磁共振成像原理课件

1、磁共振成像原理 第四章第四章 磁共振成像磁共振成像 磁共振成像原理第一节第一节 概述概述 nMRl(magnetic resonance imaging)是利用射频(radio frequency，RF)电磁波对置于磁场中的含有自旋不为零的原子核的物质进行激发，发生核磁共振核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)，用感应线圈检测技术获得组织弛豫信息和质子密度信息(采集共振信号)，通过图像重建(数学方法)，形成磁共振图像的方法和技术。 磁共振成像原理第一节第一节 概述概述n1946年，美国哈佛大学的E.Purcell及斯坦福大学的F.Bloch领导的两个研究小组各

2、自独立地发现了核磁共振现象，Purcell和Bloch两人共同获得1952年的诺贝尔物理奖。核磁共振主要用于磁共振波谱，研究物质的分子结构。n1971年美国纽约州立大学的R.damadian用MRS仪对鼠的正常组织和癌变组织样品研究发现，癌变组织T1、T2弛豫时间值比正常组织长。 磁共振成像原理第一节第一节 概述概述n1973年美国纽约州立大学的Lauterbur利用梯度磁场进行空间定位，用两个充水试管获得了第一幅核磁共振图像。n1974年1980年MRI得到不断发展，研究出梯度选层方法、相位编码成像方法、自旋回波成像方法以及二维傅里叶变换的成像方法。n1978年在英国取得了第一幅人体头部的磁

3、共振图像。同一年，又取得了人体的第一幅胸、腹部图像。n1980年磁共振机开始应用于临床。 磁共振成像原理磁共振成像原理(一) MRI的特点 n1. 以射频脉冲作为成像的能量源以射频脉冲作为成像的能量源 不使用电离辐射(X线)，对人体安全、无创；n2.具有较高的组织对比度和分辩力具有较高的组织对比度和分辩力 能清楚地显示脑灰质、脑白质、肌肉、肌健、脂肪等软组织以及软骨结构，解剖结构和病变形态显示清楚、 逼真；n3. 多方位成像多方位成像 能对被检查部位进行轴、冠、矢状位以及任何倾斜方位的层面成像，且不必变动病人体位，便于再现体内解剖结构和病变的空间位置和相互关系； 磁共振成像原理(一) MRI的

4、特点n4. 多参数成像、多序列成像多参数成像、多序列成像 通过分别获取T1加权像加权像(T1 weighted image，TlWI)；T2加权像加权像(T2 weighted image，T2WI)、质子密度加权像、质子密度加权像(proton density weighted ， PDWI)以及T2*WI、重T1WI、重T2WI，在影像上取得组织之间、组织与病变之间在T1、T2、T2*和PD上的信号对比，对显示解剖结构和病变敏感；n5. 能进行形态学研究、进行功能、组织化学和生物化学方面的研究。可以对脑脊液和血液的流动作定量分析，提供一组有关流动的非形态学信息。n 磁共振成像原理 (二二)

5、 主主 要要 用用 途途n特别适合于中枢神经系统、头颈部、肌肉关节系统以及心脏大血管系统的检查，也适于纵隔、腹腔、盆腔实质器官及乳腺的检查。n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。n对于脑瘤、脑血管病、感染疾病、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，在发现病变方面优于CT；n对于脊髓病变如肿瘤、脱髓鞘疾病、脊髓空洞症、外伤、先天畸形等，为首选方法。磁共振成像原理(二二) 主主 要要 用用 途途n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。n磁 共 振 血 管 成 像磁 共 振 血 管 成

