磁共振成像.ppt

2019/4/4,1,磁 共 振 成 像 设 备,江苏省人民医院 钱英,2019/4/4,2,mr现象的发现,1.mr现象是1946年分别由美国斯坦福大学物理系bloch教授和哈佛大学的purcell教授领导的小组同时独立发现的。 2.由于这一发现在物理、化学上具有重大意义，bloch和purcell共同获得了1952年的诺贝尔物理学奖。,核磁共振现象发现者帕塞尔(edward purcell),核磁共振现象发现者 布洛赫(felix bloch),2019/4/4,3,mr基本原理,当处于磁场中的物质受到射频（radio frequency，rf）电磁波的激励时，如果rf电磁波的频率与磁场强度的关系满足拉莫尔方程，则组成物质的一些原子核会发生共振，即所谓的mr。 原子核接收了rf电磁波的能量，原子核就会发生偏转,当rf电磁波停止激励时，吸收了能量的原子核又会把这部分能量释放出来，即发射mr信号。通过测量和分析此mr信号，可得到物质结构中的许多物理和化学信息。,rf,mr信号,2019/4/4,4,磁共振成像原理,自然界中原子核内部均含有质子和中子，统称为核子，带有正电荷。但具有偶数核子的许多原子核其自旋磁场相互抵消，不能产生磁共振现象。只有那些含奇数核子的原子核在自旋过程中才能产生磁矩或磁场， 如1h(氢)、13c（碳)、19f(氟)、31p(磷)等。 以人体内广泛存在的氢原子核为例，其原子核中只含有一个质子而不含中子，最不稳定，且带正电荷并可产生磁矩，有如一个小磁体，易受外加磁场的影响而发生核磁共振现象。在自然状态下 氢质子有沿自身轴旋转的自旋运动(spin)，小磁体自旋轴的排列无一定规律。 质子距原子核中心有一段距离，因此质子自旋就相当于正电荷在环形线圈中流动，在其周围形成磁场，称为核磁。 人体内无数的氢原子核杂乱无章的运动，漫无方向的排列，使其磁场相互抵消，整个人体不显磁性。,mri原理,2019/4/4,5,磁共振成像原理,如果在均匀的强磁场中(又称主磁场或静磁场)，小磁体的自旋轴将按磁场磁力线的方向重新有序排列。但有序排列的质子并不是静止的，而是作快速的锥形旋转运动，即原子核在绕着自身轴旋转的同时，又沿着主磁场方向做圆周运动，我们把质子磁矩的这种运动称之为进动或旋进。 进动速度用进动频率表示，即每秒进动的次数。进动频率决定于质子所处的外磁场场强。外磁场场强越强进动频率越高。,磁性核在磁场中的进动,2019/4/4,6,mri发展简史,1967年，约翰斯等人首先利用活体动物进行实验，成功地检出动物体内分布的氢、磷、和氮的mr信号。 1970年，美国纽约州立大学的达马迪安对已植入恶性肿瘤细胞的老鼠进行了mr实验，发现正常组织与恶性肿瘤组织的mr信号明显不同，而且受刺激组织的偏转磁矩回复至稳定状态的过程中，会发出两类不同信号：t1、t2弛豫信号。,全身核磁共振装置创始人达马迪安 (raymond damadian),2019/4/4,7,mri发展简史,1972年，美国纽约州立大学的劳特伯（paul lauterbur）进一步指出，用mr信号完全可以重建图像，他提出了mri的方法，即把mr原理与空间编码技术结合，用一定方法使空间各点磁场强度有规律地变化，mr中的不同频率分量即可同一定的空间位置对应，通过一定的数学变换即可实现mri。 1977年达马迪安等人建成了人类历史上第一台全身mri设备，并于1977年7月3日取得第一幅横断面质子密度图像（用时长达4小时45分钟）。,核磁共振空间定位方法开拓者 (paul lauterbur),2019/4/4,8,mri设备发展回顾,近年来，mri技术飞速发展，高性能梯度磁场、开放型磁体、软线圈、相控阵线圈以及计算机网络的应用，显示出mri设备的硬件发展趋势。 超高磁场mri设备发展十分迅速，3t全身mri设备已用于临床。,ge 7t 磁共振成像新技术,2019/4/4,9,mri设备发展回顾,低场强mri设备，不论是永磁型、常导型或超导型都已采用开放型，其性能大幅提高，图像质量、成像功能也有很大改善，成像时间亦有所缩短，且病人舒适、减少了幽闭恐怖感，又便于操作和检查，而且还便于介入治疗。 中场强开放式mri设备也已应用。,永磁开放式磁共振系统,磁共振导航介入治疗系统,2019/4/4,10,mri设备发展回顾,在梯度磁场方面，为了提高梯度磁场强度，已开发出双梯度系统（twin gradient），最大梯度磁场强可达80mt/m，其切换率可达150mt/m/ms，提高了成像速度。 在rf系统方面，多元阵列式全景线圈的发展十分迅速，支持并行扫描的线圈技术得到快速发展，目前已能支持最优化的4、8、16、32、64个接收通道的配置，支持34倍的图像采集速度。 在图像重建方面，非笛卡尔的重建、不完整数据的采集、与并行成像技术有关的重建方法都是当前十分活跃的领域。,2019/4/4,11,并行成像技术简介,并行成像技术，又称为灵敏度编码技术（senst）或阵列转换处理技术（asset），能大幅度缩短mri扫描时间。采集速度是传统方法的49倍，可达到50层/(1020s，是一种能显著提高mri速度的技术。 实现方法：利用多元阵列线圈同时采集信号，经过多个接收通道按适当的方法编码步数，在不降低mri图像的空间分辨力的情况下能大大缩短扫描时间。 