医学影像设备-磁共振成像设备

1、1医学影像设备-磁共振成像设备Medical imaging equipment Magnetic resonance set2引言磁共振原理最初主要用于测量物质的物理和化学特性，确定分子结构，进行生化和代谢过程的研究。目前，磁共振成像以其丰富的影像信息、任意的几何参数、灵活的技术参数来满足不同的诊断需要而成为重要的影像检查手段。3先驱者Bloch及Purcell分别同时（1946年）检测到大块物质内核磁共振吸收，更清楚地阐述了原子核自旋（Spin）的存在，为此，他们共同获得了1952年诺贝尔物理学奖。Felix Bloch and Edward Purcell， both of whom w

2、ere awarded the Nobel Prize in 1952， discovered the magnetic resonance phenomenon independently in 1946.4先驱者1946年，布洛赫及其合作者在斯坦福大学做了水的核磁共振实验。5先驱者1946年，珀塞尔及其同事在哈佛大学进行了石腊的核磁共振实验。6先驱者美国纽约州立大学的一位富有想象力的物理学家和内科医生。1988年获里根颁赠的国家技术勋章。7先驱者1971年，达马迪安（Raymond Damadian）发现正常组织与恶性组织的NMR信号明显不同。In 1971 Raymond Damadia

3、n showed that the nuclear magnetic relaxation times of tissues and tumors differed， thus motivating scientists to consider magnetic resonance for the detection of disease.8先驱者美国伊利诺大学的物理学家，1988年和达马迪安一起获里根颁赠的国家技术勋章。9先驱者1973年，Lauterbur改良了频谱仪，在磁场内形成线性变化的梯度，提供空间编码信号。首次进行了不均匀物体（两试管水）的磁共振成像。Magnetic resona

4、nce imaging was first demonstrated on small test tube samples that same year by Paul Lauterbur.10先驱者1973年，与劳特伯几乎同时、但又分别独立地发表磁共振成像论文的还有英国诺丁汉（Nottingham）大学的曼斯菲尔德（Peter Mansfield）等学者，均认识到线性梯度场获取核磁共振的空间分辨率是一种有效的解决方案，对EPI回波做出了很大的贡献。1112发展及趋势GE公司开发的双子星结构，其磁体纵向平行排列，中间“裂隙”方便介入操作磁共振实时成像 MR实时成像是在 MR快速和超快速成像技术

5、基础上发展而来的其发展适应了当今微创外科和要求，便利MR介入成为可能。13发展及趋势14发展及趋势15发展及趋势磁共振功能成像磁共振功能成像是随着快速成像技术的发展而兴趣的成像新领域，是相对于形态学诊断而言的。包括弥散、灌注加权成像、皮质功能定位及MR波谱成像等。3D FMRI of Auditory Cortex16171819发展及趋势磁共振氧测量技术磁共振氧测量是运用MRI方法测定氧张力和与氧合作用相关参数的新技术。对脱氧血红蛋白所致磁场不均进行测定，以获得脱氧血红蛋白浓度，从而推算出其氧合状态。20发展及趋势心脏和血管成像MR血管成像最初是应用流动血液的内在对比，近年提出造影剂增强三维

6、扫描成像技术，目前已能在屏气时完成感兴趣区血管成像，成像时间与造影剂到达感兴趣的血循环时间相吻合。2122发展及趋势磁共振弹性成像采用相位对比MR成像序列，运用环状运动编码梯度对某物体内不断传播的听力内剪波的空间分布进行成像的技术，可用来评价人体骨骼肌的机械特性及人脑灰、白质的弹性系数。2324磁共振物理基础核的磁性（nuclear magnetism）带有不对称电荷（electric charge）分布的粒子的自旋（spin），感应（interaction）产生符合右手螺旋定则的磁场（magnetic field），25具有磁矩的快速自旋核可以看成为极小磁棒，图中磁矩（magnetic ve

7、ctor ，）表示其大小及方向Think of the spin of this proton as a magnetic moment vector， causing the proton to behave like a tiny magnet with a north and south pole. 磁共振物理基础26磁共振物理基础27Properties of SpinWhen placed in a magnetic field of strength B， a particle with a net spin can absorb a photon of frequency . T

