磁共振成像原理

1、核磁共振成像原理NuclearMagneticResonanceImaging,NMRI,主讲：易三莉生物医学工程专业信息工程与自动化学院昆明理工大学,教材：核磁共振成像原理熊国欣科学出版社2007年第一版,辅导材料：1、MRI基础尹建中译天津科技翻译出版公司2004年2、MRI原理与技术陈武凡科学出版社2012年,什么是核磁共振成像？核磁共振成像具有哪些优势？核磁共振成像在医学影像中有哪些应用？,第一章导言,核磁共振：,物质原子核磁矩在外磁场的作用下发生能级分裂，并在外加射频磁场的能量条件下产生的能级跃迁的核物理现象。,核磁共振的特点：,（1）具有普遍性，在化学元素周期表中92种天然元素中，

2、具有核磁矩的元素有88种。（2）不同的核有不同的磁矩，使NMR具有很高的选择性；（3）NMR谱线宽度很窄，因而具有很高分辨率；（4）可进行生物过程和化学变化等动态观测；,（NuclearMagneticResonance，NMR）,核磁共振成像：,NuclearMagneticResonanceImaging,NMRI,其全称是核磁共振电子计算机断层扫描术。它是根据生物磁性核在磁场中表现出来的共振特性进行成像的新技术。由于“核”字的敏感性，故通常将其称为MRI。,核磁共振成像的特点：,（1）多参数成像，可提供丰富的诊断信息。（2）高对比度成像，尤其可获得高对比度软组织的图像。（3）任意方位断层

3、，可从三维空间观察人体。（4）可进行人体能量代谢研究，将解剖结构观察和功能代谢情况观察相对合。（5）无电离辐射，对人体没有损伤。,以核磁共振成像与CT成像的比较为例来比较说明MRI的特点：,T1ContrastTE=14msTR=400ms,T2ContrastTE=100msTR=1500ms,ProtonDensityTE=14msTR=1500ms,（1）多参数成像,核磁共振成像在医学影像中的应用举例,T1观察解剖结构较好,T2显示组织病变较好,用于观察细小结构,（2）MRA核磁血管造影,（3）FMRI功能成像,（4）DTMRI扩散张量成像,第二章MRI扫描仪,主要内容：1、对MRI有初

4、步的了解；2、了解MRI扫描仪有哪些类型；3、掌握MRI扫描仪的基本结构；重点：掌握MRI扫描仪的基本结构；掌握主磁体的种类；,第一节核磁共振仪的系统结构及类型,根据磁场的产生方式不同，可分为三大类：1.超导型2.永磁型3.常导型根据用途不同，可分为两大类：1.临床应用型：其主磁体磁场强度在0.20.5T以下；2.临床研究型：其磁场强度在1.01.5T以上。根据磁体外形不同，可分为三类：1、开放式2、封闭式3、特殊外形磁体,开放式MRI,封闭式MRI,特殊外形MRI,MRI设备结构示意图,MRI成像系统方框图,磁体系统、,谱仪系统、,计算机系统,MRI系统：,MRI系统结构,用于产生主磁场B0

5、。它是NMR成像系统中一个关键部件，决定了MRI设备的图像质量和工作效率。,第二节核磁共振仪的磁体系统,一、主磁体,螺旋管型线圈与马鞍型接收线圈的信噪比相差40。螺旋管型接收线圈的接收信号的有效范围更均匀、利用率更高、对称性更好。,0.3T（特斯拉）以下的称为低磁场强度，主要应用于永磁型MRI设备。1.0T以上的称为高磁场强度，主要应用于超导型MRI设备,永磁型：主磁体为天然材料，不需消耗电能，运行费用低，但主磁体重量大。MRI设备的信号平面垂直于静磁场方向，所以接收线圈使用效率较高的螺旋管型接收线圈。而其他类型的主磁体磁场方向均为水平方向，只能使用马鞍型接收线圈。,常导型：又称阻抗磁体。特点

6、是结构简单，造价低，但运行费用高。并且线圈电源的质量直接影响磁场的稳定，无法保证MRI设备的图像质量。常导型磁体的目前，常导型MRI设备正逐步被淘汰。,超导型：利用超导材料在低温条件下（约-270）零电阻特性（施加很小的电压可得到非常大的电流）制成。磁场强度高，但需要将线圈放入液氦中进行低温处理来形成超导环境，需要一套复杂的低温保障系统，超导磁体的价格昂贵，运行费用高。具有高场强、高均匀度、高稳定性、高信噪比等优点。,成像系统中对主磁体的指标、工艺都有很高要求：（1）大孔径：整体成像最小直径1米左右。（2）强磁场：当前临床所用超导磁铁，磁场强度有0.2到7.0T（特斯拉），常见的为1.5T和3

7、.0T；动物实验用的小型MRI则有4.7T、7.0T与9.4T等多种主磁场强度。（3）均匀度：表示特定容积限度内磁场的同一性。主磁场的均匀度决定了图像的分辨能力。均匀度要求在10-610-5PPM(Partspermillion),主磁体的工艺要求,二、梯度系统,1、系统组成：梯度线圈、梯度控制器及数模转换器、梯度放大器,2、梯度场的性能：均匀容积、梯度场强度、梯度场的线性、梯度场的切换率和上升时间,MR仪的三套梯度线圈,第三节核磁共振仪的谱仪系统,谱仪系统：也称射频系统。是MRI中实施射频激励并接收和处理RF信号的功能单元。包括射频发生器与射频接收器两部分。,射频发生器：提供一个短而强的射频

8、场，以脉冲形式施加到成像物体上，使其质子发生磁共振现象。它包括：频率合成器、正交调制器、射频功率放大器、射频开关、射频发射线圈。,射频接收器：接收MR信号调制的射频信号并对其进行数字化处理最终得到数字化信息。它包括：接收线圈、衰减器、射频放大器、模数转换器等,第三章核磁共振的基本概念,主要内容：1、掌握核共振的基本概念；2、了解什么是角动量、核自旋、核磁矩；掌握拉莫尔进动的概念；3、了解核磁矩在外磁场中的能量状态，掌握核磁共振产生的原理；重点：掌握核磁共振的基本概念及核磁共振产生的原理；,第一节原子核的自旋和自旋磁矩,一、原子核的组成与电核,1、原子的组成,2、原子的表示,X表示元素符号,Z表

