第五章 磁共振成像(new)

1、第五章 磁共振成像内容梗概 磁共振信号与加权图像 磁共振图像重建 快速成像序列 磁共振血管成像 磁共振图像质量评价第一节第一节 磁共振信号与加权图像磁共振信号与加权图像MRI MRI 成像成像 含奇数质子的原子核均在其自旋过程中含奇数质子的原子核均在其自旋过程中产生自旋磁动量，即磁矩以矢量描述产生自旋磁动量，即磁矩以矢量描述. . 核磁矩的大小是原子核的固有特性，它核磁矩的大小是原子核的固有特性，它决定决定MRIMRI信号的敏感性信号的敏感性. . 氢原子核只有单一质子具有最强的磁矩氢原子核只有单一质子具有最强的磁矩 氢质子在人体内分布广，数量多，氢质子在人体内分布广，数量多，MRIMRI均选

2、用氢为靶原子核均选用氢为靶原子核. .人体质子在磁场中共振现象共振现象MRI MRI 成像基本原理成像基本原理o 外来射频脉冲停止后，由外来射频脉冲停止后，由MM0 0产生的横向磁产生的横向磁化矢量在晶格磁场作用下由化矢量在晶格磁场作用下由XYXY平面逐渐回平面逐渐回复到复到Z Z轴。轴。o 同时以射频信号的形式放出能量。同时以射频信号的形式放出能量。o 发出的射频信号被体外线圈接受。发出的射频信号被体外线圈接受。o 经计算机处理后重建成图像。经计算机处理后重建成图像。MRIMRI应用中常用概念应用中常用概念 驰豫：指磁化矢量恢复到平衡态的驰豫：指磁化矢量恢复到平衡态的过程过程. . 磁化矢量

3、越大，磁化矢量越大，MRIMRI探测到的信号探测到的信号越强越强. .MRIMRI应用中常用概念应用中常用概念 T1T1时间：测量纵向驰豫的时间。时间：测量纵向驰豫的时间。 定义：纵向磁化矢量从最小恢复至定义：纵向磁化矢量从最小恢复至平平 衡态的衡态的63%63%所经历的驰豫时间。所经历的驰豫时间。 不同的组织不同的组织T1T1时间不同，产生时间不同，产生MRMR信号强度上的差别，图像上为灰阶信号强度上的差别，图像上为灰阶的差别。的差别。MRIMRI应用中常用概念应用中常用概念 T2T2时间：测量横向驰豫的时间。时间：测量横向驰豫的时间。 定义：横向磁化矢量从由最大衰减定义：横向磁化矢量从由最

4、大衰减至至37%37%所经历的驰豫时间。所经历的驰豫时间。 不同的组织不同的组织T2T2时间不同，产生时间不同，产生MRMR信号强度上的差别，图像上为灰阶信号强度上的差别，图像上为灰阶的差别。的差别。MRIMRI成像技术成像技术采用不同的扫描序列和成像参数采用不同的扫描序列和成像参数T1T1加权像、加权像、 T2T2加权像、加权像、 质子加权像质子加权像自旋回波（自旋回波（SESE）、）、梯度回波、平面梯度回波、平面回波等回波等MRIMRI图像特点图像特点 主要反映组织间的信号强度。主要反映组织间的信号强度。T1T1加权像加权像 反映组织间反映组织间T1T1的差别，有利于的差别，有利于观察解剖

5、结构。观察解剖结构。T2T2加权像加权像 反映组织间反映组织间T2T2的差别，显示病的差别，显示病变组织好。变组织好。自旋回波（自旋回波（SESE）：）：重复时间（重复时间（TRTR） 回波时间（回波时间（TETE）加权成像加权成像 TRTR（msms） TETE（msms） T1WI T1WI 短短 = = 500 500 短短 = = = 2000 2000 长长 = = 60 60 PdWIPdWI 长长 = = 2000 2000 短短 = = 30 30 16自旋回波序列自旋回波序列自旋回波信号的产生过程自旋回波信号的产生过程经过与散相相同的经过与散相相同的时间后时间后,相位重聚完相