6、 像 (magne ti c re sonanc e angiography，MRA)技术对显示头颈部血管狭窄、闭塞、畸形以及颅内动脉具有重要价值。n在肌肉关节系统，已成为肌肉、肌腱、韧带、软骨病变影像检查的主要手段之一。n电影MRI技术还可进行关节功能检查。 磁共振成像原理n心血管系统，使用心电门控和呼吸门控技术可对大血管病变如主动脉瘤、主动脉夹层、大动脉炎、肺动脉塞以及大血管发育等进行诊断，也用于诊断心肌、心包、心腔等病变。n纵隔、腹腔、盆腔，MRI的流动效应，能在静脉不注射对比剂情况下，直接对纵隔内、肺门区以及大血管周围实质性肿块与血管做出鉴别。n对纵隔肿块、腹腔及盆腔器官，如肝、胰、脾

7、、肾、肾上腺、前列腺病变发现、诊断与鉴别诊断具有价值。nMRI软组织极佳的分辨率，成为诊断乳腺病变有价值的方法。(二二) 主主 要要 用用 途途磁共振成像原理(三三) 主主 要要 内内 容容 nMRI检查技术分为影像显示影像显示和生化代谢分析生化代谢分析 n影像显示技术主要由脉冲序列、流动现象的补偿技术、伪影补偿技术和一系列特殊成像技术组成。n主要的特殊成像技术：主要的特殊成像技术：n1.磁共振血管成像 (magnetic resonance angiography，MRA)n2. 磁共振水成像 (magnetic resonance hydrography)磁共振成像原理(三三) 主主 要要

8、 内内 容容n3. 磁共振脑功能成像 (functional magnetic resonance，fMRI)n4. 化学位移成像(chemical shift imaging) n5.生化代谢分析技术：磁共振波谱分析生化代谢分析技术：磁共振波谱分析(magnetic resonance spectroscopy，MRS)，用于提供组织化学成分的数据信息。磁共振成像原理 (四四)磁共振成像的局限性磁共振成像的局限性 n空间分辩力较低； n对带有心脏起搏器或体内带有铁磁性物质的病人不能进行检查；危重症病人不能进行检查；n对钙化的显示远不如CT，难以对病理性钙化为特征的病变作诊断；n常规扫描信号采

9、集时间较长，使胸、腹检查受到限制；n对质子密度低的结构，如肺、皮质骨显示不佳；n设备昂贵。磁共振成像原理第二节第二节 MR现象的物理学基础现象的物理学基础 n一、产生核磁共振现象的基本条件一、产生核磁共振现象的基本条件 n静磁场中物质的原子核受到一定频率的电磁波作用，它们的能级之间发生共振跃迁，就是磁共振现象。n物质吸收电磁波能量而跃迁后，又会释放电磁能量恢复到初始状态，如果用特殊装置接受这部分能量信号，就采集到MR信号。 磁共振成像原理第二节第二节 MR现象的物理学基础现象的物理学基础n产生MR信号三个基本条件：n能够产生共振跃迁的原子核；n恒定的静磁场（外磁场、主磁场）；n产生一定频率电磁

10、波的交变磁场。因产生MR的电磁波在电磁波谱中位于长波的射频无线电波波段，这个交变磁场称为射频磁场。n“核磁共振” 的“核”是指共振跃迁的原子核，“磁”是指主磁场和射频磁场，“共振”是指当射频磁场的频率与原子核进动的频率一致时原子核吸收能量，发生能级间的共振跃迁。 磁共振成像原理二、原子核的特性二、原子核的特性 n（一）原子核自旋和磁矩（一）原子核自旋和磁矩 n1. 原子核和电子云原子核和电子云n物质由分子组成的，分子由原子组成。 原子由一个原子核及数目不同的电子组成。原子核又由带有正电荷的质子（proton）和不显电性的中子组成，其中质子与MRI有关。 n构成水、脂肪、肌肉等生命物质的原子(氢

