第六章磁共振成像(第一节至第二节)

1、主编：南京医科大学主编：南京医科大学 吴小玲吴小玲编者编者 海海 南南 医学院医学院 许建梅许建梅 华北理工大学华北理工大学 侯淑莲侯淑莲美国科学家保罗美国科学家保罗劳特伯劳特伯 英国科学家彼德英国科学家彼德曼斯菲尔德曼斯菲尔德 2003年诺贝尔医学或生理学奖获得者年诺贝尔医学或生理学奖获得者第六章第六章 磁共振成像磁共振成像核磁共振成像是利用原子核在强磁场内发生共振产生核磁共振成像是利用原子核在强磁场内发生共振产生的信号经图像重建的成像技术。的信号经图像重建的成像技术。第六章第六章 磁共振成像磁共振成像1.1.磁体磁体2.2.梯度系统梯度系统3.3.射频系统射频系统 （1 1）射频线圈）射频

2、线圈( (发射线圈和接收线圈发射线圈和接收线圈) ) （2 2）射频发射放大器）射频发射放大器 （3 3）射频接收放大器）射频接收放大器 （4 4）射频屏蔽）射频屏蔽主要设备主要设备体部线圈体部线圈射频线圈射频线圈头部线圈头部线圈膝关节线圈膝关节线圈乳腺线圈乳腺线圈主要设备主要设备 4. 4.輔助部分輔助部分 (1) (1)检查床：承载病人检查床：承载病人 (2)(2)操作控制台：操纵操作控制台：操纵MRMR检査、影像处理、拍摄照片检査、影像处理、拍摄照片 (3) (3)磁屏蔽磁屏蔽主要设备主要设备第一节第一节 磁共振信号与加权图像磁共振信号与加权图像第二节第二节 磁共振图像重建磁共振图像重建

3、第三节第三节 快速成像序列快速成像序列第四节第四节 磁共振血管成像磁共振血管成像第五节第五节 磁敏感加权成像磁敏感加权成像 目目 录录加权图像加权图像(weighted imaging,WI)TE、TR、TI（脉冲序列参（脉冲序列参数数 主观量主观量 可调节可调节） MRI图像图像像素明暗像素明暗MRMR信号强弱信号强弱 、T1 、T2（组织相关参数组织相关参数客观量客观量 不可调）不可调）取决于取决于T1决定决定, ,调整调整TE、TR实现实现T1WIT2决定，调整决定，调整TE、TR实现实现T2WI质子密度决定，调整质子密度决定，调整TE、T TR实现实现PDWI取决于取决于MR信号实质上

4、是横向磁化强度在信号实质上是横向磁化强度在xy平面旋进时，接收线圈上平面旋进时，接收线圈上所产生的感应电动势。所产生的感应电动势。图像灰度主要由图像灰度主要由第一节第一节 磁共振信号与加权图像磁共振信号与加权图像 T1WIT2WI加权图像加权图像(weighted imaging,WI)PDWI第一节第一节 磁共振信号与加权图像磁共振信号与加权图像 加权图像加权图像第一节第一节 磁共振信号与加权图像磁共振信号与加权图像 一、一、FID信号信号加权与加权与图像对比度形成图像对比度形成三、三、自旋回波序列与加权图像自旋回波序列与加权图像四、四、反转恢复序列与加权图像反转恢复序列与加权图像二、自由感

5、应衰减类序列二、自由感应衰减类序列静磁场均匀时，自由感应衰减信号静磁场均匀时，自由感应衰减信号（FID）的衰减的衰减速度反应了样品自旋速度反应了样品自旋-自旋相互作用的时间常数自旋相互作用的时间常数T2；但通常静磁场是不均匀的，自旋；但通常静磁场是不均匀的，自旋-自旋相互作用自旋相互作用与磁场的不均匀性共同作用，使与磁场的不均匀性共同作用，使FID信号的衰减更信号的衰减更快，用时间常数快，用时间常数T2*来描述。来描述。一、一、FID信号加权与图像对比度形成信号加权与图像对比度形成第一个第一个RF 90脉冲脉冲后后纵向磁矩的恢复纵向磁矩的恢复 横向磁矩的衰减横向磁矩的衰减 经经TR 时间后发射

6、第二个时间后发射第二个90脉冲，脉冲， 时，时，FID信号强度为信号强度为*2/ et Tx yzMMEtT1/0(1e)t TzMM左图左图上面红点显示上面红点显示TR时刻纵向时刻纵向磁化矢量的恢复值，下面磁化矢量的恢复值，下面红点显示红点显示TE时刻的横向磁时刻的横向磁化矢量值。化矢量值。1. FID信号强度讨论信号强度讨论一、一、FID信号加权与图像对比度形成信号加权与图像对比度形成纵向磁矩的恢复，横向磁矩的衰减纵向磁矩的恢复，横向磁矩的衰减*R1E2/(1e)eTTTTIk2.FID信号的加权与对比度信号的加权与对比度一、一、FID信号加权与图像对比度形成信号加权与图像对比度形成 （a

7、）长）长TR不不能很好能很好显示显示A、B 组织组织T1差异，短差异，短TR较好较好显示显示A、B 组织组织T1对比度，（对比度，（b）短）短TE不不能很好能很好显示显示A、B 组织组织T2差差异，长异，长TE较好较好显示显示A、B 组织组织T2对比度对比度（a）(b)（1）TR 与与FID信号信号 TR足够长，纵向磁化矢量足够长，纵向磁化矢量接近接近恢复到恢复到M0 ，产生的，产生的FID信号信号强度基强度基本上本上与与T1无关。无关。 选择长的选择长的TR(TR T1)，可以，可以抑制抑制组织的组织的T1差别对信号的影响差别对信号的影响。 TR较短，纵向磁化矢量只能恢较短，纵向磁化矢量只能

