（推荐课件）MRI检查技术

1 MRI检查技术 2 MRI原理简要介绍 磁共振成像 magneticresonanceimaging MRI 或称MR成像是利用氢原子核在强磁场内发生共振所产生的信号 signal 进行图像重建的一种成像技术 迄今MRI都用占人体70 重量中的氢原子核即氢质子 1H 来成像 3 MR成像的物理学基础 基本原理和主要过程简要归纳如下 1 人体组织 包括正常和病理组织 中存在着丰富的氢原子 氢原子核即质子 带正电 在不断自旋 由此形成一个小磁场 人体进入强磁场前 质子排列杂乱无章 4 2 人体进入强磁场 磁共振设备的磁体 中 质子发生下列变化 质子顺此磁场纵轴呈有序排列 质子发生进动 快速的锥形旋转运动 人体组织发生磁化 magnetization 且呈 纵向磁化 RFTransceiver 5 3 向人体发射短促的无线电波 即施加射频脉冲 radiofrequencypulse RF脉冲 它可引起质子的共振 产生横向磁化 这个过程称为激发或激励 excitation RFTransceiver magnet 6 4 射频脉冲停止 由RF脉冲引起的变化很快恢复原状 称为弛豫 relaxation 弛豫是指磁化矢量恢复到平衡态的过程 7 弛豫有两种 纵向磁化恢复 其过程为纵向弛豫 自旋 晶格弛豫 纵向磁化由零恢复到原来数值的63 所需的时间 称为纵向弛豫时间 简称T1 8 而横向磁化消失 其过程则为横向弛豫 自旋 自旋弛豫 横向磁化由最大减小到最大值的37 所需的时间 称为横向弛豫时间 简称T2 去相位 dephasing 导致横向磁化矢量减小 衰减 9 两种弛豫小结 10 弛豫过程中组织产生信号 无线电波 不同组织其信号有强有弱 信号经采集 检测 计算等程序 最后形成MR图像 脉冲序列 一组具有特定时序和幅度的射频脉冲 magnet MRSignal RFTransceiver 11 第一节常用脉冲序列及其应用 12 脉冲序列及其作用脉冲序列是指一组具有特定时序和幅度的射频脉冲 脉冲序列是MRI技术的重要组成部分 它控制着MR系统施加RF脉冲 梯度脉冲和数据采集的方式 并由此决定图像的加权 图像质量以及对病变显示的敏感性 13 常用脉冲序列 SE spinecho 自旋回波 脉冲序列IR inversionrecovery 反转恢复 脉冲序列GRE gradientecho 梯度回波 脉冲序列 14 一 SE脉冲序列 一 常规SE脉冲序列1 信号产生 90 RF激励脉冲 180 复相位脉冲 自旋回波信号 15 TR repetitiontime 重复时间 从90 脉冲开始至下一次90 脉冲开始的时间间隔 TE echotime 回波时间 从90 脉冲开始至获取回波的时间间隔 SE序列的扫描时间 TR 相位编码次数 NEX numberofexcitations 激励次数 16 2 特点 T1WI T1weightedimage T1加权像 具有较高的信噪比 适于显示解剖结构 也是增强扫描 检查 的常规序列 T2WI T2weightedimage T2加权像 有利于显示水肿和液体 故易于显示病变 PDWI protondensityweightedimage 质子密度加权像 可较好地显示出血管结构 PDWI在临床中不如T1WI和T2WI重要 17 T1WI T2WI PDWI 18 3 图像产生条件 扫描定时参数参考值 T1WI 短TR 300ms 600ms 短TE 10ms 20ms 扫描时间4min 6min T2WI 长TR 2000ms 长TE 80ms 扫描时间较T1WI长 PDWI 长TR 2000ms 短TE 20ms 扫描时间较T1WI长 19 4 优缺点 优点 图像质量高 用途广 可获得对显示病变敏感的真正T2WI 缺点 扫描时间相对较长 20 二 FSE脉冲序列1 信号产生 90 RF激励脉冲 多个180 复相位脉冲 SE信号 