6、位重聚完全全,横向磁化再次达横向磁化再次达到最大值到最大值施加施加1800射频射频脉冲，质子进脉冲，质子进动反向动反向,相位开相位开始重聚始重聚900射频结束瞬间，射频结束瞬间，磁化翻转到横向，磁化翻转到横向，开始横向弛豫，即开始横向弛豫，即散相散相静止磁场中，宏静止磁场中，宏观磁化与场强方观磁化与场强方向一致，纵向宏向一致，纵向宏观磁化最大观磁化最大施加施加900射频脉冲，射频脉冲，纵向磁化翻转到横纵向磁化翻转到横向，横向磁化最大向，横向磁化最大此时的线圈感此时的线圈感应信号即为自应信号即为自旋回波信号旋回波信号磁共振检查技术术语 平扫（T1WI、T2WI、PDWI） 增强（T1WI） 动态

7、增强（Dynamic MR） 磁共振血管造影（MRA） 脂肪抑制成像（STIR) 水抑制成像（FLAIR） 水成像（MRCP、MRU、MRM） 灌注成像（Perfusion） 弥散成像（Diffusion） 功能成像（function MR）18加权图像(imaging weighting，IW) 在MRI中，当不考虑血流显像时，成像参数为 、T1T1、T2T2；把血流显像考虑进去时，成像参数为T1、T2、v、。出于分析图像的方便，希望一帧MRI的断面图像主要由一个成像参数决定，这就是MRI中图像加权的概念。 19第二节第二节 磁共振图像重建磁共振图像重建组成灰度数字图像的基本单元是组成灰度数

8、字图像的基本单元是像素像素像素只有两个基本信息：像素像素只有两个基本信息：像素位置信息位置信息和像素和像素灰度信息灰度信息像素位置信息表示图像中的该像素位置信息表示图像中的该像素对应人体内的像素对应人体内的体素位置体素位置像素灰度信息表示对应体素像素灰度信息表示对应体素的的检测信息的强度检测信息的强度对磁共振而言对磁共振而言,实现像素与体素对应的手段是施实现像素与体素对应的手段是施加加三个维度上的梯度磁场三个维度上的梯度磁场不同成像手段进行不同成像手段进行位置对应的手段不位置对应的手段不同同不同成像手段的不同成像手段的检测信息不同检测信息不同对磁共振而言对磁共振而言,检测的生物体信息是检测的生

9、物体信息是磁共振信号磁共振信号20 在在Z方向叠加的强度方向叠加的强度随随Z变化的磁场，叫变化的磁场，叫Z方向梯度场；方向梯度场； 在在X方向叠加的强度方向叠加的强度随随X变化的磁场，叫变化的磁场，叫X方向梯度场方向梯度场; 在在Y方向叠加的强度方向叠加的强度随随X变化的磁场，叫变化的磁场，叫Y方向梯度场方向梯度场;NSB0B0ZB0+B(z)0 NSB0B0XB0+B(x)0 NSB0B0YB0+B(Y)0 三个基本梯度场三个基本梯度场21人体的三面人体的三面示意图示意图横断横断面面冠状冠状面面矢状矢状面面22空间的三维空间的三维水平磁场水平磁场垂直磁场垂直磁场B0（Z）B0(Z)一般常导和

10、超导磁体一般常导和超导磁体产生水平磁场，水平产生水平磁场，水平方向（人体长轴）为方向（人体长轴）为Z方向方向一般永磁体产生垂直一般永磁体产生垂直磁场，垂直方向为磁场，垂直方向为Z方方向，人体长轴一般定向，人体长轴一般定义为义为X方向方向YZXZXY23 在在Z方向叠加梯度场可以选择层面，方向叠加梯度场可以选择层面，RF的频带宽度的频带宽度与梯度强度共同决定层厚。与梯度强度共同决定层厚。选层梯度选层梯度Gs层厚与梯度强度成反相关层厚与梯度强度成反相关层厚与射频频宽成正相关层厚与射频频宽成正相关24选层梯度Gsvvv0频率范围即频宽v很小，用于选层激励xxsin25选层梯度Gs回归脉冲 在层内的自

