磁共振成像的原理及临床应用(1).ppt

1、广州中医药大学第一附属医院，磁共振成像原理及临床应用，广州中医药大学第一附属医院影像放射科黄勇，广州中医药大学第一附属医院，What is MRI？ 广州中医药大学第一附属医院，又称磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI )、核磁共振成像(Nuclear Magnetic Resonance，NMR )，是一种新的无创成像恒频射频信号利用静磁场施加时，对于人体的任何平面，都会生成高品质的切断面图像(cross sectional imaging )。磁共振成像的原理和临床应用、广州中医药大学第一附属医院、第一节MRI发展概况、1946年美国斯坦福大学的Feli

2、x Bloch和哈佛大学的Edward Purcell分别进行了研究，检测出大物质内核磁性的NMR的应用逐渐从物理和化学领域在广州中医药大学第一附属医院，第一节MRI的发展概况，医学影像学方面，1973年Lauterbur研究了MRI所需的空间定位方法，即梯度场。 他的研究结果是得到水的模型的画像。 未来10年，人们进行了大量研究制造磁共振扫描仪，生成人体各部位的高质量图像，并通过MR扫描获得手、胸、头和腹部图像。 1980年商品化的MRI装置登场了。 广州中医药大学第一附属医院，第二节介绍MRI的基本原理，本节介绍核磁共振这一物理现象最基本的理论知识，我们应用一般物理学、力学及磁学原理进行阐

3、述。 广州中医药大学第一附属医院，一、原子核及磁场内的特性，人体由很多分子组成，分子由原子组成所有原子的中心是原子核；带正电荷和中性的粒子的集合体； 广州中医药大学第一附属医院，一、原子核及磁场内的特性占原子质量的大部分，理论上很多元素可以用核磁共振成像。 也就是说，无论哪个原子核，只要其中包含的质子或中子的任一个是奇数，就能够带有磁性，产生磁共振信号。 广州中医药大学第一附属医院，一、原子核及磁场内特性，MRI主要用于氢核成像。 这是因为其对磁共振信号的敏感性很高。 由于的旋转磁性比最高，测量出最敏感的、即MR信号的效率随着谐振信号的频率的增加而改善。 二是自然界蕴涵丰富。 由于氢储存在水和

4、脂肪中，人体极其丰富，立方毫米的软组织中约含有1019个原子，其磁共振信号比其他原子强1000倍。 广州中医药大学第一附属医院，一、原子核及其磁场内的特性，因为只有一个质子，也没有中子，所以氢核的图像也称质子图像。 氢核有两个特性。 一种是包含核中心没有的正电荷，另一种是包含核中心没有的正电荷。 二是有角动量和自旋。 Pauli理论是奇数原子的质量或有奇数原子数的核具有角动量和特征性大于零的自旋量子数。 广州中医药大学第一附属医院，一、原子核及其磁场内的特性，自旋的氢核正电荷沿接近圆形的路径运动，就像电流通过环路线圈一样，在其周围产生磁场。 这个滋场的大小和方向用磁矩表示，形成微观的磁铁偶极子

5、。 具有磁矩的高速自旋核可视为极小磁棒，广州中医药大学第一附属医院，一、原子核及磁场内的特性、共振是常见现象。 指南针是我们最熟悉的磁铁，地球是磁场。指南针在地球表面取向排列，即在静止状态下指北。 如果我们用手指敲打指南针，指南针将从我们手指得到的能量全部释放出来后，就会移到原来的位置，指向北方。 这就是共振现象。针摆动的频率是共振频率。 广州中医药大学第一附属医院，一、原子核及磁场内的特性、共振频率与外磁场强度成正比。 地球两极的电场强度最强，赤道最弱。 在赤道和两极之间磁场强度逐渐变化，称为梯度磁场或简称梯度。 圆规在赤道上摇摆的频率是每周/秒，越往北摇摆的频率越快。 因为北极的滋场强度比

6、赤道大2.3倍。 广州中医药大学第一附属医院，一、原子核和磁场内的特性，这个简单的例子有助于理解磁共振成像中的基本要点，指南针的共振频率与外部磁场强度成正比，在有倾斜磁场的情况下，可以根据指针的摆动频率的变化来推断磁场中的位置。 广州中医药大学第一附属医院，许多氢核(质子)是许多微磁偶极子，在不施加磁场的影响下，它们的磁矩是任意指向的，排列得很杂乱。 在这种情况下的组织标本中，净磁量为零。 一、原子核及其磁场内的特性，广州中医药大学第一附属医院将这些杂乱的质置于强静磁场(B0)中，质在群中的磁矩就会朝静磁场的方向取向。 稍微超过半数的质子与静磁场B0平行排列，稍微不足半数的质子朝向相反方向(与

