磁共振成像原理和功能磁共振

1、磁共振成像原理和功能磁共振磁共振成像原理和功能磁共振第1页绝大多数原子核都含有围绕本身轴线做旋转运动特征，称之为自旋特征。质子自旋就相当于正电荷在环形线路中流动即环形电流产生磁场，即核磁。若原子核含有质子数为偶数，则其自旋产生磁场相互抵消，为非磁性。反之，若为奇数，则含有磁性。MRI 物理基础磁共振成像原理和功能磁共振第2页生物组织中含有1H、13C、19F、23Na、31P等元素，有磁性元素有百余种。在现今，研究和使用最多是1H。1H是磁化最高原子核，能够得到较强信号（即SNR高）；1H占活体组织中原子数2/3，数量丰富。MRI时，均指是1H原子核。MRI物理基础磁共振成像原理和功能磁共振第

2、3页 无外加磁场时，各个质子以任意方向自旋，因而单位体积内生物组织宏观磁矩M=0，若将生物组织置于一个强大外加磁场（B0）中，则质子磁矩发生改变，较多质子磁矩与B0方向相同，较少与之相反。所以，出现与B0方向一致净宏观磁矩M0。 MRI包括讨论主要为宏观磁化矢量改变规律磁共振成像原理和功能磁共振第4页原子核在外加磁场中自旋同时，还以一定角度围绕外加磁场方向进行旋转运动，这种运动称为进动。沿B0旋进着质子类似于在重力作用下陀螺。进动频率亦称角频率(0)，取决于外加磁场强度(B0)和原子核旋磁比()： 0 = 0上述方程式称为拉莫尔方程，其角频率又称为拉莫尔频率。旋磁比()是原子核固有特征，仅与原

3、子核种类相关。MRI 物理基础磁共振成像原理和功能磁共振第5页MRI物理基础能量从一个客体或系统传送至另一个，而接收者以供给者相同频率振动。这种能量传送只有在驱动者能量频率与被激励系统振荡频率相一致时才能发生。在MR成像中，被激励者为组织中1H团，激励者为射频脉冲。在B0中，以Larmor频率施加射频脉冲，被激励质子从低能态跃迁到高能态，出现核磁共振。从宏观上讲，受激励质子群发生核磁共振时，质子宏观磁化矢量M不再与原来主磁场平行，M方向和值将离开原来平衡状态而发生改变，其改变程度取决于所施加射频脉冲强度和时间，二者越大，在射频脉冲停顿时，M离开B0越远。磁共振成像原理和功能磁共振第6页90射频

4、脉冲磁共振成像原理和功能磁共振第7页MRI物理基础核磁弛豫：脉冲停顿后，宏观磁化矢量M又自发恢复到平衡状态。纵向弛豫：90脉冲停顿后，纵向弛化矢量要逐步恢复放到平衡状态，测量时间距终止时间越长，所测到磁化矢量信号幅度就越大，Mz到达其最终平衡状态63%时间为T1值。（经过释放已吸收能量）磁共振成像原理和功能磁共振第8页MRI物理基础横向弛豫：90射频脉冲另一个作用是使质子群在同一方位、同时旋进（相位一致），这时横向磁化矢量Mxy最大。但射频脉冲停顿后，质子群同时旋进很快变成异步，相位失聚合，磁化矢量相互抵消，Mxy很快由大变小至为0，称之为去相位。Mxy衰减到原来值37%时间为T2值。（经过相

5、位改变造成矢量抵消）只有Larmor频率磁动波与B0作用垂直时，被激励高能态质子方能放出能量，回到低能态，即T1弛豫；各种频率、任意方向磁动波均可使质子群旋进频率及方位发生改变，即T2弛豫。磁共振成像原理和功能磁共振第9页T1、T2弛豫过程同时进行磁共振成像原理和功能磁共振第10页MRI物理基础弛豫与生物组织理化原因关系 人体体温环境下，纯水分子热运动覆盖频率段最宽，多超出MRI质子共振频率范围。假如水变成冰或者有物质（蛋白质）溶解在内使其粘度升高，则热运动减低，处于Larmor频率磁动波较多，能更多地激发被激励质子，使T1缩短。 而脂肪、胆固醇等物质内1H，因为基础没有热运动影响，所以均呈短