11、、钠或磷等)，原子的外层为原子壳，由不停运动着的许多电子构成(电子云)。中央是原子核，核上有电荷，围绕原子核的轴线转动，称为“自旋”（spin） 。 磁共振成像原理原子核自旋磁共振成像原理2. 原子核结构和自旋质子原子核结构和自旋质子(氢质子氢质子)n原子核是由不同数量的质子和中子构成，其大小与质量都不相同，如氢的同位素氕(1H)、氘(2H)、氚(3H)。n它们的核都有一个质子，不同的是氘还有一个中子，氚有两个中子。 n因为氕的核只有一个质子，将它称为氢质子或质子，质子带正电，并不停的旋转着，又称自旋质子，是目前MR成像应用最广泛的原子核。磁共振成像原理自旋动画磁共振成像原理3. 带电的自旋质

12、子群带电的自旋质子群n一群自旋着的质子，显示每个核内周边的电荷形成一个环形电流。这些环形电流的方向是杂乱无章的，这是自然状态下的自旋核质子群。n每一个环形电流周围将产生电磁效应，就是磁场。一个环形电流就好似一个小磁棒。n理论上任何原子核所含质子或中子的为奇数时，具有磁性。磁共振成像原理自旋动画磁共振成像原理3. 带电的自旋质子群带电的自旋质子群n通电的环形线圈周围都有磁场存在，相当于一块磁铁。所以转动的质子也相当于一个小磁体，具有自身的南、北极及磁力，质子自身具有磁性，在其周围产生磁场，并具有自身磁矩。磁矩是矢量，具有方向和大小，磁矩的方向可有环形电流的法拉第右手定则确定，与自旋轴一致。n环形

13、电流的磁矩：=IS 磁共振成像原理4. 磁场强度及方向磁场强度及方向 n磁场有力和能的性质，力有强度和方向n静磁场强度以字母B表示，单位是特斯拉(Tesla)或高斯(Gauss)n磁场的强弱在图中用平行线的密疏来表示n密度大，场强大， 用箭头的长短来表示，箭头的方向就是磁场的方向。磁共振成像原理接动画磁共振成像原理（二）原子核的自旋角动量（二）原子核的自旋角动量n原子核还具有自旋角动量P。P的方向与自旋轴重合，大小由下式决定：nP=hI(I+1)1/2 (4-1)nI为核自旋量子数。I值由质子和中子数量决定。n核内质子数和中子数都是偶数时，自旋量子数I=0，即成对质子、中子的自旋互相抵消，原子

14、核的总自旋为零；n质子数和中子数都是奇数，两者的和为偶数时， I取整数值；n质子数和中子数的和为奇数，I取半整数。磁共振成像原理（二）原子核的自旋角动量（二）原子核的自旋角动量n只有具备奇数质子和奇数中子的原子核及和为奇数的原子核，其总自旋不为零，才能产生核磁共振现象，这样的原子包括1H、13C、19F、23Na、31P等百余种元素。n生物组织中，1H占原子数量的2/3，且1H为磁化最高的原子核，目前生物组织的MRI主要是1H成像。氢原子核内只有一个质子，不含有中子，氢原子核也称为氢质子，1H的磁共振图像也称为质子像。 磁共振成像原理 n组织质子群总净磁向量组织质子群总净磁向量M等于零：等于零

15、：在一个小范围体积元(Voxel)的生物组织内，有许多质子自旋核，每个核都有一个小磁场，相当一群小磁铁，以磁矩来表示这些微观磁体的磁场大小和方向。n自然状态下，核磁矩的方向各自东西，杂乱无章，其结果是互相抵消。整体上组织总的净磁向量M是零，因为M是各方向磁矩正、负值相加。（二）原子核的自旋角动量（二）原子核的自旋角动量磁共振成像原理接动画磁共振成像原理小结小结 n（1）自旋氢质子的原子核相当一个环形电流，在环形电流周围有一个小磁场；n（2）自然状态下，人体存在大量带电、有磁性的自旋核，但它们的磁矩互相抵消，组织并未显示出磁性。磁共振成像原理三、静磁场的作用三、静磁场的作用n（一）外加静磁场中（