senst技术优点：提高成像的时间分辨率；在扫描时间不变时提高空间分辨力；减少运动及敏感性伪影。,ge 磁共振的xv极限成像技术在并行成像基础上融入独特的“填零”算法，实现了扫描速度与图像质量的同时提高。,2019/4/4,12,弛 豫 时 间,在静磁场中当磁化强度受到满足共振条件的射频磁场的作用时，它就会偏离热平衡状态，当该射频磁场作用停止后，磁场强度会从偏离热平衡状态逐渐恢复到平衡状态，这个过程称为磁化强度的弛豫过程，其经历的弛豫过程称为弛豫时间。 弛豫时间分为纵向弛豫时间和横向弛豫时间。,2019/4/4,13,纵 向 弛 豫 时 间,t1为纵向弛豫过程，其实际上是原子核与周围环境（晶格）相互作用，使得高低能级上原子核数目逐渐恢复到热平衡状态的过程，因此称为自旋晶格弛豫过程。 t1亦称为自旋晶格弛豫时间常数。 影响自旋晶格弛豫过程的因素很多，因此不同物质的t1值不同。 对于液体，比如水，分子可自由运动，与原子核碰撞机会大，t1较短，为0.110s； 对于固体，分子运动受到限制，与原子核碰撞机会小， t1长，从几分钟到几小时。 样品中若有顺磁性物质存在，将使t1大大减小。因为顺磁性物质带有未成对电子，电子磁矩比核磁矩大3个数量级，所以其对样品原子核弛豫的作用很大，用造影剂增强磁共振成像组织对比度就是利用了这一性质。,2019/4/4,14,横 向 弛 豫 时 间,t2为横向弛豫时间，横向弛豫过程原因有二：一是组成磁化强度的原子核，彼此之间的相互作用，即自旋自旋相互作用；二是非均匀的静磁场作用，使得各原子核受到的磁场作用不同，因此磁共振频率不同并产生了相位差。该相位差随时间而增加，使得众核磁矩的水平分量相互抵消，磁化强度的水平分量为零。所以横向弛豫过程是自旋自旋作用和静磁场的非均匀性共同引起的。 磁化强度的弛豫时间常数t1、t2是物质磁共振的重要参数，对磁共振图像的信号强度、组织对比度有直接影响。,2019/4/4,15,磁 共 振 成 像 参 数,1.时间参数,a. 重复时间（tr）,b. 感兴趣区（fov）,c. 反转时间（ti）,2.分辨率参数,a. 扫描矩阵（matrix）,b.回波时间（te）,c. 层面厚度,3.其他参数,a. 翻转角（flip angle）,b. 信号平均次数（naq）,2019/4/4,16,重复时间（tr）,重复时间是指从第一个rf激励脉冲出现到下一个周期同一个脉冲出现时所经历的时间。 在mr扫描中，每个相位编码步需要一个周期，因此在扫描分辨率确定的前提下，tr是扫描速度的决定因素。 此外tr还是图像对比度的主要控制因子。,重复时间的定义,2019/4/4,17,回波时间（te）,回波时间是指从第一个90脉冲到回波信号产生所需要的时间，如图，在多回波序列中，90脉冲到第一个回波信号出现的时间称为te1，到第二个回波信号出现的时间为te2，依此类推。 在自旋回波和梯度回波序列中，te和tr共同决定图像的对比度，因此te是上述两类序列的重要参数之一。,回波时间的定义,2019/4/4,18,反转时间（ti）,在反转恢复脉冲序列中180反转脉冲与90激励脉冲之间的间隔称为反转时间。 反转恢复脉冲序列的检测对象主要是组织的t1特性，因此ti长短对最终的信号和图像对比度都有很大影响。,2019/4/4,19,扫描矩阵（matrix）,脉冲序列中的扫描矩阵具有双重含义。 规定了显示图像的行和列，即确定图像的大小； 限定扫描层面中体素的个数。 图像重建后，原始图像的像素与成像体素一一对应，在其他参数不变的情况下，扫描矩阵越大，图像的分辨率越高。,2019/4/4,20,感兴趣区（fov）,fov是指实施扫描的解剖区域。 fov的大小以所用线圈的有效容积为限，当扫描矩阵固定时，fov越大，体素的体积就越大，但空间分辨力随之降低。,2019/4/4,21,层面厚度,指成像层面在成像空间第三维方向上的尺寸。 由于它与扫描矩阵和fov一起决定着体素的大小，因而是信噪比和空间分辨率两个图像质量标准的主要影响因素。 层面越厚信噪比越高但空间分辨率下降。,2019/4/4,22,翻转角（flip angle）,在rf脉冲的激励下，宏观磁化矢量m将偏离静磁场b0方向，其偏离的角度称为翻转角。 在梯度回波等快速成像序列中，经常采用小角度激励技术，此时系统恢复较快，能有效地提高成像速度。,2019/4/4,23,信号平均次数（naq）,又称信号采集次数：它是指每个相位编码步中信号收集的次数。 当naq大于1时，序列采用叠加平均的方法提高图像的信噪比，但相应增加扫描时间。,2019/4/4,24,磁共振成像加权图像以及常规扫描序列简介,1.mri加权图像 实现方法：在扫描过程中，调节tr、te、ti或翻转角等脉冲序列参数，达到突出图像中某一对比度的目的，这样所得到的图像称为加权像（weighted image，wi）。常见的加权像有三种：t1加权像（t1wi）、t2加权像（t2wi）和质子密度加权像。 2.常规成像序列 指在日常磁共振成像中普遍使用的序列，与其他成像方法相比，这类序列具有对机器硬件要求低、图像质量高等优点。 近年来，随着多层面、多回波和小角度激励等技术的逐渐成熟，常规成像序列的扫描速度已经大大提高，主要有自旋回波（se） 、反转恢复（ir） 、梯度回波（gre）序列三种。