（相位不相干、去相位）进动，使横向磁化矢量逐渐消失。横向弛豫的机理53由于磁场的不均匀性，自旋的进动频率不同，当RF停止后，横向横向弛豫特征时间常数T2T2：射频激发停止后，横向磁化弛豫至其平衡态值的37%时所经历的时间。MXY=M0e-t/T2T2的物理学意义：弛豫周期。54横向弛豫特征时间常数T2T2：射频激发停止后，横向磁化弛豫至55555656影响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。周围大分子结构：加快。无磁场强度依赖性。57影响横向弛豫的因素组织特异性：大小分子快，小分子慢。57横向磁化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。也称为T2对比。58横向磁化对比由于各种组织的T2不同，在横向弛豫过程中，不同时T2弛豫图59T2弛豫图59T2加权图像图像的对比主要依赖T2对比称为T2加权（权重）图像。T2weightedimage60T2加权图像图像的对比主要依赖T2对比称为T2T2图像

T2Image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，这种图像称为T2图像。61T2图像

T2Image每个像素的亮度对应于其所代表的构成人体正常组织的T2值62人体正常组织的T2值62T2′弛豫：由于磁体磁场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/T2′＋1/T2T2*加权图像：图像的对比主要依赖于T2*对比63T2′弛豫：由于磁体磁场本身的不均匀性而产生的横向磁化的快速第六节:MR信号的产生及种类FID信号产生SE信号产生方法及原理刺激回波产生及性质梯度回波产生及原理64第六节:MR信号的产生及种类FID信号产生64FID信号电磁感应原理横向磁化的感应信号V=Mxy·cos·ωt激发角度为θ,则Mxy=M0·sinθ·e-t/T2*VFID∝M0sinθ·cosωt·e-t/T2*FID信号的衰变:自旋相位相干、重聚、去相位65FID信号电磁感应原理65自由感应衰减信号(FID)66自由感应衰减信号(FID)66SE信号产生方法及原理回波180°脉冲的去T2′效应及SESE的特性67SE信号产生方法及原理回波67自旋回波信号（SE）68自旋回波信号（SE）686969707071717272SE信号的特点消除了T2’效应信号幅度大可用于T1、T2加权成像信号幅度随T2衰减73SE信号的特点消除了T2’效应73梯度回波及原理梯度磁场的去相位效应反相梯度磁场的聚相位效应梯度回波GE74梯度回波及原理梯度磁场的去相位效应747575TG76TG767777梯度回波信号GRE78梯度回波信号GRE78刺激回波及性质连续α脉冲的作用:相位累积效应。刺激回波的性质：自旋回波。900900aaa79刺激回波及性质连续α脉冲的作用:相位累积效应。900900a第七节MR图像重建原理一维傅立叶变换重建(反投影)二维傅立叶变换重建(K-空间数据重建)80第七节MR图像重建原理一维傅立叶变换重建(反投影)80傅立叶变换将时间——强度的信号关系变换为频率——强度的信号关系。这种数学变换模式称为傅立叶（Fouriertransform)变换。81傅立叶变换将时间——强度的信号关系变换为频率——强度的信号关1DFT重建梯度与梯度磁场层面选择及相关因素Δω=γGz·ΔD体素的频率编码及投影821DFT重建梯度与梯度磁场8212345678983123456789838484空间频率与K-空间

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空间频率与K-空间

空间频率：是指波动性信号在一定方向上单位空间频率与K-空间的关系任何一个具有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表一个空间频率。K=Kx+ky+kzK2=Kx2+Ky2+Kz2K2=Kx2+Ky2(二维、方向由Kx、Ky决定)86空间频率与K-空间的关系任何一个具有空间频率的信号都对应于K梯度磁场与磁共振信号的空间频率的关系梯度磁场强度与时间的累积效应称为梯度动量（GradientMoment），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梯度磁场与磁共振信号的空间频率的关系梯度磁场强度与时间的累积一维梯度动量效应

----产生一为维空间频率信号GyΔtKy=1/fov88一维梯度动量效应

----产生一为维空间频率信号GyΔtKy一维梯度动量产生的具有一维空间频率的磁共振信号GytKy信号区无信号区89一维梯度动量产生的具有一维空间频率的磁共振信号GytKy信号二维梯度动量产生旋转（二维）空间频率信号GytGxtK=Kx+Ky90二维梯度动量产生旋转（二维）空间频率信号GytGxtK=Kx二维梯度动量效应

---产生二维空间频率信号由K2=Kx2+Ky2(二维-空间)可见：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。91二维梯度动量效应

---产生二维空间频率信号由K2=Kx2+2DFT重建黑白图像的产生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922DFT重建黑白图像的产生92MRI基本序列自旋回波采集（SpinEcho）梯度回波采集(GradientEcho)反转恢复采集(Inversionrecovery)部分饱和采集(PartialSaturation)刺激回波采集(Steam)93MRI基本序列自旋回波采集（SpinEcho）93磁共振各种特殊成像技术磁共振血管造影技术(MRA)时间飞跃法(Timeofflight)相位对比法(Phasecontrast)幅度对比法(Magnitudecontrast)对比剂增强法(Contrastenhance)94磁共振各种特殊成像技术磁共振血管造影技术(MRA)94MRI心电门控技术心电门控触发肢端脉搏触发回顾性心电门控95MRI心电门控技术心电门控触发95磁共振水成像技术MRCPMRUMRMMRDMRS96磁共振水成像技术MRCP96MRI造影剂T1造影剂—GD-DTPA（二乙烯三厂五乙-酸钆）T2造影剂---SPIO(超顺磁氧化铁)97MRI造影剂T1造影剂—GD-DTPA（二乙烯三厂五乙-酸MRI呼吸触发技术呼吸门控呼吸补偿98MRI呼吸触发技术呼吸门控98磁共振饱和成像技术频率饱和幅度饱和化学位移饱和磁化传递饱和99磁共振饱和成像技术频率饱和99磁共振电影心脏运动电影关节活动电影三维结构转动显示电影100磁共振电影心脏运动电影100功能成像技术弥散成像灌注成像脑活动功能成像101功能成像技术弥散成像101第八节：磁共振系统的构成磁体及主磁场梯度系统射频系统计算机系统102第八节：磁共振系统的构成磁体及主磁场102103103磁体永磁体超导磁体常导磁体104磁体永磁体104梯度梯度系统构成梯度系统的作用105梯度梯度系统构成105射频系统RF线圈RF放大器RF接受放大器屏蔽106射频系统RF线圈106计算机系统A-D转换器阵列处理机用户计算机107计算机系统A-D转换器107MRI的图像质量参数108MRI的图像质量参数108MR图像特征指标及评价方法SNRC/CNRR、RsA(artifact)109MR图像特征指标及评价方法SNR109SNR噪声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/N110SNR噪声的概念及主要来源110影响SNR因素设备因素（B0、线圈、梯度）选择序列及参数技术影像参数SNR=ρΔV111影响SNR因素设备因素（B0、线圈、梯度）111C对比度