8、恢复到复到 Mz ，恢复的程度与，恢复的程度与T1有关。有关。 组织组织A的的T1短短，纵向磁化矢量恢纵向磁化矢量恢复得快，产生的信号强。选择合适的复得快，产生的信号强。选择合适的TR，组织之间的，组织之间的T1差别差别被突出被突出。 TR对对T1加权的影响加权的影响（组织（组织A、B的质子密度相同）的质子密度相同）一、一、FID信号加权与图像对比度形成信号加权与图像对比度形成（2）TE 与与FID信号信号 TE足够足够短短，组织的横向弛豫还没来得及，组织的横向弛豫还没来得及展开展开，产生的产生的FID信号信号基本上基本上与与T2*无关。无关。 选择选择短短TE(TET1) 、 短短TE (

9、T2*) T1WI选择短选择短TR ( T1)、短、短TE (T1) 、长长TE ( T2) 一、一、FID信号加权与图像对比度形成信号加权与图像对比度形成二、自由感应衰减类序列与加权图像二、自由感应衰减类序列与加权图像 饱和恢复序列饱和恢复序列（saturation recoery，SRSR），时序见上图），时序见上图，由一系列等间隔的，由一系列等间隔的9090RFRF脉冲组成，每个脉冲组成，每个9090脉冲后采脉冲后采集集FID信号。信号。 第二节 磁共振图像重建 缺点：缺点： 1.TR很短，纵向磁矩恢复的不好，信号很弱，得不到很短，纵向磁矩恢复的不好，信号很弱，得不到清晰的清晰的T1加权

10、像加权像 2. T2* 太短，不能得到太短，不能得到T2加权像加权像 SE序列解决了该问题序列解决了该问题三、三、自旋回波序列与加权图像自旋回波序列与加权图像1.自旋回波（自旋回波（spin echo，SE）序列）序列组成及信号产生的物理机制组成及信号产生的物理机制 （1）单回波自旋回波序列）单回波自旋回波序列 一个脉冲周期里发射一个脉冲周期里发射RF脉冲时序：脉冲时序： 90o脉冲脉冲TI180o脉冲脉冲 TR：序列重复时间序列重复时间。 TI ：90RF脉冲脉冲到到 180RF脉冲脉冲之间的时间。之间的时间。 TE：回波时间：回波时间（echo time）指）指90RF脉脉冲冲到自旋回波峰

11、值之间的到自旋回波峰值之间的时间。时间。TE=2TISESE序列与序列与SESE信号信号（2）自旋回波）自旋回波施加施加180脉冲后，自旋核聚相，横向磁化矢量增大，脉冲后，自旋核聚相，横向磁化矢量增大，TE时时刻达到最大值，随后自旋核继续旋时，发生散相，横向磁化刻达到最大值，随后自旋核继续旋时，发生散相，横向磁化矢量减小。产生一个先增大后减小的信号，称之为自旋回波矢量减小。产生一个先增大后减小的信号，称之为自旋回波信号。信号。三、三、自旋回波序列与加权图像自旋回波序列与加权图像SESE序列与序列与SESE信号信号 图（图（a） ： 90RF脉冲的作用将脉冲的作用将M0倒向倒向y轴，产生轴，产生

12、 ，对横向磁，对横向磁化矢量有贡献的所有自旋核同相。化矢量有贡献的所有自旋核同相。 图（图（b）：主磁场不均匀，使位于不）：主磁场不均匀，使位于不同磁场强度的自旋核旋进角速度不同，同磁场强度的自旋核旋进角速度不同，BB0处的自旋核相对处的自旋核相对y轴顺时针转动，轴顺时针转动，BTE时，时，可以证明可以证明纵向磁化矢量纵向磁化矢量 自旋回波信号的自旋回波信号的幅值幅值为为K是常数，与自旋核种类、静磁场有关；回波信号还与自旋是常数，与自旋核种类、静磁场有关；回波信号还与自旋核运动状态核运动状态f(v)有关，这里假设自旋核静止。有关，这里假设自旋核静止。E2/eTTx yzMMR1/0(1e)TT

13、zMMR1E2/(1e) eTTTTIK三、三、自旋回波序列与加权图像自旋回波序列与加权图像4. SE序列的加权图像序列的加权图像 满足条件满足条件 TRTE 自旋回波信号的自旋回波信号的幅值幅值为为 通过调整脉冲序列参数通过调整脉冲序列参数TR和和TE，可以改变某个组织相关可以改变某个组织相关参数对信号影响的权重，得到不同参数对信号影响的权重，得到不同组织相关参数的组织相关参数的加权图像加权图像。 TR决定纵向磁化决定纵向磁化 矢量的恢复程度；矢量的恢复程度； TE长度决定横向磁长度决定横向磁 化矢量的衰减程度化矢量的衰减程度R1E2/(1e) eTTTTIKSE序列序列TR时刻纵向磁化矢量