,2019/4/4,25,t1wi,在扫描序列中采用短tr和短te就可得到所谓的t1加权像。取短tr进行扫描时，由于脂肪等短t1组织的进动频率最接近于larmor频率，因此脂肪质子的弛豫较快；而脑脊液等长t1组织在tr时间内弛豫程度相对较少。因此在下一个rf脉冲出现时对能量的吸收程度也就不同。短t1组织因为吸收能量多而显示强信号，长t1组织因饱和而不能吸收太多能量而表现出低信号。这种组织间信号强度的差异必然使图像的t1对比度增强。 由于检测信号是在横向进行，采用短te可以最大限度的削减t2弛豫造成的横向信号损失从而排除了t2的作用。,2019/4/4,26,t2wi,通过长tr和长te的扫描序列来取得。在长tr情况下，扫描周期内纵向磁化矢量已经按t1时间充分弛豫；采用长te后信号中的t1效应也被进一步排除。长te的另一个作用是突出液体等横向弛豫较慢的组织信号。 需要补充的是一般病变部位都会出现大量水的聚集，用t2加权像可以非常满意地显示这些水的分布。因此t2wi，在确定病变性质方面有重要作用。,2019/4/4,27,质子密度加权像,使用长tr和短te的脉冲序列扫描就可获得反映体内质子密度分布的图像。这里的长tr可以使组织的纵向磁化矢量在下一个激励到来之前充分弛豫，削减t1对信号的影响；短te作用主要是削减t2对图像的影响。可见这时图像的对比度只与质子密度有关。 值得注意的是无论何种加权，均会包含一定的质子密度和t1、t2对比度。因为纵向磁化矢量总是受质子密度的影响；同时在可供测量的信号出现之前，一定程度的t1、t2弛豫已经发生。然而序列参数的选择，能使图像中的某种对比度得以突出，同时使其他对比度的影响大大降低。,2019/4/4,28,自旋回波脉冲（se）序列,自旋回波脉冲序列是指以90射频脉冲开始，后续以180相位重聚脉冲，以获 得有用信号的脉冲序列。 一般来说，se序列的执行过程可分为激发、编码、相位重聚和信号读出四个阶段。 根据se序列中tr、te时间的改变，能反映组织的t1wi、t2wi和质子密度三个物理特征。 se序列是目前临床磁共振成像中最基本、最常用的脉冲序列。,自旋回波脉冲序列时序图,2019/4/4,29,反转恢复脉冲序列（ir）,反转恢复脉冲序列是在180射频脉冲的激励下，使层面的宏观磁化矢量翻转至主磁场b0的反方向，并在其弛豫过程中施以90射频脉冲，从而检测mr信号的脉冲序列。 如图所示，ti为反转时间，它是ir序列的重要参数。很显然，采用ir序列时，纵向磁化量是从m0开始的，因此其纵向恢复时间较长，也就是说有更大的动态检测范围，对组织的t1分辨力相应增加。 ir序列可以测得组织的t1wi和质子加权像且对分辨组织的t1值极为敏感；适当的选择ti时间还可以获得良好的液体抑制和脂肪抑制图像。,反转恢复脉冲序列（ir）,2019/4/4,30,梯度回波脉冲序列（gre）,梯度回波脉冲序列又称场回波，它是目前mr快速扫描序列中最为成熟的方法，它不仅使扫描时间明显缩短而且空间分辨率和信噪比均无明显下降。 梯度回波技术的产生主要依赖以下两点：一是小角度激励；二是扰相梯度的引入。 如图所示采用小于90的小翻转角，可将部分磁化矢量翻转到横断面内。 只要很短的时间就可以让纵向磁化矢量完全恢复，然后在进行下一次激发。 扰相梯度取代了180恢复脉冲，不仅有利于使用短tr实施扫描，更重要的是它有效地减少了受检者的射频能量沉积。 通过gre序列可以获得t1wi、重t2加权像及质子密度像。但不能获得纯的t2图像。,梯度回波脉冲序列（gre）,2019/4/4,31,mri技术进展,平面回波扫描成像（epi）使mr的成像时间大大缩短，通常每秒可获取20幅图像，30ms内采集完成一幅完整的图像。 epi特点：瞬时成像；可去除运动伪影；高时间分辨力便于动态研究。 临床应用：可清晰观察胆囊、呼吸器官等的断层图像，不需要门控即可显示心脏的动态图像，由于单激发epi的时间分辨力高和特殊的图像对比度，可进行人体组织功能方面的应用，如颅脑部的弥散成像、灌注成像、皮质功能区定位等。,磁共振弥散张量成像,磁共振成像在心脏瓣膜病诊断中的应用,2019/4/4,32,mri技术进展,近年发展的动态增强mra（dce mra），是一全新的mra技术。其方法是应用静脉注射顺磁性对比剂，明显缩短了血液成像时间，避免了扭曲血管和慢血流所致的信号丧失。,磁共振脑血管成像,磁性纳米晶体用作磁共振成像造影剂,磁共振血管成像（mra）：不需要对比剂即可得到血管造影像。,2019/4/4,33,mri技术进展,fmri技术：指对人体功能进行研究和检测的mri技术，可检查到形态未变但功能已改变的病变，从而达到早期诊断的目的。 fmri技术包括血氧水平依赖对比增强成像技术、弥撒加权成像、灌注加权成像、弥散张量成像等。,功能磁共振成像应用在大脑皮质功能区定位的研究中,2019/4/4,34,mri技术进展,消除伪影技术：如空间预饱和技术、梯度磁矩衡消技术和快速成像技术等； 上述消除伪影的技术可有效消除人体的生理运动如呼吸、血流、脑脊液脉动、心脏跳动、胃肠蠕动等引起的磁共振图像的伪影，提高图像质量，使得诊断结果更为准确、可靠。,2019/4/4,35,mri设备的优点,1.无电离辐射危害 2.多参数成像 3.高对比度成像 4.具有任意方向断层的能力 5.无需使用对比剂 6.