9、示原子的质子数,A表示原子的质量数,3、原子核体积与质量的关系,原子核可近似看成球体；原子核的质量数A与原子核球体半径R的三次方成正比。,R0为一常数：R0=1.21015m,3、氢原子核,氢是人体内含量最丰富、结构最简单的元素。在人体中氢核（即质子）的核磁共振信号强，灵敏度很高，因而目前临床上磁共振成像就是利用质子成像。本课程主要以质子为例对核磁共振及成像原理进行介绍。,表2-1：人体组织中氢核与其他元素的MR信号相对灵敏度,二、原子核的自旋,1、角动量的概念,角动量：描述物体转动状态的物理量。质量为m的质点绕距离为r的固定轴以速度v，角速度做圆周运动时，其角动量P为：,2、电子轨道角动量和

10、自旋角动量,轨道角动量：电子绕原子做轨道运动所具有的角动量，用Pl表示。,自旋角动量：电子绕自身轴做旋转运动具有的角动量，用Ps表示。,质子、中子、电子的自旋量子数都为1/2,一切粒子具有自旋，因而具有自旋角动量,电子轨道角动量,电子自旋角动量,总角动量轨道角动量+自旋角动量,3、原子核的自旋,原子核的自旋又称为原子核的角动量。,（1）原子核自旋由两部分组成：组成原子核的质子、中子的自旋角动量；原子核的内质子、中子的轨道角动量；,（2）原子核自旋角动量是核子的总角动量的矢量和。由于核子角动量成对抵消，原子核角动量通常体现为不成对的核子角动量的叠加。,质子（氢核）的核自旋量子数为：I=1/2,（

11、3）不同的核具有不同的自旋量子数,（4）在外磁场B的作用下原子核的核角动量在空间取向只能取特定的几种方向，即空间取向量子化（用mI表示）。mI称为核的磁量子数，对于确定的I，其取值为：,原子核的核角动量在外磁场方向的投影为：,外磁场中质子的角动量仅两个取向：mI=1/2;mI=-1/2;,无外磁场时质子的自旋。,三、原子核的磁矩,磁矩：环形电流i与它所围面积s的乘积，用表示，其方向服从右手螺旋关系。,原子核的磁矩：组成原子核的各核子的磁矩的矢量和。原子核的磁矩具以下特点：,（1）由本征磁矩和轨道磁矩组成；,（2）质子磁矩为正，中子磁矩为负，但不能相互抵消；质子与质子配对，中子与中子配对，配对后

12、总磁矩为零。,（3）原子核的磁矩I与原子核角动量PI的关系为：,(1)外磁场中质子的核磁矩：(2)自旋量子数不为零的核都具有磁矩;,第二节外磁场中的原子核,一、拉莫尔进动,原子核在外磁场的作用下绕自身轴旋转的同时又绕外磁场方向进动称为拉莫尔进动。它是产生核磁共振的主要机制。,（1）拉莫尔进动由磁力矩而产生；磁矩为的原子核在均匀磁场B0中所受磁力矩为：M=B0,（2）拉莫尔进动方向：垂直与B0所确定的平面的方向。,（3）拉莫尔方程：,二、塞曼能级,当原子核在外磁场中，受磁场作用在原来能量E0的基础上，产生附加能量Em：,（1）当=/2时：与B0垂直，Em为0，即附加能量为0；,（2）当/2时：E

13、m0，即原子核能量减小；,（3）当/2时：Em0，即原子核能量增加；,1、原子核的附加能量,2、塞曼能级,在外磁场的作用下原子核的自旋在空间中只能取特定的几种方向，空间取向不同，其能量也不同，形成能级分裂，这种现象称为塞曼效应，分裂后的能级称为塞曼能级。,（1）分裂后的塞曼能级正、负对称，且间距均为Em=gINB0；,（2）只在相邻塞曼能级间进行跃迁；,（3）无外界激励时，塞曼能级间存在自发跃迁；,外磁场中质子的塞曼能级：mI=1/2时,自旋方向与B0平行，E1=-0.5gINB0mI=-1/2时,自旋方向与B0反平行，E2=0.5gINB0,E1=E0-0.5Em,E2=E0+0.5Em,E

14、2-E1=Em,第三节核磁共振现象,核磁共振：若在与外磁B0垂直的平面内施加一个射频脉冲，其能量正好等于核的两相邻能级间的能量差时，原子核会强烈吸收射频脉冲的能量，从低能级跃迁到高能级，这种现象称为核磁共振。,射频脉冲（radiofrequencypulse,RF）：电磁波脉冲，即短促的电磁波,频率为的射频脉冲其脉冲能量为：E=h,产生磁共振的条件：(1)核有自旋(磁性核)(2)外磁场，能级分裂(3)脉冲能量与原子核相邻能级能量差相等，即h=E=gINB0,（1）当射频脉冲的角频率与原子核在磁场B0中的拉莫尔角频率相等时，会产生核磁共振现象；（2）不同原子核，其旋磁比也不同，相应的核磁共振频率

15、也不同；（3）相同原子核，外磁场越强，其核磁共振频率就越高。,第四章核磁共振的宏观描述,主要内容：1、理解什么是磁化强度、旋转坐标系2、理解并掌握什么是纵向磁化、横向磁化；了解/2脉冲、脉冲以及部分翻转脉冲的概念；3、掌握纵向弛豫、横向弛豫以及纵向弛豫时间及横向弛豫时间等概念；重点：掌握纵向弛豫、横向弛豫以及纵向弛豫时间及横向弛豫时间等概念；,磁化：磁场中的物体在外磁场作用下，在磁场方向上产生磁性的过程。不同物质磁化程度不同，磁化大小用磁化强度m表示。磁化强度：单位体积内所有原子核磁矩的矢量和；磁化率：物体在磁场中被磁化产生磁化的能力（磁敏感性），定义为产生磁化强度与施加磁场之比：,第一节基本