14、的恢复值时刻纵向磁化矢量的恢复值TE时刻的横向磁化矢量时刻的横向磁化矢量三、三、自旋回波序列与加权图像自旋回波序列与加权图像 T1大的地方大的地方I 值较小，图像呈现弱信号；值较小，图像呈现弱信号；脑脊液脑脊液T T1 1长，图长，图像很暗像很暗；T1小的地方小的地方I 值较大，图像呈现强信号，值较大，图像呈现强信号，脂肪组织脂肪组织T T1 1很短，在图像表现得很亮很短，在图像表现得很亮。1）图像特点（不考虑）图像特点（不考虑 ）三、自旋回波信号与加权图像三、自旋回波信号与加权图像 TWI正常人正常人SE序列序列T1加权图像加权图像 （1 1）T1加权图像加权图像2）T1 加权原理加权原理

15、加权条件加权条件 短短TE(8 20ms) 短短TR(合适的短值， ，TET1，e- -TR/T102） T2 加权原理加权原理三、自旋回波信号与加权图像三、自旋回波信号与加权图像 优点：能得到最佳对比度，对病变组织进行定性分析优点：能得到最佳对比度，对病变组织进行定性分析理论原理（不考虑理论原理（不考虑 ）（文字分析省略）（文字分析省略）由于质子密度对信号的影响是永远存在的，如果由于质子密度对信号的影响是永远存在的，如果T1和和质子密度对信号的影响相反，情况会变得复杂。我们质子密度对信号的影响相反，情况会变得复杂。我们简单讨论质子密度相同时，其它组织相关参数的加权简单讨论质子密度相同时，其它

16、组织相关参数的加权情况。情况。2E1R/0e)e1(TTTTKBI2E/0eTTKBITRT1B0=1.5T长长TR实现了实现了 T2加权，合适的长加权，合适的长TE保证了合适的对比度保证了合适的对比度合适的合适的TE保证合适的对比度保证合适的对比度TE长长TE合适合适TE短短三、三、自旋回波序列与加权图像自旋回波序列与加权图像4. SE序列的加权图像序列的加权图像 （3）质子密度加权图像（）质子密度加权图像（PDWI） ： 抑制抑制T1差异对信差异对信号的影响，号的影响，选择长选择长 ， 时约时约20002500ms ）;抑抑制制T2差异对信号的影响，选差异对信号的影响，选短短 ，约，约12

17、0ms）。图像对比度主要由图像对比度主要由质子密度质子密度决定，得到质子密度加权像。决定，得到质子密度加权像。质子密度越大的组织，在图质子密度越大的组织，在图像上越亮。像上越亮。E2(TTR1(TT01TB PDWI三、三、自旋回波序列与加权图像自旋回波序列与加权图像人体正常组织在人体正常组织在T1WI和和T2WI的灰度的灰度脑白脑白质质脑灰脑灰质质脑脊脑脊液液脂肪脂肪骨皮骨皮质质骨髓骨髓质质脑膜脑膜T1 1WIWI白白灰灰黑黑白白黑黑白白黑黑T2 2WIWI灰灰灰白灰白白白白灰白灰黑黑灰灰黑黑 三、三、自旋回波序列与加权图像自旋回波序列与加权图像四、反转恢复四、反转恢复序列与加权图像序列与加

18、权图像1.反转恢复（反转恢复（inversion recovery，IR）序列）序列 （1）IR序列序列 一个脉冲一个脉冲周期的周期的RF脉冲时序为：脉冲时序为：180TI90，产生，产生FID信号信号。 TR：序列重复时间。：序列重复时间。 TI：反转时间，指：反转时间，指180RF脉冲脉冲到到90RF脉冲脉冲之间的时之间的时间。间。 IR序列及序列及FID信号信号（2）反转恢复反转恢复自旋回波自旋回波（IRSE）序列）序列在在IR序列的基础上，每个脉冲周期的序列的基础上，每个脉冲周期的90RF脉冲脉冲后，增加一后，增加一个个180RF脉冲脉冲，产生自旋回波。，产生自旋回波。RF脉冲时序为：

19、脉冲时序为：180-TI-90-TE/2-180。 TR：序列重复时间。：序列重复时间。TI：反转时间。：反转时间。TE：回波时间。：回波时间。 IRSE序列及序列及SE信号信号四、反转恢复四、反转恢复序列与加权图像序列与加权图像（3）IR序列的特点序列的特点 1） 当当 TR足够长足够长时时，纵向磁化矢量在一个脉冲周期结束纵向磁化矢量在一个脉冲周期结束时得到充分恢复，使时得到充分恢复，使每次发射反转每次发射反转180脉冲时，纵向磁化脉冲时，纵向磁化矢量基本矢量基本上上为为M0。随后，纵。随后，纵向磁化矢量恢复为向磁化矢量恢复为纵向磁化在恢复过程中存在纵向磁化在恢复过程中存在 的零点（拐点），

20、的零点（拐点），对应的时间为对应的时间为 1/0(12e)t TzMM0zM 11ln20.693nulltTT180180脉冲后脉冲后Mz的转折点的转折点四、反转恢复四、反转恢复序列与加权图像序列与加权图像 2）反转）反转180脉冲脉冲后后纵向磁化矢量的恢复程纵向磁化矢量的恢复程度将影响回波信号大小。度将影响回波信号大小。由于由于180反转脉冲延反转脉冲延长了纵向弛豫过程，加长了纵向弛豫过程，加大了不同大了不同 组织间的信号组织间的信号差别，增大了差别，增大了 对比度，对比度，使使IR序列能够获得重序列能够获得重 T1加权图像。加权图像。IR序列中序列中TI对对T1加权的影响加权的影响四、反

