医药卫生磁共振成像与临床应用上岗培训一课件

MRI医师上岗证考试辅导材料 一 磁共振成像与临床应用 问题的提出 1 什么是磁共振成像 2 磁共振成像与其它影像技术学比较 3 磁共振成像的临床应用 一 医学影像学发展史回顾 1 X线诊断学 X raydiagnosis 1895年伦琴发现X线 并用于人体进行医学检查 形成了X线诊断学 奠定了影像医学 Medicalimageology 的基础 至今仍是影像医学当中的主要内容之一 应用普遍 2 影像诊断学 Diagnosticimageology 50 60年代超声与核素扫描用于人体检查 出现了超声成象 Ultrasonograph USG 和 闪烁成象 Scintigraphy 2 影像诊断学 Diagnosticimageology 70 80年代出现X线计算机成象 X raycomputedtomograph CT 磁共振成像 Megneticresonanceimage MRI 发射体层成象 emissioncomputedtomograph ECT 3 影像医学 Medicalimageology 70年代迅速兴起了介入性放射学 Interventionalradiology 即在影象监视下采集标本或在影象诊断的基础上对某些疾病进行治疗 使影象诊断学发展为影象医学的崭新局面 上述各种成象技术 成象原理与方法不同 诊断价值与限度各异 但都是人体内部结构和器官成象 从而了解人体解剖与生理功能状况及病理变化 以达到诊断的目的 都属于活动器官的视诊范畴 二 磁共振成象 1 简介 磁共振现象 1946年美国哈佛大学Purcell和斯坦福大学的Bloch各自独立发现了该现象 由于这一发现在物理 化学上具有重大意义 二人获得了1952年的诺贝尔物理奖 简介 在一个较长时间里MR主要用于研究分子结构1967年在活动物身上首次获得了MR信号1972年有人用两个充水试管成功地获得了第一幅氢质子的二维磁共振图象 简介 1974年出了活鼠的MR图象1978年出了第一幅人体头 胸 腹图像1980年商品MRI机开始应用于临床 简介 从1978年5月28日获得第一幅人体MR影像以来 MR在临床和科学研究方面起了重要的作用 Lavterbur和Mansfields在磁共振技术的杰出贡献 获得2003年诺贝尔生物医学奖 2 磁共振成像原理 MRI定义 MRI属于生物磁 核磁 自旋成像技术 是利用收集磁共振现象所产生的信号而重建图像的成像技术 何为生物磁 核磁 呢 1 永磁 所有物质均具有不同程度的磁性 某些物质有很强的磁效应 其特点为在其周围自发地产生强磁场 2 电磁 环形线圈里的电流 在其周围产生磁场 3 核磁 生物磁 三种磁 自然里任何原子核内场含有质子与中子 统称为核子 都带正电核 核子像地球一样具有自旋性 并产生自旋磁场 但偶数核子的原子核其自旋产生的磁场相互抵消 不能产生磁共振现象 只有含有奇数的核子才能产生磁矩或磁场 生物组织中的1H 13C 19F 31P均为奇数核子 但现今MRI研究和使用最多的为1H 这是因为1H占活体组织原子数量的2 3 其中主要位于生物组织的水和脂肪中 因1H只有一个质子 故1H的MRI图像亦称为质子像 此即核磁 生物磁 需要说明的一点 这里的 核 指磁共振成像涉及到的原子核 与核素成像无关 为了避免 核 字引起人们的误解与疑惧 所以目前通称为磁共振 Megnaticresonance MR 上面我们对什么是 核 什么是 