16、概念,第二节核磁共振,一、平衡态,(1)当没有外磁场时，核磁矩的方向杂乱无章，对外合成磁矩为零，其磁化矢量M0，即不呈现磁性。(2)在外磁场B0的作用下，各核磁矩围绕该磁场拉莫进动,并产生能级分裂。,纵向：与外磁场B0平行的方向；横向：与外磁场B0垂直的方向；纵向磁化：物质在外磁场中产生的沿外磁场方向的磁化强度矢量M0。,没有外磁场时原子核的分布,外磁场作用下原子核的分布,（1）在外磁场的作用下，磁场中的原子核绕B0进动并产生能级分裂，根据玻尔兹曼分布规律，处在低能级的核子数多于高能级的核子数，从而产生纵向磁化矢量M0；（2）由于核子的分布是均匀的，所以它们在XOY平面上的分量相互抵消，即横向

17、分量Mxy=0;,M0和Mxy的矢量和MM0,二、激发态,核磁共振沿着x轴方向施加一射频脉冲B1，当射频脉冲的角频率等于原子核的拉莫尔角频率时，则产生核磁共振。此时，原子核吸收相同频率的射频磁场能量而从平衡态变为激发态；激发射频磁场对自旋系统的作用过程,（1）射频脉冲的作用下，质子吸收射频能量由低能级跃迁到高能级，造成纵向磁化矢量M0减小；（2）射频脉冲使质子不再均匀分布，而是进行同相位旋转，即同方向同速度旋转;,横向磁化所有质子在同一时刻指向同一方向以拉莫尔角频率绕外磁场进动，其核磁矩在该方向的叠加所表现出的磁化强度。,M0和Mxy的矢量和MM0+MxyM相当于M0向XOY轴偏转角,三、驰豫

18、过程,驰豫过程质子系统的激发态是不平衡的状态，当去掉射频脉冲时，质子将会恢复到原来的平衡态，质子的这种从激发态向平衡态恢复的过程就称之为驰豫过程；驰豫过程包括两方面:纵向弛豫过程:纵向磁化分量M0的恢复横向弛豫过程:横向磁化分量MXY的衰减纵向驰豫与横向弛豫同时开始但各自独立；,弛豫：Relaxation;,1、纵向弛豫过程：放出能量，从高能级向低能级跃迁；纵向磁化逐渐增加；称为T1弛豫过程,又称热弛豫或自旋晶格弛豫，主要反映局部的能量交换信息。,c、最后回归原始状态，纵向磁化恢复到最大,a、射频结束瞬间，纵向磁化为零，横向磁化最大；,b、反平行质子释放能量跃迁回平衡态，纵向磁化逐渐增大,2、

19、横向弛豫过程：质子的自旋作用造成质子系统的相位分散，横向磁化矢量逐渐减小；也称为T2弛豫过程。,a、射频结束瞬间，横向磁化达到最大,进动相位一致,b、质子之间的相互作用造成的磁场的差异使得进动相位分散，横向磁化矢量逐渐减小,d、最终相位完全分散，横向磁化矢量为零,质子的自旋自旋：当两个自旋质子彼此靠近时，一个质子自旋产生的磁场会影响邻近它的质子，其结果是使它们均匀分布。,3、驰豫过程的综合表示（三种运动的综合过程）,(1)磁化矢量的进动,(2)纵向磁化增大,(3)横向磁化减小,弛豫时间：当去掉射频脉冲时，质子从激发态恢复到原来的平衡态所需时间。驰豫时间包括：纵向驰豫时间T1:用于描述质子从被激

20、发的状态恢复到平行状态时纵向磁化强度MZ逐渐增大的快慢的物理量。纵向恢复可表示为：横向驰豫时间T2：用于描述质子从被激发的状态恢复到平行状态时横向磁化强度Mxy衰减的快慢的物理量，横向恢复可表示为：,4、弛豫时间,T2比T1快510倍，当纵向磁化强度恢复到M0时，横向磁化强度Mxy早已恢复到0.,（1）纵向弛豫快慢遵循指数递增规律，纵向驰豫时间T1的值定义为：从0增大到最大值M0的63%的所需时间。T1是组织的固有特性，给定外磁场的情况下不同组织的T1值不同；T1受外磁场的影响，同一组织当外磁场强度越强则T1越长；,（2）横向弛豫快慢遵循指数递增规律，横向驰豫时间T2的值定义为：从最大值Mxy

21、max下降到最大值的37%所需时间。T2与磁场强度无关；不同成分和结构的组织T2不同，例如水的T2值要比固体的T2值长；T2的长短取决于组织内部的局部小磁场的均匀性对小磁化散相的有效性；,四、射频脉冲及翻转角,纵向磁强度M0在射频脉冲的作用下，偏离Z轴与Z轴成角，这个称为翻转角(1)/2脉冲:正好使M0翻转到XOY平面上的射频脉冲称为/2脉冲；(2)脉冲:正好使M0翻转到Z轴的负方向的射频脉冲称为脉冲；(3)角脉冲:在射频脉冲作用下，使M0翻转偏离Z轴角度，且/2，这样的翻转称为部分翻转，此脉冲称为角脉冲；,/2脉冲,脉冲,角脉冲,五*、Bloch方程,F.Bloch在磁化强度适量的驰豫过程中

22、引入了T1和T2两个时间常数，分别描述磁化强度矢量的纵向和横向分量的驰豫过程从而可以用一个方程来表示磁化强度的运动，该方程考虑了外加磁场（B0与B1）对磁化强度矢量M的作用和驰豫过程，即为Bloch方程。,引起M变化的因素有：（1）外加磁场（静磁场B0和射频脉冲B1）（2）驰豫过程,第三节自由感应衰信号,核磁共振信号的接收：在旋转坐标系中，外磁场B0沿Z轴方向；射频磁场B1沿X轴方向，将接收线圈置于x轴，则当横向磁化强度MXY穿过x轴上的接收线圈时，引起线圈磁通量的变化，从而在线圈内产生感应电动势（或感应电流），该信号即为磁共振信号。,x轴上的接收线圈,自由感应衰减信号FID（freeindu

