医学磁共振成像MRI设备与应用

1、医学磁共振成像设备及应用，教学目标：熟悉磁共振成像的主要组成部分及其功能和作用；掌握磁共振成像图像的特点、优缺点，以及在全身各系统疾病检查诊断中的应用价值和选择原则；了解磁共振成像主要新技术的进展和应用。本章内容：6.1磁共振成像系统简介6.2磁共振成像检查的临床应用6.3磁共振成像检查的优缺点6.4磁共振成像设备的新技术进展6.1.1磁共振成像设备的发展6.1.2磁共振成像设备的功能6.1.1磁共振成像设备的磁共振成像性能指标6.1.1磁共振成像设备的发展磁共振成像技术是在磁共振波谱的基础上发展起来的磁共振成像被称为：核磁共振成像、自旋断层成像、核磁共振断层成像、核磁共振CT等。1945年，

2、加利福尼亚斯坦福大学的布洛赫教授和马萨诸塞州哈佛大学的珀塞尔教授同时发现了磁共振的物理现象，即当某个静态磁场中的原子核受到相应频率的电磁波作用时，它们的核能级之间发生共振跃迁。因此，这两位教授共同获得了1952年诺贝尔物理学奖。磁共振的物理现象被发现后，一个新的医学成像部门磁共振波谱很快就形成了。1971年，纽约州立大学的Damadian教授在杂志科学上发表了题为“核磁共振信号可以检测疾病”和“癌症组织中氢的T1时间延长”的论文。1973年，曼斯菲尔德发展了脉冲梯度法来选择成像断层。1974年，英国科学家成功开发了一种组织内磁共振波谱仪。1975年，恩斯特开发了一种相位编码成像方法。1976年

3、，获得了第一幅人体(活体手指)磁共振图像。1977年，磁共振成像技术进入了断层成像的实验阶段。几十年来，磁共振研究在三个领域(物理、化学、生理或医学)获得了六项诺贝尔奖。6.1.2磁共振成像设备的功能现代磁共振成像系统在总体结构上是相似的，基本上由四个系统组成：磁体系统、梯度磁场系统、射频系统和计算机系统。磁体系统是磁共振成像系统中最重要、最昂贵的部件，也是磁共振系统中最强的磁场。通常，我们认为磁共振设备的尺寸是指静态磁场的场强，单位是特斯拉(T)或高斯，1t=10，000高斯。临床磁共振成像要求磁场强度在0.05 3t范围内。一般来说，0.3T称为低场，0.3T1.0T称为中场，大于1.0T

4、称为高场。磁场强度越高，信噪比越高，图像质量越好。然而，高磁场强度也带来一些不利因素。为了获得具有不同场强的磁体，制造商已经生产了不同类型的磁体。普通磁体包括永久磁体、永久磁体和超导磁体。(1)永磁体永磁体由永磁体(如铁氧体或铷铁)制成。有两种主要结构，即环型和轭型。优点是：成本低，场强可达0.3T，高质量图像生成，所需功率小，维护成本低，安装在相对较小的房间内。缺点是：磁场强度低，磁场均匀性和强度不稳定，易受外界因素(尤其是温度)影响，不能满足临床光谱研究的需要。(2)恒定磁导率磁体根据电流产生磁场的原理设计恒定磁导率磁体。当电流通过圆形线圈时，导线周围会产生磁场。通常导电磁体的线圈由高导电

5、金属线或片制成。它的结构主要由各种线圈组成。优点：成本低，不使用时断电，在0.2T以下可以获得更好的临床图像。缺点是磁场的不稳定性主要受电源电压波动的影响，均匀性差。此外，它很容易受到环境因素(如温度、线圈绕组的位置或尺寸)的影响。(3)1911年，超导磁体荷兰科学家卡姆灵昂内斯首次发现了某些物质的超导性，这些物质的电阻在超低温下会急剧下降到零。电阻的突然消失意味着物质变成了一种新的状态，这些物质被称为超导体。科学家安尼斯获得了1913年诺贝尔物理学奖。具有场强高、稳定性和均匀性好的优点，可以开发更多的临床应用功能。缺点是：工艺复杂，成本高。梯度磁场系统梯度磁场简称梯度场。梯度是指磁场强度根据

6、其磁场的位置(距离)而变化，其产生由梯度线圈完成，梯度线圈通常沿X、Y和Z方向放置在主磁体空间中。GX、格雷和GZ三组梯度线圈叠加在静磁场的磁层中。当线圈通电时，静态磁场中会形成梯度变化。射频是一种以正弦波振荡的无线电波。磁共振系统使用的频率相对较低，相当于调频广播的调频波段，其射频频率因静磁场强度不同而不同。射频系统功能：用于传输射频磁场，刺激样品磁化产生磁共振，同时接收样品磁共振发出的信号，经过一系列处理得到数字化的原始数据，并发送给计算机进行图像重建。它由射频磁场发射部分和射频信号接收部分组成。计算机系统在磁共振成像设备中，计算机系统包括各种规模的计算机、单片机和微处理器，构成磁共振成像