7、静磁场反平行方向排列)。 一、原子核及其磁场内特性，广州中医药大学第一附属医院在有两种可能的排列状态时，以能耗少、能耗低的排列状态占优势。 一、原子核及其磁场内的特性，广州中医药大学第一附属医院，一、原子核及其磁场内的特性，平行于低能级静磁场方向的质子和反平行于高能级静磁场方向的质子反转，相互抵消，平衡的磁化量为0，即在一定量的组织中，产生所有的氢为了磁化放置在施加静磁场内的组织标本，需要足够的时间(约510秒)。 广州中医药大学第一附属医院，二、磁共振是如何发生的，每个质子都是细自旋磁铁，当受到施加静磁场的作用时，静磁场对质子的磁矩产生扭转作用，由此使质子沿施加静磁场的中轴旋转，称为前进。

8、就像旋转的陀螺受到重力一样。 广州中医药大学第一附属医院，二、磁共振是如何产生的，用坐标系表示每个质子受到施加静磁场作用时磁力方向的大小。广州中医药大学第一附属医院在平衡状态下，网络磁化矢量必须被扰动和激励，以使接收线圈产生感应电流获得自旋信息。 与关心核的拉莫尔频率一致的网磁化从平衡方向产生不同程度的偏转角度的高频脉冲激励时，网磁化向主磁场方向前进二、磁共振如何产生、广州中医药大学第一附属医院、高频脉冲激励时，净磁化以拉莫尔频率或共振频率向主磁场方向前进二、 磁共振是如何产生的，广州中医药大学第一附属医院，高频激励脉冲实际上是另一个磁场(B1) B1方向垂直于Bo作用非常短的时间B1磁场的作

9、用是从垂直方向朝向MXY平面，二是磁共振是如何产生的，广州中医药大学第一附属医院，网络磁化(m 有两个矢量分量：横向的Mxy和纵向的Mz只有xy平面的分量能够调整RF脉冲的强度和时间，磁化从平衡状态反转90度时，能够得到最大的磁共振信号；磁共振如何产生，电场强度和进入频率的关系用Larmor式表示： 0原子(进入频率) 0施加静磁场电场强度，单位为Tesla，简称旋转磁比，恒定，氢核的旋转磁比为42.58MHz/T的广州中医药大学第一附属医院，二是如何发生磁共振，频率(0)非常重要，其原因如下MR设备的接收器必须调谐到该频率以从患者接收信号。 广州中医药大学第一附属医院，二、磁共振是如何产生的

10、，在某磁场中含氢标本上用符合Larmor频率的高频脉冲激发时，质子吸收能量，并以相同频率的电波形式释放吸收的能量。 吸收这种能量的过程叫做激发。 广州中医药大学第一附属医院，二、磁共振是如何发生的，在Larmor频率条件下质子吸收和释放能量的过程称为核磁共振。 广州中医药大学第一附属医院，二、磁共振是如何产生的，核原子核、磁有两个意义：施加静磁场B0的高频脉冲产生的激励磁场B1。 B0和B1首先在B0的电场强度为B1的约10000倍和B0的电场强度为B1的约10000倍这一点上不同，其次，B0是一定的，方向与磁扫描孔平行，B1磁场迅速旋转，方向总是与B0垂直。 广州中医药大学第一附属医院，二、

11、磁共振是如何发生的，使用高频线圈作为天线接收器，将释放的能量转换为信号。 当进行人体的磁共振成像时，信号的强度取决于质量的数量，即质子的密度。 脂肪、肌肉、血液和骨中质子含量的不同决定了磁共振图像中各种组织信号的强弱和对比，该图像称为密度像。 广州中医药大学第一附属医院，二、磁共振是如何发生的，除了组织中质量和含量的差异影响成像外，其他组织特性还对磁共振成像信号产生更重要的影响，这就是组织磁化的弛豫时间。 广州中医药大学第一附属医院，三、弛豫时间，与x线和CT成像原理不同，MRI无x线放射，主要利用质子密度和质子弛豫时间(T1和T2)的差异成像，弛豫时间尤为重要。 因为质子在人体上的差异只有1