21、转恢复四、反转恢复序列与加权图像序列与加权图像四、反转恢复四、反转恢复序列与加权图像序列与加权图像3）SE、FID序列影响信号的序列参数有两个：序列影响信号的序列参数有两个： TR 、 TE ；IRSE序列是三个序列是三个TR 、 TE和和TI。IRSE与与SE序列加权参序列加权参量量TR对应的是对应的是TI。 2. IRSE序列序列的幅值的幅值 （1）序列的幅值）序列的幅值 第一个第一个180RF脉冲，脉冲，将将磁化强度矢磁化强度矢量量 M0倒向倒向-z轴。轴。 t=0时，无横向磁化矢量产生，不时，无横向磁化矢量产生，不产生产生MR信号。信号。称该称该180RF脉冲为反转脉冲。脉冲为反转脉冲

22、。根据根据旋转坐旋转坐标系中标系中Bloch方程方程t时刻的纵向磁化矢量为时刻的纵向磁化矢量为 TI 时施加时施加90RF脉冲，脉冲，将恢复的纵向磁化矢量将恢复的纵向磁化矢量倒向倒向xy平面形成横向磁化矢量，平面形成横向磁化矢量，横向磁化矢量以横向磁化矢量以Mz 为初始值按指数为初始值按指数规律衰减，衰减时间常数为规律衰减，衰减时间常数为T2*，产生产生FID信号信号。01d1()dzzMMMtT0zMM 1/0(12e)t TzMM四、反转恢复四、反转恢复序列与加权图像序列与加权图像 如果在如果在90RF脉冲脉冲后再发射一个后再发射一个180RF脉冲脉冲，构成，构成IRSE序列，则可获得自旋

23、回波信号。序列，则可获得自旋回波信号。TR 足够长足够长时时(TR2000ms) ，纵向磁化矢量得到足够恢复，每，纵向磁化矢量得到足够恢复，每个脉冲周期开始时纵向磁化矢量近似为个脉冲周期开始时纵向磁化矢量近似为M0，90RF脉冲脉冲结结束后经时间束后经时间TE，产生最大的产生最大的横向磁化矢量为横向磁化矢量为 IRSE序列产生的自旋回波信号的序列产生的自旋回波信号的幅值为幅值为I1E2/0(12e)eT TTTx yMMI1E2/(12e)eT TTTIk四、反转恢复四、反转恢复序列与加权图像序列与加权图像（2）IRSE序列的拐点序列的拐点 当当 TR足够长足够长时时，纵向磁化矢量在一个脉冲周

24、期结束时得纵向磁化矢量在一个脉冲周期结束时得到充分恢复，使到充分恢复，使每次发射反转每次发射反转180脉冲时，纵向磁化矢量脉冲时，纵向磁化矢量基本基本上上为为M0。随后，纵。随后，纵向磁化矢量恢复为向磁化矢量恢复为纵向磁化在恢复过程中存在纵向磁化在恢复过程中存在 的零点（拐点），的零点（拐点），由幅度公式，幅度为零对应由幅度公式，幅度为零对应的时间为的时间为 1/0(12e)t TzMM0zM 11ln20.693nulltTT180180脉冲后脉冲后Mz的转折点的转折点四、反转恢复四、反转恢复序列与加权图像序列与加权图像四、反转恢复四、反转恢复序列与加权图像序列与加权图像11ln20.693

25、nulltTT如果在反转时间如果在反转时间TI为某组织为某组织T1值的值的ln2倍时，施加倍时，施加90RF脉冲脉冲，该组织无横向磁化产生，无法检测到，该组织无横向磁化产生，无法检测到MR信号。利用信号。利用IR序序列的这一特点，可以选择性地抑制某种组织的信号。列的这一特点，可以选择性地抑制某种组织的信号。 由于由于用用IRSE序列序列成像成像选择的选择的 TR比比SE序列还要长，在获序列还要长，在获取质子密度加权像和取质子密度加权像和T2加权像时，通常用加权像时，通常用SE序列，而不用序列，而不用IRSE序列。序列。通常用通常用IRSE序列获得序列获得T1加权像。加权像。 根据公式根据公式

26、通过调整通过调整反转反转时间时间TI 来控制来控制T1对图像对比度的影响，调对图像对比度的影响，调整整回波回波时间时间TE来控制来控制T2对图像对比度的影响，得到不同的加对图像对比度的影响，得到不同的加权图像权图像。I1E2/(12e)eT TTTIk四、反转恢复四、反转恢复序列与加权图像序列与加权图像3. IRSE序列序列的成像应用的成像应用（1）T1加权图像加权图像 选择中等选择中等TI值值(400800ms，短短TE（1020ms）得到）得到T1加权图加权图像。像。IR序列中序列中TI对对T1加权的影响加权的影响四、反转恢复四、反转恢复序列与加权图像序列与加权图像需要注意的是，通常需要注

27、意的是，通常MR图图像反映的是像反映的是MR信号的大小，信号的大小，图中纵坐标为负的那部分图中纵坐标为负的那部分曲线对信号的贡献应该取曲线对信号的贡献应该取它的绝对值，如图中的虚它的绝对值，如图中的虚线所示。线所示。必须必须合理选择反转时间合理选择反转时间TI，才能得到才能得到 T1对比度好的对比度好的图图像。像。IR序列中序列中TI对对T1加权的影响加权的影响四、反转恢复四、反转恢复序列与加权图像序列与加权图像在满足在满足长长TR（2000ms)的前提下，的前提下，选择中等选择中等 TI（400800ms），使大部分组织的纵向磁化矢量已恢复到正值，可），使大部分组织的纵向磁化矢量已恢复到正值

