磁振成像设备

本章学习提示(direction)[目的要求]了解磁共振现象及其发展过程与未来技术的进展趋势掌握磁共振的物理原理及空间定位的主要基本原理掌握磁共振设备的主要构成部件及其成像工作原理掌握磁共振各部件的性能参数对成像质量的影响掌握磁共振各成像参数的优化原则和提高磁共振检查速度的方法了解MRI的成像序列及其诊断特点熟悉磁共振成像质量控制的主要方法及原理1本章学习提示(direction)参考书(references):《医学影像设备》《磁共振原理》《磁共振成像系统的原理及其应用》《现代生物医学工程》《医学诊断数字影像技术》《数字成像技术》《磁共振成像入门》《医学影像物理学》2思考题(problem)1共振的本质是什么？2MR医学成像的依据是什么？为什么？3射频的作用是什么？如何发生作用？3引言磁共振成像技术是根据生物体磁性核(氢核)在磁场中的表现特性成像的高新技术。磁共振成像设备是磁体技术、超导技术、低温技术、电子技术和计算机等相关技术发展的综合体现。4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。5先驱者1905年，爱因斯坦的质能联系定律(E=mc2)说明了质量和能量的同一性。1911年，卢瑟福在粒子散射实验基础上提出核型结构：原子核集中全部正电荷及大部分质量。汤普森证实了核外电子的存在。1913年，玻尔把量子概念应用于原子系统。斯特恩建立测量磁偶极子运动的装置。6先驱者1924年，泡利认为原子核中存在着角动量和核磁矩，可能是原子核和核外电子相互耦合的结果，提出核磁共振一词，拉比设计和完成世界上第一个核磁共振实验。1920年，斯特恩和盖拉赫发现，当原子束通过不均匀磁场时，相对于磁场的取向而偏转1930年，该二人观测到十分微弱的核磁矩。1937年，拉瑟里尤和舒伯尼科用传统的方法测出氢的核磁矩值，被认为的最早发现核磁现象的人。7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。FelixBlochandEdwardPurcell,bothofwhomwereawardedtheNobelPrizein1952,discoveredthemagneticresonancephenomenonindependentlyin1946.1946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。81946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。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。1971年，达马迪安(RaymondDamadian)发现正常组织与恶性组织的NMR信号明显不同。In1971RaymondDamadianshowedthatthenuclearmagneticrelaxationtimesoftissuesandtumorsdiffered,thusmotivatingscientiststoconsidermagneticresonanceforthedetectionofdisease.9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。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。MagneticresonanceimagingwasfirstdemonstratedonsmalltesttubesamplesthatsameyearbyPaulLauterbur1973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(PeterMansfield)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。10In1975RichardErnstproposedmagneticresonanceimagingusingphaseandfrequencyencoding,andtheFourierTransform.In1991,RichardErnstwasrewardedforhisachievementsinpulsedFourierTransformNMRandMRIwiththeNobelPrizeinChemistry.11发展及及趋势势1976年PeterMansfield首次报报导了了活人人体图图像；；1977年描述述了手手与胸胸部图图像。。