6、T1信号。磁共振成像原理和功能磁共振第11页磁共振信号产生外来射频脉冲停顿后，由M0产生横向磁化矢量由XY平面逐步回复到Z轴同时以射频信号形式放出能量发出射频信号被体外线圈接收经计算机处理后重建成图像磁共振成像原理和功能磁共振第12页磁共振成像原理和功能磁共振第13页 磁共振检验技术平扫（T1WI、T2WI、PDWI）增强（T1WI）动态增强（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）功效成像（function MR）磁共振成像原理和功能磁共振第14

7、页PDWI T2WI T1WI SE序列 FSTIR序列磁共振成像原理和功能磁共振第15页后交通支动脉瘤3D - MRA磁共振成像原理和功能磁共振第16页3D-CEMRA时间分辨率（胸腹部）磁共振成像原理和功能磁共振第17页FLAIR抑水序列磁共振成像原理和功能磁共振第18页磁共振胰胆管造影（MRCP）3D-重T2WI（水成像）磁共振成像原理和功能磁共振第19页磁共振弥散加权成像DWI磁共振成像原理和功能磁共振第20页磁共振弥散加权成像DWIMR图像：组织T1、T2驰豫时间、H1密度、分子弥散运动 DWI图像：利用扩散敏感梯度脉冲将水分子弥散效应扩充，来研究不一样组织中水分子扩散运动差异其方法

8、就是在常规任意MRI序列上施加对弥散敏感梯度脉冲来取得磁共振成像原理和功能磁共振第21页磁共振成像原理和功能磁共振第22页正常组织间隙随机运动水分子-低信号细胞毒性水肿组织运动受限水分子-高信号A B组织内影响水分子弥散原因 细胞内外体积改变水分子经过细胞膜渗透作用细胞外间隙形态改变肿瘤组织细胞百分比增高高信号磁共振成像原理和功能磁共振第23页磁共振成像原理和功能磁共振第24页 经过两个以上不一样弥散敏感梯度值（ b值）弥散加权象，可计算出弥散敏感梯度方向上水分子表观弥散系数（apparent diffusion coefficient ADC） ADC=In(S低/S高)/(b高-b低) D

9、WI评定弥散参数=&b=0 b=1000 ADC ADC反应了水分子扩散运动能力，指水分子单位时间内扩散运动范围，其值越高代表水分子扩散能力越强。磁共振成像原理和功能磁共振第25页磁共振成像原理和功能磁共振第26页磁共振扩张张量成像DTI磁共振成像原理和功能磁共振第27页 DWI成像只在X、Y、Z轴三个方向上施加敏感梯度 ，不能完全、正确地评价不一样组织在三维空间内弥散情况，组织各向异性程度往往被低估 。 DTI则能够在三维空间内定量分析组织内水分子弥散特征。磁共振成像原理和功能磁共振第28页均质介质中水分子运动是无序随机运动，即向各个方向运动几率是相同，即含有各向同性（isotropy）在人

10、体组织中，水分子运动因为受到组织细胞结构影响，在各个方向弥散程度是不一样，含有方向依赖性，即含有各向异性(anisotropy) 磁共振弥散加权成像DTI磁共振成像原理和功能磁共振第29页水分子垂直于神经纤维走向弥散运动困难水分子平行于神经纤维走向弥散运动轻易磁共振成像原理和功能磁共振第30页 要描述水分子空间弥散情况 ，引入了张量概念，脑白质中每一个体素各向异性扩散过程就能够用张量D表示 。需要用一个二维矩阵表示 ： 磁共振成像原理和功能磁共振第31页二阶张量含有对称性， DxyDyx Dxz=Dzx Dyz=Dzy 所以只要计算6个变量 方法： 最少在6个不一样非共线方向上施加敏感梯度，另