磁 有了一个初步认识 那么何为 磁共振 呢 什么是核磁共振 核子间能量的吸收与释放亦可引起共振 如果这一过程在一个磁场中进行即为 核磁共振 什么是共振 共振为能量从一个客体或系统传送至另一个客体或系统 而接收者与驱动者有相同的固有频率 在此基础上发生与驱动者相同的频率振动叫共振 这种现象在物理学的一些领域中可以见到 例如一个静止的音叉在另一个振动音叉的不断作用下发生的同步振动 核磁共振必须有三个条件和步骤 1 必须有一个巨大的磁体 这个磁体能产生一个恒定不变的强大静磁场 B0 将氢质子 即广泛存在氢质子的人体 处于这个磁体的孔腔内 此前人体众多的氢质子自旋运动产生的磁矩 在其自旋轴的排列上并无一定规律 在大磁体的均匀强磁场中 这些小磁矩的自旋轴将按磁力线的方向重新排列 形成纵向磁化 这些处于纵向磁化的质子是下一步射频脉冲激发作用的对象 2 通过表面线圈从与B 磁力线垂直方向上旋加一个小的射频磁场 RF脉冲 Radiofrequencypulse 这一脉冲必须与质子频率相同使人体质子 受检部位 从中吸收能量偏离静磁场B0方向 Z轴 而在垂直于Z轴的X Y平面上同步 同相运动 产生一个新的磁化 即横向磁化 3 中断射频磁场 RF脉冲 吸收了能量的质子释放出能量 并逐步回到静磁场B0方向 Z轴 这一核子能量的跃迁和跌落过程即为核磁共振现象 如果我们将释放出的电磁能用线圈接受起来 即可转为MR信号了 施加射频脉冲和接收脉冲电磁能的过程称为磁共振的激励过程 当脉冲停止后受激励的质子群形成的横向磁化 自发地恢复到纵向磁化的过程称驰豫过程 驰豫过程有两种 纵向驰豫T1横向驰豫T2 横向驰豫T2定义尾90 脉冲停止后 横向磁化量衰减到其原来值37 的时间 即质子群X轴上由同步 同相运动变为异步 异相 纵向驰豫T1定义为90 脉冲停止后 纵向磁化矢量达到其最终平衡状态63 的时间 即质子群回到Z轴 人体不同器官的正常组织与病理组织T1 T2值是相对固定的 这种组织间驰豫时间上的差别是MRI的成象基础 必须知道T1长于T2 T1大约是2 5 10倍于T2 其绝对值T1为300 2000ms左右 T2大约为130 150ms 3 磁共振成象的具体实施过程 扫描序列 自旋回波 Spinecho SE 序列为现今MR扫描最基本 最常用的脉冲序列 其过程为先发射一个90 射频脉冲 间隔数至数十毫秒 ms 间隔时间以Ti表示 再发射一个180 射频脉冲 其后10 100多ms测量回波信号的强度 90 脉冲至测量回波的时间称为回波时间 echotime TE TE 2Ti 180 脉冲至下一个90 脉冲之间的时间为T 重复这一过程 2个90 脉冲之间的时间为重复时间 repetitiontime TR 上述过程简述为 90 脉冲 等待TE 2 180 脉冲 等待TE 2 记录信号 一定时间后 重复下一个脉冲序列 再强调上述序列的基本原理 90 射频脉冲使纵向磁化矢量M转到XY平面 形成横向磁化矢量 90 射频脉冲后同步旋进的质子群去向位 横向磁化矢量由大变小 最终到零 此过程犹如把合起来的折扇又逐渐张开 180 脉冲后再次使去向位的质子群绕X轴转180 重新聚拢 相位重聚 折扇再次合拢 组织特征参数图象 加权象 Weightedimage WI 人体不同组织 不论它们是正常的还是异常的 有它们各自的 以及质子密度值 这是 区分正常与异常以及诊断疾病的基础 为了评判被检组织的各种参数 人们通过调节重复时间 回波时间 