12发展及趋势势1978年报导了头头和腹部图图像超导全身成成像仪发明明后，迅速速认识到MR系统能够产产生好的软软组织对比比，优于其其它成像技技术13发展及趋势势1983年，MR的硬件及软软件的改进进，已经可可以获得全全身成像系系统产生小小于1mm的空间分辨辨率，总成成像时间仅仅数分钟的的高对比图图像14发展及趋势势磁共振显微微成像（MRM）磁共振显微微成像是利利用磁共振振现象以产产生显微镜镜观察水平平上的MR信号图像的的一种专门门技术。活体MRM，可用于对小小动物的基基础生理学学、病理生生理学及药药物的筛检检和毒理学学研究，MRM在植物生理理、病理以以及材料科科学中的应应用也较广广泛。通过过与组织标标本的对照照，磁共振振组织学成成像的一些些应用新领领域正在不不断拓展。。15发展及趋势势磁共振实时时成像MR实时成像是是在MR快速和超快快速成像技技术基础上上发展而来来的其发展展适应了当当今微创外外科和要求求，便利MR介入成为可能。。GE公司开发的的双子星结结构，其磁磁体纵向平平行排列，，中间“裂裂隙”方便便介入操作作16发展及趋势势磁共振功能能成像磁共振功能能成像是随随着快速成成像技术的的发展而兴兴趣的成像像新领域，，是相对于于形态学诊诊断而言的的。包括弥弥散、灌注注加权成像像、皮质功功能定位及及MR波谱谱成成像像等等。。3DFMRIofAuditoryCortex17发展展及及趋趋势势脑磁磁图图脑磁磁图图是是通通过过测测定定脑脑血血流流所所产产生生的的磁磁场场变变化化用用以以标标测测皮皮质质脑脑功功能能状状态态的的新新技技术术。。磁共共振振淋淋巴巴造造影影磁共共振振淋淋巴巴造造影影是是通通过过皮皮下下注注射射超超顺顺磁磁性性造造影影剂剂，，以以产产生生阴阴性性对对比比的的新新技技术术。。18发展展及及趋趋势势磁共共振振氧氧测测量量技技术术磁共共振振氧氧测测量量是是运运用用MRI方法法测测定定氧氧张张力力和和与与氧氧合合作作用用相相关关参参数数的的新新技技术术。。对脱脱氧氧血血红红蛋蛋白白所所致致磁磁场场不不均均进进行行测测定定，，以以获获得得脱脱氧氧血血红红蛋蛋白白浓浓度度，，从从而而推推算算出出其其氧氧合合状状态态。。19心脏脏和和血血管管成成像像MR血管管成成像像最最初初是是应应用用流流动动血血液液的的内内在在对对比比，，近近年年提提出出造造影影剂剂增增强强三三维维扫扫描描成成像像技技术术，，目目前前已已能能在在屏屏气气时时完完成成感感兴兴趣趣区区血血管管成成像像，，成成像像时时间间与与造造影影剂剂到到达达感感兴兴趣趣的的血血循循环环时时间间相相吻吻合合。。磁共振振弹性性成像像采用相相位对对比MR成像序序列，，运用用环状状运动动编码码梯度度对某某物体体内不不断传传播的的听力力内剪剪波的的空间间分布布进行行成像像的技技术，，可用用来评评价人人体骨骨骼肌肌的机机械特特性及及人脑脑灰、、白质质的弹弹性系系数。。20发展及及趋势势超极化化气体体MR成像是指通通过吸吸入碱碱性金金属粉粉末与与惰性性气体体的混混合物物如铷铷和3He或129Xe以显著著地增增强磁磁化，，即达达到超超极化化，然然后进进行MRI检查的的新技技术。。单一的的超极极化气气体3He的密度度图像像对显显示慢慢性阻阻塞性性肺部部疾患患特别别有效效。21发展及及趋势势预极化化MR成像通常情情况下下低场场阻抗抗MR能提供供的图图像信信噪比比很差差，如如果自自旋极极化在在瞬间间可达达到较较高值值，则则可在在低场场磁体体上实实现高高场磁磁体所所具备备的图图像信信噪比比，这这种概概念命命题预预极化化MRI。由于磁体不不需要很均均匀，因而而可采用便便宜的电磁磁体。22MRITimeline1946MRphenomenon-Bloch&Purcell1952NobelPrize-Bloch&Purcell1960NMRdevelopedasanalyticaltool1972ComputerizedTomography1973BackprojectionMRI-Lauterbur1975FourierImaging-Ernst1980MRIdemonstrated-Edelstein1986GradientEchoImaging、NMRMicroscope1988Angiography-Dumoulin1989Echo-PlanarImaging1991NobelPrize-Ernst1994Hyperpolarized129XeImaging23磁共振物理基基础核的磁性（nuclearmagnetsm)带有不对称电电荷（electriccharge)分布的粒子的的自旋(spin)，感应(interaction)产生符合右手手螺旋定则的的磁场(megneticfield)，24具有磁矩的快快速自旋核可可以看成为极极小磁棒,图中磁矩(magneticvector,μ)表示其大小及及方向Thinkofthespinofthisprotonasamagneticmomentvector,causingtheprotontobehavelikeatinymagnetwithanorthandsouthpole.