11、外再采集一幅含有一样参数而未施加敏感梯度图像。从弥散加权像和非弥散加权像信号强度衰减差异中能够得到6幅表观弥散系数图（ADC），得到一个六元一次方程组，最终利用这些图能够求得每个体素有效弥散张量D 。磁共振成像原理和功能磁共振第32页 理论上6次就能够，不过因为噪声存在，方向越多，三维空间分布越均匀则数据越准确。12个方向42个方向162个方向642个方向磁共振成像原理和功能磁共振第33页DTI成像原理DTI利用弥散张量中各向异性扩散方向信息来追踪神经通路走行从而得到脑白质中神经纤维和功效束走行方向和立体形态。磁共振成像原理和功能磁共振第34页DTI量化参数 平均扩散率 指MR成像体素内各个方

12、向扩散幅度平均值，代表了某一体素内水分子扩散大小或程度，通常所用指标就是平均弥散系数（average diffusion coefficient，ADC），反应了水分子单位时间内扩散运动范围，单位是mm2/s，其值越大，说明水分子扩散能力越强。磁共振成像原理和功能磁共振第35页正常ADC图磁共振成像原理和功能磁共振第36页个别各向异性指数（fractional anisotropy， FA ）是分析各向异性最常见参数，指弥散各向异性个别与弥散张量总值比值，反应了各向异性成份占整个弥散张量百分比，取值在01之间，0代表了最大各向同性弥散，比如在完全均质介质中水分子弥散，1代表了假想下最大各向异性

13、弥散 。 脑白质中FA值与髓鞘完整性、纤维致密性及平行性呈正相关 。各向异性指数磁共振成像原理和功能磁共振第37页在FA图上，脑白质为高信号，表现出比较高各向异性，纤维排列最大程度趋于一致时，FA值也就越靠近1，比如胼胝体，而脑灰质与脑脊液因趋向各向同性表现为低信号 。胼胝体内囊后肢内囊前肢外囊半卵圆中心磁共振成像原理和功能磁共振第38页 相对各向异性（relative anisotropy，RA）和容积比（volume ratio，VR） RA为各向异性和各向同性成份百分比 VR等于椭球体体积与半径为平均扩散率球体体积之比。 二者取值范围亦在01之间 ，RA意义与FA相同，越靠近1说明水分子

14、各向异性程度越高。而VR越靠近1说明水分子弥散越趋于各向同性 。磁共振成像原理和功能磁共振第39页 VR图磁共振成像原理和功能磁共振第40页白质纤维束示踪成像（fiber tractography） 利用最大本征向量1对应纤维束传导方向将大脑中神经纤维束轨迹描出来，实现活体查看和研究中枢以及周围神经系统神经通路连接和连续性 。 方法：从一个设置种子位置开始追踪，直至碰到体素FA值小于0.2 。磁共振成像原理和功能磁共振第41页磁共振成像原理和功能磁共振第42页大脑发育及衰老 出生后大脑仍继续发育、髓鞘化 ，2岁左右基础完成遵照从下到上，从后到前，从中央到周围规律进行髓鞘化胆固醇逐步降低，磷脂逐

15、步增多，最终形成成熟髓鞘在这个过程中，组织各向异性不停增加，利用DTI技术，能够定量分析不一样部位脑组织各向异性程度，显示大脑发育过程磁共振成像原理和功能磁共振第43页DTI在脑梗塞中利用 DWI有利于临床诊疗早期、超早期脑梗死及时诊疗，而DTI在检测脑梗死后皮质脊髓束损伤有着显著优势。梗死区域FA显著降低，早期平均ADC值降低，后期增高。与梗死区相联络同侧内囊、大脑脚和桥脑处皮质脊髓束FA较对侧显著降低，提醒脑梗死后远端皮质脊髓束可能存在进行性Wallerian变性。DTI在经过对梗死远端皮质脊髓束FA计算判断其变性程度，并预测患者运动功效转归。磁共振成像原理和功能磁共振第44页DTI在脑肿