28、，可增强组织增强组织T1差异对信号的影响。选择短差异对信号的影响。选择短 TE（1020ms），），抑抑制制T2差异对信号的影响，获得差异对信号的影响，获得 T1加权图像。加权图像。当反转时间当反转时间TI取值较小时，取值较小时，会出现对比度翻转的现象。会出现对比度翻转的现象。即即T1 大的组织在大的组织在 T1加权加权图图像像中表现为亮信号中表现为亮信号。 IR序列中序列中TI对对T1加权的影响加权的影响四、反转恢复四、反转恢复序列与加权图像序列与加权图像（2）短时反转恢复（短时反转恢复（short TI inversion recovery ，STIR）成像技术成像技术 由于脂肪中质子密度

29、较大，无论由于脂肪中质子密度较大，无论T1还是还是T2加权均表现为加权均表现为高信号。高信号。为更好显示被脂肪遮蔽的病变，降低脂肪引起的运为更好显示被脂肪遮蔽的病变，降低脂肪引起的运动伪影，鉴别脂肪与非脂肪结构等原因，需要抑制脂肪信号。动伪影，鉴别脂肪与非脂肪结构等原因，需要抑制脂肪信号。 选择选择 可抑制脂肪信号，脂肪的可抑制脂肪信号，脂肪的T1短，所以抑短，所以抑制脂肪所选的制脂肪所选的 TI 短。短。1.5T 的磁共振成像仪，脂肪的的磁共振成像仪，脂肪的T1值为值为200250ms，TI取值为取值为140175ms。选择短选择短 TE（1030ms），长长TR（大于（大于2000ms），

30、得到），得到T1加权图像。加权图像。 I10.7fatTT四、反转恢复四、反转恢复序列与加权图像序列与加权图像（3）流动衰减反转恢复序列（流动衰减反转恢复序列（fluid attenuated inversion recovery，FLAIR） 在在T2WI中，脑脊液的信号很强，且较长的中，脑脊液的信号很强，且较长的TE会造成因脑会造成因脑脊液搏动而产生伪影。抑制脑脊液信号，可使周围的病变组脊液搏动而产生伪影。抑制脑脊液信号，可使周围的病变组织在图像中更突出，提高了病变识别能力。织在图像中更突出，提高了病变识别能力。 选择选择 可抑制脑脊液的信号。脑脊液的可抑制脑脊液的信号。脑脊液的T1很长，

31、很长，所以抑制脑脊液所选的所以抑制脑脊液所选的TI很长。很长。 1.5T的磁共振成像仪，脑脊的磁共振成像仪，脑脊液的液的T1值为值为30004000ms，TI 取值为取值为21002500ms。 TR需要需要大于大于TI的的3-4倍倍。若选择较长的若选择较长的 TE，可得到，可得到T2加权图像。若选加权图像。若选择短择短 TE，得到质子密度加权图像，得到质子密度加权图像。I10.7CSFTT四、反转恢复四、反转恢复序列与加权图像序列与加权图像 B01.5时，脂肪时，脂肪T1200ms，水，水T1 3000ms，选，选TI 140ms，可抑制脂肪，选，可抑制脂肪，选TI 2100ms，抑制脑脊液

32、。，抑制脑脊液。脂肪和水在反转脂肪和水在反转180脉冲后的纵向弛豫曲线及零点脉冲后的纵向弛豫曲线及零点四、反转恢复四、反转恢复序列与加权图像序列与加权图像一、一、梯度磁场和梯度梯度磁场和梯度二、二、层面选择层面选择三、三、相位编码与频率编码相位编码与频率编码第二节第二节 磁共振图像磁共振图像重建重建四、四、二维傅里叶变换图像重建二维傅里叶变换图像重建五、五、k 空间空间六、六、三维傅里叶变换成像三维傅里叶变换成像第二节第二节 磁共振图像磁共振图像重建重建 用于用于MRI图像重建的信号是图像重建的信号是MR信号。该信号是受检体信号。该信号是受检体中所有被激发的中所有被激发的1H发出信号的总和。发

33、出信号的总和。当线圈接收到的当线圈接收到的MR信信号不包含位置信息时，将无法从接收信号中恢复出每个体素号不包含位置信息时，将无法从接收信号中恢复出每个体素的信号的信号。 人为构建一个随空间位置变化的磁场，可以使处在不同人为构建一个随空间位置变化的磁场，可以使处在不同位置的体素中的自旋核以不同的拉莫尔频率旋进，从而将空位置的体素中的自旋核以不同的拉莫尔频率旋进，从而将空间位置信息编码到检测的间位置信息编码到检测的MR信号中信号中。用梯度磁场实现。用梯度磁场实现MR信信号的空间定位。号的空间定位。 应用一定的数学方法从检测的应用一定的数学方法从检测的MR信号中得到每个体素信号中得到每个体素产生的信

34、号，实现磁共振图像重建。产生的信号，实现磁共振图像重建。 （2 2）梯度磁场的梯度梯度磁场的梯度（gradient） 磁场强度磁场强度大小沿某个方向位置大小沿某个方向位置变化变化率率称为沿这个方向的称为沿这个方向的磁场梯度，磁场磁场梯度，磁场的的梯度梯度是矢量，其是矢量，其方向为该点场强增加率最方向为该点场强增加率最大的方向大的方向。在直角坐标系中的分量形式表示为。在直角坐标系中的分量形式表示为一、梯度磁场和梯度一、梯度磁场和梯度,xyzBBBGGGxyz （1）梯度磁场（梯度磁场（gradient magnetic field） 磁磁场强度场强度的大小的大小随位置发生变化的磁场随位置发生变化