16、一）外加静磁场中的磁化的磁化 nMRI中外加静磁场的强度B0是恒定的。用X、Y、Z坐标系来描述磁场的位置，Z代表B0方向，即磁力线方向，X-Y平面代表垂直于磁场方向的平面。 磁共振成像原理（一）外加静磁场中的磁化（一）外加静磁场中的磁化n垂直座标系垂直座标系n Z轴是B0方向，通常与体轴一致nXY平面垂直于体轴，叫横断面nX轴是水平轴，Y轴是垂直轴，三个轴互相垂直接动画磁共振成像原理三、静磁场的作用三、静磁场的作用 n（一）外加静磁场中的磁化（一）外加静磁场中的磁化 将一个小磁矩放在外磁场B0中，两磁场方向的夹角为，小磁矩发生转动，停在顺B0方向(减小到零)。这时的小磁矩处于稳定状态，能级最低

17、，是磁场B0的扭力效应。若等于180，即磁矩与B0方向相反，磁矩最不稳定，势能最大。n磁矩在B0中有顺B0或反B0两个方向，一群磁矩动态平衡的结果是顺B0的磁矩多于逆B0的磁矩，剩余的是平行B0的低能态质子，因此，净磁向量M与B0同方向。磁共振成像原理接动画磁共振成像原理三、静磁场的作用三、静磁场的作用磁共振成像原理（二）静磁场中的能级分裂（二）静磁场中的能级分裂 n原子核磁矩进入B0后，空间取向发生量子化，只能取一些确定的方向。自旋量子数为I，则只能2I+1个不同方向。n在B0方向的投影是一些不连续的数值。 的不同取向，形成它与B0相互作用能的不同。与B0的相互作用能称为位能。在B0中的位能

18、为：n n为原子核的磁旋比（gyromagnetic-ratio） 2/IBhBEZ00磁共振成像原理（二）静磁场中的能级分裂（二）静磁场中的能级分裂n是与核角动量之比，是一个原子核固有的特征值，不同的原子核具有不同的值，每种原子核的是一常数，氢质子的值为42.5MHz/T； n在B0的作用下使原来简并的能级分裂成2I+1个能级，称为塞曼分裂，这些能级称为塞曼能级。塞曼能级是等间距的，相邻两个能级之能量差为：n 2/BhE0磁共振成像原理（二）静磁场中的能级分裂（二）静磁场中的能级分裂n1H自旋量子数I=1/2，同样IZ =1/2，所以在B0中1H分裂为两个能级。n具有较高能量(处于高能级)的

19、质子沿与B0反平行方向排列，其位能为E=hB0/4；具有较低能量(处于低能级)的质子沿与B0平行方向排列，E=-hB0/4。n处于低能级(与B0平行方向排列)的质子数目比处于高能级者略多，如常温下可多10-6。 磁共振成像原理 （三）自旋核的进动（三）自旋核的进动 nB0中质子磁矩并不是完全按B0方向排列，其自旋轴与外磁场轴有一个小的夹角。磁矩不是固定不动的，它的磁矩轴在不停地旋进着。n这种进动运动就像一个垂直旋转着的陀螺，用小锤对着它的顶端撞击一下，陀螺出现了倾斜，也就是它的自旋轴偏离了重力方向，与重力线形成一个夹角，并绕重力线回转，这种运动方式称为旋进旋进(进动进动) （precessio

20、n） 。磁共振成像原理接动画磁共振成像原理（三）自旋核的进动（三）自旋核的进动n质子进动的频率非常快，每秒进动的次数称“进动频率”（precession frequency）。进动频率不是一个常数，而是与所在B0的场强相关，B0越强，进动频率越快，用拉莫（Larmor）方程表示：n （4-4）n0代表进动频率，称为拉莫尔频率；为旋磁比；B0为外磁场场强。n在1.0T场强中， 1H的进动频率为42.5MHz。 00B磁共振成像原理 （三）自旋核的进动（三）自旋核的进动n旋进的特征：旋进的特征：n（1）旋进角：自旋轴与重力线有夹角n（2）自旋轴不仃地回旋，因此在垂直于重力线的平面上存在着一个变化的