16、瘤中应用定量分析肿瘤组织特点以判别肿瘤等级，判别正常白质纤维、水肿及肿瘤区域。测量瘤周水肿平均ADC值和FA值以分析判别转移瘤和胶质瘤。显示白质纤维和肿瘤相互关系，利于指导外科手术，这是DTI技术较有临床价值和应用前景。磁共振成像原理和功能磁共振第45页 当前将肿瘤和白质纤维关系分为4种模式磁共振成像原理和功能磁共振第46页提醒：肿瘤挤压周围神经纤维束，但未见显著神经纤维束中止征象，提醒肿瘤为良性或侵袭性低肿瘤模式1：纤维位置或方向发生改变，患侧纤维FA值相对于对侧正常或轻微降低（25），同时纤维位置和方向正常。提醒：瘤周发生水肿，但不能排除肿瘤浸润。磁共振成像原理和功能磁共振第48页模式3：

17、患侧纤维FA值相对于对侧显著减低，同时纤维走向发生改变。提醒：瘤周神经纤维被肿瘤侵犯。磁共振成像原理和功能磁共振第49页模式4：患侧纤维显示各向同性或近似同性，无法看出走行方向。提醒：神经纤维被破坏，仅见于恶性肿瘤。磁共振成像原理和功能磁共振第50页57Y,M,考虑左顶叶胶质瘤磁共振成像原理和功能磁共振第51页F，28Y，考虑右侧额颞叶胶质瘤磁共振成像原理和功能磁共振第52页左侧颞部脑膜瘤磁共振成像原理和功能磁共振第53页磁共振灌注加权成像PWI磁共振成像原理和功能磁共振第54页磁共振成像原理和功能磁共振第55页磁共振成像原理和功能磁共振第56页磁共振成像原理和功能磁共振第57页磁共振成像原理

18、和功能磁共振第58页磁共振成像原理和功能磁共振第59页磁共振成像原理和功能磁共振第60页磁共振成像原理和功能磁共振第61页磁共振成像原理和功能磁共振第62页磁共振成像原理和功能磁共振第63页DWI病灶PWI病灶 缺血半暗带DWI病灶PWI病灶 梗死磁共振成像原理和功能磁共振第64页磁敏感加权成像SWI磁共振成像原理和功能磁共振第65页SWI成像原理SWI是一个利用不一样组织间磁敏感性差异而成像技术，对小静脉、微出血和铁沉积更敏感。成像基础：组织间磁敏感度差异和BOLD效应磁共振成像原理和功能磁共振第66页BOLD成像原理BOLD：blood oxygen level depend 血氧水平依赖

19、成像脱氧血红蛋白：顺磁性物质，引发加权信号减低。氧合血红蛋白：逆磁性物质，引发加权信号增高。当局部脑皮质在经特定任务刺激（如感觉运动、神经心理测试等）后，局部脑血流量增加，氧合血红蛋白百分比升高，故而神经元活动区加权信号高于非活动区。这种反应神经电活动方法就称为BOLD。外界刺激脑组织兴奋ATP需求血管扩张、含氧血红蛋白加权信号磁共振成像原理和功能磁共振第67页磁共振成像原理和功能磁共振第68页磁共振成像原理和功能磁共振第69页BOLD临床应用 确定肿瘤与脑功效区关系，指导手术。检测癫痫异常放电部位。神经功效区定位。只有你想不到，没有它做不到。磁共振成像原理和功能磁共振第70页SWI成像原理顺

20、磁性物质成像含70%去氧血红蛋白静脉血引发磁场不均匀性造成：T2*时间缩短和血管与周围组织磁化率差异引发相位差加大两种效应。 顺磁性 物质 局部磁 场不均 质子自旋快 速失相位 T2*缩短 信号降低 磁共振成像原理和功能磁共振第71页SWI在CNS临床应用血管源性病变 CNS 肿瘤性病变钙化性疾病神经退行性疾病颅脑外伤性疾病其它疾病磁共振成像原理和功能磁共振第72页血管源性病变血管源性病变海绵状血管瘤动静脉畸形Sturge-Weber综合征毛细血管扩张症淀粉样脑血管病（CAA）高血压脑出血脑梗死及出血磁共振成像原理和功能磁共振第73页血管源性病变7岁，多发出血和未出血海绵状血管瘤磁共振成像原理

