课件：电子医疗仪器磁共振成像.ppt

第十一章 磁共振成像（MRI）,2 / 90,（核）磁共振成像（Nuclear）magnetic resonance imaging （N）MRI是一种利用人体内磁旋核现象，在静态强磁场内对人体辐射一定能量特定频率的射频信号，使体内氢原子核产生磁共振吸收，当射频消失后，共振吸收的能量又以微弱的无线电信号释放出来（驰豫现象），用两维坐标的方法检测每一点的信号强度，以灰阶表示信号强度来显示人体断面影像的方法。,3 / 90,MRI的优点： 1、高对比度分辨力图像，类似真实解剖图； 2、不使用放射线源； 3、可任意三维重建图像； 4、可显示血管影像； 5、无创性检查。,4 / 90,第一节 MRI的发展概况,1946年由美国斯坦福和哈佛的两位教授（Bloch、Purcell）共同发现核磁共振现象，并应用于物质化学结构的分析（核磁共振波谱仪），这一伟大的发现，他们在1952年获得诺贝尔物理奖。,5 / 90,核磁共振技术在物质结构磁研究中发现含液体的物质（氢核为主）可获强质子共振信号，而且不同的含液物质可获得不同的驰豫时间，许多研究者很快意识到将MR应用于人体的物质结构，直至1973年由Lanterbur研究利用梯度磁场修改主磁场获得空间定位（二维MR定位），并获得水模成像，1983年应用于人体断面成像的样机问世，经过十多年的研究改进，已能显示类似人体解剖十分逼真的重建图像。,6 / 90,第二节 MRI的基本原理,一、原子核及其在磁场内的特征 物质由分子组成（分子间有晶格结构），分子由原子组成，人体中有大量元素。,7 / 90,表1 与诊断有关的元素MR特征,8 / 90,氢核只有一个质子和核外电子，可看成球体，表中可看出氢核的旋核比（特征参数）最高，自然界内相对含量高，相对敏感性最高，在人体内70属水份，故研究氢核等于研究人体，每个氢核就是一个微观磁体偶极子。,9 / 90,10 / 90,许多磁偶极子在有无外加磁场的情况下排列不同：无磁场时杂乱无章排列；有磁场时，由于晶格的原因，有多数磁偶极子呈低能态，少数为高能态。,11 / 90,12 / 90,氢核在外加磁场下以进动即Larmaor进动方式排列 0 B0 0：MHz 1 Tesla=10000 Gess B0 为外磁感强度 所有氢核磁化量的总和为平衡磁化量0（Z方向），也就是纵向磁化矢量。,13 / 90,14 / 90,15 / 90,16 / 90,二、磁共振产生原理及驰豫时间 合成磁化矢量的氢核其共振频率与外加磁场强度有关，当磁场强度为 1 Tesla 时： 根据Larmor方程，0B042.58MHz,17 / 90,（一）当对这些磁化失量的氢核施加42.58MHz射频脉冲（RF）时，即发生磁共振吸收（能量） 纵向磁化共振吸收 氢核由低能态（磁力线方向）射向高能态（反磁力线方向）,18 / 90,19 / 90,纵向磁化共振吸收到一定限度时，又合成一个新的共振吸收，横向磁化共振吸收即不同相位的氢核聚拢，合成横向磁化矢量（即抵消相互排斥力聚拢同步行进）。,20 / 90,21 / 90,（二）当中断RF脉冲后，即发生驰豫现象（释放能量），以相同频率的无线电信号发射，通过接收线圈接收。,22 / 90,1、纵向驰豫时间T1 高能态氢核（反方向磁力线）逐渐倒回到低能态所需时间，也称自旋晶格驰豫时间（克服晶格阻挡有热能损耗），T1时间长。,23 / 90,24 / 90,2、横向驰豫时间T2 在纵向驰豫的同时，跟随着横向驰豫时间T2，即在Y平面方向聚拢同步行进的氢核要散开，失去同相所需时间，也称自旋自旋驰豫时间（无损耗，信号强），T2时间短。,25 / 90,26 / 90,T1与T2合成曲线图 长T1短T2,27 / 90,控制RF脉冲的强度与时间，可得到90或180的脉冲，可使氢核磁化矢量偏转90或180。,人体内不同物质有不同的T1、T2时间,28 / 90,偏转180后要回复原位时，要克服晶格阻力，以热能量方式转化，无信号产生，只有偏转90，才有信号产生。,29 / 90,纵向与横向磁化矢量的变化过程犹如一个螺旋方式总矢量变化过程。,30 / 90,这个总矢量变化大小，就是接收线圈上收到的信号大小，接收到的MR 信号在 90RF 突然消失后最强，这就是自由感应衰减回波信号（FID）；,31 / 90,三、自由感应衰减 由于90脉冲一次激发只能产生一个很短的快速衰减信号，接收线圈在梯度场的时间内很难获取空间定位信号，要取得MR有用的信号，需使用几个连续180的RF 脉冲，即获得如下图的自由衰减回波信号（自旋回波信号）如同回音壁或山谷中听到的一样。