21、矢量n（3）回转速度为旋进频率 0=B0 ，当固定时， 0 随B 0线性变化磁共振成像原理（三）自旋核的进动（三）自旋核的进动n一个氢质子处在B0中如陀螺样旋进，它的磁矩轴倾斜，且绕B0方向回转，与B0间有一个夹角，为旋进角。磁共振成像原理（四）外加静磁场中的宏观效应（四）外加静磁场中的宏观效应 n一个质子磁矩轴在坐标系上自旋和旋进的轨迹： n平衡时，它的磁矩轴不停地绕Z轴旋进着，旋进的轨迹是一个圆锥体。n磁矩轴是稍稍偏离Z轴的，每个磁矩的效果，在物理学上可按平行四边形法分解为在Z轴和XY平面上两个分磁力。 磁共振成像原理（四）外加静磁场中的宏观效应（四）外加静磁场中的宏观效应磁共振成像原理接

22、动画磁共振成像原理 （四）外加静磁场中的宏观效应（四）外加静磁场中的宏观效应nB0中质子群受到扭力进行有序化排列，结果是略多数的磁矩顺Z轴方向，略少数的磁矩反Z轴方向。正反抵消后，剩下顺Z轴的磁矩A和B。nA、B的轴偏离Z轴进动，A、B分解为XY平面的分量A、B和Z轴上的分量，它们在XY平面上的磁分量方向杂乱，互相抵消。在Z轴上所有的磁分量方向完全一致，叠加而成为平行B0纵轴的纵向磁化Mz（longitudinal magnetization） 。磁共振成像原理磁共振成像原理磁共振成像原理 （四）外加静磁场中的宏观效应（四）外加静磁场中的宏观效应n体积元内宏观磁化向量：n M=Mz+Mxy，n

23、由于Mxy=0，平衡态时M=Mzn平衡态时在B0中的质子群：n Mxy=0n M=Mz 磁共振成像原理静磁场中人体组织获得磁化静磁场中人体组织获得磁化 n人体进入静磁场后，经过质子有序化排列，组织宏观上产生了一个纵向磁化矢量Mz ，组织有了磁性。n纵向磁化矢量Mz不是振荡磁场，无法测定。n振荡磁场是一种随时间而变化的磁场，它的磁场变化可在天线内感应产生电压，用电流表可以测定。n纵向磁化Mz不移动也不旋转，因此无法记录。 磁共振成像原理磁共振成像原理四、射频磁场的作用四、射频磁场的作用nMZ不是振荡磁场，无法单独检测出来，不能直接用于成像。n如果要检测质子的自旋、收集信号，只有在垂直于静磁场B0

24、方向的横向平面有净磁化矢量。为了设法检测到特定质子群的净磁化矢量，并用于成像，需使净磁化矢量偏离B0方向。为了达到这个目的，在MRI中采用了射频（radiofrequency，RF）脉冲作为激发源。 磁共振成像原理n1. 同频率音叉发生共振同频率音叉发生共振n排列起一组音叉，当令该组以外的一个音叉振动发音时，组内的与之音调相同的音叉就会吸收能量，振动发音，这个过程叫做“共振”。 n照此原理，将电磁波的能量发射到质子群上，一旦M加大偏转角并产生旋转，即可达到产生振荡磁场的目的。四、射频磁场的作用四、射频磁场的作用 磁共振成像原理磁共振成像原理2. 磁共振频率条件磁共振频率条件 nMRI中的射频脉