8、he frequency depends on the gyromagnetic ratio ， of the particle.= BFor hydrogen， = 42.58 MHz / T.磁共振物理基础28磁共振物理基础磁化（magnetization）前的原子核核的磁矩按照布郎运动原理随机取向29磁共振物理基础静止磁场内，这些磁偶极子倾向于与使用的磁场顺向平行或逆向平行取向排列30磁共振物理基础低能级（energy level）方向排列较高能级方向略占优势，产生沿外磁场方向排列的净磁化。There is a low energy configuration or state wher

9、e the poles are aligned N-S-N-S and a high energy state N-N-S-S. 31磁共振物理基础32磁共振物理基础磁矩与外磁场（Bo）方向不完全一致在外加磁场中，核自旋矢量经历转矩作用，又称作耦合，引起自旋以一定频率围绕外磁场轴旋转。类似地球引力场内的一个旋转陀螺运动，称为拉莫尔进动（Larmor process）， =Bo 33磁共振物理基础射频（radiationfrequency） 脉冲形成射频场B1一种短促的无线电波，与感兴趣核的拉莫尔频率一致射频的作用:1 M偏转 2 产生共振电磁波谱（electromagnetic spectru

10、m）34磁共振物理基础共振的本质（吸收能量，产生能级跃迁，使B0方向宏观磁矩变小）3536磁共振物理基础射频激励（excite）脉冲实际上是另一个磁场（B1）B1方向垂直于Bo及作用非常短的时间B1磁场的作用是使磁化沿其进动，从垂直方向转向Mxy平面B1翻转角度与所使用射频脉冲的强度及作用时间相关=B1t37磁共振物理基础调整射频脉冲强度和时间，可使磁化从平衡状态（equilibrium state）翻转需要的角度时，称为翻转角。常用的有90度和180度射频脉冲。38磁共振物理基础90度射频脉冲作用的宏观表现39磁共振物理基础MR信号的产生弛X（relaxation）过程：射频脉冲激励结束时即

11、开始释放电磁辐射并将能量转移到晶格（lattice）或其自身之间而回到平衡状态，这一过程被称为弛X。40弛X过程期间，净磁矩的纵向（longitudinal ，Mz）和横向（transverse ，Mxy）成分均呈指数形式，恢复到它们的平衡值横向弛X、纵向弛X41磁共振物理基础纵向（自旋晶格）弛X（spin lattice relaxation） 分子晶格为激励核与晶格间能量交换提供了机会，激励的核与邻近晶格的相互影响提供了纵向弛X的机制42磁共振物理基础在单纯的水分子内，一个质子的磁偶极子场产生晶格场，它影响邻近核的弛X43磁共振物理基础能量以离散量子数方式从激励核转移出去，结果净磁化矢量以

12、指数函数恢复到初始值。The time constant which describes how MZ returns to its equilibrium value is called the spin lattice relaxation time （T1）. The equation governing this behavior as a function of the time t after its displacement is:Mz = Mo （ 1 - e-t/T1 ） 44磁共振物理基础If the net magnetization is placed along th

13、e -Z axis， it will gradually return to its equilibrium position along the +Z axis at a rate governed by T1. The equation governing this behavior as a function of the time t after its displacement is:Mz = Mo （ 1 - 2e-t/T1 ） 45磁共振物理基础用T1值表示纵向弛X时间，T1是时间常数，表示纵向磁化矢量恢复到它的初始值的63所需要的时间生物组织的T1值从大约50毫秒到几秒不等。4

14、6磁共振物理基础横向（自旋自旋）弛X（spinspin relaxation） 激励后，自旋磁矩以相同相位进动，产生较大磁化横向成分，单个自旋磁矩间相互作用引起局部随机性磁场的变化，使得单个核的进动频率波动，相互分散，出现自旋磁矩逐渐的、随机的相位异步（dephase） ，引起净磁化横向成分呈指数形式衰减（reduce）Two factors contribute to the decay of transverse magnetization.1） molecular interactions （said to lead to a pure T2 molecular effect）2） va

15、riations in Bo （said to lead to an inhomogeneous T2 effect47磁共振物理基础If the net magnetization is placed in the XY plane it will rotate about the Z axis at a frequency equal to the frequency of the photon which would cause a transition between the two energy levels of the spin.48磁共振物理基础In addition to t

16、he rotation， the net magnetization starts to dephase because each of the spin packets making it up is experiencing a slightly different magnetic field and rotates at its own Larmor frequency. The longer the elapsed time， the greater the phase difference. Here the net magnetization vector is initiall