磁共振物理理基础25磁共振物理理基础26PropertiesofSpinWhenplacedinamagneticfieldofstrengthB,aparticlewithanetspincanabsorbaphotonoffrequencyƒ.Thefrequencydependsonthegyromagneticratio,

oftheparticle.ƒ=BForhydrogen,=42.58MHz/T.磁共振物理理基础27磁共振物理理基础磁化（magnetization)前后的原子子核核的磁矩按按照布郎运运动原理随随机取向28磁共振物理理基础静止磁场内内，这些磁磁偶极子倾倾向于与使使用的磁场场顺向平行行或逆向平平行取向排排列29磁共振物理理基础低能级(energylevel)方向排列较较高能级方方向略占优优势，产生生沿外磁场场方向排列列的净磁化化。ThereisalowenergyconfigurationorstatewherethepolesarealignedN-S-N-SandahighenergystateN-N-S-S.30磁共振物理理基础31TransitionsThisparticlecanundergoatransitionbetweenthetwoenergystatesbytheabsorptionofaphoton.Theenergyofthisphotonmustexactlymatchtheenergydifferencebetweenthetwostates.Theenergy,E,ofaphotonisrelatedtoitsfrequency,ƒ,byPlank'sconstant(h=6.626x10-34Js).E=hƒInNMRandMRI,thequantityƒiscalledtheresonancefrequencyandtheLarmorfrequency.磁共振物理理基础32磁共振物理理基础净(net)磁矩的矢量量描述：磁矢量的合合成：宏观观磁化矢量量。33AdaptingtheconventionalNMRcoordinatesystem,theexternalmagneticfieldandthenetmagnetizationvectoratequilibriumarebothalongtheZaxis.34磁共振物理理基础磁矩的分解解35磁共振物理理基础静磁场中质子子(proton)的状态36磁共振物理理基础37磁共振物理理基础磁矩与外磁磁场(Bo)方向不完全全一致在外加磁场场中，核自自旋矢量经经历转矩作作用，又称称作耦合,引起自旋以以一定频率率围绕外磁磁场轴旋转转。类似地地球引力场场内的一个个旋转陀螺螺运动，称称为拉莫尔尔进动（Larmorprocess)，ω=γBo38磁共振物理理基础39磁共振物理理基础40磁共振物理理基础射频(radiationfrequency)脉冲形成射频频场B1一种短促的无无线电波，与与感兴趣核的的拉莫尔频率率一致41磁共振物理基基础共振的本质（（吸收能量，，产生能级跃跃迁，使B0方向宏宏观磁磁矩变变小））42磁共振振物理理基础础4344磁共振振物理理基础础B0方向B1方向B1轨迹运动轨轨迹的的分解解XZY45磁共振振物理理基础础射频激激励(excite)脉冲实实际上上是另另一个个磁场场（B1）B1方向垂垂直于于Bo及作用用非常常短的的时间间B1磁场的的作用用是使使磁化化沿其其进动动，从从垂直直方向向转向向Mxy平面B1翻转角角度与与所使使用射射频脉脉冲的的强度度及作作用时时间相相关θ=γγB1t46磁共振振物理理基础础调整射射频脉脉冲强强度和和时间间，可可使磁磁化从从平衡衡状态态（equilibriumstate）翻转需需要的的角度度时，，称为为翻转转角。。常用用的的有有90度和和180度射射频频脉脉冲冲。。47角脉脉冲冲=1t=B1t48磁共共振振物物理理基基础础90度射射频频脉脉冲冲作作用用的的宏宏观观表表现现49思考考题题(problem)4纵向向弛弛豫豫的的机机制制是是什什么么？？