磁共振原理第一部分课件

1、磁共振成像原理医学影像成像原理解放军第三七一医院李善杰本章重点 磁共振成像物理基础 图像信息的产生 图像的空间定位 影像图像质量的主要参数 脉冲序列的构成及其特点 血管成像的常用方法医学影像成像原理本章主要内容1医学影像成像原理概述概述磁共振成像的基本条件磁共振图像的信号磁共振图像的空间定位1234本章主要内容1医学影像成像原理概述磁共振图像的重建磁共振成像序列磁共振血管成像磁共振成像的图像质量5678第一节：概述【 】医学影像成像原理 磁共振成像的优缺点医学影像成像原理多方位成像医学影像成像原理多参数多序列成像医学影像成像原理功能成像能够反映组织的血供、生化成分、及功能状态第一节：概述医学影

2、像成像原理【 】磁共振成像的优缺点优点：1.安全、无创2.软组织分辨率高3.多方位成像4.多参数多序列成像5.选择性成像6.功能、组织化学、生物化学方面的研究缺点：1.空间分辨率低2.成像速度慢3.禁忌症多4.不能进行定量分析5.多种伪影因素6.设备价格昂贵医学影像成像原理第二节：磁共振产生的基本条件【 】磁共振信号产生的过程 相关物理概念1、把人体置于强磁场中，人体将磁化 质子 自旋 核磁 纵向磁化 进动2、施加特定频率的RF脉冲激励以相同频率进动的质子而发生核磁共振现象 拉莫频率 共振 射频脉冲 激励 横向磁化3、终止RF脉冲后发生共振的质子发生弛豫 纵向弛豫 弛豫 横向弛豫 名词解释：磁

3、共振现象 ；磁共振信号第二节：磁共振产生的基本条件一、原子核的自旋与磁矩医学影像成像原理 自旋 原子核及质子围绕着自身的轴进行旋转第二节：磁共振产生的基本条件医学影像成像原理磁矩任何存在奇数质子、中子或质子数与中子数之和为奇数的原子核均存在磁矩 第二节：磁共振产生的基本条件医学影像成像原理静磁场（B0）的作用净磁化矢量形成第二节：磁共振产生的基本条件医学影像成像原理静磁场（B0）的作用第二节：磁共振产生的基本条件医学影像成像原理第二节：磁共振产生的基本条件医学影像成像原理处于低能状态的略多一点，007处于高能状态太费劲，并非人人都能做到第二节：磁共振产生的基本条件医学影像成像原理静磁场（B0）

4、的作用质子在静磁场中的进动 =B0 第二节：磁共振产生的基本条件医学影像成像原理第二节：磁共振产生的基本条件医学影像成像原理进入主磁场后人体被磁化了，产生纵向宏观磁化矢量不同的组织由于氢质子含量的不同，宏观磁化矢量也不同磁共振不能检测出纵向磁化矢量第二节：磁共振产生的基本条件医学影像成像原理MR不能检测到纵向磁化矢量，但能检测到旋转的横向磁化矢量MR能检测到怎样的磁化矢量呢？第二节：磁共振产生的基本条件三、射频脉冲医学影像成像原理射频脉冲（RF） 是一种交变电磁波（其磁场用B1 表示）。当静磁场（B0）的场强为0.2T3.0T时，根据拉莫方程，处于B0中自旋质子的进动频率为8.5127MHz，

5、它属于电磁波谱内无线电波的频率范围；又因为它在MRI 中仅做短暂的发射，因此称为射频脉冲第二节：磁共振产生的基本条件医学影像成像原理三、射频脉冲 射频脉冲的作用（1）翻转纵向磁化矢量（2）形成横向磁化矢量射频脉冲的特征（1）频率：进动频率=RF脉冲频率产生共振（2）带宽：频率的范围决定扫描层面厚度和预饱和（3）强度和作用时间：决定MZ的翻转角度第二节：磁共振产生的基本条件医学影像成像原理高能量中等能量低能量第二节：磁共振产生的基本条件医学影像成像原理第二节：磁共振产生的基本条件医学影像成像原理第二节：磁共振产生的基本条件医学影像成像原理 无线电波激发后，人体内宏观磁场偏转了90度，MRI可以检

6、测到人体发出的信号 氢质子含量高的组织纵向磁化矢量大，90度脉冲后磁化矢量偏转，产生的旋转的宏观横向矢量越大，MR信号强度越高。 此时的MR图像可区分质子密度不同的两种组织第二节：磁共振产生的基本条件医学影像成像原理检测到的仅仅是不同组织氢质子含量的差别，对于临床诊断来说是远远不够的。我们总是在90度脉冲关闭后过一定时间才进行MR信号采集。第三节：磁共振图像的信号【 】医学影像成像原理几个概念：1相位（Phase）2同相位（in-phase）3离相位（out of phase）4聚相位（re-phase）5失相位（de-phase）第三节：磁共振图像的信号【 】医学影像成像原理6驰豫（rela