无骨伪影的干扰 7.可进行功能、组织化学和生物化学方面的研究,2019/4/4,36,无电离辐射,mri设备的激励电源为短波或超短波的电磁波，无电离辐射损伤。从成像所用的rf功率看，尽管mri设备的峰值功率可达数千瓦，但平均功率仅为数瓦。 经计算，其rf容积功耗低于推荐的非电离辐射的安全标准。在一定的场强及场强变化率范围之内，静磁场和线性梯度磁场也不会引起机体的异常反应。,mri设备无危害人体的电离辐射存在，是一种安全的检查方法。,back,2019/4/4,37,多参数成像, 一般的医学成像技术都使用单一的成像参数。如ct的成像参数：x线吸收系数；超声成像参数：组织界面所反射的回波信号。, mri是一种多参数的成像方法。从理论上讲，它可以是多核种的成像，而每种核多有各自的成像参数。, 目前使用的mri设备主要是用来观测活体组织中氢质子密度的空间分布及其弛豫时间的新型成像工具，用以成像的组织参数至少有氢核密度n（h）、纵向弛豫时间t1、横向弛豫时间t2及体内液体的流速等四个。上述参数即可分别成像，也可相互组合获取对比图像。质子密度n（h）与mr信号的强度成正比，所以n（h）成像主要反映欲观察平面内组织脏器的大小、范围和位置。t1、t2参数则含有丰富和敏感的生理、生化信息。选取一定的成像参数，并选用适当的rf脉冲序列进行mri扫描，是临床mri诊断医师获取诊断信息应具备的基本技能。,back,2019/4/4,38,高对比度,在所有医学影像技术中，mri的软组织对比分辨力最高。 人体含有占体重70%以上的水，这些水中的氢核是mr信号的主要来源，其余信号来自脂肪、蛋白质和其他化合物中的氢质子。 由于氢质子在体内的分布极为广泛，故可在人体任意部位成像。 另一方面，因水中的氢质子与脂肪、蛋白质等组织中氢质子的mr信号强度不同，故mr图像必然是高对比度的。,磁共振成像之肝脏检查,back,2019/4/4,39,任意方向断层,mri设备具有任意方向断层的能力 mri设备可获得横断、冠状断、矢状断和不同角度的斜断面图像。 自线性梯度磁场应用于mri设备后，人们不再用旋转样品或移动病人的方法来获得扫描层面，而是用gx、gy和gz三个梯度或者三者的任意组合来确定层面，即实现了选择性激励。在进行标准横轴位、矢状位或冠状位成像时，上述梯度磁场之一将被确定为选层梯度，其余两者在分别进行相位编码和频率编码后提供信号的位置信息。在进行任意层面检查时，选层信息由两个以上的梯度共同决定。整个mri检查中没有任何形式的机械运动。 mri设备的任意断层的特点，从不同角度直观地从三维空间上观察分析组织结构及其病变。,back,2019/4/4,40,无需使用对比剂,可直接显示心脏和血管结构； 与传统的血管造影法相比，它的最大优点是无创伤（不需注射对比剂）。,磁共振腹部血管成像,back,2019/4/4,41,无骨伪影干扰,后颅凹病变清晰可辨，没有骨伪影影响诊断； 各种投射性成像技术往往因气体和骨骼的重叠而形成伪影，给某些部位的病变诊断带来困难，而mri无此类骨伪影，在这一方面应用价值优于ct。,磁共振颅脑成像,back,2019/4/4,42,mri在功能、组织化学和生物化学方面的应用,任何生物组织在发生结构变化之前，首先要经过复杂的化学变化，然后才发生功能改变和组织学异常。 以往的成像方法一般只提供单一的解剖学资料，没有组织特征和功能信息可利用。 fmri的出现填补了上述两项空白，使疾病的诊断深入到分子生物学和组织学的水平。,人体分子功能的晴雨表3.0t磁共振成像,磁共振功能成像,back,2019/4/4,43,mri临床应用,mri的特点决定了它特别使用于中枢神经系统、心脏大血管、头颈部、肌肉关节系统检查，也适用于纵隔、腹腔、盆腔实质器官及乳腺的检查 对于中枢神经系统，mri已成为颅颈交界区、颅底、后颅窝及椎管内病变的最佳检查方式。对脑瘤、脑血管病、感染性疾病、脑变性疾病和脑白质病、颅脑先天发育异常等均具有极高的敏感性。 对于心血管系统，使用心电门控和呼吸门控技术可对主动脉瘤、主动脉夹层、大动脉炎、肺动脉栓塞以及大血管发育异常等进行诊断，也用于诊断心肌、心包、心腔等病变。,磁共振颅脑成像,2019/4/4,44,mri临床应用,对于头颈部，mri的应用大大改善了眼、鼻窦、鼻咽腔以及颈部软组织病变的检出、定位、定量与定性。 对于肌肉关节系统，mri已成为肌肉、肌腱、韧带、软骨病变影像检查的主要手段之一。 对于纵隔、腹腔、盆腔，mri的流动效应，使之能在静脉不注射对比剂的情况下，直接对纵隔内、肺门区以及大血管周围实质性肿块与血管作出鉴别。 fmri在脑功能的研究中有广泛的应用价值。目前bold法脑功能成像已广泛应用脑内各皮层功能区的研究，脑肿瘤等疾病术前功能定位，便于手术室可保护功能区并最大限度地切除肿瘤。,磁共振盆腔检查,磁共振下肢软组织检查,2019/4/4,45,mri临床应用的局限性,成像速度慢 ：由于成像速度慢，不适合于运动器官和危重病人的检查等； 对钙化灶和骨皮质病灶不够敏感； 禁忌症相对较多； 图像易受多种伪影影响。,mri系统,2019/4/4,46,mri禁忌症,mri设备的强磁场和rf场有可能使心脏起搏器失灵，也容易使各种体内金属性植入物移位。 在激励电磁波作用下，体内的金属还会因为发热对病人造成伤害。 