23、ctiondecay）:以拉莫尔频率在X-Y平面内自由旋进的横向磁化矢量Mxy，在线圈内可感应出按正弦规律振荡、按指数规律衰减的核磁共振信号。FID信号可用下式描述：,同一时刻信号幅值与M0有关；以sint规律振荡；以规律衰减，T2*决定了信号的衰减速率；,横向磁化矢量螺旋式衰减及FID信号波形的演示：,课后思考:计算在下列磁场强度下质子的拉莫尔频率：(a)0.35T(b)0.5T(c)1T(d)1.5T(e)2T(f)3T判断：在更高的磁场环境下，同一种组织的T1将增大。判断：当被放入磁场中以后，人体内的所有质子都顺磁场方向排列。判断：在MRI中使用氢质子只是因为人体内含有丰富的氢质子。x,

24、y,z梯度磁场的作用是什么？产生核磁共振需要满足哪些条件？驰豫过程中包括哪两个过程？,第五章T1加权与T2加权,主要内容：1、了解脉冲序列重复时间（TR）、回波时间（TE）等概念；2、掌握不同组织的T1加权及其临床应用；3、掌握不同组织的T2对比及其临床应用；4、重聚焦射频脉冲和自旋回波；重点：掌握脉冲序列重复时间TR及回波时间TE的概念及意义；掌握重聚焦射频脉冲的概念及其作用；自旋回波的用途；,注：本章内容基于/2脉冲进行讲解。,第一节纵向磁化及T1对比,一、重复时间TR,重复时间TR（TimeofRepetition）:对质子系统施加一个/2射频脉冲之后，再施加一个/2射频脉冲，这两个/2

25、射频脉冲之间的时间间隔被称为重复时间，即各次重复射频脉冲之间的时间间隔为重复时间。,二、TR与纵向磁化强度Mz的关系,（2）处于激励态时：纵向磁化M00；横向磁化Mxy=M0；,（1）处于平衡态时：产生纵向磁化M0；Mxy=0，无横向磁化；,(a)重复时间TRT1,(b)重复时间TRT1,(a)重复时间TRT1,(b)重复时间TRT1,（3-a）充分的时间完成驰豫过程，从而：恢复的纵向磁化MzM0；横向磁化Mxy=0；,（3-b）驰豫过程来不及完成，从而：恢复的纵向磁化MzM0；（横向磁化下节讨论）,（4）每次重复脉冲，所接收到的纵向磁化强度Mz服从下式：,多次脉冲激励后获得稳态示意图,上图是

26、在射频脉冲结束后，立刻测量所获得的值；第三次射频脉冲以后，纵向磁化强度不再减小，而是保持一个恒定值，达到稳态；不同组织的纵向驰豫时间T1不同，其达到平衡态的速度也不同；,三、TR与FID关系,1、脉冲重复时间TR远远大于组织的T1时：,在每一次重复过程中，都有足够的时间完成纵向驰豫，使其纵向磁化强度Mz等于M0。因而每一次的施加/2脉冲，翻转到XOY平面的磁化强度都相同都为M0，其驰豫过程也相同，因而所接收到的FID信号也一致，为下图所示：,2、脉冲重复时间TR小于或接近组织的T1时：,在第一个/2脉冲作用后M0翻转到XOY平面内，此时在接收线圈中接收到的是一个较强的FID初始信号；,由于TR

27、小于组织的T1，所以在第二个/2脉冲作用后翻转到XOY平面内的磁化强度小于M0，此时在到的是一个强度减弱的FID信号；,在第三个/2脉冲作用后接收到一个更小的FID信号；,当若干个脉冲作用获得稳态后，其后各射频脉冲作用所接收的FID为一稳定值不再减弱；,四、组织的T1对比,1、TR与组织对比,对于质子密度相同的两种组织A和B，由于它们的质子密度相同，因而它们在外磁场B0中产生的纵向磁化强度M0相同，由于A与B是不同的组织因而它们的纵向驰豫时间T1不同，如下图（T1AT1B）：,(1)使用较小的TR1时，组织B较组织A纵向驰豫恢复快，因而MZB1明显大于MZA1，信号强度对比明显；,(2)使用较

28、大的TR2时，组织B与组织A纵向驰豫都接近M0，因而MZB2与MZA2，差异不大，信号强度对比不明显；,注：MRI图像中不同组织的灰度取决于组织MR信号的强度，信号越强，图像就越亮。,结论：短TR增加T1对比，长TR减弱T1对比。,2、翻转角对组织信号强度的影响,对于特定T1组织，在给定的短TR条件下，信号强度与翻转角之间的关系如下：（1）翻转角越大，纵向磁化强度越小，横向磁化强度越大。翻转到横向的磁化强度才可以被测到；（2）翻转角越小，纵向磁化强度越大，横向磁化强度越小；每次脉冲激励时纵向磁化强度大，则信号强度也大；（3）产生最高信号强度的理想翻转角由组织T1与所用TR决定，这个理想的翻转角

29、称为Ernst角；,3、T1与生物组织的关系,T1的大小与组织中质子把它们的能量释放到周围的晶格，或从周围晶格吸收能量的过程有关。当组织中的质子的自然运动角频率与拉莫尔角频率接近时，将产生最有效的能量传递，该组织具有最小的T1。质子的自然运动频率取决于组织的物理状态，它受到与它们相连或周围邻近原子的影响：,生物组织中T1测量值取决于组织中水的含量：脑脊液、水肿区、坏死组织及肿瘤等含有大量自由水，具有较长T1值；脂肪及蛋白质溶液具有短的T1值。,第二节横向磁化及T2对比,一、回波时间TE,回波时间TR（echotimeTE）:从横向磁化强度最初产生到接收信号间的时间间隔被称为回波时间，又称为回波

30、延迟时间。当射频脉冲激励后，横向磁化强度矢量Mxy从最大值Mxymax开始按指数衰减，衰减原因：（1）自旋自旋相互作用；（2）外磁场不均匀性；,在接收线圈中，接收信号SI的强度直接取决于横向磁化强度Mxy。Mxy按以下指数关系衰减：,二、TE与横向磁化强度Mxy的关系,接收信号强度SI与回波时间的关系如下：,点A处开始检测，即TE=0时开始检测，此时信号最强。,点B处开始检测，即TE0时开始检测，此时信号随时间延长按指数衰减。,三、组织的T2对比,对于质子密度相同的两种组织A和B，由于它们的质子密度相同，因而它们在外磁场B0中产生的纵向磁化强度M0相同，由于A与B是不同的组织因而它们的横向驰豫