以得到突出某个组织特征参数图象 这种图象被称为加权象 Weightedimage WI 把分别主要反映组织 驰豫时间和质子密度 特性的图象 相应称做 加权 加权和 加权象 加权象 短 短 因各种生物组织的纵向驰豫时间 约 ms左右 把重复时间 定为 ms 则 脉冲后 ms时组织的纵向磁化还未完全恢复 因此 差别将以信号强度的差别显示出来 短 时如定为 或 ms 对回波信号差别不能显示出来 因对信号的影响主要为 反映的是组织不同 信号强度的差别 即 加权像 2加权象 长 长 选用比组织纵向驰豫 显著长的 2000 4000ms 又选用与生物组织T2相似的时间为TE 90 120 则90 脉冲后2000ms时 则所有组织都将完全驰豫 恢复它们的纵向磁化 受检组织间T1差别不影响信号 而两个不同T2组织的信号强度的差别明显 TE越长 这种差别越显著 此即T2加权象 质子密度N H 加权象 长TR 短TE 选用比组织T1显著长的TR 2000 4000ms 又选用比生物组织T2明显短的时间为TE 15 25ms 则90 脉冲后2000ms时则所有组织都将完全驰豫恢复纵向磁化 这时组织间T1差别不影响信号 而T2组织的信号强度的差别还未显示出来 它反映出的信号主要与质子密度 即受检组织氢原子数量 有关 此即质子加权象 由于多数组织质子数量相差不大 信号强度主要由T2决定 所以将此加权象又称为轻度 2加权象 MR图象信号解释 反映在图象上的信号 高信号是白的 低信号是黑的 中等信号是灰的 短T1意味着纵向磁化恢复得快 得高信号 白 而短T2意味着横向磁化消失得快 得低信号 黑 长T1意味着纵向磁化恢复得慢 得低信号 黑 长T2意味着横向磁化消失得快 得高信号 白 几种有组织定性价值的MR信号 T1高信号 T2高信号 脂肪正铁血红蛋白T1低信号 T2低信号 气体钙化骨皮质等T1低信号 T2高信号 水如脑脊液水肿带等 层面选择 层厚 信号准确位置MR图象的层面选择以及信号来自何处依赖于梯度磁场 为了对某一特定层面进行检查 在外磁场上附加第二个磁场 其场强依部位而不同 称之为梯度场 梯度场由梯度线圈产生 用于改变原有的磁场强度 场强不同 不同层面的质子相应变化不同 因此 不移动病人就可以任意层面成象 梯度磁场另有两套功能相应编码频率编码上述两者方式与层面选择大致相似 从而实现每个体素的空间定位 层厚的选择 我们使用的RF不是单一频率而是一个范围内的频率 这个范围称作带宽 范围窄扫描层薄 范围宽扫描层厚 另一种方法是控制梯度场的大小 4 MR设备 两大部分 一 磁体 梯度线圈射频系统及MR信号 接受器 这一部分负责MR信号产生 探测与编码 二 模拟转换器 电子计算机 磁盘等 这一部分负责数据处理 图象重建 显示与存储 磁体 分三种 常导型 阻抗型 是由电流通过线圈产生磁场 线圈分为几组 有明显的电阻 它只有在电流通过时才有磁性 电阻消耗电能并使磁体产热 必须加以冷却 阻抗磁体场强为0 02T 0 4T 不能太高 否则磁体热量无法冷却 永磁型 由铁磁物质组成 其场强较低 只能达到0 3 0 35T 磁场稳定性较差 均匀性也较差 超导型 由导线的电流产生磁场 与阻抗型的差别在于导线由超导材料制成 并使其处于液氦中 在 269 时 导线失去了对电流的阻力 一旦通入一次电流 电流就可持久地流动而产生一个恒定磁场 超导磁体的优点为 场强高 可达2 0T 磁场均匀 稳定 可用于MRA和MRS等 梯度线圈 梯度线圈 