7、xation）7纵向驰豫（longitudinal relaxation）8纵向驰豫时间（T1）9横向驰豫（transverse relaxation）10横向驰豫时间（T2）11T2*驰豫第三节：磁共振图像的信号医学影像成像原理一、相位的概念1相位（Phase）：平面内旋转的矢量与某一参照轴的夹角称为相位。2同相位（in-phase）：多个矢量在空间的方向一致。3离相位（out of phase）：多个矢量在空间的方向不一致。4聚相位（re-phase）：由不同相位达到同相位的过程。5失相位（de-phase）：由同相位变成不同相位的过程第三节：磁共振图像的信号医学影像成像原理尽管每个质子的

8、进动产生了纵向和横向磁化矢量，但由于相位不同，因而只有宏观纵向磁化矢量产生，并无宏观横向磁化矢量产生第三节：磁共振图像的信号医学影像成像原理第三节：磁共振图像的信号医学影像成像原理二、自旋质子弛豫 （1）弛豫的概念1驰豫（relaxation）：是指自旋质子的能级由激发态恢复到它们稳定态（平衡态）的过程。2纵向驰豫（longitudinal relaxation）：射频脉冲停止以后，纵向磁化矢量MZ由最小恢复到原来大小的过程称纵向驰豫。3横向驰豫（transverse relaxation）：射频脉冲停止后，横向磁化矢量MXY 由最大逐步消失的过程称横向驰豫。注意：纵向弛豫和横向弛豫是两个相互

9、独立的过程第三节：磁共振图像的信号医学影像成像原理（2）纵向弛豫（T1弛豫）也称为T1弛豫，是指90度脉冲关闭后，在主磁场的作用下，纵向磁化矢量开始恢复，直至恢复到平衡状态的过程。第三节：磁共振图像的信号医学影像成像原理高能的质子释放能量纵向弛豫90度激发纵向弛豫的机理低能的质子获能进入高能状态第三节：磁共振图像的信号医学影像成像原理晶格震动频率接近于质子进动频率能量传递快脂肪，含中小分子蛋白质高能的质子把能量释放给周围的晶格（分子）晶格震动频率高于质子进动频率 能量传递慢纯水纵向弛豫也称为自旋-晶格弛豫第三节：磁共振图像的信号医学影像成像原理纵向弛豫时间：（T1）纵向磁化矢量MZ 从最小恢复

10、到平衡态磁化矢量M0的63的时间第三节：磁共振图像的信号医学影像成像原理T1弛豫是由于高能质子的能量释放回到低能状态用T1值来描述组织T1弛豫的快慢第三节：磁共振图像的信号医学影像成像原理不同组织有不同的T1弛豫时间B0场强不同，T1值也不同第三节：磁共振图像的信号医学影像成像原理（3）横向弛豫也称为T2弛豫，简单地说，T2弛豫就是横向磁化矢量减少的过程。第三节：磁共振图像的信号医学影像成像原理第三节：磁共振图像的信号医学影像成像原理横向弛豫的机制1.静磁场的不均匀性2.自旋质子间的相互作用横向弛豫也称为：自旋-自旋弛豫第三节：磁共振图像的信号医学影像成像原理横向弛豫时间（T2）横向磁化矢量M

11、XY 衰减至最大值37的时间。第三节：磁共振图像的信号医学影像成像原理T2弛豫是由于进动质子的失相位用T2值来描述组织T2弛豫的快慢第三节：磁共振图像的信号医学影像成像原理不同的组织横向弛豫速度不同（T2值不同）第三节：磁共振图像的信号医学影像成像原理T2*弛豫在不均匀的B0中的横向驰豫称为T2*驰豫。T2*是不固定的，随B0的均匀性而改变。T2*衰减速度总是快于T2衰减速度第三节：磁共振图像的信号医学影像成像原理三、自由感应衰减信号第四节：磁共振图像的空间定位【 】医学影像成像原理（一）梯度磁场的概念（二）层面选择（三）空间编码第四节：磁共振图像的空间定位医学影像成像原理（一）梯度场的概念是

12、一个随位置、以线性方式变化的磁场。与静磁场（B0）叠加后，可以暂时造成磁场的不均匀，使沿梯度方向的自旋质子具有不同的磁场强度，因而有不同的共振频率，从而获得关于位置的信息。第四节：磁共振图像的空间定位医学影像成像原理第四节：磁共振图像的空间定位医学影像成像原理为获得各个方向的空间位置信息，需要在X、Y、Z 方向上分别施加一个梯度，根据它们的功能，这些梯度被称为：层面选择梯度；频率编码或读出梯度；相位编码梯度。第四节：磁共振图像的空间定位医学影像成像原理（二）层面和层厚的选择第一个梯度场第四节：磁共振图像的空间定位医学影像成像原理2mHZ / cm 6465mHZ层厚0.5cm1mHZ / cm

13、 6464.5mHZ层厚0.5cm1mHZ / cm 6465mHZ层厚1cm第四节：磁共振图像的空间定位医学影像成像原理梯度场强不变 射频带宽越宽层厚越厚射频带宽不变 梯度场强越高层厚越薄决定层厚的因素梯度场强射频带宽第四节：磁共振图像的空间定位医学影像成像原理层面内的空间定位体素（Voxel）像素（Pixel）MR？（三）空间编码第四节：磁共振图像的空间定位医学影像成像原理MR采集到的每一个信号均含有全层信息必须进行层面内的空间定位编码才能把整个信息分配到各个像素空间定位编码包括频率编码和相位编码第四节：磁共振图像的空间定位医学影像成像原理频率编码（frequency encoding）：