21、和功能磁共振第74页血管源性病变桥脑海绵状血管瘤磁共振成像原理和功能磁共振第75页血管源性病变左侧顶枕叶动静脉畸形磁共振成像原理和功能磁共振第76页血管源性病变左侧小脑静脉畸形左侧基底节静脉畸形磁共振成像原理和功能磁共振第77页血管源性病变放射性毛细血管扩张症磁共振成像原理和功能磁共振第78页血管源性病变皮层静脉梗塞磁共振成像原理和功能磁共振第79页肿瘤性病变肿瘤性病变SWI能够显示肿瘤边界、引流静脉、瘤内出血及钙化等磁共振成像原理和功能磁共振第80页肿瘤性病变T1-postFlairSWIGlioma multiforme AVID BOLD 0.5 x 1.0 x 2.0 mm3磁共振成像

22、原理和功能磁共振第81页肿瘤性病变SWIT1 + contrastHemorrhage into Glioma 磁共振成像原理和功能磁共振第82页肿瘤性病变右侧脑室肿瘤静脉分布和出血灶磁共振成像原理和功能磁共振第83页颅脑外伤性疾病颅脑外伤性疾病弥漫性轴索损伤（DAI）外伤性脑出血及梗死磁共振成像原理和功能磁共振第84页颅脑外伤性疾病弥漫性轴索损伤DAI磁共振成像原理和功能磁共振第85页颅脑外伤性疾病弥漫性轴索损伤DAI磁共振成像原理和功能磁共振第86页神经退行性疾病神经退行性疾病以脑内铁质沉积增多为特征Alzheimers diseaseParkinsons disease多发性硬化（MS）

23、 磁共振成像原理和功能磁共振第87页其它疾病白血病脑内出血灶磁共振成像原理和功能磁共振第88页其它疾病大脑常染色体显性动脉病合并皮层下梗塞及脑白质病CADASIL，50岁正常对照磁共振成像原理和功能磁共振第89页其它疾病狼疮脑病磁共振成像原理和功能磁共振第90页其它疾病肝豆状核变性磁共振成像原理和功能磁共振第91页其它疾病25岁，女性，双侧颈动脉炎磁共振成像原理和功能磁共振第92页放疗后脑损伤脑静脉较对侧变细，分支降低其它疾病磁共振成像原理和功能磁共振第93页磁共振波谱成像MRS磁共振成像原理和功能磁共振第94页MRI & MRS比较在本质上，MRS与MRI相同，其物理原理是相同；不一样是，数

24、据处理和数据显示方式差异。MRI扫描后，取得信号被用于产生一个灰阶图像，如矢状、横轴和冠状等。MRS扫描后，取得信号经过快速傅立叶转换（Fourier Transform）产生一个质子成份按频率分布波谱图，而此波谱图显示了组成该图像各组成成份。磁共振成像原理和功能磁共振第95页对于含有相同原子序数原子核，即使它们是在理想均匀磁场中，进行准确地测量，其共振频率也不完全相同，而是在一个较窄频率范围内。这种差异是因为原子核处于不一样化合物中，受到原子核周围电子影响所致。1H在不一样基团中共振频率不一样MRS 物理基础磁共振成像原理和功能磁共振第96页化学位移（chemical shift）用于表示化

25、合物中各组成成份原子核共振波峰位置。实际应用中，此频率数值并非用其绝对值（Hz，赫兹）表示，而是用一个相对值ppm表示。化学位移表示方法磁共振成像原理和功能磁共振第97页将接收线圈接收到磁共振信号经过傅立叶转换，描绘成直角坐标中按频率分布函数曲线，就得到磁共振波谱图。其中，纵坐标表示信号强度，横坐标表示共振频率。磁共振波谱图磁共振成像原理和功能磁共振第98页 MRS得到代谢物分布图能反应很多特征，尤其在脑胶质瘤诊疗方面，如：新血管形成，细胞增多、核多型性和局部坏死等组织学特征。 MRS像能够提供脑局部区域代谢物量，为制订手术计划(组织切除)提供信息。磁共振成像原理和功能磁共振第99页N-乙酰基天门冬氨酸（NAA