31、时间T2不同，其衰减曲线如下图（T2AT2B）：,两种组织信号强度之比为：,1、T2与组织对比,(1)使用较小的TE1时，组织A与组织B横向磁化衰减刚开始，因而MxyA1与MxyB1信号差异较小，信号强度对比不明显；,(2)使用适中的TE2时，组织B比组织A横向磁化衰减明显要快，因而MxyB2与MZxyA2差异明显，信号强度对比明显；,结论：非常短以及非常长的TE都不能得到明显的T2对比，适当选择TE才可得到较好的T2对比,(3)使用较大的TE3时，组织A比组织B横向磁化衰减都接近于0，两种组织的信号强度都非常低，没有临床应用价值；,2、T2与生物组织的关系,T2是组织的固有特性，仅取决于组织

32、的性质，即组织的T2值取决于该组织内的氢质子失相伴的速率。不同组织的T2值如下表：,T2值在医学临床的应用：具有较长T2值的组织：脑脊液、肾、水肿、多发性硬化斑块以及肿瘤，这些组织的T2信号为较强信号；T2具有较短值的组织：肺癌、成骨性肿瘤、胰腺癌等纤维化肿瘤；正常的脾脏、肝脏、肌肉等较短；这些组织的T2信号较弱；,第三节T1加权、T2加权、质子密度加权,Mxy衰减规律为：,结合纵向磁化，则Mxy衰减可表示为：,由于初始纵向磁化强度M0与质子密度成正比，因而：,*质子密度：表示组织内能够充分移动以改变方向和沿外磁场方向排列的质子数。,不同组织的初始磁化强度由质子密度的大小决定：水的质子密度大于

33、脂肪组织，脂肪组织的质子密度大于固体组织因此：M0水M0脂肪M0固体,T1加权图像：信号的强度主要由组织的T1决定，用这种信号重建的图像称为T1加权图像；（选用较短的TR与TE值；）T2加权图像：依赖的强度主要由组织的T2决定，用这种信号重建的图像称为T1加权图像；（选用较长的TR值以及较长的TE值；）质子密度图像：信号的强度由氢质子密度决定，则这种信号重建的图像称为质子密度加权图像。（选用较长的TR与较短的TE值；）,第四节重聚焦射频脉冲和自旋回波,一、重聚焦射频脉冲(refocusingpulse),由于磁场和化学位移的非均匀性等非T2原因使横向磁化快速衰减，导致图像质量下降，因而在接收信

34、号之前再用一个射频脉冲，使非T2因素已经开始衰减的横向磁化的相位再重新聚集在一起，这样的射频脉冲称为重聚焦脉冲。,（1）重聚焦脉冲在TE/2时刻施加，即在回波时间的是间使用重聚焦脉冲，也就是射频脉冲与回波峰值时间之间的中点；（2）重聚焦脉冲采用脉冲最有效，称为重聚焦脉冲；（3）一个重聚焦脉冲后接收的信号称为自旋回波，它是FID信号的恢复；（4）重聚焦脉冲可以校正由于磁场的非均匀性和化学位移等非T2因素所引起的质子失相位；,二、自旋回波(spinecho),自旋回波脉冲序列就是通过使用重聚焦脉冲来获得自旋回波的，它是首先施加/2脉冲，经过时间就可获得一个回波，这个回波就是自旋回波，也就是说在接收

35、信号的中间时刻施加重聚焦脉冲，接收信号的时刻就能够接收到自旋回波。,回波信号的特点：（1）回波形状：回波形状恰似两个FID信号背靠背对接起来。这说明在/2脉冲作用后和重聚焦脉冲作用前的时间内是散相运动，横向磁化强度衰减；在到2的时间内是聚相运动，并且在2时刻达到相位一致，即达到回波峰值，之后又是散相运动。（2）回波峰值：在t=0到t=2期间，由于磁场不均匀造成失相，通过重聚焦脉冲使相位在2时刻变为一致，但在这期间由于质子自旋自旋作用仍然造成横向磁化强度的衰减。即从FID信号峰值到自旋回波峰值之间按T2规律衰减。（3）自旋回波衰减速率：自旋回波信号衰减较快，与FID信号一样由T2*决定。,课后思

36、考:纵向磁化矢量的恢复正比于：(a)e-t/T1(b)e-t/T2(c)1-e-t/T1(d)1-e-t/T2横向磁化矢量的衰减正比于：(a)e-t/T1(b)e-t/T2(c)1-e-t/T1(d)1-e-t/T2下列哪个是正确的：(a)T2T2*T1(b)T2*T2T1(c)T1T2T2*(d)T1T2*T2判断：T2*受外磁场不均匀性的影响判断：T2受外磁场不均匀性的影响判断：T2受T2*的影响判断：FID的衰减率由T2决定,1,c;2,b;3,c;4,Y;5,N;6,N;7,N,8、计算题：脑白质与脑脊液二者的T1、T2值分别如下：白质（WM）：T1500ms,T2=100ms脑脊液（

37、CSF）：T12000ms,T2=200ms假定二者自旋密度(H)=100。,在TR=2000ms时求出脑白质与脑脊液的相对信号比值（图中的A点与B点）计算TE的交叉点，即脑白质一脑脊液有相等的T2信号时的回波时间（C点）计算脑白质和脑脊液在TE25ms时的信号强度，脑脊液/脑白质的比值；计算当TR3000ms，TE=200ms时的信号强度，脑脊液/脑白质的比值；,注：e-0.13=0.88;e-0.25=0.78;e-1=0.37;e-1.5=0.22;e-2=0.14;e-4=0.02;e-60;Ln2=0.69;ln0.78=-0.25;,1.56,88ms,0.72,2.06,第六章图