25、冲必须具备的条件中的射频脉冲必须具备的条件是：射频脉冲的频率与质子的进动是：射频脉冲的频率与质子的进动频率相同，发生频率相同，发生MR时，射频电磁时，射频电磁波的角频率波的角频率RF等于核进动的角频等于核进动的角频率：率：nMRI中RF脉冲把能量传递给低能级质子的过程也称“共振”。 NRF磁共振成像原理3. 射频电磁波对样品的激励射频电磁波对样品的激励nMR的信号检测是在XY平面内进行，必须设法将磁场B0 中样品的M0 转到XY平面上。一旦磁化矢量从M M0 偏离方向(非热平衡态)，就会产生一个转动力矩B0 M， M在此力矩作用下产生绕B0的旋进。 n磁矩I 在磁场中会得到附加能量，获得的能量

26、的大小，与磁矩同磁场的夹角有关，当夹角增大时，磁矩能量增加。 磁共振成像原理#3. 射频电磁波对样品的激励射频电磁波对样品的激励n我们沿X轴方向加入一磁场Br。由于初始状态的MZM与B0 平行，所以初始状态B0 对M的作用力矩为零；n但初始状态的Br与M互相垂直，Br 与M相互作角产生一力矩，此力矩使M 以B0 为初始磁化矢量绕Br 进动，进动的结果使M偏离B0 的方向，与B0 方向的夹角不断增加。 磁共振成像原理3. 射频电磁波对样品的激励射频电磁波对样品的激励n欲要M绕Br 的旋进能稳定进行，则要求M 与Br 的相对位置关系不变。但偏离了B0 方向的M在以N 绕B0旋进，所以加入的Br必须

27、也是以同角速度N 绕B0 方向旋转，这样，才能保证M在不断偏离B0 方向、与 B0方向夹角逐渐增大的过程中与Br 的相对位置关系保持不变，才能使M在绕B0旋进同时又能稳定地绕Br旋进，两个稳定旋进同时进行。 磁共振成像原理 4. 如何获得这样的旋转磁场如何获得这样的旋转磁场 n加入的旋转磁场的大小Br 比B0小得多，所以M 绕Br 进动的角速度r = Br 比M绕B0 进动的角速度N= B0 小得多。在M和Br 的同时作用下，其矢端运动轨迹为从球面顶点开始的逐渐展开的球面螺旋线；nM与B0 之间的夹角 Br t，其中，t为旋转磁场Br 作用时间。此时在XY面上量Mxy=Msin，Mxy的形成可

28、看作是由原先相位均匀分布的核磁矩向某一方向集中，而使矢量加强的结果。 磁共振成像原理4. 如何获得这样的旋转磁场如何获得这样的旋转磁场n向样品射入一频率与M绕B0 旋进频率相同的电磁波，就提供了一个恰到好处的旋转磁场。为保证旋转磁场与B0的方向有垂直关系，此电磁波沿X或XY平面某方向入射均可(在XY平面入射电磁波) 。这个电磁波就是RF电磁波。nRF电磁波对样品起激励作用。磁共振成像原理磁共振成像原理 5. 质子群共振后生成横向磁化质子群共振后生成横向磁化Mxyn平衡态时微观磁矩的排列状态：n正反两方向的磁矩中，正方向略多于反Z轴方向，宏观上净磁化向量M表现为Mz。向质子群施加射频脉冲的电磁波

29、，它的频率与质子的共振频率相同，结果质子进动角开始加大，逐个转到逆B0方向，Mz逐渐减小。当正反方向磁矩相等时，Mz=0。磁共振成像原理磁共振成像原理 5. 质子群共振后生成横向磁化质子群共振后生成横向磁化Mxyn频脉冲的另一个重要作用：n受射频脉冲磁场的磁化作用，进动的质子趋向于射频磁场方向而变为同步、同速运动，即处于“同相”(inphase)。这样，在XY平面上叠加起来，形成了一个新的宏观磁化量，即横向磁化（transverse magnetization）矢量，用 代表，继续绕Z轴进动。净磁化矢量 偏离了Z轴。 XYMXYM磁共振成像原理5. 质子群共振后生成横向磁化质子群共振后生成横向磁化Mxyn新获得的Mxy已不再与B0叠加在一起，通过测定Mxy可得知生物组织的MR信号。