35、的磁场。即沿即沿x、y、z三个方向三个方向梯度梯度。空间任一点的磁场梯度为空间任一点的磁场梯度为xyzGG iG jG k一、梯度磁场和梯度一、梯度磁场和梯度 （3）梯度磁场的描述）梯度磁场的描述 Gx 、Gy 、Gz表示表示了了沿沿x、y、z方向单位长度上磁场强度方向单位长度上磁场强度的变化量，的变化量，其为常数其为常数称称之之为为线性磁场线性磁场梯度梯度，对应的磁场称为，对应的磁场称为线性梯度磁场，简称线性梯度场。线性梯度磁场，简称线性梯度场。常用单位常用单位mTm-1。 梯度磁场的梯度数量级约为梯度磁场的梯度数量级约为1.0Gauss/cm。梯度磁场的强。梯度磁场的强度要远小于主磁场。梯

36、度磁场的三个分量为度要远小于主磁场。梯度磁场的三个分量为,xGxBG x （4）在在MRI中，常用中，常用正交的沿正交的沿x、y、z方向的方向的三个线性梯度磁场三个线性梯度磁场来实现对接收信号的空间定位。来实现对接收信号的空间定位。,yGyBG yzGzBG zMRI的磁体系统的坐标系的磁体系统的坐标系一、梯度磁场和梯度一、梯度磁场和梯度 （4）主磁场与梯度磁场的叠加）主磁场与梯度磁场的叠加0 xBBxG主磁场与梯度磁场的叠加主磁场与梯度磁场的叠加0 xG 0 xG 二、层面选择二、层面选择横断面横断面冠状面冠状面矢状面矢状面 MRI可以在任意方位上选取断层。三个基本的断层是垂可以在任意方位上

37、选取断层。三个基本的断层是垂直于直于z轴的横断面，垂直轴的横断面，垂直x轴的矢状面、垂直轴的矢状面、垂直y轴的冠状面。轴的冠状面。二、层面选择二、层面选择 1. 层面选择与层厚层面选择与层厚 （1）层面选择）层面选择 以横断面为例讨论层面的选择。以横断面为例讨论层面的选择。 选择一个与选择一个与z轴垂直的横断面，可通过施加一个轴垂直的横断面，可通过施加一个z方向的方向的梯度磁场来实现。梯度磁场的梯度为梯度磁场来实现。梯度磁场的梯度为Gz。 梯度场的磁场强度大小为梯度场的磁场强度大小为 总磁场强度为总磁场强度为 自旋核的进动角频率为自旋核的进动角频率为 z坐标不同的层面上自旋核旋进的角频率不同。

38、坐标不同的层面上自旋核旋进的角频率不同。zzBG z0zBBG z0( )()zzBBzG若向受检体发出一个特定频率的射频脉冲，沿若向受检体发出一个特定频率的射频脉冲，沿z方向只有某个方向只有某个层面上的自旋核的旋进振频率与射频脉冲频率相同，位于该层面上的自旋核的旋进振频率与射频脉冲频率相同，位于该层面的质子被激发，产生层面的质子被激发，产生MRMR信号。其他层面中的质子均不处信号。其他层面中的质子均不处于共振状态，未受激励。只有一个层面被选择。于共振状态，未受激励。只有一个层面被选择。(m)z(T)B1.51.61.4静磁场：静磁场：z方向磁场的梯度：方向磁场的梯度：用公式计算出用公式计算出

39、01.5TB 10.2T mzG686064616263656667不同层面上自旋核不同层面上自旋核的旋进频率的旋进频率( (MHz)二、层面选择二、层面选择二、层面选择二、层面选择 若发射若发射RF脉冲的角频率为脉冲的角频率为 则位于则位于z1的层面被选择的层面被选择（2）层厚）层厚 RF脉冲具有一定的带脉冲具有一定的带宽宽 ，所选择的断层有，所选择的断层有一定的厚度一定的厚度z。 层厚依赖于层面选择层厚依赖于层面选择梯度的大小及射频脉冲的带宽。在梯度的大小及射频脉冲的带宽。在RF脉冲不变的情况下，可脉冲不变的情况下，可通过改变层面选择梯度的大小，改变层厚。通过改变层面选择梯度的大小，改变层

40、厚。 梯度越大，层厚越薄。梯度越大，层厚越薄。zzG 层面厚度与选层梯度的关系层面厚度与选层梯度的关系101()zzBBG zZ 发射中心角频率为发射中心角频率为 1、带宽为、带宽为 的的RF脉冲，与梯度为脉冲，与梯度为Gz的选层梯度场配合，将选择激励位于的选层梯度场配合，将选择激励位于z1处处 厚度为厚度为 z断层。断层。二、层面选择二、层面选择MRI的磁体系统的坐标系的磁体系统的坐标系选层选层二、层面选择二、层面选择2. RF脉冲的形状对断层的影响脉冲的形状对断层的影响 （1）软脉冲）软脉冲 指指选择性激发脉冲选择性激发脉冲。sinc形脉冲是一种软脉冲。可以用形脉冲是一种软脉冲。可以用来选