置放心脏起搏器的病人、安装假肢或人工髋关节的病人、疑有眼球异物的病人以及动脉瘤银夹结扎术后的病人都应严禁做mri检查。 装假牙的病人不能进行颌面水平的mri检查。 放置宫内节育环的病人如在检查中出现不适感应立刻停止检查。,back,2019/4/4,47,mri伪影,mri的伪影主要来自设备、运动和金属异物三个方面。常见的有化学位移伪影、卷褶（包绕）伪影、截断伪影、非自主性（生理性）运动伪影、自主性运动伪影、流动伪影、静电伪影、非铁磁性金属伪影和铁磁性金属伪影。 上述伪影大多数能被克服，但图像质量的控制却很复杂。,back,2019/4/4,48,mri设备组成,mri设备的基本结构如上图所示： 主要由主磁体、梯度线圈、rf线圈、计算机与控制台和检查床组成。,2019/4/4,49,mri设备工作原理,mri设备的主磁体用于产生一个高度均匀、稳定的静磁场，可以是永磁体、常导磁体或超导磁体。一般把主磁体做成圆柱状或矩形腔体，里面不仅可以安装主磁体的线圈，还可以安装x、y、z方向梯度磁场的线圈和全身rf发射线圈与接受线圈，病人可借助检查床进入其中。 梯度发生器产生一定开关形状的梯度电流，经放大后由驱动电路送至梯度线圈产生所需的梯度磁场，以实现mr信号的空间编码。 rf发射器包括频率合成器、rf形成、放大和功放，产生所需要的rf脉冲电流，送至rf发射线圈。,2019/4/4,50,mri设备工作原理,rf接收器由前置放大器、rf放大器、带通滤波器、检波器、低频放大器和a/d转换器等组成。 当rf发生器发射的rf满足mr条件时，rf场与成像物体中的氢核磁矩发生相互作用，进行能量交换，使宏观磁矩偏离平衡态。 rf脉冲过后，宏观磁矩将其回到其平衡位置，发出mr信号，由接收线圈接收。 mr信号很弱，接收线圈感应的弱小信号经过放大和处理后变成数字信号输入计算机。,2019/4/4,51,mri设备工作原理,计算机将采集到的数据进行图像重建，并将图像数据送到监视器进行显示。 工作过程：由rf接收器送来的信号经a/d，把模拟信号变成数字信号，便于计算机进行累加运算和存储，经过累加的数字信号采用傅里叶变换或快速傅里叶变换，得到具有相位和频率特征的mr信号，然后根据与测量层面体素的对应关系，经过计算机运算和处理，得到层面图像数据，再经d/a转换，送到图像显示器，按信号的大小用不同的灰度等级显示出所要观测的层面图像。 计算机还负责整个系统各部分的运行控制，使整个成像过程各部分的动作协调一致，产生高质量图像。,mri设备中的计算机系统,2019/4/4,52,mri设备主磁体简介,主磁体是mri设备最重要、成本最高的部件。 作用：产生一个均匀的静磁场，使处于该磁场中的人体内氢原子核被磁化而形成磁化强度矢量。当磁场强度矢量受到满足mr条件的rf交变磁场激励时，即发出mr信号。 两个最重要特性： 1.磁场强度b0 ； 2. b0对时间和位置的不变性，即b0的稳定性和均匀性。 b0的稳定性和均匀性都非常重要，对成像效果有很大的影响。 诊断用mri设备b0通常在0.023.0t范围，分类如下表所示。 在一定范围内增加b0 ，可提高图像的信噪比（snr）。 b0越高，snr越高，图像质量越好。,2019/4/4,53,主磁体的种类与性能指标,主磁场的主要性能指标是磁场强度、磁场均匀性、磁场稳定性及符合需要的有效孔径等。 不同种类的主磁体在磁场强度、磁场均匀性、磁场稳定性等方面有显著的差别。永磁体和常导磁体的最高场强一般能达到0.4t，要求更高的场强只能用超导磁体。 现在大多数mri设备采用超导磁体，磁场强度在0.39.4t。 临床使用mri设备的主磁体有三种：永磁体、常导磁体和超导磁体。,2019/4/4,54,永磁体简介,mri设备采用的永磁体由永久磁铁如铁氧体或铷铁的磁砖拼砌而成，分为闭合式和开放式两种类型。 开放式磁体可使医生接近病人开展一些新的应用。目前国内外mri设备厂家纷纷开发出开放式磁体，把mri设备推广应用到介入治疗领域，另外开放式主磁体减轻了病人的恐惧感，病人更容易接受检查。 永磁体的b0不够大，且对温度非常敏感，为了场强的稳定，磁体和机房必修采用恒温装置，使温度变化小于0.1。,闭合式,开放式,back,2019/4/4,55,常导磁体简介,设计原理：电流产生磁场，即当电流通过圆形线圈时，在导线的周围会产生磁场。常导磁体的磁场强度最大能达到0.3t。 线圈材料：高导电性的金属（如铜或铝）； 线圈制作方法：通常采用绕制铝薄片的方法做线圈（大约15cm宽），每个线圈绕几千层。 因为线圈产生高的场强需要相当大的电流，所以线圈将产生大量的热需要释放，否则将导致线圈温度过高而使线圈损坏，即磁体将遭到损坏。 常导磁体场强的提高实际上受到散热条件的限制。对于铝片绕制的线圈，由线圈两旁流动的去离子水将热量带走，传到外部热交换器中。,用边缘冷却铝片绕成的线圈,2019/4/4,56,影响常导磁体磁场特性的因素,影响常导磁体的磁场均匀度的因素主要是线圈大小和定位精度。 一般来说，线圈越大，成像区域磁场的均匀度越好。在常导磁体中，为了减小线圈中铝片的长度，减小损耗，线圈做得很小，限制了磁场的均匀度。 影响常导磁体稳定的因素主要是磁体的电源。如果电源输出的电流波动，必将引起磁场的变动，因此要求磁体的电源输出稳定的电流。 