5横向向弛弛豫豫的的机机制制是是什什么么？？6磁共共振振信信号号是是如如何何产产生生的的？？50磁共共振振物物理理基基础础MR信息息载载体体－－－－RF。MR信号号的的实实质质是是变变化化的的电电磁磁波波5152磁共振物物理基础础电磁波谱谱(electromagneticspectrum)53Magneticresonanceimagingisbasedontheabsorptionandemissionofenergyintheradiofrequencyrangeoftheelectromagneticspectrum.MRIgetsaroundthislimitationbyproducingimagesbasedonspatialvariationsinthephaseandfrequencyoftheradiofrequencyenergybeingabsorbedandemittedbytheimagedobject.54磁共振物物理基础础MR信号的产产生弛豫（relaxation）过程：射射频脉冲冲激励结结束时即即开始释释放电磁磁辐射并并将能量量转移到到晶格（（lattice）或其自身身之间而而回到平平衡状态态，这一一过程被被称为弛弛豫。55弛豫过程程期间，，净磁矩矩的纵向向（longitudinal，Mz）和横向（（transverse，Mxy）成分均呈呈指数形形式，恢恢复到它它们的平平衡值－－－横向向弛豫、、纵向弛弛豫56磁共振物物理基础础纵向（自自旋晶格格）弛豫豫（spinlatticerelaxation）分子晶格格为激励励核与晶晶格间能能量交换换提供了了机会，，激励的的核与邻邻近晶格格的相互互影响提提供了纵纵向弛豫豫的机制制57磁共振物物理基础础在单纯的的水分子子内，一一个质子子的磁偶偶极子场场产生晶晶格场，，它影响响邻近核核的弛豫豫58磁共振物物理基础础能量以离离散量子子数方式式从激励励核转移移出去，，结果净净磁化矢矢量以指指数函数数恢复到到初始值值。ThetimeconstantwhichdescribeshowMZreturnstoitsequilibriumvalueiscalledthespinlatticerelaxationtime(T1).Theequationgoverningthisbehaviorasafunctionofthetimetafteritsdisplacementis:Mz=Mo(1-e-t/T1)59磁共振物物理基础础Ifthenetmagnetizationisplacedalongthe-Zaxis,itwillgraduallyreturntoitsequilibriumpositionalongthe+ZaxisatarategovernedbyT1.

Theequationgoverningthisbehaviorasafunctionofthetimetafteritsdisplacementis:Mz=Mo(1-2e-t/T1)60磁共振物理基基础用T1值表示纵向弛弛豫时间，T1是时间常数，，表示纵向磁磁化矢量恢复复到它的初始始值的63％所需要的时时间生物组织的T1值从大约50毫秒到几秒不不等。61磁共振物理理基础横向（自旋旋—自旋）弛豫豫（spin－spinrelaxation）激励后，自自旋磁矩以以相同相位位进动，产产生较大磁磁化横向成成分，单个个自旋磁矩矩间相互作作用引起局局部随机性性磁场的变变化，使得得单个核的的进动频率率波动，相相互分散，，出现自旋旋磁矩逐渐渐的、随机机的相位异异步（dephase），引起净磁化化横向成分分呈指数形形式衰减（（reduce)Twofactorscontributetothedecayoftransversemagnetization.1)molecularinteractions(saidtoleadtoapureT2moleculareffect)