为带电线圈 位于雌体体圆桶内部 梯度线圈的用途在于形成梯度场 提供成象的位置信息 梯度线圈有三种 层面选择梯度频率编码梯度相位编码梯度 射频发射器 用来发射射频脉冲 使磁化的氢质子吸收能量产生共振 在驰豫过程中 氢质子释放能量并发出MR信号 后者为检测系统所接受 因此 射频系统主要由发射与接受两部分组成 其部件包括发射器 功率放大器 发射线圈 接受线圈及低噪声信号放大器等 计算机系统 阵列处理机用于数据处理及二维傅立叶转换 磁盘 MR处理机 包括各类存储器 图象存储显示器 MR图象与原始数据存在磁盘 软盘里 通过显示屏可随时显示 操作台分诊断台与后处理台 前者控制扫描 后者评价图象 部分功能可在两个台上同时进行 5MR检查和诊断的优点 高对比度 a MR软组织对比度明显高于CT 能很好地区分脑的灰 白质和神经核团 b 不用造影剂可显示心房 心室及大血管腔 c 可使关节软骨 肌肉 椎间盘 半月板等成象而直接显示 d 多种成象参数即T1 T2 H1 流速等 提供多种成象信息 CT仅有一个成象参数 即X线吸收系数 分子生物学和组织学诊断的新途径 由于T1 T2可反映质子群周围分子生物学和组织学特征 在质子图象上对特定感兴趣区再行31P的波谱分析以及23Na的MRI 可在不同程度上反映正常和病变区的分子生物学和组织学特征 使影像诊断向分子生物学和组织学方向的发展上迈进了一大步 T1WI对正常解剖结构显示较好 T2WI对病变的显示较为敏感 与正常组织相比 T1 T2的延长和缩短 T1 T2值以及病变和正常区域信号强度比的测量 在病变的发现以及定性诊断上都有意义 心脏 大血管形态和功能诊断的提高 SE序列时 利用流空效应 T1WI和T2WI心脏和大血管内脏均表现为低信号 可诊断心脏 大血管病变 区分肺动脉和纵隔 肺门淋巴结 区分纵隔肿块和动脉瘤 不用造影剂可行心脏动态和血流速度的分析 无骨伪影 如对后颅凹的检查 在图象质量和对病变的诊断显著优于CT 任意方位断层 在显示病变范围 立体的观察病变上很有帮助 无损伤的安全检查 空间分辨率高 6MR检查的适应症 中枢神经系统 位置固定 不受呼吸 心跳 胃肠蠕动及大血管搏动的影响 运动伪影少 无骨伪影干扰 所以MR对脑与脊髓效果最佳 大多数病例可做出定位与定性诊断 a 脑血管病变 缺血性中风比CT敏感 出血性中风如大灶与小灶性出血 脑干出血 蛛网膜下腔 硬膜外 硬膜下血肿 动脉瘤 动静脉畸形 海绵状血管瘤优于CT及DSA b 感染与炎症 各种细菌 病毒 霉菌性脑炎与脑膜炎 结核性脑膜炎与肉芽肿 对弓形体脑炎 脑囊虫 包虫病等均可做出定性诊断 并能分期 分型 c 脑部退行性变 显示皮质 髓质及弥漫性脑萎缩优于CT 能显示皮质下动脉硬化性脑病 一氧化碳中毒 甲旁低 帕金森氏综合症等病变影象特征 d 脑白质病变 对多发性硬化 弥漫性硬化等有重要价值 可确诊异染性白质营养不良 肾上腺白质营养不良等髓鞘发育障碍 e 肿瘤 脑瘤在MR上有形态学与异常信号两种改变 除占位效应外 多数脑瘤呈长T1与长T2信号 MR对显示瘤内出血尤为敏感 注射Gd DTPA可分辨胶质瘤的恶性程度 并能分辨瘤组织与水肿区 f 外伤 对挫裂伤内的软化坏死与出血灶分辨十分清楚 对各种出血显示清晰且持续长久 g 脑室与蛛网膜下腔病变 能显示室间孔与导水管 易于分辨梗阻性或交通性脑积水 MR对显示蛛网膜囊肿及脑室内肿瘤等敏感 h 先天发育畸形 MR是最敏感 准确的方法 i 脊髓与脊椎病变 在矢