41、层。来选层。 理想理想sinc形脉冲：在形脉冲：在时间轴上无限延伸，选出时间轴上无限延伸，选出断层的断层的轮廓是矩形轮廓是矩形。 实际发射的是实际发射的是包含主包含主瓣和若干个副瓣的瓣和若干个副瓣的sinc形形脉冲，选择断层的轮廓偏脉冲，选择断层的轮廓偏离了理想矩形离了理想矩形。 理想理想sinc形脉冲形脉冲截断的截断的sinc形脉冲形脉冲（2 2）硬脉冲）硬脉冲 指非选择性脉冲，不能用于选层。矩形脉冲是硬脉冲。指非选择性脉冲，不能用于选层。矩形脉冲是硬脉冲。 矩形脉冲矩形脉冲二、层面选择二、层面选择三、相位编码与频率编码三、相位编码与频率编码1. 相位编码相位编码 在在z处选好某一断层，该层

42、上所有体素的横向磁化矢量在处选好某一断层，该层上所有体素的横向磁化矢量在RF脉冲结束瞬间处于同相状态，旋进频率相同，无法区分它脉冲结束瞬间处于同相状态，旋进频率相同，无法区分它们产生的信号。们产生的信号。 在在 y 轴方向施加轴方向施加相位编码相位编码梯度梯度场场Gy，总磁场强度为总磁场强度为不同不同y 处的体素所经历的磁场不同，处的体素所经历的磁场不同，其横向磁化矢量旋进的角频率不同，其横向磁化矢量旋进的角频率不同，为为在梯度场作用一段时间在梯度场作用一段时间 ty 后获得的后获得的相位不同，为相位不同，为0yBBG y0yyBBG yy yyG t选选层层结束瞬间自旋核处在同相状态结束瞬间

43、自旋核处在同相状态三、相位编码与频率编码三、相位编码与频率编码 相位相位 与体素的与体素的y坐标有关，不同行的体素的横向磁化坐标有关，不同行的体素的横向磁化矢量经历一段时间矢量经历一段时间 ty 后，具有不同的相位后，具有不同的相位 。 关闭梯度场关闭梯度场 后，层面内所有体素又处在主磁场后，层面内所有体素又处在主磁场 中，具中，具有相同的旋进角频率有相同的旋进角频率 ，但相位的差别被保留下来了，但相位的差别被保留下来了。用相位用相位的差别来区分的差别来区分y坐标不同的各行体素所产生的坐标不同的各行体素所产生的MR信号，这个信号，这个过程称为相位编码（过程称为相位编码（phase encodi

44、ng）。）。 选层选层结束瞬间结束瞬间相位编码完成时相位编码完成时三、相位编码与频率编码三、相位编码与频率编码2. 频率编码频率编码沿沿x轴方向施加轴方向施加频率编码频率编码梯度场梯度场Gx。总磁场强度为。总磁场强度为坐标为坐标为x 的同一列体素的横向磁化矢的同一列体素的横向磁化矢量以相同的角频率旋进量以相同的角频率旋进不同列的体素有不同的不同列的体素有不同的x坐标，旋进坐标，旋进的角频率不同。只要不关闭梯度场，的角频率不同。只要不关闭梯度场，这种旋进频率的差异就存在这种旋进频率的差异就存在。 0 xBBxG00()xxxBxGxG频率编码频率编码三、相位编码与频率编码三、相位编码与频率编码用

45、频率的差别来区分用频率的差别来区分x坐标坐标不同的各列体素所产生的不同的各列体素所产生的MR信信号，称为频率编码号，称为频率编码 （frequency encoding）。）。频率编码频率编码三、相位编码与频率编码三、相位编码与频率编码经选层激励、相位编码和频率编码后，经选层激励、相位编码和频率编码后，断层内断层内 个体个体素产生的素产生的MR信号将具有不同的相位和频率信号将具有不同的相位和频率。空间编码后层面内各体素产空间编码后层面内各体素产生信号的频率和相位分布生信号的频率和相位分布n n3.梯度散相位的校正梯度散相位的校正 （1）选层梯度散相位的校正）选层梯度散相位的校正 断层内断层内所

46、有自旋核在所有自旋核在RF脉脉冲作用的中心时间点冲作用的中心时间点t1/2被瞬间激励，此时自旋核处在同相状被瞬间激励，此时自旋核处在同相状态。态。z处的自旋核受选层梯度作用时间处的自旋核受选层梯度作用时间t1/2，产生，产生的相位为的相位为受负梯度作用时间受负梯度作用时间t2=t1/2 ，产生的相位为产生的相位为总相位为总相位为负梯度场抵消了负梯度场抵消了正的正的选层梯选层梯度场产生的散相，实现了相度场产生的散相，实现了相位的重聚。位的重聚。选层梯度的散相与相位重聚梯度的聚相选层梯度的散相与相位重聚梯度的聚相11/ 2zG zt21/ 2zG zt 120 三、相位编码与频率编码三、相位编码与

47、频率编码 通过频率编码梯度场通过频率编码梯度场极性的切换，可解决频率极性的切换，可解决频率编码梯度场引起的相散导编码梯度场引起的相散导致致MR信号衰减的问题。信号衰减的问题。负梯度场经作用时间负梯度场经作用时间t产生产生的散相，可被作用相同时的散相，可被作用相同时间的正梯度场抵消。在间的正梯度场抵消。在TE时刻出现最大信号。产生时刻出现最大信号。产生梯度回波。梯度回波。三、相位编码与频率编码三、相位编码与频率编码（2）频率编码梯度场散相位校正）频率编码梯度场散相位校正频率编码梯度的散相与相位重聚、梯度回波的形成频率编码梯度的散相与相位重聚、梯度回波的形成 相位编码持续的时间短，梯度弱，一般忽略