2)variationsinBo(saidtoleadtoaninhomogeneousT2effect62磁共振物理理基础IfthenetmagnetizationisplacedintheXYplaneitwillrotateabouttheZaxisatafrequencyequaltothefrequencyofthephotonwhichwouldcauseatransitionbetweenthetwoenergylevelsofthespin.63磁共振物理理基础Inadditiontotherotation,thenetmagnetizationstartstodephasebecauseeachofthespinpacketsmakingitupisexperiencingaslightlydifferentmagneticfieldandrotatesatitsownLarmorfrequency.Thelongertheelapsedtime,thegreaterthephasedifference.Herethenetmagnetizationvectorisinitiallyalong+Y.64磁共共振振物物理理基基础础相位位异异步步65Thetimeconstantwhichdescribesthereturntoequilibriumofthetransversemagnetization,MXY,iscalledthespin-spinrelaxationtime,T2.MXY=MXYoe-t/T2指数衰减66磁共振物理基基础用T2值表示横向弛弛豫时间，T2是时间常数，，表示横向磁磁化矢量恢复复到它的初始始值的37％所需要的时时间横向磁化在纵纵向磁化恢复复以前很久就就消失了，因因此生物组织织的横向弛豫豫时间要短于于纵向弛豫时时间67磁共振物理基基础人体部分组织织Ｔ１、Ｔ２值68磁共振物理基基础MR信号的探测69磁共振物理基基础只有在XY平面的成分能能被探测到7071MR信号波形自由感应衰减减（FID）72磁共振物理基基础信号与频谱（（spectrum）信号包括时间间、强度、相相位、频率等等成分（A）是单一频率正正弦波。其谱谱线是频谱某某点的竖线，，高度取决于于信号强度。。73（B）是二个频率正正弦波，每个个成分具有相相等的强度74磁共振物理基基础复杂信号的频频谱付立叶变换下时间间有关关的信信号可可以通通过付付立叶叶变换换生成成相应应的频频谱，，及反反之亦亦然7576磁共振物理理基础77磁共振物理理基础78思考题(problem)7如何确定磁磁共振信号号的空间位位置？8选层梯度如如何实现其其功能？9梯度磁场及及射频如何何影响层厚厚？10MR图像上的点点与K空间上的点点是对应的的吗？为什什么？79磁共振成像像原理组织的空间间定位当RF脉冲停止时时，MR信号就可接接收到了，，此时接收收线圈范围围内的所有有原子核会会以相同的的频率辐射射信号，并并不携带任任何空间位位置信息。。80投影（project）磁共振成像像原理81梯度磁场（（MagneticFieldGradient）磁共振成像像原理82梯度场的作作用（effect)磁共振成像像原理83空间定位需需要解决的的问题为了重建图图像，必须须确定组织织间的空间间位置，涉涉及两个方方面：１）层面选选择２）层面上上共振信号号的空间编编码84磁共振成像像原理选层梯度(SliceSelection)由于共振频频率是磁场场强度的函函数，在人人体长轴方方向上附加加一梯度磁磁场ＧZ，则每一横断断面的共振振频率均不不一样，只只有那些与与射频脉冲冲频率相同同的扫描层层面内的核核才会吸收收射频脉冲冲能量。Z=Z=△△f/gGs8586磁共振成像像原理选层梯度与与层厚层面厚度取取决于磁场场梯度和射射频带宽及及形状87磁共振成像像原理被选层面内内质子的频差差及校正螺旋阶梯样样散开施加自旋复复相位梯度度88磁共振成像像原理选定层面的的空间编码码使用读识梯梯度(频率编码FrequencyEncoding)接受信号时时，使用与与层面选择择梯度Gz垂直的第二二个磁场梯梯度，散发发出来的信信号频率与与沿Ｇx梯度轴位置置不同而不不同。信号号经付立叶叶转换为ＸＸ轴上的频频谱。每个个频率成分分的振幅，，即沿Ｘ轴轴每个位置置上的强度度，与Ｘ轴轴位置上ＹＹ方向信号号总和成正正比89磁共振成像像原理频率编码（读识梯度度）90f=γ(Bo+xGx)=fo+γxGxx=(f-fo)/(γGx)Thisprocedureiscalledfrequencyencodingandcausestheresonancefrequencytobeproportionaltothepositionofthespin.91磁共振成像像原理相位编码梯梯度(PhaseEncodingGradient)在读识梯梯度前施施加，与与读识梯梯度方向向垂直层面选择择梯度与与90度射频激激励脉冲冲后，所所选择层层面内所所有自旋旋同频同同相进动动；相位位编码梯梯度打开开后，自自旋将受受该梯度度影响以以不同频频率进动动，相位位编码梯梯度关闭闭时，所所有自旋旋又同频频进动，，而位置置各异，，每个核核有各自自的相位位，依ＹＹ梯度位位置而定定，这种种改变称称为“相相位记忆忆”92磁共振成成像原理理相位编码码梯度相位记忆忆PhaseEncodingGradient939495磁共振成成像原理理96磁共振成成像原理理图像细节节的获得得过程：在相位位编码梯梯度方向向，图像像的空间间分辨力力在相位位编码梯梯度的升升高过程程中被逐逐渐获得得，系统统所能识识别的最最小两点点间相位位差别是是有一定定限度的的(即空间分分辨力)，比如是是180度，这样样随着梯梯度场强强的升高高，相差差180度相位的的两点间间距离逐逐渐变小小，图像像的细节节在相位位编码的的过程中中被获得得。