3 MRI信号分析基础：信号产生、本质及读片原则-杨正汉

国家级I类CME项目，国家级I类CME项目，2016-09-01-252《磁共振信号分析与图像解读》2016年9月1~4日，北京临床MRI信号分析基础（1）----产生、来源、本质、原则首都医科大学附属北京友谊医院放射科消化疾病国家临床医学中心消化影像部•MRI信号的产生•MRI信号模式•MRI基本对比的产生•MRI的信号直接来源•MRI信号强度的影响因素•MRI的读片原则用于人体MRI的为1H（氢质子原因有：–1H的磁化率很高；–1H占人体原子的绝大多数–存在于各种有机物中，具有生物代表性通常所指的MRI为氢质子的MR图像我们每天的工作–磁性原子核自旋产生的磁场–质子为奇数，中子为奇数–质子为奇数，中子为偶数–质子为偶数，中子为奇数人体组织中常见的磁性原子核人体元素摩尔浓度相对磁化率0.0830.08313C0.123Na0.0780.09339K0.0450.000517O0.0310.0292H0.0150.0960.00660.0066把人体放进大磁场磁场中质子核磁是绝对同向或逆向平行吗？把人体放进大磁场磁场中质子核磁是绝对同向或逆向平行吗？Larmor频率42.5兆赫/TB：外磁场场强通常情况下人体内氢质子的核磁状态通常情况下，尽管每个质子自旋均产生一个小的磁场，但呈随机无序排列，磁化矢量相互抵消，友谊放射人体并不表现出宏观磁化矢量。组织进入磁场前后的核磁状态改变Precession(进动).进动使每个质子产生纵向和旋转横向磁化分矢量高能与低能状态质子的进动.进动使每个质子产生纵向和旋转横向磁化分矢量高能与低能状态质子的进动•仅略多一点点•多出的质子才能成像•MRI信号非常微弱•场强越高，多出的质子越多•场强越高，信噪比越高室温下（300k）0.2T：1.3PPM0.5T：4.1PPM1.0T：7.0PPM1.5T：9.6PPMPPM为百万分之一线圈不能检测到Mz，但能检测到旋转的Mxy先看纵向磁化分矢量，？".处于低能的质子略多于处于高能的质子.相互抵消后产生纵向宏观磁化矢量（Mz）再看横向磁化分矢量–频率一致–能量传递—————磁共振现象的微观效应.给予与氢质子进动频率一致的射频激励磁共振现象的微观效应.给予与氢质子进动频率一致的射频激励.低能态的质子获能进入高能态氢质子少90度脉冲激励产生的Mxy能被线圈探测氢质子多•射频脉冲激励后组织产生Mxy•线圈可探测到组织信号•区分氢质子含量（质子密度）不同的组织•仅仅区分质子密度不同远远不够•通常不是脉冲激励后立刻采集MR信号•等待一段时间才进行MR信号采集磁共振现象的宏观效应脉冲激励后，宏观磁化矢量发生偏转偏转角度取决于脉冲的能量（脉冲强度和持续时间）低能量小角度脉冲小角度脉冲90度脉冲高能量MRI信号的本质•激励使组织产生旋转的宏观横向磁场（Mxy）•MRI线圈能够探测到旋转的Mxy•MRI信号实际上就是Mxy•任何MRI、MRS，探测到的信号都是Mxy•90度脉冲激励使Mz偏转90度到xy平面•脉冲关闭后，磁场又慢慢回到平衡状态核磁弛豫（Relaxation）射频脉冲关闭后，宏观磁场逐渐恢复到平衡状态核磁弛豫（Relaxation）射频脉冲关闭后，宏观磁场逐渐恢复到平衡状态（激励前）的过程或现象横向宏观磁化矢量逐渐缩小直到零纵向宏观磁化矢量逐渐增大直到最大（平衡态）核磁弛豫可分解为两个部分（关联由相对独立）>横向弛豫>纵向弛豫纵向弛豫实际上也是个共振过程，同样遵循共振的原则纵向弛豫的机理90度激发低能的质子群获能进入高能状纵向弛豫高能的质子群释放能量T1弛豫：高能态质子群释放能量回到低能状>描述组织T1弛豫的快慢>Mz从零恢复到最大者63%所需的时间（1）纵向磁化矢量的恢复----纵向弛豫•也称为T1弛豫•Mz逐渐恢复，直至最大（平衡态）的过程高能的质子群把能量释放给周围的分子（晶格）T1弛豫（纵向弛豫）也称自旋—晶格弛豫晶格振动频率接近质子进动频率，T1弛豫较快>脂肪组织