另外，如环境因素变化，如温度变化或线圈之间的作用力引起线圈绕组尺寸或位置的变化，也会影响磁场的稳定性。,常导磁体线圈,back,2019/4/4,57,超导现象,某些物质的电阻在超低温下急剧下降为零的性质是科学家kamerlingh onnes在1911年首先发现的，这些物质称为超导体。 超导体对电流几乎没有阻力，因此允许在很小的截面积上流过非常大的电流，而不产生热量；且电流一旦开始将无休止地在电路上循环，而不需要电源。超导磁体就是利用某些物质的这种性质制成的。,2019/4/4,58,超导磁体组成及特性,目前超导磁体利用的材料是铌钛合金：铌占44%50%，临界场强（bc）为10t，机械强度高，可做成一束细丝埋在铜线里。 如右图所示，30条直径约为0.1mm的铌钛合金纤维作为超导导线埋在直径约2mm的铜导线内，在20k时变为超导体。 这种导线可负载7000a电流，可用来绕制主磁体的线圈，线圈的匝数由所需要的场强决定。 超导体携带的电流是有一定限度的，超过这一限度，超导体就变成常导体，因此超导磁体的场强也是有一定限度的。 目前大多数mri的磁场强度都在3t以下，可以满足临床需要。,超 导 导 线 结 构,2019/4/4,59,超导磁体安装及维护,为使磁体保持超导状态，其温度必须维持在临界温度以下，为此磁体线圈必须浸泡在液氦里。磁体一旦启动，便永久工作，不需外加电源。安装时，mri设备的超导线圈首先经液氦冷却，然后通入励磁电流，当达到预期的场强时，切断电源，以后整个超导磁体不再需要电源。 在实际应用中，只要保持低温，线圈电流将一直存在，所产生的磁场每年只会下降几高斯。 超导磁体的优点是场强高，稳定性和均匀度好；缺点是技术复杂、成本及维护费用高。,back,2019/4/4,60,mri设备磁体场强的选择,目前，磁场的场强有低、中、高及超高场四大类。应用型mri设备一般采用低、中场；应用兼研究型一般采用高场；研究型mri设备则采用超高场。场强的选择应以能完成任务所要求的最低场强为原则，并非场强越高越好。因为高场强会带来一些不利因素而影响成像质量，如化学位移。 化学位移是指同一种原子核在不同化学环境中所产生的共振频率的偏移。因为化学位移正比于磁场强度，所以场强越高，化学位移的所造成的伪影越严重。,2019/4/4,61,梯度磁场系统,梯度磁场系统是指与梯度磁场有关的一切单元电路。 功能：为系统提供线性度满足要求的、可快速开关的梯度磁场，以提供mr信号的空间位置信息，实现成像体素的空间定位。 如果只有均匀的静磁场b0 ，如右图所示，样品各处的磁化强度都以同一频率绕静磁场方向作旋进，在rf脉冲磁场作用下产生的共振信号频率都一样，就无法区分各处产生的信号，无法对体素进行空间定位，因此也就无法得到mri图像。,均匀的静磁场,2019/4/4,62,梯度磁场的产生,如果在静磁场b0上叠加一个线性梯度磁场，如x方向的磁场梯度gx=b/x，则磁场强度在梯度方向上随着距离x线性变化，如左图所示，并可用下式表示： b(x)= b0+gxx 线性梯度磁场的磁场强度方向与静磁场b0的方向相同，只是其大小随空间位置线性变化。根据拉莫尔公式，样品的磁化强度的旋进频率也随着梯度方向的距离线性变化，即(x)=b0+gxx,梯 度 场,2019/4/4,63,梯度磁场的产生,在mr成像时必须获得三维空间中各点的信号，因此需要x、y、z三个方向的梯度gx、gy、gz。gx使样品x方向各点信号的频率与x有关，因此gx叫做频率编码梯度磁场；gy使样品y方向信号的相位与y有关，因此gy叫做相位编码梯度磁场；gz使样品z方向信号的频率与z有关。在gz和一定带宽的rf磁场共同作用下，样品中只有与z轴垂直的一定厚度截层上的磁化强度才能产生mr信号，因此gz叫做选层梯度磁场。,2019/4/4,64,梯度磁场的组成,梯度磁场是电流通过一定形状的线圈产生的。 梯度磁场是脉冲式的，需较大的电流和频率，因此梯度磁场系统包括控制、预驱动、功率驱动、反馈、高压控制、高压开关等电路组成。,梯 度 磁 场 构 成 图,2019/4/4,65,梯度磁场产生及控制方法,因mr成像方法不同，对梯度脉冲的开关有不同的要求，集中梯度之间的组合情况也不同。 梯度脉冲的开关和梯度组合的控制，由计算机的中央处理器（cpu）及控制电路完成。 计算机发出的控制信号通过控制电路送到前置放大器。前置放大器输入电压同反馈回来的信号进行比较后送至功率驱动器，同时送出信号给高压控制，进而控制高压脉冲的接通和断开。,2019/4/4,66,梯度磁场线圈,梯度磁场线圈的作用是在一定电流的驱动下，产生线性度好的梯度磁场。不同磁场用不同的线圈。 mri设备的梯度磁场线圈应满足以下4个要求：良好的线性特性：梯度磁场的线性范围至少大于成像视野；响应时间短：梯度磁场从零上升到所需稳定值的时间称为梯度磁场的响应时间，响应时间应尽可能短；最低程度的涡流效应：mri设备设计中必须尽量避免梯度磁场的涡流效应，至少将涡流效应减小到最低程度。,超短梯度磁场线圈,2019/4/4,67,mri设备中射频（rf）系统,用于建立rf场的rf线圈叫发射线圈，用于检测mr信号的rf线圈叫接收线圈。 在mri中，同一rf线圈可以在序列周期内不同的时间分别执行发射和接收两种任务，在这种情况下，它既是发射线圈又是接收线圈。 mri设备通过rf线圈发射电磁波对人体组织进行激发，人体组织中发出的mr信号再通过接收线圈检测。