11、旋核可以处在不同的z上，其旋进的速度不同，使自旋核进入去相位状态，使MMxy衰减，为此常常在梯度磁场脉冲之后，加入个与其方向相反的梯度磁场脉冲方向相反的梯度磁场脉冲，称为回回归脉冲归脉冲，使自旋核的相位回归，以减少信号测量的损失。 26在在X X方向叠加一线性梯度场，可使沿方向叠加一线性梯度场，可使沿X X向质子所处磁场线向质子所处磁场线性变化性变化, ,从而共振频率线性变化从而共振频率线性变化, ,将采集信号经傅立叶变换将采集信号经傅立叶变换后即可得到频率与后即可得到频率与X X方向位置的线性一一对应关系方向位置的线性一一对应关系. .频率编码梯度频率编码梯度GfGf（读出梯度（读出梯度Gr

12、oGro）成像层面的成像层面的X向位置向位置采集信号经傅立叶采集信号经傅立叶变换后的频谱变换后的频谱二者一一对应二者一一对应27相位编码梯度相位编码梯度GpGpGp施加之前施加之前,质质子沿子沿Y向进动频向进动频率相位均相同率相位均相同施加施加GP,质子沿质子沿Y向向所受磁场线性所受磁场线性,进动进动频率线性频率线性,相位线性相位线性Gp结束后结束后,Y向磁场均向磁场均匀匀,质子进动频率一致质子进动频率一致,但线性相位保留下来但线性相位保留下来,并与并与Y向位置一一对向位置一一对应应28三梯度施加时序三梯度施加时序(SE(SE序列为例序列为例, ,采集矩采集矩阵阵128128* *128128

13、) )RF:Gs:Gp:Gro:SIG:射频激励脉冲射频激励脉冲选层梯度选层梯度相位编码梯度相位编码梯度,需需要反复施加要反复施加128次次,且幅度线性变化且幅度线性变化频率编码梯度频率编码梯度,又称读出梯度又称读出梯度回波信回波信号号FID信信号号29体层图像重建的时间估计体层图像重建的时间估计在在MRMR图像重建中，沿相位编码方向排列的体素个图像重建中，沿相位编码方向排列的体素个数决定了在一个成像周期内相位编码的重复次数，数决定了在一个成像周期内相位编码的重复次数，这是这是MRIMRI成像速度较慢的主要原因。成像速度较慢的主要原因。 在在SESE序列中完成一个层面的成像时间序列中完成一个层

14、面的成像时间T Td d可估计为：可估计为： TdTR矩阵大小矩阵大小n 脉冲重复时间脉冲重复时间重复测量次数重复测量次数30 K空间与磁共振图像重建 K空间:抽象的频率空间,是一个以空间频率空间频率为坐标轴的空间坐标系所对应的空间。 时间频率：单位时间内波动的周期数(Hz)。 空间频率：沿空间某一方向单位距离内波动的周期数（Hz/cm），是一个矢量。 K空间的空间频率分布是中心频率为零，距中心频率越远，频率越高。31磁共振信号的空间频率 均匀的静磁场中，MR信号是一个具有单一旋进频率的波动信号，不含任何空间位置信息和空间频率信息。 使用了梯度磁场之后，MR信号就具备了空间位置信息和空间频率信

15、息。 采集到的MR信号，根据其相应的空间频率放到K空间相应的位置中，不同空间频率的MR信号放入K空间中不同的位置。32K空间的性质 储存在K空间不同位置的MR信号对图像的贡献不同。中心部分对应的MR信号空间频率低，幅度大，主要形成图像对比度。外围部分对应的MR信号空间频率高，幅度小，主要形成图像的分辨力。 kxkyK空间的性质 Ky0的中央行，MR信号是在Gy=0时获得的，不存在相位编码梯度磁场产生的散相，信号的幅度也就最大； Kx=0的中央列，kx=0，MR信号采集时正好是每个回波的中心，因而幅度最大。34k-space and the MR Imagexyf(x,y)kxkyK-space