14、频率编码梯度使沿X 轴的空间位置信号具有频率特征而被编码，最终产生与空间位置相关的不同频率的信号。这种编码方式称为频率编码。相位编码（Phase encoding）：在Y 方向上施加一个梯度，对信号进行编码，以确定信号来自二维空间的哪一行。第四节：磁共振图像的空间定位医学影像成像原理带有不同频率的MR信号，通过付立叶转换可以区分64mHZ64mHZ64mHZ频率编码依靠梯度磁场第二个梯度场第四节：磁共振图像的空间定位医学影像成像原理相位编码还是依靠梯度磁场相位编码第三个梯度场第四节：磁共振图像的空间定位医学影像成像原理相位编码付立叶转换只能区分相位相差180度的MR信号矩阵为256*256的图

15、像需要进行256次相位编码，也即采集256条相位编码线第五节：磁共振图像的重建【 】医学影像成像原理难（一）傅里叶变换（二）信号平均和扫描时间（三）K-空间的概念（四）磁共振图像的对比第五节：磁共振图像的重建医学影像成像原理傅里叶变换（FT）是用于专门计算含有各种频率的复合信号的一种数学计算法，其主要功能是将信号从时间域值转换为频率域值。傅里叶变换有一维、二维、三维傅里叶变换等。第五节：磁共振图像的重建医学影像成像原理磁共振图像重建过程启动梯度磁场层面选择、频率编码、相位编码标定体素RF 脉冲激励感应信号数据信息2D-FT 处理磁共振信号形成图像灰度等级第五节：磁共振图像的重建医学影像成像原理

16、（二）信号平均和扫描时间在2D-FT 的数据采集中，每次使用的相位编码梯度的大小和持续时间都有一定改变，而频率编码梯度恒定不变。由于磁共振对相位编码的识别是有限的，每次只能识别一种相位，因此磁共振成像中，要求有多次相位编码及测量采集数据来完成多次数据采集，以便对多次数据采集或激发中所测量的信号数据进行平均即信号平均。信号平均可提高图像信噪比（SNR）。但多次相位编码需要有多次RF 的激发、多次信号采集，因此信号平均会使磁共振成像检查的扫描时间延长。扫描时间（scan time）：是指完成一次数据采集的时间第五节：磁共振图像的重建医学影像成像原理（三）K-空间的概念K-空间：是一个数学概念，也称

17、为傅里叶频率空间，或傅里叶空间。它是一个以空间频率为单位的空间坐标所对应的频率空间。MR 信号在K-空间的投影曲线称为K 轨迹，又称为傅里叶线。空间频率：是指空间一定方向上的单位距离内波动的周期数。如果空间频率仅位于一个平面内，则K-空间为一个二维空间，用KX 和KY 代表两个互相垂直方向的空间频率。MRI 的数据采集是在空间频率域（K-空间）中进行的。采集到的K-空间数据必须经过图像重建过程，才能得到所需要的MR 图像。第五节：磁共振图像的重建医学影像成像原理K空间的特性矩阵为256*256的图像需要采集256条相位编码线来完成K空间的填充，K空间的数据点阵与图像的点阵不是一一对应的, K空

18、间中每一个点具有全层信息第五节：磁共振图像的重建医学影像成像原理K空间的特性K空间具有对称性相位编码方向的镜像对称频率编码方向的对称第五节：磁共振图像的重建医学影像成像原理填充K空间中央区域的相位编码线决定图像的对比填充K空间周边区域的相位编码线决定图像的解剖细节K空间特性SE序列常规K空间的填充形式（对称、循序填充）第五节：磁共振图像的重建医学影像成像原理第五节：磁共振图像的重建医学影像成像原理第五节：磁共振图像的重建医学影像成像原理（四）磁共振图像的对比 MRI 中产生组织间对比差异的主要参数有：纵向弛豫时间的固有差别，即组织间T1值的固有差别；横向弛豫时间的固有差别，即组织间T2值的固有

19、差别；组织氢质子密度的固有差别。磁共振“加权成像”T1WIT2WI医学影像成像原理第五节：磁共振图像的重建所谓的加权就是“重点突出”的意思T1加权成像（T1WI）-突出组织T1弛豫（纵向弛豫）差别T2加权成像（T2WI）-突出组织T2弛豫（横向弛豫）差别质子密度加权成像（PD）突出组织氢质子含量差别何为加权？医学影像成像原理第五节：磁共振图像的重建MR不能检测到纵向磁化矢量，但能检测到旋转的横向磁化矢量MR只能采集旋转的横向磁化矢量医学影像成像原理第五节：磁共振图像的重建在任何序列图像上，信号采集时刻旋转横向的磁化矢量越大，MR信号越强医学影像成像原理T2加权成像（T2WI)T2值小 横向磁化矢量减少快 残留的