38、像重建：层面选取,主要内容：核磁共振成像的基本原理：了解人体磁共振成像的生理基础；掌握图像重建的基本原理；了解傅利叶变换及傅利叶成像等模仿；了解线性梯度场的概念；掌握层面的选择；掌握层厚（THK）的概念；层间交叉；层面选择失相位和复相位；中心频率重点：掌握核磁共振成像的基本原理；了解如何进行层面选择及层厚的原理，掌握其原理；了解什么是中心频率；,第一节核磁共振成像,一、医学图像的基础知识,1、体素与像素体素（voxel)：代表人体组织的小的体积元，它是一个空间概念，有长、宽、高等尺寸，通常用体积或容积描述体素大小。体素越大，所包含的质子就越多，它的磁共振信号就越强。像素（pixel)：图像的最

39、小单位，一幅图像是由许多纵横排列的像素构成的一个矩阵，矩阵的每个点对应图像中的一个像素。,磁共振成像时，每个体素所发出的MR信号被转变为图像中的像素亮度信息，信号强，像素就亮，反之则暗。而体素发出的信号强度又由体素内组织的质子密度、驰豫时间等因素决定。,2、灰度与灰阶灰度：图像中像素的亮度称为灰度，表示灰度高低的数值称为灰度值灰阶（灰度级）：将一定范围内的灰度值分为若干个等级，每个等级叫一个灰度级，相同灰度级的亮度相同，不同灰度级亮度不同。计算机灰度表示方法：用全表示黑，用全表示白，二进制位数代表灰度级的多少，位数越多，灰度级就越多。图像深度：在图像中表示像素亮度值的二进制位数即为图像深度。,

40、3、图像的窗口技术,根据DICOM3.0标准的规定，医学图像的深度（包括MRI）应为12位，即图像中每个像素的亮度将用2124096个灰阶来表示。人的肉眼只能分辨出64个灰度级的变化；计算机的显示具有256(普通)或1024(高级)个灰度级；,窗口技术：在4096个灰阶的仅取出灰度值在一定范围的像素按其灰阶进行显示，而将灰度值大于给定范围的像素置为全白，灰度值小于给定范围的像素置为全黑。,窗宽（256个灰阶）,下限,上限,全黑,全白,二、MRI成像,1、人体MRI成像的生理基础临床MRI是靠水质子给出的信息进行成像诊断的；在整个人体的脏器、组织中，水载着细胞内外环境的信息；人体水的特性包括：密

41、度分布、存在状态以及运动情况；水质子成像参数包括：质子密度成像、T1加权成像、T2加权成像以及分子自扩散系数D成像等；,磁共振成像过程框图,2、MRI成像的过程,3、MRI成像的特点优点：（1）多参数成像，可提供丰富的诊断信息；（2）高对比度成像，尤其是可获得高对比度的软组织的图像。（3）任意方位断层，可从三维观察人体。MRI使用三个线性梯度场任意组合来选定所需层面，所选层面可以是横轴位、矢状位、冠状位，也可以是任意方位的层面；（4）人体能量代谢研究，将解剖结构观察和功能代谢情况观察相结合。MRI的出现，使疾病诊断深入到分子生物学水平；（5）无电离辐射，对人体没有损伤。,局限：（1）成像速度较

42、慢；（2）对钙化灶和骨皮质病灶不够敏感；（3）图像易受多种伪影影响；（4）禁忌症多；（5）定量诊断困难；,第二节层面选择,一、基本概念,1、磁体坐标系：MRI系统的磁体产生的磁场可分为水平磁场与垂直磁场。本章主要基于纵向磁场进行分析。,水平磁场,垂直磁场,B0（Z）,B0(Z),一般常导和超导磁体产生水平磁场，水平方向（人体长轴）为Z方向,一般永磁体产生垂直磁场，垂直方向为Z方向，人体长轴一般定义为X方向,Y,Z,X,Z,X,Y,2、三个标准断面：横断面、矢状面、冠状面；,3、线性梯度场（linearfieldgradient）磁感应强度大小随位置以线性方式变化的磁场，简称梯度场。MRI系统中

43、在x、y和z轴均使用了线性梯度场，分别称为Gx、Gy、Gz。线性梯度磁场是MRI系统的重要指标之一。一般仪器一旦出厂，线性梯度场性能就已经设定好，不能更改。线性梯度磁场的强度一般为外磁场的数千分之一，单位为mT/m。,梯度场B的大小和方向均可改变。,主磁场B0是匀强磁场，其大小和方向是固定不变的。,中心的场强总为零，与B0叠加后，磁体中心的场强不变。,4、梯度场与主磁场的叠加,二、层面选择,1、层面选择：在外磁场方向，叠加一个同方向线性梯度场Gz，由于梯度场的作用使用不同位置的磁场强度不同，根据拉莫尔进动公式，若把射频脉冲的频率设计为满足甘醇层的磁共振条件时，该层将产生核磁共振，而其他层因不满

44、足条件，而不产生核磁共振。激发核磁共振的射频脉冲的频率水同，可使不同层面产生核磁共振，这一过程称为层面选择，或选片。,2、层面选择脉冲：Gz（sectionselectgradient）,复相位波应满足：若复相位波与去相位波强度相同，则复相位波作用时间为去相位波作用时间的一半；若它们的作用时间相同，则复相位波的强度是去相位波的一半。从而保证它除了使质子进动相位恢复一致外，没有其他影响。,层面选择梯度的特点：（1）层面选择梯度在射频脉冲作用时才开启，射频脉冲作用后关闭；（2）层面选择梯度包括去相位波与复相位波两部分；（3）用不同频率的射频脉冲激励不同的层面产生磁共振，它是以层面选择梯度Gz不变为

45、基础的；（4）层面选择梯度与成像的平面有关，Gz对应横断面；Gx对应矢状面；Gy对应冠状面；,3、层厚（thickness,HTK）及带宽层厚：在MRI中，层厚表示一定厚度的扫描层面，即在实际临床操作中层面的选取都是有一定厚度。带宽：由于选片梯度的作用，每一层面内磁场强度的大小是不均匀的，是在一定范围内线性变化的，它们对应一定的磁场范围，因而，使该层面发生磁共振的射频脉冲频率将不是单一的拉莫尔频率，而是具有一定的频率范围，这个频率范围就称为带宽。,决定层厚的因素：(1)射频脉冲的带宽：带宽越宽，对应的层厚就越厚。(2)层面选择梯度Gz：Gz斜率越大，即变化越快，对应的层厚越小(3)带宽与层厚Z