7、设备的控制网络。在信号处理系统中，可以使用高级微机进行信号预处理、快速傅里叶变换和卷积反投影。微机系统负责信息调度(如人机交互)和系统控制(如控制梯度磁场和射频脉冲)。(1)主计算机系统及其功能：主要控制用户与磁共振系统之间的通信，负责控制整个系统各部分的运行，以协调整个成像过程中各部分的动作，产生所需的高质量图像。通过运行扫描软件，可以满足用户的所有应用需求，如扫描控制(控制梯度磁场和射频脉冲)、患者数据管理、图像存档、控制图像重建和显示、图像评估和机器检测(包括自检)等。组成：主机、磁盘存储器、光盘存储器、控制台、主图像显示器(主诊断站)、辅助图像显示器(辅助诊断站或工作站)、图像硬拷贝输

8、出设备(多摄像机、激光摄像机)、网络适配器、测量系统接口组件等。主图像显示器也是控制台的一部分，用于监控机器的扫描和运行状态。(2)主机系统中运行的软件从物理角度看，整个磁共振成像系统可以分为四层：用户层、计算机层、接口层和测量系统。从控制的角度来看，它可以分为两层：软件和硬件。应用软件通过操作系统等系统软件与主机相连，以控制整个磁共振设备的运行。如图所示。1)系统软件系统软件用于管理、维护、控制和操作计算机本身，以及用于翻译、加载和维护计算机程序的程序组。系统软件分为三个模块：操作系统(系统软件的核心)、语言处理系统和日常服务程序。2)应用软件应用软件是指为特定应用目的而专门设计的程序组。在

9、磁共振成像系统中，运行的应用软件是磁共振成像软件包。软件包中的模块通常包括患者信息管理、图像管理、扫描和扫描控制(应用软件的核心)、系统维护、网络管理、主控程序等。3)信息(3)图像重建图像重建是一个极其复杂的信号处理过程，必须在复杂而严格的程序软件控制下进行。图像重建的本质是对原始数据的高速数学运算(包括累积平均去噪、相位校正、傅里叶变换等)。)。图像重建可以通过软件和硬件来完成，软件重建的速度比硬件慢。(4)在图像重建完成之后，获得表示图像的每个点的不同亮度的一组数据。这些图像数据被立即发送到主计算机系统的大容量存储器或硬盘，并在人们看到之前以图像的形式输出。电子视频显示系统是最成熟、最流

10、行的显示方式，液晶显示是目前最流行的显示方式。图像的显示不限于当前患者，在会诊或回顾性研究期间有必要调出以前患者的图像。6.1.3磁共振成像设备的磁共振成像性能指标。本节介绍磁共振成像设备的主要性能指标，包括主磁体、梯度磁场和射频线圈。(1)磁场强度磁共振设备的磁场强度是指静态磁场的场强，用特斯拉(简称T)或高斯表示，1t=10，000高斯。(2)磁场均匀性所谓的磁场均匀性是指在特定体积(通常是球形空间)范围内的磁场一致性程度，即通过单位面积的磁感应线是否相同。(3)磁场稳定性磁场的稳定性有两种：时间稳定性和热稳定性。时间稳定性是指磁场随时间变化的程度。磁场随时间变化，导致相位差和图像伪影。热

11、稳定性是指磁场值随着环境温度的变化而漂移的程度。永磁体和常导磁体的热稳定性差，而超导磁体的时间稳定性和热稳定性能满足要求。(4)有效孔径有效孔径是指梯度线圈、匀场线圈、射频体线圈和内护板安装后获得的空间。对于全身磁共振成像设备，磁体的有效孔径应足以容纳人体。一般来说，内径应该大于65厘米。小光圈会让病人感到幽闭恐怖症。过去几年出现的开放式磁体使患者躺在半开放式检查床上，没有幽闭恐怖症，可以进行磁共振介入治疗项目。(5)磁场逃逸度大的主磁体周围形成的逃逸磁场称为逃逸度。它的危害是对附近的铁磁性物体有很强的吸引力，并在不同程度上损害、干扰和破坏人类健康和医疗仪器设备。耗散度的度量是对磁体采取各种有