晶格振动频率明显高于质子进动频率，T1弛豫较慢>纯水样液体晶格振动频率明显低于质子进动频率，T1弛豫较慢不同的组织>质子群周围晶格特征不同90度激发脉冲关闭后，Mxy很快衰减90度激发脉冲关闭后，Mxy很快衰减自由感应衰减（FID）Mxy衰减的原因1、自旋质子暴露于不均匀的主磁场中2、自旋质子暴露在临近自旋质子、其他自旋原子核、电子的微磁场环境中；由于分子的运动，质子周围的微磁场不断波动--------导致真正的横向弛豫（T2弛豫）每个质子感受的磁场不均匀磁场高，质子进动快磁场低，质子进动慢同相位进动的质子群逐渐失去相位一致不同的组织质子群周围磁场微环境波动特征不同T2弛豫快慢不同（2）横向磁化矢量的衰减Mxy衰减是因为质子群逐渐失去相位一致T2弛豫：质子群逐渐失去相位一致T2值描述组织T2弛豫的快慢Mxy从最大衰减到只剩37%所需的时间2.MRI信号模式.2.MRI信号模式.自由感应衰减信号.自旋回波信号.梯度回波信号（2）自旋回波信号•激励脉冲关闭后质子群失相位的原因–磁场微环境波动（随机）－－T2弛豫–主磁场的不均匀（恒定）是主要原因•两者相加产生FID（T2*弛豫）•180度聚焦脉冲–剔除主磁场恒定不均匀造成的质子失相位–产生自旋回波•最常用的信号模式（3）梯度回波信号•读出（频率编码）梯度场的正反向切换•在FID的基础上–离相位梯度场•加重磁场不均匀•加速质子群失相位•加快横向磁化矢量衰减–聚相位梯度场（面积为离相位梯度的2倍）•抵消离相位梯度场的作用•因离相位梯度场而丧失的Mxy逐渐恢复•面积1倍时，Mxy达到峰值后•过后聚相位梯度场实际上又成为另一方向的离相位梯度场•产生梯度回波信号（1）自由感应衰减信号激励脉冲关闭后，Mxy很快衰减自由感应衰减（FID）直接记录FID过程临床极少采用自旋回波产生的原理90度脉冲脉冲脉冲离相位梯度离相位梯度左右左聚相位梯度聚相位梯度左右左（（FID）T*3.MRI基本对比的产生•不同的组织特征–不同的T13.MRI基本对比的产生•不同的组织特征–不同的T1–不同的T2或T2*–不同的质子密度•不同的组织特征是MRI的基础–显示不同解剖结构–区别病变与正常组织MR的加权成像技术游戏规则1、线圈只能接收旋转的MxyTE常规自旋回波序列结构示意图TE：回波时间•加权–重点突出组织某方面特性–尽量减少其他方面组织特性的影响•加权成像–PDWI－突出组织氢质子含量差别–T1WI----突出组织T1弛豫（纵向弛豫）差别–T2WI----突出组织T2弛豫（横向弛豫）差别–T2*WI----突出组织T2*弛豫（FID）差别游戏规则2、任何序列或任何加权图像上TR和TE对图像权重的影响（SE序列）•TE：等待Mxy的衰减，决定图像的T2弛豫成份•很短的TE–所有的组织Mxy还没来得及衰减–剔除T2弛豫对图像对比的影响TE常规自旋回波序列结构示意图TE：回波时间TR：重复时间TR（1）T2TE常规自旋回波序列结构示意图TE：回波时间TR：重复时间TR（1）T2或T2*加权成像•重点突出Mxy衰减快慢–T2WI：采集自旋回波的序列–T2*WI：采集梯度回波的序列•需要尽量剔除T1弛豫的影响–TR足够长•组织T2或T2*越长–Mxy衰减越慢–采集时残留的Mxy越大–MR信号越高•组织的T2或T2*越短–Mxy衰减越快–采集时残留的Mxy越小–MR信号越低（2）T1加权成像（T1WI）•重点突出Mz恢复快慢•尽量剔除T2弛豫或FID的影响–尽可能短的TE•组织T1越短–Mz恢复越快–采集时已经恢复Mz越大–MR信号越高•组织的T1越长–Mz恢复越慢–采集时已经恢复Mz越小–MR信号越低TR和TE对图像权重的影响（SE序列）•TR：等待Mz的恢复，决定图像的T1成份•很长的TR–所有的组织Mz完全恢复–剔除T1弛豫对图像对比的影响长TR（>2000ms）长TE（>50ms）T2WI短TR（小于800ms）短TE（小于20ms）T1WI质子密度加权成像（PDWI）•重点突出组织氢质子含量差别•组织质子密度越高–Mz越高–RF质子密度加权成像（PDWI）•重点突出组织氢质子含量差别•组织质子密度越高–Mz越高–RF激发后Mxy越大–立刻采集，MR信号越高•组织质子密度越低–Mz越低–RF激发后Mxy越小–立刻采集，MR信号越低HCH4.MRI信号的直接来源.