46、间的关系为：=GzZ,层厚与图像质量的关系：(1)层面薄，则成像层面分辨率高，层面厚则分辨率低。(2)层面薄，则信号强度弱；层面厚则信号强度强，信噪比高。,部分容积效应：部分容积效应是由于从体素到像素的转化而造成的。体素是三维概念，而像素是二维概念，当体素中存在很高信号的小组织块时，会导致整个体素的像素值呈高信号，这种假像称为部分容积效应。,4、层间交叉射频脉冲：分为非选择性射频脉冲和选择性射频脉冲（软脉冲）本节针对选择性射频脉冲介绍两种主要选择性射频脉冲：,a、高斯射频脉冲；b、辛格射频脉冲,注：辛格函数的频率特性比高斯函数好，频率范围具有较好的带宽，但由于其在时间域中的截断而造成频率域的函

47、数并非理想的矩形，其边缘具有拖尾。,a、高斯射频脉冲；,（1）射频脉冲的频率范围不是理想的矩形，而是高斯曲线形状；（2）当两个具有一定带宽的高斯形状的频率所对应的相邻层面就会产生交叉，即层间交叉。,层间交叉,层间距（slicegap）：为避免层间交叉，在连续的带宽间保持一个间隔，在对应的成像层面上则会产生间隙，相邻两层之间的距离称为层间距。层面系数：层间距与层厚之比称为层面系数。,b、辛格射频脉冲sinc(t)/t,5、中心频率中心频率是指对于具有一定带宽的射频脉冲，其中心的频率值称为中心频率。射频脉冲的中心频率对应层面的位置；带宽与层厚对应；在层面厚度确定的情况下，层面选择梯度Gz斜率越大，

48、相邻两层间的中心频率相差越大；中心频率一般在兆赫兹数量级，而射频脉冲的带宽非常窄，一般都在千赫兹数量级。,第七章图像重建：频率编码相位编码,主要内容：频率编码的概念；频率编码梯度去相位和复相位；梯度回波和自旋回波；相位编码的概念；相位编码梯度脉冲；脉冲序列（PSD）基础；了解数据空间基础及采样；掌握什么是数据空间；信号的采样；采集时间；多层面采集技术；二维图像的信噪比等概念；重点：掌握频率编码的概念；频率编码梯度去相位和复相位；了解梯度回波和自旋回波，掌握其原理；了解什么是数据空间；,第一节频率编码,2、频率编码：沿X轴方向加一梯度磁场GX，从而使不同X坐标的质子的进动频率同，进而依据这种进动

49、频率的差异来确定X坐标。GX称为频率编码梯度（frequencyencodinggradient）。,一、频率编码及相关概念,1、空间编码：沿Gz、Gy、Gx等梯度方向的相应的位置信息称为空间编码。通过空间编码以后，不同体素发射的MR信号频率、相位、相位变化率均不相同，依据这些信息和信号强度可正确地重建图像。,沿x轴方向施加x梯度Gx；与y轴平行的各列体素的进动频率x为x=(B0+xGx)x是x的函数，不同的x决定了不同的进动频率所接受的信号中已包含有体素的空间位置信息,二、频率编码数学原理,（1）频率编码梯度场Gx仅在接收信号的期间内施加，在非接收信号期间不施加Gx;（2）在每次接收信号期间

50、内所施加的频率编码梯度场Gx都相同；频率编码梯度场梯度较大（斜率大），则相邻两列之间的频率差异大；（3）在射频激励脉冲作用期间应为选片梯度场Gz进行层面选择，在MR信号测量期间应用读出梯度Gx进行频率编码，两者的施加的时间不同；（4）施加梯度场Gx，对各体素产生MR信号的幅值不会发生变化，各体素信号幅值仅取决于质子密度。,三、频率编码基本特征,四、频率编码梯度去相位和复相位,由于在接收信号时施加频率编码梯度Gx，从Gx打开到TE时刻这段时间内，由于频率编码梯度造成的所选层面所有体素失相位是我们所不需要的，它将使信号强度减小。这个问题可通过施加去相位波Gx来解决。,一个完整的频率编码梯度应包括去

51、相位波Gx和复相位波Gx，两者一起构成一个完整的频率编码梯度。需注意以下两点：（1）Gx其强度与作用时间的乘积等于Gx的强度与作用时间的乘积的一半；（2）施加Gx只能补偿频率编码梯度Gx造成的失相位，但不能补偿外磁场不均匀及化学位移造成的失相位；（3）施加相反方向梯度使因梯度本身造成失相位变为一致的机制与重聚焦脉冲有所不同。,五、梯度回波与自旋回波,由于频率编码梯度中的负向Gx使横向磁化强度失相位，从而消除FID信号，随后和紧接着正向的Gx使失相位的质子重聚焦，由于Gx是Gx作用的一半，从而产生一个回波，称为梯度回波（gradientecho），特点如下：（1）与自旋回波相似是两个FID信号背

52、对背连接起来的信号；（2）由于梯度编码脉冲不能像重聚焦脉冲一样，消除磁场不均匀以及化学位移对T2的影响，因而梯度回波的峰值按T2*衰减；,第二节相位编码,一、频率编码及相关概念,1、相位编码：在激励脉冲结束后，在沿层面的Y轴方向加一短时间的梯度磁场GY，由于不同Y坐标的自旋磁矩的进动频率不一样，从而在磁场GY撤除后，磁矩的位相不一样。依据位相的不同可以区分Y坐标。这称为相位编码。,二、相位编码数学原理,设v1,v2,v3分别表示相位编码方向上三个相邻的体素1、开始时所有体素的磁化矢量M1,M2,M3相位相同并以相同频率进动。当t=0时，相位编码梯度Gy开启；2、Gy作用下，相位编码方向上各体素