,2019/4/4,68,rf线圈简介,mri设备中使用的rf线圈种类很多，根据线圈作用范围的大小可将其分为全容积线圈、部分容积线圈、表面线圈、体腔内线圈和相控阵线圈五大类。 全容积线圈指能够整个地包容或包裹一定成像部位的柱状线圈，主要用于大体积组织或器官的大范围成像，也用于躯干某些中央部位的成像，常见的全容积线圈有体线圈和头线圈两种。 表面线圈是一种可紧贴成像部位位置的rf线圈，其常见结构为扁平型或微曲型。,2019/4/4,69,rf线圈简介,部分容积线圈是由全容积线圈和表面线圈两种技术相结合而成的线圈。 腔内线圈是今年来出现的一种新型小线圈，这种线圈 使用时须置于人体有关体腔内，以便对体内的某些结构实施高分辨成像，直肠内线圈是最常见的腔内线圈。 相控阵线圈是由两个以上的小线圈或线圈单元组成的线圈阵列。 这些线圈可以彼此邻接，组成一个大的成像区间，使其有效空间增大。,2019/4/4,70,rf线圈工作原理,rf线圈发射的rf磁场，激发样品的磁化强度共振发出mr信号，经接收线圈接收将mr信号变为电信号。此电信号再经予放大、混频、a/d转换等一系列处理，最后得到数字化原始数据，送给计算机进行图像重建。,2019/4/4,71,rf系统组成,如右图所示，rf系统包括rf磁场部分和接收mr信号部分。 发射rf磁场部分由发射线圈和发射通道组成。 发射通道由发射控制器、混频器、衰减器、功率放大器、发射/接收转换开关等组成。 接收mr信号部分由接收线圈和接收通道组成。接收通道由低噪声放大器、衰减器、滤波器、相位检测器、低通滤波器、a/d转换器等构成。,rf系统构成方框图,2019/4/4,72,mri设备中计算机系统,计算机系统作为mri设备的指令和控制中心，不仅具有数据采集、处理、存储及多幅显示等功能，而且选择观察野、建立rf脉冲波形和时序图、打开和关闭梯度磁场、控制rf发射和收集mr信号及提供mri设备各单元的状态诊断数据。,计 算 机 系 统 功 能 框 图,2019/4/4,73,mri图像重建,mri系统在恒定磁场的基础上，通过施加一定的线性梯度磁场，由rf脉冲激发被检部位产生mr信号，再经接收电路将mr信号变成数字信号。 此数字信号还只是原始数据，为获得被检部位高质量的图像，还必须经过一系列的数据处理，如累加平均去噪声、相位校正、傅里叶变换等数据处理方法。这些处理过程由计算机图像重建部分完成。,图 像 重 建 部 分 结 构 框 图,2019/4/4,74,mri设备图像显示,经图像重建后，得到的只是表示图像各点不同亮度的一组数据，这些数据存于海量存储器或磁盘中。为让人眼能看到图像，普遍采用ort型tv显示系统。 此方法是通过将表示图像各像素亮度的数据转化模拟信号，控制显像管电子枪发射的电子束强度获得图像。,图 像 显 示 部 分 框 图,2019/4/4,75,磁 共 振 成 像 设 备 新 进 展,磁共振成像设备是指整个系统的硬件总成，由主磁体、梯度子系统、射频子系统（包括发射和接收线圈）、控制计算机、操作界面和检查床等部分组成。 mri设备是各种成像技术得以实现的基础。正是由于这些“硬”设备的不断改进或者变革，才使各种成像技术得以发生和发展。 开放式磁体、短磁体、超高场强磁体、高性能梯度、软线圈、相控阵线圈以及计算机网络的应用，充分显示了近几年来mri系统的硬件发展趋势。,磁共振成像系统结构图,2019/4/4,76,磁共振成像设备最新进展,主磁体的四个变化特点 高效线圈和信号采集的数字化、多通道化 高性能的梯度子系统 从四肢、乳腺专用机到头和心脏专用系统的涌现 特殊用途的永磁mri技术,西门子磁共振成像系统,2019/4/4,77,磁共振成像设备最新进展,移动床技术在mri中应用 mri系统的环保理念 mri系统的的人性化设计 对计算机的要求及其网络化的趋势 mri设备展望,2019/4/4,78,主磁体的四个变化特点,1.超高场 2.短长度 3.开放 4.高性能,back,2019/4/4,79,超高场磁体迅速进入临床,超高场（3t以上）成像过去未曾用于临床的主要原因是规则的限制，而不是技术问题。早在20世纪80年代中期，考虑到静磁场的生物效应及其安全性等因素，fda就将1.5t的场强规定为临床成像的非正式标准。从那时开始，1.5t的mri系统便在高场成像中占据了主导地位，只有为数极少的超高场系统在一些研究中心建成使用。 理论和经验都证明，随着场强的提高，功能成像和波谱信号都将发生显著变化。 通过长达数年的临床应用和探索性研究，人们已在中风、癫痫等脑病及其功能成像的超高场mri方面积累了相当多的经验。相关研究不仅证明了超高场mri的临床有效性，同时也证实了它并不导致明显的生物效应。,back,2019/4/4,80,磁体长度突破极限,mri系统的磁体长度过去一直在2m以上，习惯上将其有效空间称之为“孔洞”。受检者位于其中，常有窒息之感。 近几年，受开放型磁体的启发，高场系统的制造者在磁体的设计上确实下了一番功夫，使其看起来更短、更开放、更友好。新一代常规磁体的长度已逐渐缩短至1.4m。 短磁体不仅为受检者提供了更为舒适的扫描条件，也有利于危重病人的监护、介入手术的开展以及儿科疾病的检查。