48、它相位编码持续的时间短，梯度弱，一般忽略它引起的散相引起的散相四、四、二维傅里叶变换图像重建二维傅里叶变换图像重建1.信号采集信号采集 为了让计算机处理数据，需要把连续的为了让计算机处理数据，需要把连续的MR信号变为离信号变为离散的数字信号，这个过程称为信号采样。散的数字信号，这个过程称为信号采样。 采样时间为采样时间为 Ts，采样点数为，采样点数为n ，两相邻采样点之间的时，两相邻采样点之间的时间间隔为间间隔为 t， 1/ t为采样频率。为采样频率。连续信号的离散采集连续信号的离散采集四、四、二维傅里叶变换图像重建二维傅里叶变换图像重建2. 二维傅里叶变换（二维傅里叶变换（2DFT）图像重建

49、）图像重建 接收的接收的MR信号是断层所有体素共同产生的，信号是断层所有体素共同产生的，每个体素每个体素对接收信号的贡献由信号强度与相位共同决定。对接收信号的贡献由信号强度与相位共同决定。经选层激励、经选层激励、相位编码和频率编码后，每个体素相位编码和频率编码后，每个体素的横向磁化矢量的总相位的横向磁化矢量的总相位累积为累积为 每个体素产生的每个体素产生的MR信号大小为信号大小为 s(x,y) ，与体素的，与体素的、T1、T2有关。每个体素产生的信号可表示为有关。每个体素产生的信号可表示为整个断层所产生的整个断层所产生的MR信号为信号为yxy yx xyG txG t(+)( , )= ( ,

50、 )x xy yixG tyG tif x y ef x y e (+)( ,)( , )x xy yixG tyG txys t tf x y edxdy四、四、二维傅里叶变换图像重建二维傅里叶变换图像重建 定义定义x方向和方向和y方向的空间频率方向的空间频率 其中其中 称为约化磁旋比称为约化磁旋比。 空间频率：空间频率：表示具有空间周期性的物理量在单位长度上表示具有空间周期性的物理量在单位长度上发生周期性变化的次数发生周期性变化的次数，单位为，单位为m-1或或Hz。 整个断层所产生的整个断层所产生的MR信号信号可用空间频率表示可用空间频率表示为为当当f(x,y)与时间无关时，与时间无关时，

51、 f(x,y)与与 是一对傅里叶变换对。是一对傅里叶变换对。xx xkG tyy ykG t22()( ,)(,)( , )xyi x ky kxyxys t tS k kf x y edxdy (,)xyS k k实际操作中通过模数转换技术得到实际操作中通过模数转换技术得到(,)xyS k k四、四、二维傅里叶变换图像重建二维傅里叶变换图像重建 采集信号采集信号 ，对采集的信号对采集的信号 进行二维傅里叶逆变进行二维傅里叶逆变换，换，即即可得到可得到每个体素的信号强度为每个体素的信号强度为 用灰度表示每个体素的信号大小，实现磁共振图像重建。用灰度表示每个体素的信号大小，实现磁共振图像重建。这

52、种重建图像的方法，叫这种重建图像的方法，叫二维傅里叶变换（二维傅里叶变换（2DFT）图像重）图像重建建。(,)xyS k k2()( , )(,)xyi x ky kxyxyf x yS k k edk dk 五、五、k空间空间1. k空间的建立及填充过程空间的建立及填充过程 k空间是以空间频率为坐标轴的空间。横轴空间是以空间频率为坐标轴的空间。横轴kx代表频率代表频率编码，纵轴编码，纵轴ky代表相位编码，列数代表相位编码，列数Nx等于取样点数，行数等于取样点数，行数Ny等于相位编码步数。等于相位编码步数。 k空间示意图空间示意图 k空间的实质就是磁共振空间的实质就是磁共振成像中采集的原始数据

53、的存放成像中采集的原始数据的存放空间。空间。 用圆点的大小表示填入用圆点的大小表示填入k空间数据的大小。空间数据的大小。五、五、k空间空间1. k空间的建立及填充过程空间的建立及填充过程 采一个回波填充数据矩阵的一行，称为傅里叶行。每个采一个回波填充数据矩阵的一行，称为傅里叶行。每个取样点对应取样点对应k空间一个点。同一行中，相邻点之间的时间间隔空间一个点。同一行中，相邻点之间的时间间隔等于取样间隔等于取样间隔t t。不同的脉冲序列对行的填充次序有不同的要。不同的脉冲序列对行的填充次序有不同的要求。求。 五、五、k空间空间 每次频率编码的梯度场每次频率编码的梯度场Gx大小和方向都保持不变，即大

54、小和方向都保持不变，即x坐标相同的点（列）有相同的坐标相同的点（列）有相同的x梯度场强。每一行具有相同梯度场强。每一行具有相同的的 ，不同的，不同的 kx 。 由于施加加速散相的负梯度由于施加加速散相的负梯度场和重聚的正梯度场使信号场和重聚的正梯度场使信号 幅度最大恰好在中央，两幅度最大恰好在中央，两边共轭对称排列。边共轭对称排列。yyykGt ky以对称方式排列，设以对称方式排列，设Ny=2 ny 从从 Ny =-(-(ny- -1) 行逐次行逐次到到Ny= ny，施加相位编码次数叫步数，每一步增加的，施加相位编码次数叫步数，每一步增加的Gy脉脉冲的幅度冲的幅度 Gy为步距，每步的时间间隔就是重复周期为步距，每步的时间间隔就是重复