97GradientSlicePlaneSlicePhaseFrequencyXYZXorYYorXXZYXorZZorXYZXYorZZorY磁共振成成像原理理98磁共振成成像原理理空间编码码及Ｋ空空间MR扫描期间间，采集集的数据据并不分分别对每每个相位位编码步步的数据据进行付付里叶变变换，来来产生图图像灰度度，而是是按照相相位编码码顺序，，暂存在在一个地地方----即K空间，K空间是一一个抽象象空间或或平面，，每幅影影像都有有它自己己的K空间数据据阵列。K空间水平平方向的的Kx值对应于于测量梯梯度的时时间(积分)，垂直方方向的Ky值正比于于相位编编码梯度度的强度度，每一一相位编编码步由由一个Ky值表示。。99磁共振成成像原理理K空间、数数据矩阵阵与相位位编码步步100磁共振成成像原理理K空间实际际由数据据采集获获取的全全部回波波数据或或投影一一行一行行叠排起起来组成成。Ky=0的投影是是相位编编码梯度度为零的的条件下下测量的的回波的的数据。。K空间数据据阵列垂垂直方向向具有共共轭对称称性。因为两端端的相位位编码梯梯度幅度度相等极极性相反反101磁共振成成像原理理K空间数据据模型K空间中心心有最大大信号102磁共振成成像原理理K空间数据据获取过过程103磁共振成成像原理理104当一个扫扫描序列列完成后后，系统统会对该该序列中中所有予予设层面面的K空间的数数据进行行付里叶叶变换，，最终得得到对应应层面具具有相应应灰度等等级的亮亮度图像像。在MR图像中，图像像上每一点与与K空间内每一点点不是一一对对应关系，图图像上每一点点的信号都来来源于K空间所有点，，K空间内每一点点都参与图像像上所有点信信号的形成。。磁共振成像原原理105磁共振成像原原理图像转换106磁共振成像原原理采样时序107磁共振成像原原理全回波与部分回波80%60%108磁共振成像原原理扫描时间=ＮYxTRxNSA109磁共振成像原原理K空间轨迹类型型KyKxoKyKxo110磁共振成像原原理111磁共振成像原原理112二维付里叶变换接收线圈所探探测到的电流流，实际上是是频率和相位位的函数，如如果假设扫描描层面中某一一体素所对应应的频率和相相位是单一的的，则每一体体素所产生的的电流df(t)可用下式来表表示:df(t)=A(,)cos(t+)dd磁共振成像原原理113每进行一次采采样，在扫描描脉冲序列作作用下，扫描描平面内所有有体素发出的的信号总和为为f1(t)=A(,1)cos(t+1)dd1磁共共振振成成像像原原理理114上式式和和f(t)的傅傅里里叶叶变变换换式式很很相相似似，，差差别别在在于于增增加加了了相相位位分分布布的的积积分分，，加加第第二二个个脉脉冲冲序序列列时时，，相相位位编编码码梯梯度度的的功功率率增增加加到到使使所所有有体体素素再再多多产产生生相相位位增增量量，第三个个脉冲序序列则使使相位增增量为2，因此所所得的各各级数据据可以用用下面一一组式子子来表示示：磁共振成成像原理理115f1(t)=A(,1)cos(t+1)dd1f2(t)=A[,1(1+)]cos[t,1(1+)]dd1fn(t)=A{,1[1+(n-1)]}cos{t,1[1+(n-1)]}dd1磁共振成成像原理理116这一系列列等式可可用以下下等式来来代表：：当我们采用用256个相位编编码步时时，增量量＝360/256＝1.4f(s,t)=A{,1[1+(s-1)]}cos{t,1[1+(s-1)]}dd1磁共振成像原原理117MR图像究竟是如如何得到的？？118思考题(problem)11请画出自旋回回波序列的时时序图。12请画出FLAIR序列的时序图图。13IR序列为什么可可以选择性地地抑制某些组组织信号？