21 回波链长度 echotrainlength ETL 又称快速系数 turbofactor 指一个TR周期内的180 脉冲次数或回波的个数 ETL越大 扫描时间越短 多次180 脉冲组成回波链 FSE序列的扫描时间 TR 相位编码次数 快速系数 NEX 22 有效TE effectiveTE TEeff FSE序列中 回波链上每个回波的时间和幅度不同 反映组织的对比也不一样 一般将所需的某一回波的数据线排列在K 空间 频率空间 中心 而其他回波的数据线则排列在K 空间的周围部分 这个排列在K 空间中心的回波数据所对应的回波时间称为有效TE 有效TE决定着图像的对比性质 23 2 特点 FSE图像与常规SE图像非常接近 主要广泛用于获取T2WI FSET2WI上脂肪仍显示为高信号 必要时可用脂肪抑制技术进行补偿 FSE通常不能与呼吸补偿联用 使胸 腹检查时图像的伪影增加 24 3 图像产生条件 T1WI 短TR 300ms 600ms 短TE 20ms ETL2 6 扫描时间30s 60s T2WI 长TR 4000ms 长TE 100ms ETL8 20 扫描时间2min PDWI 长TR 2500ms 短TE 20ms ETL8 12 扫描时间3min 4min 25 4 优缺点 优点 扫描时间显著缩短 因而便于使用大矩阵 增加NEX 使T2信号成分增加 便于显示病变 缺点 流动和运动伪影增加 T2WI上脂肪信号高而难与水肿等鉴别 ETL大时信号成分复杂 图像模糊 磁敏感效应降低因而对出血不敏感 26 二 IR脉冲序列 一 IR脉冲序列1 信号产生 180 反转脉冲 90 脉冲 180 复相位脉冲 SE信号 27 TI timeofinversion 反转时间 指从180 反转脉冲开始至90 脉冲开始的时间间隔 28 2 特点通过选择适当的TI可得到不同质子纵向磁化的显著差异 获得比SE序列更显著的T1加权效果 因而IR脉冲序列主要用于获取重T1WI 以显示解剖 29 3 图像产生条件 重T1WI 中等TI 400ms 800ms 长TR 2000ms 短TE 10ms 20ms 扫描时间5min 15min PDWI 长TI 1800ms 长TR 2000ms 短TE 10ms 20ms 扫描时间5min 15min 病理加权像 中等TI 400ms 800ms 长TR 2000ms 长TE 70ms 扫描时间5min 15min 30 4 优缺点 优点 T1对比效果好 SNR高 缺点 扫描时间长 31 二 STIR脉冲序列 STIR shortTIinversionrecovery 短TI反转恢复 脉冲序列是IR脉冲序列的一个类型 原理 选择特殊的TI值 恰好使脂肪质子的纵向磁化恢复到 1至 1之中点 即0点或称转折点时施加90 脉冲 因此在90 脉冲后脂肪质子无横向磁化因而无信号产生 32 图像产生条件 短TI 150ms 175ms 长TR 2000ms 短TE 10ms 30ms 平均扫描时间5min 15min 33 用途 在T1WI中抑制脂肪的短T1高信号 即脂肪抑制 简称抑脂或压脂 短T1信号可来源于脂肪 亚急性期血肿 富含蛋白质的液体及其他顺磁性物质 注意该序列不宜用于增强扫描 34 三 FLAIR脉冲序列 FLAIR fluidattenuatedinversionrecovery 液体衰减反转恢复 脉冲序列是IR脉冲序列的另一个类型 又称水抑制序列 简称压水 原理 选择特殊的TI值 恰好使脑脊液等液体信号被抑制 机理与STIR中脂肪被抑制相类似 35 图像产生条件 长TI 2200ms 长TR 6000ms 短TE 长TE 20ms 100ms 平均扫描时间5min 15min 36 用途 在T2WI和PDWI中抑制脑脊液等液体的高信号 使与脑脊液相邻的长T2病变显示更清楚 在中枢神经系统检查中应用价值较大 37 三 GRE脉冲序列 一 常规GRE脉冲序列1 