,超短长度主磁体,back,2019/4/4,81,开放型磁体向高场发展,开放型磁体是20世纪90年代中期的产物，最早由日立公司推出。此后经历了一个由永磁型向超导型、由低场向中场的发展过程。随着1.0t开放型超导磁体的问世，高场超导磁体也步入了开放的轨道。 在传统的mri系统中，主磁场位于封闭的磁体孔洞内，扫描时受检者处于与外界隔绝的狭小空间。这难免给病人造成一定的心理压力。据统计，这种情况下约3%的受检者产生幽闭恐惧症，有人甚至忍受而自行爬出。开放式磁体在这种情况下应运而生。,应用开放型磁体的磁共振成像系统,2019/4/4,82,开放型磁体向高场发展,从磁体类型来看，当时的产品主要是低场的永磁和常导型磁体，后来又推出了一批0.35t的开放式系统。 开放式磁体更令人鼓舞的变化是其高场化。这一势头从2000年推出1.0t的机器开始，其发展方向还难以预料。随着超导磁体技术的进一步成熟，开放的场强还可能更高。 目前，开发出高场开放超导系统的公司还仅有西门子和飞利浦两家。,0.36t开放式磁共振成像系统,2019/4/4,83,开放式磁体的优点及发展前景,开放式磁体不及能给受检者提供一个相对宽敞的环境，使其孤独及恐惧情绪大为改善，而且便于病人监护、便于介入操作，为磁共振导引的介入手术创造了条件。开放式mri系统还适用于儿科疾病的检查。因此它的普及将大大拓宽mri的应用领域。另外，由于开放式磁体多采用垂直磁场结构，其场强效果比同样场强的水平磁体大大提高。 开发式磁体的发展才刚刚开始，但它已在近年来市场份额越来越大的中档产品中占了很大比例，今后可能成为这一档产品的市场主流。目前国内已有数家儿童医院安装了中场超导开放mri系统。,back,2019/4/4,84,超导磁体整体性能能进一步提高,超导磁体的设计过去以提高场强和降低液氦的消耗为主要目标。现在包括磁场屏蔽、匀场技术、致冷剂监测、重量以及建造材料等因素在内的磁体性能亦受到广泛重视。 总的来说，磁体性能的提高以尽可能低的杂散磁场，尽少消耗或不消耗液氦、容易安装维护和环保为标志。 液氦用量是磁体的主要指标之一。不过，随着磁体制造工艺的改进和两级制冷技术的采用，超导磁体的液氦挥发率已降至每小时0.2l以下，有些磁体甚至半年至一年才补充一次液氦。,2019/4/4,85,mri设备磁场屏蔽及安全性问题,在磁场的屏蔽方面，使用超导线圈的有源屏蔽方法已用得相当普遍，这可大大节省用户购买无源磁屏蔽体的费用。此外，一种高阶的动态有源补偿技术已在改善磁场的均匀性上广泛使用。 各厂家在磁体的安全性方面也采取了很多措施，使发生失超的可能性降至最低。,磁共振机房屏蔽室,back,2019/4/4,86,高效射频线圈,线圈是mri系统的信号采集设备，其灵敏度直接关系到图像质量的好坏。 它的发展至今已经从线极化到圆极化、从单元线圈到相控阵、从硬到软、从体外到体内（腔内）、从单通道到多通道全景一体化等变化。 相比之下，在mri设备中，线圈的发展之快、种类之多、设计之灵活是其他硬件远不能比拟的。,2019/4/4,87,新型线圈介绍,肢体血管成像多通道相控阵线圈：一种远端血管成像专用线圈。可包绕并覆盖双下肢全长、允许步进法采集，因而能有效扩大信号采集野并显著改善肢体血管的图像质量。 带有光刺激装置的功能成像线圈：一种专用于视觉和认知功能成像的头线圈。在高灵敏度的容积头线圈内部有光信号发生器，该发生器可发出20余种视觉刺激信号，供功能成像实验选用。,2019/4/4,88,新型线圈介绍,腔内线圈：一种经人体对外各种通道插入后对体腔内病变实行近距离成像的小型表面线圈。用于盆腔疾病和直肠检查的腔内线圈已有多年历史。这种线圈在前列腺肿瘤的诊断和评价中发挥了重要作用。近年来又推出两类腔内线圈，一类是经鼻插入的食管线圈，另一类为经导管插入的血管内线圈。已有分别用于食道和心脏两种成像目的的食管线圈问世。 多单元相控阵心脏专用线圈：一种可对心脏实施全方位相控阵成像用的线圈。心脏成像过去常用体线圈，但由于其信噪比低，图像质量很难提高。如果用其进行冠状动脉成像，图像质量就更达不到临床要求。现多采用由多个线圈单元组成的相控阵心脏成像专门线圈。,2019/4/4,89,mri信号采集系统,mri信号采集系统的另一发展特点是全数字化和多通道化。 目前的mri系统均已实现全数字化发射和信号接收，而多通道接收系统主要是近几年随着相控阵技术的普及而出现的技术。,back,2019/4/4,90,高性能的梯度子系统,梯度场的开关速度继续提高 双梯度场和梯度线圈的多样化 梯度线圈的低噪声设计,back,2019/4/4,91,梯度场的开关速度继续提高,随着各种快速扫描序列的提出，人们对梯度性能的期望越来越高。目前来说，回波平面与梯度自旋回波技术是对梯度场要求最高的序列。其要求磁共振的平均信号必须在100ms内采样，以避免由于t2衰减而导致的图像模糊及由于磁化率的改变而造成的空间畸变。对于128128的单激发采集，这意味着读出梯度的持续时间只有0.8ms（100/1280.8ms）。 在如此短的时间内，梯度场不仅要上升到它的最大值，而且必须有足够的平顶时间来实施采样，然后回落。考虑到梯度的上升和下降，其持续时间显然比0.8ms还要短，可见其对梯度系统的要求之高。,2019/4/4,92,梯度场的开关速度继续提高,除了快速成像之外，梯度场还决定了mri系统在一定矩阵下的最小fov（field