14EPI序列的时序图图119磁共振成像方方法射频脉冲和自自由感应衰减减的检测是连连续进行的，，然而并不是是RF停止后立即进进行自由感应应衰减取样，，而是检测自自由感应衰减减消失后一定定时间重新出出现回波信号号磁共振测量使使用两种方法法产生回波信信号自旋回波（Spin-Echo）梯度回波（Gradient-Echo）120磁共振成像方方法脉冲序列的构构成自旋准备准备脉冲组织预饱和信号产生自由感应衰减自旋回波梯度回波付氏变换亮度转换图像121磁共振成像方方法脉冲序列的表表达时序图表达射频、选层梯梯度、相位编编码梯度、频频率编码梯度度、回波、采采样等过程的的波形叙述流程图表达用数字或数学学符号表达122磁共振成像方方法脉冲序列分类类：按信号：FID、SPINECHO、GRADIENTECHO、EPIECHO按用途：通用：常规检检查序列专用：心脏、、脂肪抑制、、伪影抑制等等按成像速度：：普通、快速123磁共振成像方方法被激励核经历历两个根本不不同的失相位位过程自旋——自旋相互作用用，该作用是是随机的，随随时间而变化化，是不可逆逆的过程磁场的不均匀匀，产生对自自旋系统的恒恒定的影响，，需采用一定定的方法纠正正净磁场不均均匀性的影响响124磁共振成像方方法自旋回波磁场不均匀的的静态作用，，可以在90度RF脉冲之后一段段时间使用180度RF重聚相脉冲消消除125磁共振成像方方法A180opulsewillrotatethemagnetizationvectorby180degrees.A180opulserotatestheequilibriummagnetizationdowntoalongthe-Zaxis.126磁共振成像像方法Thenetmagnetizationatanyorientationwillbehaveaccordingtotherotationequation.Forexample,anetmagnetizationvectoralongtheY'axiswillendupalongthe-Y'axiswhenacteduponbya180opulseofB1alongtheX'axis.127磁共振成像像方法在旋转坐标系系中，相位位调制后，180度脉冲可加加在X轴上，使得得质子群绕X轴折叠128磁共振成像像方法自旋回波的的形成129磁共振成像像方法AnetmagnetizationvectorbetweenX'andY'willendupbetweenX'andY'aftertheapplicationofa180opulseofB1appliedalongtheX'axis.130磁共振成像像方法自旋回波脉脉冲序列自旋回波（（SE，spinecho)脉冲序列是是指以90度脉冲开始始，后续以以180度相位重聚聚焦脉冲，，以获得有有用信号的的脉冲序列列。并且可可以多次施施加180度脉冲，以以获得多次次回波信号号。SE序列是目前前临床磁共共振成像中中最基本、、最常用的的脉冲序列列。131磁共振成像像方法180°°180°90°TE1TE2132磁共共振振成成像像方方法法时序序与与信信号号幅幅度度变变化化趋趋势势133磁共共振振成成像像方方法法几个个重重要要参参数数反转转时时间间TI回波波时时间间TE重复复时时间间TR静息息时时间间Tdead（TR、TE之差差)SE序列列的的执执行行过过程程分分为为激激发发、、编编码码、、相相位位重重聚聚和和信信号号读读出出四四个个阶阶段段134磁共振成成像方法法180°RFGpc90°next90°TITE/2TETRGssEchoGroTdead135磁共振成成像方法法2DFT&3DFT136磁共振成成像方法法137磁共振成成像方法法自旋回波波信号的的应用测量组织织T2：由外磁场场不均匀匀引起的的失相位位的可逆逆的，组组织本身身横向弛弛豫引起起的、由由其表征征的信号号衰减是是不可逆逆的。1/T2138磁共振成成像方法法多次回波波信号的的最大幅幅度正比比于组织织的本征征弛豫时时间T2：Sm(n)e-n/T2根据此式式可获得得比较准准确的T2值。139磁共振成成像方法法自旋回波波序列的的图像特特征SE序列的的信号号强度度至少少取决决于氢氢质子子密度度、T1和T2弛豫时时间、、TR及TE等5个因素素，当当组织织一定定时，，改变变序列列参数数TR和TE就可改改变质质子密密度、、T1及T2对图像像的影影响程程度或或加权权权重重。140磁共振振成像像方法法自旋回回波序序列信信号强强度的的近似似表达达：S＝·r(1－e-TR/T1)e-TE/T2在式中，当当取TR＞＞T1时信号强度与与T1几乎无关系系；当TR一定时，如如果TE＜＜T2，信号强度受受T2影响减少。。因此，TR和TE是自旋回波波序列的重重要操作参参数。可以以通过调节节TR和TE来灵活地实实施所谓加加权成像：：T1加权像，T2加权像及质质子密度加加权像。