信号产生 90 翻转角 小角度 RF激励脉冲 读出梯度 频率编码梯度 的反转 翻转 GRE信号 复相位 TE 38 2 特点 GRE使用小角度脉冲激励 在净磁矢量中将仍有相当多的纵向磁化被保留 大大缩短了纵向磁化恢复所需的时间 TR随之明显缩短 通过读出梯度的反转产生复相位 其速度远较180 复相位脉冲快得多 使获取回波所需的TE也明显缩短 故其扫描时间显著缩短 39 3 图像产生条件 T1WI 相对大翻转角 70 110 90 短TR 50ms 短TE 5ms 10ms 平均扫描时间数秒至数分钟 T2 WI 小翻转角 5 20 短TR 因翻转角度小 相对长TE 15ms 25ms 平均扫描时间数秒至数分钟 PDWI 小翻转角 5 20 短TR 因翻转角度小 短TE 5ms 10ms 平均扫描时间数秒至数分钟 40 4 优缺点 优点 扫描速度快 可用于屏气腹部单层面快速扫描 动态增强扫描 血管成像 关节病变等检查 缺点 SNR下降 41 二 GRASS gradientrecalledacquisitioninthesteadystate 稳态梯度回返采集 脉冲序列1 信号产生 30 45 RF脉冲 读出梯度反转和相位编码梯度反转 GRE信号 FID SE 42 2 特点 该序列中使用短于T1和T2的TR 使序列重复前仍有部分横向磁化没有衰减 称剩余横向磁化 这种纵向磁化与横向磁化共存的状态 称为稳定状态 该序列用相位编码梯度反转使剩余横向磁化相位聚合 读出梯度的反转用于产生GRE 得到的是T2 WI 43 3 图像产生条件 T2 WI 翻转角 30 45 TR 20ms 50ms TE 15ms 25ms 平均扫描时间 数秒内可获取单层面扫描 4min 5min内可完成容积扫描 44 4 优缺点 优点 扫描时间短 可用于屏气扫描 可进行2D或3D容积成像 对流动敏感 可获得良好的血管成像 缺点 2D采集时SNR低 磁敏感性增加 梯度噪音强 45 三 失相位GRE脉冲序列1 信号产生 30 45 RF脉冲 读出梯度反转 GRE信号 FID 46 与GRASS脉冲序列相同的是在序列中使用短于组织T1和T2的TR获得稳定状态 并通过读出梯度反转复相位获取GRE 不同的是 该序列通过RF破坏 RFspoiling 或梯度破坏 gradientspoiling 去除剩余横向磁化 可产生T2 对比 对图像的影响 从而只产生T1对比 47 2 两种失相位GRE 1 RF破坏 spoiledgradientrecalledacquisitioninthesteadystate SPGR 稳态扰相梯度回返采集 又称RF扰相 主要用于获取T1WI 图像产生条件 翻转角 30 45 TR 20ms 50ms 短TE 5ms 10ms 获取最大的T1对比 平均扫描时间 数秒内完成单层面屏气扫描 4min 5min内完成容积扫描 48 优缺点 可获取屏气下的T1WI 可进行2D和3D容积采集 3D容积采集时可获得较高的SNR 显示解剖效果好 缺点同GRASS脉冲序列 49 2 梯度破坏 multiplanargradientrecalledacquisitioninthesteadystate MPGR 稳态多平面梯度回返采集 又称梯度扰相 MPGR的用途 图像产生条件和优缺点与SPGR相同 在去除剩余横向磁化上 梯度破坏不如RF破坏彻底 因此信号中T2 成分相对较多 50 四 SSFP steadystatefreeprecession 稳态自由进动 1 信号产生 30 45 RF脉冲 反转梯度 SE信号2 特点由于是180 复相位 故获得的是SE信号 SSFP比常规GRE脉冲序列获得的信号含有更多真正的T2加权成分 51 3 图像产生条件 T2WI 翻转角 30 45 TR 20ms 50ms 有效TE 2 TR TE 3D容积采集时平均扫描时间4min 15min 4 优缺点 优点 扫描时间短 