12、效的屏蔽措施。2.梯度磁场的性能指标(1)有效体积(梯度场的均匀体积)有效体积是指线圈所包围的空间面积，其梯度场能够满足一定的线性要求。(2)梯度场线性度梯度场线性度是衡量梯度场平稳性的一个指标。线性越好，梯度场越精确，图像质量越好。(3)梯度场强度梯度场强度是指梯度场能达到的最大值。与主磁场相比，梯度磁场相当弱。当梯度场强时，磁场梯度可以更大，并且可以在超薄层上进行扫描。(4)梯度场变化率和梯度上升时间梯度场变化率是指单位时间内梯度场变化的程度，即最大梯度与上升时间的比值，也称为梯度切换率。梯度上升时间是指梯度场达到某一预定值所需的时间。随着梯度上升性能的改善，可以开发更快的成像序列。(5)

13、梯度场占空比是指一个成像周期内梯度场工作时间的百分比。成像周期是指磁共振成像设备采集数据一次所需的时间，即脉冲序列执行一次所需的时间。梯度场的占空比与成像层数有关。成像层越多，占空比越高6.2磁共振成像检查的临床应用6.2.1中枢神经系统检查6.2.2颈部检查6.2.3胸部检查6.2.4腹部检查6.2.5骨盆检查6.2.6骨骼肌和关节检查，T1和T2: T1和T2是在一定时间间隔内接受一系列脉冲后组织的物理变化特征，不同的组织有不同的T1和T2。TR和TE: TR是重复时间，即射频脉冲的间隔时间，TE是回波时间，即从施加射频脉冲到接收信号的时间，TR和TE的单位是毫秒(ms)，可以分别制作代表

14、组织的T1或T2特征的图像(T1加权图像或T2加权图像；通过设置成像参数，还可以获得同时具有T1和T2特性的图像，这被称为质子密度加权图像。T1加权图像和T2加权图像：可以区分观察图像的te和TR值。te可以短至20毫秒，长至80毫秒，TR可以短至600毫秒，长至3000毫秒.短T1和短TR是T1加权图像，而短T1和短TR都是T2加权图像，而短T1和短TR是质子密度加权图像。观察流体结构，如脑室、膀胱或脑脊液，如果流体是亮的，可能是T2加权像，如果流体是暗的，可能是T1加权像。磁共振成像的常见成像序列和检查方法：磁共振图像是通过特定成像序列扫描获得的。目前，自旋回波序列是临床上最常用的序列。通

15、过改变序列中的TR(射频重复时间)和TE(回波时间)，可以分别获得质子密度、T1和T2的加权图像，三种不同成像参数的加权图像各代表组织的三种不同磁共振特征，从而区分正常组织和识别病变。磁共振造影剂的类型和适应症：(1)类型：1。顺磁性阳性造影剂。常用的有钆-DTPA(镁县；磁性葡甲胺)等。其功能主要是缩短T1，在T1加权图像上显示高信号。2.超顺磁材料。常用的是纳米氧化铁颗粒(SPIO)等。它的功能主要是缩短T2，并且是T2加权图像上的低信号。(2)适应症：1。某些肿瘤的鉴别诊断。2.确定血脑屏障是否被破坏。3.提高病变检出率。对病人进行核磁共振检查时，必须避免带有顺磁性材料的物品，如手表、金

16、属项链、假牙、金属纽扣、金属避孕环等。因为这些带有顺磁性材料的物品会在图像中产生大的非信号伪像，这不利于病变的显示。装有心脏起搏器的病人禁止做核磁共振检查。对于体内残留金属弹片、手术后遗留银夹、金属内固定板、假关节等的患者。磁共振成像检查应谨慎，必要时应进行严密观察。如果患者有局部不适，应立即停止检查，以防弹片、银夹等。避免在强磁场中运动，从而损伤邻近的大血管和重要组织。磁共振成像检查的禁忌症：患者配备有磁敏感物质或装置，这些结构的运动或功能丧失将导致不良后果。例如：1 .心脏起搏器；2.耳蜗植入物；3.一些人造心脏瓣膜；4.骨生长刺激器和神经刺激器；5.动脉夹或环；6.金属结构(框架周围)；

17、7.一些假肢。磁共振成像检查的禁忌症：患者配备有磁敏感物质或装置，这些结构的运动或功能丧失将导致不良后果。例如：1 .心脏起搏器；2.耳蜗植入物；3.一些人造心脏瓣膜；4.骨生长刺激器和神经刺激器；5.动脉夹或环；6.金属结构(框架周围)；7.一些假肢。1的应用。磁共振成像在诊断脑肿瘤、脑炎、脑白质病变、脑梗塞、先天性脑异常等方面比CT更敏感。颅底和脑干病变显示更清晰，无伪影。磁共振成像可以显示没有造影剂的脑血管，并发现是否有动脉瘤和动静脉畸形。核磁共振成像也可以直接显示一些脑神经，并且可以发现这些神经上的早期病变。磁共振成像是先天性中枢神经系统疾病的最佳成像方法。脑膜瘤破坏颅骨，左听神经瘤，图6.10 (A E) AB是左