16、F(kx,ky)Image-spaceduality35k-space and the MR Image each individual point in the MR image is reconstructed from every point in the k-space representation of the image all points of k-space must be collected for a faithful reconstruction of the image 36Discrete Fourier TransformF(kx,ky) is the 2D di

17、screte Fourier transform of the image f(x,y)xyf(x,y)kxky K-spaceF(kx,ky)f x yNF k k exkykkkxyjNxjNyNNyx( , )( ,)12220101image-space37k-space and the MR Image If the image is a 256 x 256 matrix size, then k-space is also 256 x 256 points. The individual points in k-space represent spatial frequencies

18、 in the image. Contrast is represented by low spatial frequencies; detail is represented by high spatial frequencies. 38low spatial frequencieshigh spatial frequenciesallfrequencies39Waves and Frequencies simplest wave is a cosine wave propertiesfrequency (f)phase ()amplitude (A)f xAf x( )cos()240Co

19、sine Waves ofdifferent frequencies-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8141Cosine Waves ofdifferent amplitudes-4-3-2-10123442Cosine Waves ofdifferent phases-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8143k-space Representation of Wavesimage space, f=4k-space-128-96-64-32032649612844k-space Representation of Wavesimage s

20、pace, f=16k-space-128-96-64-32032649612845k-space Representation of Wavesimage space, f=64k-space-128-96-64-32032649612846Complex Waveform Synthesisf4 + 1/2 f16 + 1/4 f32Complex waveforms can besynthesized by adding simplewaves together.47k-space Representation of Complex Wavesf4 + 1/2 f16 + 1/4 f32

21、-128-96-64-320326496128image spacek-space48k-space Representation of Complex Waves“square” waveimage spacek-space-128-96-64-32032649612849Reconstruction of square wave from truncated k-spacetruncated space (16)image spacek-space-128-96-64-320326496128reconstructed waveform50Reconstruction of square

22、wave from truncated k-spacetruncated space (8)image spacek-space-128-96-64-320326496128reconstructed waveformThe most important segment of k-space is the middle.51Reconstruction of square wave from truncated k-spacetruncated space (240)image spacek-space-128-96-64-320326496128reconstructed waveformT

23、he most important segment of k-space is the middle.52傅立叶变换的作用：傅立叶变换的作用：复杂的时间域信号复杂的时间域信号简单的频率域信号简单的频率域信号傅立叶变换傅立叶变换傅立叶变换傅立叶变换傅立叶变换傅立叶变换Amplitude53二维傅立叶变换重建54第四节第四节 磁共振血管造影磁共振血管造影 (magnetic resonance (magnetic resonance angiography, MRA)angiography, MRA) 应用价值 利用流动血液的MR信号与周围静止组织的MR信号差异建立图像对比度。 利用MR信号差异也

24、可以用来测量血流速度、观察血流状态的特征。56飞越时间和流入性增强以SE序列为例 血液流动造成的MR信号改变的现象（增强或减弱 ）称为飞逝现象或飞逝现象或时间飞越时间飞越 (Time of flight，TOF)现象。 流入性增强流入性增强 扫描层内还未流出的自旋质子处于部分饱和态(横向几乎已经完全恢复)，它们受到新的90脉冲照射时，只能提供很小的MR信号或完全没有信号(有时称这些质子不再接收新的90脉冲激励)；相反，新流进扫描层内的血液MzM0，它们受到新的90脉冲照射时，将发出较强的MR信号，这称之为流入性增强流入性增强。 58预饱和技术 预饱和技术是针对流入性增强的反效应而设计的。 具体方法是在在MRIMRI的视野外的较大区的视野外的较大区域上施加一个额外激励脉冲域上施加一个额外激励脉冲，也就是说血液在流入视野之前，自旋核已得到激励达到预饱和，于是流入的血流不再接收激励，信号丧失。 预饱和技术可以选择性地在图像上除预饱和技术可以选择性地在图像上除掉动脉或静脉血流的掉动脉或静脉血流的MRMR信号信号。 预饱和技术60非侵入性磁共振造影的方法时间飞越法（TOF） TOF血管成像用具有非常短TR的梯度回波序列。由于TR短,静态组织在没有充分弛豫时就接受到下一个脉冲的激