可获得真正的T2加权效果 并可行2D或3D容积采集 缺点 对伪影敏感 图像质量可能较差 梯度噪音强 52 五 快速GRE成像序列 能够在一次屏气下完成十几个层面成像及亚秒级的快速GRE序列均已用于临床 许多快速GRE序列使用了GRASS或失相位GRE技术 但常使用部分RF激励脉冲 读取部分回波 使TE可短至2ms 3ms TR缩短至10ms 53 六 EPI EPI echoplanarimaging 回波平面成像 是目前成像速度最快的技术 是超快速成像技术的典型代表 EPI技术可简单地理解为是FSE和GRE的结合体 54 在FSE脉冲序列中 因一次TR期间内完成多条K 空间线数据填充 故扫描时间明显缩短 如能在一次TR期间内完成全部K 空间线的数据填充时 则可达到最快的扫描速度 这一概念构成了EPI的基础 EPI方式可与所有常规成像序列进行组合 形成SE EPI GRE EPI IR EPI等 55 EPI优点 扫描时间极短而图像质量相当高 可最大限度地去除运动伪影 除适用于心脏成像 腹部成像 流动成像外 还可进行功能成像 如脑的弥散加权成像 diffusionweightedimaging DWI 和灌注加权成像 perfusionweightedimaging PWI 等 此外 还可用于实时MRI 介入MRI 56 EPI缺点 对设备要求高 容易受各种伪影的影响 可能会对肌肉和神经产生一定的刺激作用 EPI的应用范围和潜力很大 但还不能替代常规成像序列 T1WI T2WI DWI 57 第二节成像参数的选择 58 一 与图像质量有关的成像参数 信噪比 signaltonoiseratio SNR 对比噪声比 contrasttonoiseratio CNR 空间分辨力 扫描时间 59 一 SNR信号量 SNR 信号量 SNR 影响信号量的主要因素包括 成像区的质子密度 体素 voxel 的大小 TR TE和翻转角度 NEX 接收带宽 receivebandwidth 线圈类型 60 1 质子密度影响 质子密度低的区域如致密骨 肺 仅能产生低信号 因而SNR低 MR图像对显示这些结构有局限性 质子密度高的区域如脑 软组织 能产生声信号 故SNR高 MRI检查具有优越性 61 2 体素大小的影响 构成MR图像的基本单位是象素 pixel 象素面积 FOV 矩阵 FOV fieldofview 即视野 MR图像矩阵 频率编码次数 相位编码次数 图像中具体象素的亮度代表一定容积的组织或称体素的信号强度 62 体素容积 象素面积 层厚 体素容积 SNR 反之体素容积 SNR FOV SNR 反之FOV SNR 层厚 SNR 反之层厚 SNR 矩阵 SNR 反之矩阵 SNR 体素容积 象素面积 层厚 63 3 TR TE和翻转角度 TR TE和翻转角度除决定图像信号的加权外 也影响SNR 因而也影响图像质量 TR 纵向磁化恢复 横向磁化 信号量 SNR TR 则相反 64 TE 横向磁化衰减 信号量 SNR TE 则相反 翻转角 90 如GRE序列 纵向磁化转变为横向磁化 信号量 SNR 翻转角为90 如SE序列 时SNR最高 信号幅度 短TE 长TE 90 全部磁化变为横向 90 小部分磁化变为横向 65 4 NEX NEX又称平均次数 numberofsignalaverages NSA 指数据采集的重复次数 或者说每一条K 空间线数据填充的重复次数 66 在采集的数据中 既有信号成分也有噪声成分 信号是由被扫描物体的固有特征所决定 具体信号总是发生在同一空间位置上 而噪声在发生时间上具有随机性 因而发生的位置可能不同 NEX 噪声对图像的影响 SNR 但注意SNR NEX 故扫描时间大大增加 67 5 接收带宽 接收带宽是指读出梯度采样频率的范围 接收带宽 噪声量 SNR 但是 接收带宽 扫描时间 化学位移伪影 chemicalshiftartifact 一般情况下 