,32 / 90,33 / 90,四、影响T1、T2的物理因素 1、温度（不重要） 2、大分子 水化层 自由水 惰性 高信号 过度活跃 3、顺磁性物质（高信号）,34 / 90,由于人体是恒温动物，故对T1、T2的影响小，人体内存在许多大分子化合物，它们与水分子都有一定程度的络合，这些分子的水化层与共振频率相近，可得到不同的短T1（即加权像），有利于被区分。,35 / 90,含铁顺磁水物质的产生与病变区的病理生理（生化）的改变有关，可使T1缩短得到高信号，如血红蛋白的 Fe3+, 而人为注入的顺磁性造影剂 Gd（钆）容易使小血管或组织内的T1、T2缩短，得到T1增强或T2增强（即类似CT增强）。,36 / 90,第三节 MRI成像技术,一、空间编码与梯度磁场 人体的任一断面中的每一个点，都包含共振的氢原子核，如何对一个二维的层面将其分解为若干体素，并测出每一个体素不同的T1、T2值，如同 CT层一样将矩阵的每一个体（像）素的 CT吸收值计算出来一样，需要对该层面的体素信号强度进行空间编码测定。,37 / 90,应用三个互相垂直的梯度场线圈（Gx、Gy、Gz）修改静态的主磁场，即可实现空间编码，梯度场的Z轴与人体长轴一致，X及Y轴相当于人体轴位断面的两个坐标。,38 / 90,39 / 90,（一）层面的选择：如同CT的轴位断面选层一样，可在 Z 轴上的梯度场线圈加上具有梯度变化的不同磁场强度（一般只有主磁场强度的千分之一），从而修改了从头到脚的主磁场强度，共振频率则发生相应变化。,40 / 90,41 / 90,（二）层厚的选择：层面厚度的选择与RF的带宽成正比，如带宽相同，则与（在相同距离时）梯度场的变化范围成反比。,42 / 90,（三）频率编码及相位编码： 如同CT轴位断面，X 轴与Y轴上有两个梯度场线圈，同样有两个梯度变化的磁场来修改X轴与Y轴上的主磁场来接收不同频率和不同相位的坐标点上信号强度。 频率编码与相位编码统称空间编码,43 / 90,44 / 90,45 / 90,（四）灵活使用3个梯度场线圈，可轻易地得到轴位、冠状、矢状面的断层图像，其射频脉冲Gz、 Gy 、Gx的时序关系见图表。,46 / 90,二、脉冲序列与扫描参数 单个RF脉冲所产生的信号只能表示体内质子的分布，对诊断意义不大，由于人体内正常的不同组织结构及异常的病变组织都有不同的T1、T2，必须实施所谓的脉冲序列。,47 / 90,即： 1、不同强度90与180脉冲的搭配，组合及间隔时间长短； 2、两个脉冲序列之间的间隔时间TR（Time of repextition）,48 / 90,改变上述各参数即为扫描参数，改变扫描参数就可改变组织的T1、T2驰豫时间或质子密度，即信号强度，最终显示出组织的不同对比度差异。 下面介绍临床常见几种脉冲系列：,49 / 90,（一）部份饱合饱合恢复脉冲序列 （Partial saturation, PS）,短TR或T1加权像,50 / 90,（二）反转恢复脉冲系列 （inversion recovery, IR）,51 / 90,选择适当的T1，使某些特定的组织在MRI上无信号，则可突出该组织内有信号的病变，获得的T1加权像比PS方式强。,52 / 90,（三）自旋回波脉冲系列（Spin Echo,SE）,53 / 90,选择短长TR或TE与T1或T2加权有关，一般长TR是短TR的三倍，长TE是短TE的三倍。,54 / 90,TR1500 msec为长TR TE30msec为短TE TE80msec为长TE,55 / 90,（四）快速成像序列 以上成像的质量（如多次激发成像）所需时间长（2030分钟），为缩短扫描又开发出多种回波序列。,56 / 90,如： 1、快速小角度激发成像（Flash） 2、稳定态梯度回波采集成像（GRASS） 3、梯度回波成像（Gradient echo） 4、平面回波成像（EPI）,57 / 90,第四节 MRI图像的特点,一、组织的MR特性 决定MR图像的组织参数有质子密度、T1及T2 驰豫时间，是构成图像解剖结构与病变组织差异的重要因素。 IKM0F1（T1）F2（T2） 信号I的强度与M0 、T1、T2三者有密切关系,58 / 90,（一）质子密度 质子密度像的信号强度除组织固有的特性外，还与磁场强度M0有关，为了获得较好的质子密度像，采用部分饱和脉冲序列（PS），其中T2无影响，T1影响小。质子密度像反映了组织内含氢核的数量多少。,59 / 90,（二）T1驰豫时间 人体中各种组织的T1驰豫时间的长短主要取决于大分子及其水化层中氢核的相互作用，也就是含水量及其分子周围的晶格结构不同。