17、y along +Y. 49磁共振物理基础相位异步50The time constant which describes the return to equilibrium of the transverse magnetization， MXY， is called the spin-spin relaxation time， T2.MXY =MXYo e-t/T2 指数衰减51磁共振物理基础用T2值表示横向弛X时间，T2是时间常数，表示横向磁化矢量恢复到它的初始值的37所需要的时间横向磁化在纵向磁化恢复以前很久就消失了，因此生物组织的横向弛X时间要短于纵向弛X时间52磁共振物理基础人体部分

18、组织、值53磁共振物理基础MR信号的探测54MR信号波形自由感应衰减（FID）55磁共振物理基础信号与频谱（spectrum） 信号包括时间、强度、相位、频率等成分（A）是单一频率正弦波。其谱线是频谱某点的竖线，高度取决于信号强度。56（B）是二个频率正弦波，每个成分具有相等的强度57傅立叶变换（FT） 三棱镜的FT变换作用 交响乐具有不同频率的钢琴，大提琴，小提琴，小号人的耳将它们分辨的过程就是FT58二维傅立叶变换傅立叶变换是处理分析频率信号的重要数学方法，可以进行信号在时间域值和频率域值的可逆变换。在磁共振成像过程中，自由感应衰减信号中包含了众多质子群的含有复杂空间位置的时间幅度信息，经

19、傅立叶变换将复杂的复合信号变成简单的频率及幅度分布，通过计算机变换成不同的图像亮度灰阶，形成最后的二维磁共振图像。 F（t）= Ancos（n/T）t+ Bnsin（n/T ）t傅立叶变换F（）= f（t） e-i tdt傅立叶反变换f（t）=1/ 2 F（） ei td 59磁共振成像原理组织的空间定位当RF脉冲停止时，MR信号就可接收到了，此时接收线圈范围内的所有原子核会以相同的频率辐射信号，并不携带任何空间位置信息。60投影（project）磁共振成像原理61梯度磁场（Magnetic Field Gradient ）磁共振成像原理62梯度场的作用（effect）磁共振成像原理63空间定

20、位需要解决的问题为了重建图像，必须确定组织间的空间位置，涉及两个方面：）层面选择）层面上共振信号的空间编码64磁共振成像原理选层梯度（Slice Selection） 由于共振频率是磁场强度的函数，在人体长轴方向上附加一梯度磁场Z，则每一横断面的共振频率均不一样，只有那些与射频脉冲频率相同的扫描层面内的核才会吸收射频脉冲能量。Z = Z = f / g Gs 6566磁共振成像原理选层梯度与层厚层面厚度取决于磁场梯度和射频带宽及形状67磁共振成像原理被选层面内质子的频差及校正螺旋阶梯样散开施加自旋复相位梯度68磁共振成像原理选定层面的空间编码使用读识梯度（频率编码Frequency Encod

21、ing ）接受信号时，使用与层面选择梯度Gz垂直的第二个磁场梯度，散发出来的信号频率与沿x梯度轴位置不同而不同。信号经付立叶转换为轴上的频谱。每个频率成分的振幅，即沿轴每个位置上的强度，与轴位置上方向信号总和成正比69磁共振成像原理频率编码（读识梯度）70磁共振成像原理相位编码梯度（Phase Encoding Gradient）在读识梯度前施加，与读识梯度方向垂直层面选择梯度与90度射频激励脉冲后，所选择层面内所有自旋同频同相进动；相位编码梯度打开后，自旋将受该梯度影响以不同频率进动，相位编码梯度关闭时，所有自旋又同频进动，而位置各异，每个核有各自的相位，依梯度位置而定，这种改变称为“相位记

22、忆”71磁共振成像原理相位编码梯度相位记忆Phase Encoding Gradient727374Gradient Slice Plane Slice Phase Frequency XY Z X or Y Y or X XZ Y X or Z Z or X YZ X Y or Z Z or Y 磁共振成像原理75磁共振成像原理空间编码及空间MR扫描期间，采集的数据并不分别对每个相位编码步的数据进行付里叶变换，来产生图像灰度，而是按照相位编码顺序，暂存在一个地方-即K空间，K空间是一个抽象空间或平面，每幅影像都有它自己的K空间数据阵列。K空间水平方向的Kx值对应于测量梯度的时间（积分），垂直