53、处于不同磁场。沿相位编码方向各磁化强度矢量进动频率为：y=(B0+yGy)v3进动频率v2进动频率v1进动频率,3、进动频率不同导致进动相位不同；相位编码梯度持续时间ty后各体素的情况：进动相位y为：y=yty=(B0+yGy)ty相位差为：y=yGyty=yyty4、t=ty时刻，相位编码梯度关闭，各体素再次置于相同的外磁场，此时：进动频率恢复Gy作用前数值Gy诱发的进动相位差保留相位记忆,Gy加入前磁化矢量的相位,三、相位编码基本特征,（1）相位编码梯度Gy必须在施加频率编码梯度Gx之前打开，通常是在射频脉冲以后可刚好在Gx之前施加，或其中的任意时刻;（2）线性梯度场Gy作用时间通常非常短

54、，因而又称为相位梯度编码脉冲；（3）线性梯度场Gy每间隔TR周期都反复使用，反复使用次数由成像层面沿y轴方向的行数所决定；（4）每次使用的线性梯度场Gy的强度都不相同，因而每次接收信号的振幅和相位都不同；,第三节脉冲序列基础,一、脉冲序列及相关概念,脉冲序列:射频脉冲和磁场梯度的特征和持续时间组合称为脉冲序列,它提供了我们在MRI成像过程中所进行事件的顺序时间步骤,它通过图解说明MR成像过程中事件发生的顺序,它是显示射频脉冲、磁场梯度和接收信号的时间图。,二、自旋回波脉冲序列,TR,TE,TE/2,三、脉冲序列的特点,一般而言脉冲序列图只给出一个周期的内容，其他周期内容除相位编码梯度强度不同外

55、其余均相同。在脉冲序列中，一个周期包括四个阶段：预备期（preparationperiod)发展期（evolutionperiod)混合期（mixingperiod)检测期（detectionperiod),(1)预备期（preparationperiod)在自旋回波脉冲序列中，预备期由一个/2射频激励脉冲组成，/2射频脉冲作用时间在所有周期内是固定不变的。预备期内纵向磁化强度矢量在射频脉冲作用下偏离纵向，产生横向磁化。,(2)发展期（evolutionperiod)相位编码梯度的持续时间即为发展期，此时FID信号已经产生，但暂时不进行检测。在不同周期内，相位编码梯度的持续时间固定不变，但强度

56、是变化的。,(3)混合期（mixingperiod)在自旋回波脉冲序列中，施加重聚焦脉冲的持续时间就是混合期。这是一个非线性操作，取决于不同的脉冲序列，目的是增强MR的强度。,(4)检测期（detectionperiod)频率编码梯度的持续时间就是检测期，回皮信号在这一期间内被检测采相N次。频率编码梯度的强度及期持续时间是固定不变的。,在最后的检测期测完一，经过一定的延迟时间，以等待纵向磁化强度恢复到它的稳态值，为下次扫描做准备。,第四节数据空间基础,一、相关概念,（1）相位编码数：y方向相位编码的次数，即成像层面的行数。对于mn层面图像矩阵而言，相位编码数为m；（2）频率编码数：每一次相位编

57、码时，所具有的不同频率数目为频率编码数，也就是成像层面的列数。对于mn层面图像矩阵而言，频率编码数为n；,（3）数据空间：对于mn的成像层面，需进行m次相位编码，每次编码所接收的信号都以一行的形式填充到数据空间中，其特点如下：a、数据空间的水平方向与竖直方向均表示时间。竖直方向为相位编码时间，水平方向为一次接收信号的总时间；b、数据空间中的每一行信号的时间间隔为脉冲重复时间TR；c、数据空间中每一行信号具有不同相位，代表一个回波；d、不同的层面对应不同的数据空间，放置于数据空间中的数据也都是来自同一层面;e、数据空间中每一行的信号都是层面内所有体素信号的叠加，都含有该层面整幅图像的信息。,二、

58、时间域数据空间,（1）模拟数据空间：每一次相位编码所接收到的信号为模拟信号，将这个随时间变化的模拟信号存放于数据空间中的各行，这样的数据空间称为模拟数据空间。（2）数字化数据空间：通过采样的方法将数据空间中的模拟信号数字化，然后以同样的方式填充数据空间即为数字化的数据空间也称为时域的K空间。,无梯度0,正向梯度1,反向梯度1,反向梯度127,正向梯度128,（1）模拟数据空间,（2）数字化数据空间,采样：将模拟信号进行数字化的过程就称为采样；,采样间隔：连续两个采们点之间的时间间隔，用Ts表示；,采样频率：采样间隔的倒数即为采样频率，用1/Ts表示；,采样时间：对一个信号进行采样所需要的时间即

59、为采样时间，用Ts表示；,采样点数：对模拟信号进行采样的次数，采样点数越多越能够从采样数据中恢复出原始数据；在本文为了便于快速傅利叶变换，通常采样点数N取2的整数次幂。,采样时间与采样间隔之间的关系：TsNTs,混叠现象：如果采样间隔设置得过宽，即采样次数过少，那么在对采样结果进行傅利叶变换后，方波之间由于距离过近而产生混叠现象。,混叠现象,采样定理：为避免混叠，采样频率必须至少是信号最大频率的两倍，令采样频率为s，信号最大频率为max，则：s=1/Ts2max。,采样带宽：即信号被采样的频率，令采样带宽为BW，则：BW=1/Ts,采集时间：对整个成像层面的信号通过采样的方式进行采集，并填充列K空间的相应行，整个过程所需要的时间称为采集时间。采集时间与脉冲重复时间TR，相位编码数Np以及采集次数NEX有关：采集时间NpTRNEX,77数字化数据空间,二维傅利叶变换：,图像重建：在时间域K空间中，若它的列数为频率编码数，行数为相位编码数，对这个数据矩阵进行傅利叶变换就可重建出层面图像，这个过程称为图像重建。重建后的数据叫图像数据，其各点的数值即为图像的像素灰度值。,三、核磁共振图像的信噪比,信噪比：图像的信号强度与噪声强度的比值。通常用SNR表示。,核磁共振图像的信噪比与体素体积大小成正比，与相位编码数