如： 1、水（H2O）：全为氢核，分子活跃，质子旋振频率高于共振频率， T1为 3000 msec，呈低信号，图像呈黑色。,60 / 90,2、脑脊液： 有少量其它分子，主要是水，也是黑色； 3、脂肪： （因含有许多氢质子侧链，晶格规则，非游离氢质子）整体共振频率相似，T1短，150 250 msce可获得高信号，图像呈白色。 4、固体： （如颅骨）含水量少，氢核被束缚程度大，共振频率低，呈低信号，图像呈黑色。,61 / 90,（三）T2驰豫时间 人体中T2驰豫时间的长短取决于横向磁化强度衰减的快慢，导致信号强弱，规律如下： T2长 衰减慢 信号强 T2短 衰减快 信号弱,62 / 90,由于回波信号只来自横向驰豫，所以T2的长短形成过程中与T1、质子密度都有关系，与TR及TE也有关系。,63 / 90,T1加权像,PD密度图像,T2加权像,64 / 90,二、流动效应（流空效应） 1、流动着的血液（10cm/s）不能产生或产生很低的信号。这种现象有利于垫托血管内腔的轨迹，反之可显示血管，有造影的功效，主要以大血管为主。,65 / 90,2、流动着的血液（速度1cm/s）可产生反常增强的高信号，类似液体，主要以微血管、病理血管为主，但不能分辨微血管形态结构。,66 / 90,上述两种表现是形成流动效应的主要原因。其它原因为辅，即： 流动效应低信号： 高速运行 涡流 奇数回波失相位,67 / 90,流动效应高信号： 流动反常增强 偶数回波相位重聚 舒张期假门控现象。,68 / 90,三、三维立体变换成像 此法成像与前述的空间编码成像系统的不同点采用宽频带脉冲激励所扫部位的全部体素，同样采用相位编码和频率编码进行信号的采集与重建。,69 / 90,四、运动器官的成像处理 MRI 如同CT成像一样，检查时不能移动，对于人体的运动器官和移动的信号收集，可采用心电门控和呼吸门控，随运动的周期变化有规律地采集信号来提高图像的质量。,70 / 90,五、伪影 1、人体内因素形成的伪影 （运动伪影） 2、人体外因素形成的伪影 （金属物体、静电） 3、MRI系统引起的伪影 （化学位移，折叠伪影、低信号伪影）,71 / 90,六、MR波谱 MR波谱必须在1.5T以上的高磁场下，让其它核子用不同射频频率也产生共振吸收及驰豫，通过波谱特征，在病变定性上起一定作用。,72 / 90,七、MRI对比剂 利用某些物质的高顺磁性特征，缩短T1、T2 时间的能力，由于 T1缩短，能鉴别信号差异小的组织， 同时可得到高信号。T2缩短只能获低信号，故MR的对比剂钆（Gd）也可看做是T1增强对比剂。,73 / 90,常用： Magnevist 马根维显 Omniscan 欧乃影 这些造影剂很少有并发症。,74 / 90,第五节 MRI设备,MRI主要包括磁体、梯度系统、射频系统；计算机系统。,75 / 90,一、磁体 （一）类型：常导、永磁和超导型 （二）磁场强度 400 Goss15000Goss 0.04T1.5T（1 Tesla=10000Goss） 0.150.35T （低场）常导或永磁 0.51.0T （中场）超导 1.5T 以上 （高场）超导 （三）磁体是静态磁化的重要部件,76 / 90,77 / 90,二、梯度系统 前述三个相互垂直X、Y、Z修改主磁场的线圈，用于定位测量人体空间信号，即：,对共振矩阵点进行频率编码及相位编码以及层面选择。,78 / 90,三、射频系统 1、射频发射机 2、射频接收机 3、射频线圈,79 / 90,80 / 90,四、计算机（硬件与软件） 五、射频屏蔽和磁屏蔽,81 / 90,第六节 MRI的临床应用,对中枢神经系统、脊柱、心血管系统、关节等有很大的价值，临床开发运用不断扩大。,82 / 90,MRI图像的分析与诊断 MRI图像同样是灰阶成像，但其灰阶规律与CT成像的与CT值成正比关系不完全一样，它与组织固有特性、成像技术、场强大小有关。,83 / 90,一、其规律是 T1加权像（T1短）信号强图像白（亮）反之黑（暗） T2加权像（T2长）信号强图像白（亮）反之黑（暗） 质子密度大（T1很长，T2很短）信号强图像白（亮）,84 / 90,二、常用脉冲序列时间应用例子 SE短TR 短TE TRTE500ms/20ms IR长TR 短TITE TRTITE 2000ms/500ms/20ms,85 / 90,三、T1，T2，TR，TE，TI之间的关系 T1、T2是组织固有的驰豫时间 TR，TE是脉冲序列中脉冲恢复时间和回波时间 TI是反转恢复脉冲序列中特有