23、方向的Ky值正比于相位编码梯度的强度，每一相位编码步由一个Ky值表示。76 K空间与图象的关系77MR的常规成像 脉冲序列自旋回波序列（SE）梯度回波序列（FE、GRE）图像性质T1加权像（T1WI）在SE序列中主要采用短TR、短TE的技术获得的重在表现组织之间纵向弛X时间差别的图像。T2加权像（T2WI）在SE序列中主要采用长TR、长TE的技术获得的重在表现组织之间横向弛X时间差别的图像。78T2WIT1WI79磁共振成像原理K空间实际由数据采集获取的全部回波数据或投影一行一行叠排起来组成。Ky=0的投影是相位编码梯度为零的条件下测量的回波的数据。K空间数据阵列垂直方向具有共轭对称性。因为两

24、端的相位编码梯度幅度相等极性相反80磁共振成像原理K空间数据模型K空间中心有最大信号81当一个扫描序列完成后，系统会对该序列中所有予设层面的K空间的数据进行付里叶变换，最终得到对应层面具有相应灰度等级的亮度图像。在MR图像中，图像上每一点与K空间内每一点不是一一对应关系，图像上每一点的信号都来源于K空间所有点，K空间内每一点都参与图像上所有点信号的形成。磁共振成像原理82磁共振成像原理图像转换83磁共振成像原理K空间轨迹类型KyKxoKyKxo84磁共振成像原理85磁共振成像方法射频脉冲和自由感应衰减的检测是连续进行的，然而并不是RF停止后立即进行自由感应衰减取样，而是检测自由感应衰减消失后一

25、定时间重新出现回波信号磁共振测量使用两种方法产生回波信号自旋回波（Spin-Echo ） 梯度回波（Gradient-Echo ） 86磁共振成像方法脉冲序列分类：按信号：FID、SPINECHO、GRADIENT ECHO 、EPI ECHO按用途：通用：常规检查序列专用：心脏、脂肪抑制、伪影抑制等按成像速度：普通、快速87磁共振成像方法被激励核经历两个根本不同的失相位过程自旋自旋相互作用，该作用是随机的，随时间而变化，是不可逆的过程磁场的不均匀，产生对自旋系统的恒定的影响，需采用一定的方法纠正净磁场不均匀性的影响88磁共振成像方法自旋回波磁场不均匀的静态作用，可以在90度RF脉冲之后一段时

26、间使用180度RF重聚相脉冲消除89磁共振成像方法A 180o pulse will rotate the magnetization vector by 180 degrees. A 180o pulse rotates the equilibrium magnetization down to along the -Z axis.90磁共振成像方法在旋转坐标系中，相位调制后，180度脉冲可加在X轴上，使得质子群绕X轴折叠91磁共振成像方法自旋回波的形成92磁共振成像方法自旋回波脉冲序列自旋回波（SE，spin echo）脉冲序列是指以90度脉冲开始，后续以180度相位重聚焦脉冲，以获得有用

27、信号的脉冲序列。并且可以多次施加180度脉冲，以获得多次回波信号。SE序列是目前临床磁共振成像中最基本、最常用的脉冲序列。93磁共振成像方法180 180 90TE1TE294磁共振成像方法几个重要参数反转时间TI回波时间TE重复时间TR静息时间Tdead （TR 、TE之差）SE序列的执行过程分为激发、编码、相位重聚和信号读出四个阶段95磁共振成像方法180 RFGpc90next 90TITE/2TETRGssEchoGroTdead96磁共振成像方法自旋回波序列的图像特征SE序列的信号强度至少取决于氢质子密度、T1和T2弛X时间、TR及TE等5个因素，当组织一定时，改变序列参数TR和TE

28、就可改变质子密度、T1及T2对图像的影响程度或加权权重。97磁共振成像方法梯度回波脉冲序列梯度回波（GRE，gradient echo），是一种采用小角度RF波替代SE中的90度RF脉冲，通过有关梯度场方向的翻转替代自旋回波中180度脉冲而产生回波信号的成像技术，该技术扫描时间大大短于SE序列成像时间。98磁共振成像方法梯度回波的原理：相位回聚Gy无梯度正梯度负梯度翻转梯度99磁共振成像方法扰相梯度：减少剩余磁化采用的手段。使梯度回波序列在较短的TR下获得更大的权重。将加大梯度系统的负担。100磁共振成像方法横向残余磁化矢量破坏序列101102磁共振成像方法其他序列：饱和恢复序列（saturation recovery，SR）部分饱和序列（partial saturation，PS）反转恢复序列（inversion recovery，IR）STIR（short time inversion recovery）SPIR（spectral presaturation with inversion recovery）FLAIR（fluid attenuated inversion recovery）IRSE（inversion recov