141磁共振成像像方法图像亮度与与信号强度度的关系线性关系：：I=·S142磁共振成像像方法梯度回波脉脉冲序列梯度回波（（GRE，gradientecho），是一种采用用小角度RF波替代SE中的90度RF脉冲，通过过有关梯度度场方向的的翻转替代代自旋回波波中180度脉冲而产产生回波信信号的成像像技术，该该技术扫描描时间大大大短于SE序列成像时时间。143磁共振成像像方法梯度回波的的原理：相相位回聚Gyφ无梯度正梯度负梯度翻转梯度144磁共振成像像方法145时序图：RFGpcα°α°GssEchoGronextφssφroφpe146磁共振成像像方法梯度回波信信号强度：：S=kr(1-exp(-TR/T1))Sinexp(-TE/T2*)/(1-Cosexp(-TR/T1))GRE序列只能获获得T2＊加权的图像像给定T1和TR时，信号的的幅度与角相关：1arccosTTRErnste-=q147磁共振成像像方法扰相梯度：减少剩余磁磁化采用的的手段。使使梯度回波波序列在较较短的TR下获得更大大的权重。。将加大梯度度系统的负负担。148磁共振成像像方法横向残余磁磁化矢量破破坏序列149磁共振成像像方法TSE&GRE序列RF后多次进行行梯度翻转转：两种回回波成分150磁共振成像像方法GRE-EPI(Gx翻转)151磁共振成像像方法GRE-spiral螺旋磁共振振152153磁共振成像像方法其他序列：：饱和恢复序序列（saturationrecovery,SR)部分饱和序序列（partialsaturation,PS)反转恢复序序列（inversionrecovery,IR)STIR（shorttimeinversionrecovery)SPIR(spectralpresaturationwithinversionrecovery)FLAIR(fluidattenuatedinversionrecovery)IRSE(inversionrecoveryspinecho)回波平面成像像序列（echoplanarimage,EPI)154磁共振成像方方法饱和恢复序列列使用长TR，纵向弛豫最大大，质子密度度加权像155磁共振成像方方法部分饱和序列列（可测T1）90°RFFID90°90°90°TR156磁共振成像方方法部分饱和恢复复序列TR短，得到T1W157磁共振成像方方法翻转序列（抑抑制某种组织织）FIDRF90°180°180°TI158159磁共振成像方方法IR序列时序图160磁共振成像方方法EPI序列恒定相位编码码161磁共振成像方方法EPI序列脉冲式相位编编码162信号强度公式式小结Spin-EchoS=kr(1-exp(-TR/T1))exp(-TE/T2)InversionRecovery(180-90)S=kr(1-2exp(-TI/T1)+exp(-TR/T1))InversionRecovery(180-90-180)S=kr(1-2exp(-TI/T1)+exp(-TR/T1))exp(-TE/T2)GradientRecalledEchoS=kr(1-exp(-TR/T1))Sinexp(-TE/T2*)/(1-Cosexp(-TR/T1))163决定信号强度度的参量RepetitionTime,TREchoTime,TEInversionTime,TIRotationAngle,T2*164图像对比与加加权T1值和T1图像对比度组织的T1值越短，纵向向磁矩分量恢恢复越快，在在测量T1的序列中，呈呈高信号，图图像中相应像像素较亮。165图像对比与加加权166图像对比与加加权T2值与T2图像对比度弛豫缓慢（T2长）的组织将将保持较高的的剩余横向磁磁化167图像对比与加加权168图像对比与加加权质子密度图像像对比度169图像对比与加加权图像的加权调节TR，TE，TI或翻转角等脉脉冲序列参数数，就可达到到在图像中突突出某一对比比度的目的。。常将这样获获取的图像称称为加权像(WI，weightedimage)。图像对比度突突出的程度叫叫做权重，有有轻度加权、、中度加权及及重度加权之之分170决定图像对比比的因素Spin-LatticeRelaxationTime,T1Spin-SpinRelaxationTime,T2SpinDensity,rT2*171图像对比与加加权T1加权像在序列中采用用短TR(＜500ms)和短TE(＜25ms)就可得到所谓谓的T1加权像。扫描描时，脂肪等等短T1组织在给定TR时间内可充分分弛豫，而脑脑脊液等长T1组织的弛豫量量相对较少，，因此，在下下个RF脉冲出现时对对能量的吸收收程度也就不不同，短T1组织因吸收能能量多而显示