系统的接收带宽是固定的 例如 16kHz 仅在少数情况下需作调整 68 6 线圈类型 线圈的选用合适与否直接影响信号的接收量 也影响SNR 应选择合适的线圈 并使被成像的组织位于线圈的敏感容积内 69 SNR小结 SE脉冲序列获得的SNR相对较高 矩阵越大 FOV越小 层面越薄则体素越小 SNR越低 短TR 长TE将使SNR降低 增加NEX将使SNR相对增高 选用合适的线圈 如表面线圈 可使SNR增高 70 二 CNR CNR是指图像中相邻组织 结构间SNR的差异性 即CNR SNR A SNR B 良好的CNR依赖于不同组织 结构及病变MR信号特征上的差异 即在T1 T2和质子密度上的差异 这些差异需要通过适当的脉冲序列和图像信号的加权才能显示在图像上 影响SNR的因素也影响CNR 且对CNR的影响与对SNR的影响相同 71 三 空间分辨率 图像的空间分辨率是指图像中可辨认的邻接物体空间几何长度的最小极限 即对细微结构的分辨率 72 空间分辨率取决于体素的大小 体素的大小取决于成像层面厚度 FOV和象素矩阵的大小 选用薄的成像层面 大矩阵 小FOV将提高图像的空间分辨率 但空间分辨率 SNR 此外 TR期间内可激励的层数减少 73 四 扫描时间 扫描时间 scantime 是指完成数据采集的时间 以SE序列为例 扫描时间 TR 相位编码次数 NEX 扫描时间越长则发生运动伪影的机会越多 在连续采集方式 sequentialacquisition 时仅影响正在采集的层面 而在2D和3D容积采集时 将影响所有层面 74 二 成像参数的选择 理想的图像质量应当具有高的SNR和CNR 高的空间分辨率以及很短的扫描时间 然而一种因素的改善总是不可避免地伴有另一种 甚至一种以上因素的损失 因此需要根据具体检查部位 检查目的权衡选择成像参数 详见P166 167表5 2 2和表5 2 3 75 在选择成像参数时应当注意以下几点 选择合适的脉冲序列 图像信号的加权参数和扫描平面 轴 冠 矢 斜 SNR是影响图像质量的最重要因素 一般情况下 图像SNR高时 多能同时满足对CNR的要求 尽量采用短的扫描时间 不同解剖部位信号强弱的差异 76 第三节流动现象的补偿技术 77 血管内血液和脑脊液中的流动质子与周围处于静止状态的质子相比 在MRI上表现出不同的信号特征 前者产生流动现象 flowphenomenon 和流动运动伪影 flowmotionartifact 78 一 流动状态人体血管内血液和脑脊液的流动状态 可分为以下类型 1 层流 1aminarflow 管腔内流速规律 稳定的流动状态 管腔中心流速快 贴近管壁处由于管壁阻力而流速相对较慢 2 紊流 turbulentflow 管腔内无规律的流动状态 其中含有多种不同方向且流速随机波动的流动成分 79 3 涡流 vortexflow 由层流流经管腔狭窄处时产生的一种流动状态 在狭窄处流速加快 而在狭窄后管壁处呈旋涡状流动 4 滞流 stagnantflow 停滞或极慢的流动 层流 涡流 紊流 层流 80 一 流动规象血流和脑脊液的流动状态在MRI中主要产生以下效应 统称为流动现象 1 时间飞越当流动着的质子在成像层面内受到RF激励 但在复相位前流出成像层面而未经历复相位过程 或流动质子在RF激励后才流人成像层面而未受到激励但经历了复相位过程 这两种状态 均无信号产生 称为时间飞越 timeofflight TOF 现象 81 时间飞越在影像上表现为管腔内信号缺失而呈黑色 常称之为流空 flowvoid 现象 TOF现象对影像的影响与所用的成像序列有关 90 RF脉冲 180 复相位脉冲 流空 82 2 进人现象成像层面内的静止质子 如受到RF脉冲反复激励将趋于饱和 信号变弱 而垂直流人成像层面不曾受到激励的 新鲜 质子 在成像层面内受到激励并经历复相位后 则可产生比周围静止质子信号强度更高的信号 并在进入一组成像层面的第一层时最显著 这种现象称为进入现象 