多数组织信号来源于水分子中的氢.MRI中的水分子概念较多.很多医生对这些概念比较模糊-20000-100000+10000+20000结合水中的多数氢质子不被激励激励脉冲带宽长TR（>2000ms）短TE（<30ms）PDWI自由水与结合水.自由水（freewater）–不依附于蛋白质，运动充分自由的水分子–MRI信号的主要来源.结合水（boundwater）–蛋白质水化层的水分子，自由运动受限制–不直接产生MRI信号.结合水中的氢进动频率范围很宽，多不能被激励被激励的结合水，T2太短，信号不能被采集组织中自由水 T2=50～150ms MRI-visible组织中结合水 T2=10～20μs MRI-invisible••TE•FSET2WI，大于50ms•SET1WI，8～20ms•GRET1WI，1～5ms.增加组织的信号强度–结合水较容易接受自由水释放出的能量–加快组织的纵向弛豫，缩短组织T1–在T1.增加组织的信号强度–结合水较容易接受自由水释放出的能量–加快组织的纵向弛豫，缩短组织T1–在T1WI，结合水含量越高，组织信号越高.脑白质信号高于灰质.含较高浓度蛋白的粘液..降低组织的信号强度.磁化传递T2WIT1WI动脉期结肠粘液腺癌肝脏囊性转移5.MRI信号的影响因素.条件：SE序列，组织：静止组织.公式：SI=K.N(H).e(-TE/T2).[1-e(-TR/T1)].标注：K为常数，N(H)为质子密度，e为自然常数.信号变化规律–质子密度越大，组织信号越高–T2越长，组织信号越高–T1越短，组织信号越高–TE越短，组织信号越高–TR越长，组织信号越高T1WI上，白质信号强度高于灰质物质能直接产生MRI信号的条件.含有氢质子，并具有足够量–如胆碱、NAA等在MRI上信号可忽略不计–把水及脂肪抑制后的MRS上才能探测到.进动频率在激励脉冲频率范围内–蛋白质及大部分结合水并在此频率范围内.T2不能太短–蛋白质及结合水的T2太短.在常规MRI序列上“可视”的物质–自由水–甘油三酯MRI信号的影响因素.MRI信号是相对强度，没有标准单位.信号强度影响因素太多.信号强度不能直接比较–不同设备–不同序列–不同病人，同一序列–同一病人，同一序列，不同次扫描.同一序列同一次连续扫描，信号有可比性临床MRI读片原则•精确测量•MRI信号分析的常见问题–绝大多数序列难以用定量分析–依靠信号高低进行分析（相对信号）–参照组织的选择不当，导致判断错误•参照组织的选择原则–均匀实质器官，选择相应正常组织–不宜选择囊腔内液体作参照–选择信号相对稳定组织作为参照•脑皮质、肝实质、脾实质、肾皮质•肌肉是良好参照物（组织间隙或囊腔内病变）友谊放射临床MRI诊断流程•发现病变并准确定位•影像征象的细致分析•推测基本病理学变化•结合临床做出定性诊断及程度判断•所有序列，所有图像•病变本身–部位、数目、大小、形态–边界、密度/信号、强化、周围•图像中所有组织及器官选择正确参照组织的意义•如选择玻璃体为参照组织–黑色素瘤？•如果选择肌肉、脑实质、泪腺作为参照物–普通软组织肿块友谊放射–视网膜母细胞瘤选择正确参照组织的意义•如选择玻璃体为参照组织选择正确参照组织的意义•如选择玻璃体为参照组织–黑色素瘤？•如果选择肌肉作为参照物–普通软组织肿块–神经鞘瘤原则3、严格对比•影像学比对–MRI不同序列–增强扫描不同时相–不同时间的检查（不单比较最近一次检查）–不同方法的检查•严格比对–同方位–同层面–同病灶–同区域•严格比对的意义–探寻病灶内不同基本病理变化–有助于定性诊断–有助于判断病变的动态变化•测量常见的问题–ROI的随意性–部分容积效应–严格对比不