12、0%，但缓和时间可能有百分之几百的差异。 广州中医药大学第一附属医院，三、缓解时间、缓解时间可反映分子水平的差异，发现人体生化和生理学的早期变化。这不仅在过去的病理解剖学的基础上表现疾病的传统概念，而且可以更快地发现人体内生理、生化的变化。 广州中医药大学第一附属医院，三、弛豫时间是在去除高频脉冲和高频脉冲后，在静磁场的作用下，从高能状态(垂直于磁场的位置)到低能状态(平行于磁场的位置)的恢复过程， 即具有缓和过程的广州中医药大学第一附属医院，(1)质子(氢核)的T1缓和，在被高频脉冲激发后，如果吸收能量有质量的高频脉冲停止，则纵磁化开始恢复，质子释放能量时，接收线圈中产生RF信号。 广州中医

13、药大学第一附属医院，(1)质子(氢核)的T1弛豫、纵向磁化的恢复率以纵向弛豫时间(T1)表示T1是静磁场方向的纵向磁化恢复约2/3(63 )所需的时间。 广州中医药大学第一附属医院，(1)质子(氢核)的T1弛豫，T1为时间常数，生物组织的T1值约为50毫秒至数秒，不同组织具有不同的T1值：脂肪为150250ms。 脑脊髓液是23s。t1缓和也被称作纵向缓和、热缓和、自旋晶格缓和。 这是纵向磁化恢复的过程，在这个过程中有能量传递，以热的形式散失。 反映了分子运动频率和Larmor频率的关系，如果两者相同，则T1弛豫有效，并且迅速，如果不相同，则T1弛豫无效。 广州中医药大学第一附属医院，(2)质

14、子的T2弛豫，是由于高频脉冲的激励刚停止，所有质的前进频率一致，即相位一致，此时信号最强。 由于施加的静磁场强度不均匀以及存在空间定位的梯度场，质子的进入频率发生变化，其相位匹配性丧失，相位丧失。 第三个因素反映了人体组织的固有特性，它是磁化质子之间的相互作用和分子与巨大分子磁环境的相互作用引起的相位不一致，由此引起的相位不一致是不可逆的。 广州中医药大学第一附属医院，(二)质子T2弛豫，相位不一致，质子进入快，部分进入慢，这是受局部磁环境影响而引起的，结果为纯横磁化衰减(decay )。 此时，由接收线圈得到的信号减少，完全丢失。 衰减器63的横磁化需要时，即横磁化衰减到其原始值37需要的时

15、间为T2缓和时间。 广州中医药大学第一附属医院，(二)质子的T2弛豫，a施加90RF脉冲后，原子核的磁化偶极子均相位一致前进，横向磁矢量Mxy为最大值。 b随时发展，磁化偶极子失相，部分进入快，部分进入慢，这是局部磁环境造成的。 这种相移会导致净横向磁化量的衰减。 记录在c接收线圈的信号逐渐衰减，T2是横磁化衰减到原始值的37所需要的时间。 广州中医药大学第一附属医院，(二)质子的T2弛豫、T2弛豫时间又称横弛豫时间，自旋自旋弛豫时间。 自旋这个词从核的自旋中取出的T2总是比t短约t的1020。 广州中医药大学第一附属医院，应用三、弛豫时间、空间坐标系X-、Y-、Z-轴描述，磁向量代表小范围组

16、织内，即一个体素(体素)内所有质子的磁化和方向。 横向及纵向成分的缓和过程a 90脉冲b 90脉冲刚刚停止，横向成分最大c，d缓和过程：横向成分急速衰减，纵向成分缓慢增长，e的纵向成分最大。 广州中医药大学第一附属医院，三、弛豫时间、人体置于一施加静磁场中时，磁矢量沿z轴取向，与静磁场一侧吻合。 施加90脉冲后，从z旋转90圈，旋转到与静磁场垂直的位置，在x平面上产生横向磁矢量。此时，由于在接收线圈内产生感应，所以可以通过电流校正来测量该信号。 当90脉冲停止时，在缓和的过程中，磁矢量分离为纵向成分z和横向成分xy。 由于静磁场不均匀，而且是存在于分子间、分子与原子间的内部磁场，所以横向成分xy从最强的起立即衰减为零，即T2弛豫。 广州中医药大学第一附属医院，三、控制缓和时间、高频脉冲的强度和时间，可得到90或180等不同脉冲，磁矢量可控制距z轴的角度。 将磁矢量从90和180偏移的高频脉冲分别称为90和180脉冲，180脉冲使磁矢量旋转180度，从正的z轴向负的z轴旋转，不产生横向的磁矢量，所以不能产生信号。 同样，360个脉冲也不发生信号。 只有横向的磁向量，才能生成信号。 广州中医药大学第一附属医院，四、自由感应衰减、自