entryphenomenon 或流动相关增强 flow relatedenhancement 静止质子 流入的 新鲜 质子 83 3 体素内去相位在同一体素内如同时含有流动质子和静止质子或流动质子间速度 方向不一致时 则体素内质子间将出现相位差 依流动方向与梯度方向之间的关系 流动质子进动频率将增加 加速度 或降低 减速度 前者使流动质子获得相位 后者使流动质子丧失相位 其结果导致体素内质子相位失聚 信号减低 这种现象称为体素内去相位 intra voxeldephasing 84 二 流动运动伪影主要有二种表现形式 一种是流动质子位置发生变化 引起信号空间编码错位 另一种是血管内搏动性血流引起的血管重影 称相位重影 phaseghost 也属于信号空间编码错位 但这种伪影总是发生在相位编码方向上而与血流方向无关 故又称相位错位 phasemismapping 85 三 流动现象的补偿常用以下方法进行补偿 1 梯度磁矩复相位 gradientmomentrephasing 2 预饱和 pre saturation 3 偶数回波复相位 evenechorephasing 86 梯度磁矩复相位的补偿作用对慢速层流最有效 常用于T2WI和T2 WI的序列中减少体素内去相位引起的信号丧失 87 预饱和使流动质子信号缺失 因而常用于血流和脑脊液显示为低信号的T1WI和PDWI中 预饱和技术还可用于消除脂肪和水的信号 偶数回波复相位主要用在T2WI中减少体素内去相位引起的信号丧失 流动质子 预饱和90 脉冲 90 激励脉冲 88 第四节伪影的补偿技术 89 在所有MR图像中都或多或少地含有伪影 其中有些伪影可以消除 有些则仅能尽量减少而不可能完全消除 P176表5 4 1常见伪影和补偿技术 90 一 相位错位 相位错位系数据采集过程中 被成像的解剖结构沿某一梯度方向发生位置移动所致 91 相位错位补偿方法 1 改变相位编码方向2 预饱和技术3 呼吸补偿 respiratorycompensation 和呼吸门控 respiratorygating 4 心脏门控 cardiacgating 包括心电门控 ECGgating 及外周门控 peripheralgating 5 梯度磁矩复相位 92 二 混淆伪影或包裹伪影 混淆伪影 aliasingartifact 或包裹伪影 wraparoundartifact 是指图像中出现所选FOV以外的解剖结构影像 频率编码方向发生的伪影称频率包裹 相位编码方向发生的伪影称相位包裹 93 包裹伪影补偿方法 1 扩大FOV 2 其它方法包括 去频率包裹 nofrequencywrap 去相位包裹 nophasewrap FOV 20cm FOV 320cm 94 三 化学位移伪影 化学位移伪影是由人体内脂肪与水的化学环境的差异引起的 脂肪与水进动频率的不同 使同一体素内彼此相邻的脂肪和水在影像上信号位置彼此分离 即化学位移伪影 表现为在脂肪与水的界面上出现黑色或白色带状影 尤其在肾脏与肾周脂肪囊交界区表现突出 95 化学位移伪影补偿方法 增加接收带宽 缩小FOV 预饱和技术 该法也称为化学饱和法 96 四 化学性配准不良伪影 化学性配准不良 chemicalmisregistration 也是由于脂肪与水中的质子进动频率不一致所引起 当两者处于同一相位上时信号强度增加 而当两者相位不一致时 则信号被消除 这种效应称为化学性配准不良 在影像中表现为围绕某些器官边缘区 由脂肪与水共存的体素构成的界面上出现低信号环影 这种伪影主要发生在相位编码方向上 97 化学性配准不良补偿方法 使用SE脉冲序列 选取适当TE 在GRE脉冲序列成像时 选择适当的TE值 如4 2ms的倍数 使信号采集发生在质子相位重聚时 可显著减弱这种伪影 98 五 截断伪影 截断伪影 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