MRI的概述与发展应用

MRI原理及进展

蔡甫雨11019102021/5/91目录MRI扫描仪的基本硬件构成MRI的基本原理、基本概念MRI进展方向MRI的基本技术和新技术MRI的优点和缺点安全注意事项2021/5/92核磁共振现象发现

Purcell等,Bloch等（1945）;PhysicalReview:

核磁共振现象引入医学界

Damadian（1971）;Science,171:1151-1153

核磁共振成像

Lauterbur（1973）;Nature,242:190-191

是利用原子核在磁场内所产生的信号经重建成像的一种影像技术核磁共振成像技术发展简史2021/5/93

MRI扫描仪的基本

硬件构成2021/5/94得到图像所需要用到的工具…2021/5/95一般的MRI仪由以下几部分组成主磁体梯度线圈脉冲线圈计算机系统其他辅助设备2021/5/96主磁体(Magnet)

磁共振最基本的构造产生磁场的装置最重要的指标为磁场强度和均匀度2021/5/97MRI按磁场产生方式分类永磁permanentmagnet电磁常导resistivemagnet超导superconductingmagnet主磁体0.35T永磁磁体1.5T超导磁体2021/5/98MR按主磁场的场强分类MRI图像信噪比与主磁场场强成正比低场:小于0.5T中场：0.5T－1.0T高场:1.0T－2.0T（1.0T、1.5T、2.0T）超高场强：大于2.0T（3.0T、4.7T、7T）2021/5/99梯度线圈(gradientcoil)作用：空间定位产生信号梯度线圈性能的提高磁共振成像速度加快没有梯度磁场的进步就没有快速、超快速成像技术2021/5/910射频系统(radio-frequencesystem,RF)作用：如同无线电波的天线激发人体产生共振（广播电台的发射天线）采集MR信号（收音机的天线）2021/5/911脉冲线圈的分类

激发并采集MRI信号（体线圈）仅采集MRI信号，激发采用体线圈进行（绝大多数表面线圈）2021/5/9123D-FFEMatrix512×512FOV2.5cm利用2.3cm显微线圈采集的指纹MR图像2021/5/913计算机系统及谱仪数据的运算控制扫描显示图像2021/5/914其他辅助设备空调检查台激光照相机液氦及水冷却系统自动洗片机等2021/5/915MRI的基本原理、基本概念

2021/5/916人体MR成像的物质基础原子的结构电子：负电荷中子：无电荷质子：正电荷2021/5/917自旋与核磁地球自转产生磁场原子核总是不停地按一定频率绕着自身的轴发生自旋(Spin)原子核的质子带正电荷，其自旋产生的磁场称为核磁，因而以前把磁共振成像称为核磁共振成像（NMRI）。2021/5/918地磁、磁铁、核磁示意图2021/5/919用于人体MRI的为1H（氢质子），原因有：1、1H的磁化率很高；2、1H占人体原子的绝大多数。通常所指的MRI为氢质子的MR图像。何种原子核用于人体MRI成像？2021/5/920人体组织内的质子存在状态

TopviewX’y’质子的运动：进动频率0=02021/5/921把人体放进大磁场2021/5/922不同种类的原子核对应的旋磁比不同不同的原子核(MHz/T)1H42.5831P17.2523Na11.2713C10.7114N3.082021/5/923进入主磁场前后人体组织质子的核磁状态2021/5/924处于高能状态太费劲，并非人人都能做到处于低能状态的略多一点2021/5/925什么叫共振，怎样产生磁共振？共振：能量从一个震动着的物体传递到另一个物体，而后者以前者相同的频率震动。2021/5/926体内进动的氢质子怎样才能发生共振呢？给低能的氢质子能量，氢质子获得能量进入高能状态，即核磁共振。？2021/5/927塞曼效应若无外加磁场，自旋核保持其基态E0的能量状态，且核自旋的取向是随机的；将自旋核置入外磁场中，自旋核的能量在E0的基础上出现量子化的特征。这种基态能级在外磁场中发生分裂的现象称为塞曼效应（Zeemaneffect）。其中mI只能取I、I-1、I-2、…-I+1、-I等共2I+1个值。2021/5/928磁共振现象磁共振发生的射频频率必须为进动角频率相等。2021/5/929磁共振现象射频脉冲的角频率与原子核进动角频率相等时，射频脉冲能量才能被自旋核吸收，从低能级跃迁到高能级。为了使得磁共振发生，可以采用扫频法、扫场法、脉冲法。扫描法：改变频率；扫场法：改变场强；脉冲法：包含各种频率成分的宽带脉冲去激励特定目标区域；外磁场B0确定后，具有不同磁旋比的原子核其磁共振频率不同。意味着一种频率的射频脉冲仅能激发一种原子核。对于同一种原子核，外磁场强度越高，进动频率越高，磁共振产生的共振拉莫尔频率越高。8-100MHz的射频对人体无伤害。可以用来测量磁旋比，从而确定原子核的种类，即NMR2021/5/930怎样才能使低能氢质子获得能量，产生共振，进入高能状态？2021/5/931射频脉冲射频脉冲作用包括：由低能级向高能级跃迁，同时使得质子同相位。在B0和B1的共同作用下，质子系统的纵向磁化强度M0减小到Mz，横向磁化强度由零增加到Mxy，质子系统总磁化矢量M为Mz和Mxy的矢量和，其宏观表现就是最大纵向强度M0由B0方向向xoy平面翻转，当射频脉冲停止时，M0与z轴成Theta角。x’y’z’B0B1(RFcoil)x’y’z’B1RFpulse2021/5/93290度脉冲继发后产生的宏观和微观效应低能的超出部分的氢质子有一半获得能量进入高能状态，高能和低能质子数相等，纵向磁化矢量相互抵消而等于零使质子处于同相位，质子的微观横向磁化矢量相加，产生宏观横向磁化矢量2021/5/933磁共振成像原理几种射频脉冲小角度脉冲：使宏观纵向磁化矢量角度偏转＜90°90°脉冲：使宏观纵向磁化矢量角度偏转＝90°180°反转脉冲：使宏观纵向磁化矢量角度偏转＝180°2021/5/93490度脉冲激发使质子发生共振，产生最大的旋转横向磁化矢量，这种旋转的横向磁化矢量切割接收线圈，MR仪可以检测到。氢质子多氢质子少2021/5/935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。非常重要2021/5/936射频线圈关闭后发生了什么？2021/5/937无线电波激发使磁场偏转90度，关闭无线电波后，磁场又慢慢回到平衡状态（纵向)2021/5/938核磁弛豫:

射频脉冲停止后，在主磁场的作用下，横向宏观磁化矢量逐渐缩小到零，纵向宏观磁化矢量从零逐渐回到平衡状态.核磁弛豫又可分解为两个部分：

横向弛豫：横向磁化矢量减少的过程

纵向弛豫：在主磁场的作用下，纵向磁化矢量恢复的过程2021/5/939横向弛豫也称为T2弛豫；横向矢量衰减到原来值（Mxy）37%的时间90度脉冲2021/5/940T2:自旋-自旋弛豫时间T2衰减：由共振质子之间相互磁化作用所引起，它引起相位的变化。不同的组织横向弛豫速度不同，T2值不同长T2组织：游离水（T2最长）、一般囊肿；短T2组织：肿瘤、炎症、梗死（游离水↑）；2021/5/941纵向弛豫也称为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。90度脉冲2021/5/942T1：自旋-晶格弛豫时间T1衰减：纵向磁化适量恢复到原来的63%不同组织有不同的纵向弛豫速度，T1值不同短T1组织：脂肪组织、胆固醇、高蛋白囊液、血栓长T1组织：游离水（T1最长）、肿瘤、炎症、梗死（游离水↑）2021/5/943磁共振“加权成像”T1WIT2WIPD2021/5/944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2021/5/945何为加权？？？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弛豫差别

有利于观察组织的解剖结构T2加权成像(T2WI)----突出组织T2弛豫差别

对显示病变组织较好质子密度加权成像(PD)－突出组织氢质子含量差别2021/5/946T2加权成像（T2WI)T2值小

横向磁化矢量减少快

MR信号低（黑）T2值大

横向磁化矢量减少慢

MR信号高（白）水T2值约为3000毫秒

MR信号高脑T2值约为100毫秒

MR信号低反映组织横向弛豫的快慢！2021/5/947T1加权成像(T1WI)T1值越小

纵向磁化矢量恢复越快

MR信号强度越高（白）T1值越大

纵向磁化矢量恢复越慢

MR信号强度越低（黑）脂肪的T1值约为250毫秒

MR信号高（白）水的T1值约为3000毫秒，MR信号低（黑）反映组织纵向弛豫的快慢！？2021/5/948T1WI脂水平衡状态90纵向弛豫902021/5/949重要提示!!!人体大多数病变的T1值、T2值均较相应的正常组织大，因而在T1WI上比正常组织“黑”，在T2WI上比正常组织“白”。2021/5/95090180回波回波90180TETRTE：回波时间TR：重复时间如何区分T1WI、T2WI2021/5/951如何区分T1WI、T2WI1、看TR、TE

T2WI：长TR(>2000毫秒)长TE（>50毫秒）

T1WI：短TR(400-800毫秒)短TE（10-15毫秒）T2WIT1WI2021/5/952如何区分T1WI、T2WI2、看水和脂肪T1WI：水（如脑脊液、胃液、肠液、尿液）呈低信号（黑）脂肪呈很高信号（很白）T2WI：水呈很高信号（很白）脂肪信号有所降低（灰白）T2WIT1WI2021/5/953如何区分T1WI、T2WI3、看其他结构脑组织：T1WI:白质比灰质信号高T2WI:白质比灰质信号低腹部：T1WI:肝脏比脾脏信号高T2WI:肝脏比脾脏信号低T2WIT1WIT1WIT2WI2021/5/954磁共振信号

磁共振信号即宏观横向磁化矢量切割接收线圈产生的信号。某组织的宏观横向磁化矢量越大，其切割接收线圈产生的电信号也越强。

自由感应衰减信号射频脉冲激发后，由于受横向驰豫和静磁场不均影响，组织中的宏观横向磁化矢量较快以指数形式衰减，即自由感应衰减2021/5/955磁共振信号

自旋回波信号射频脉冲激发后，在一定的时间再发射一个180度聚焦脉冲，纠正因静磁场的恒定不均匀造成的质子失相位。2021/5/956MRI进展方向2021/5/957成像速度更快常规SE、T2WI序列15-25分钟快速超快速梯度回波1秒以内EPI100毫秒以内４分５３秒１秒2021/5/958空间分辨率更高常规：256256高分辨：512512，102410245125122021/5/959从单纯形态学分析向功能成像转变脑功能成像心功能成像肝功能成像肾功能成像磁共振波谱分析（MRS）脑功能成像磁共振波谱分析2021/5/960应用范围逐步扩大早期：颅脑、脊柱目前：可用于全身各部位2021/5/961MRI的基本技术和新技术2021/5/962

常规MRI超快速MRIMRA扩散成像灌注加权MR水成像

脑功能成像

MRI仿真内窥镜

MRI电影

MR频谱分析介入性MRI2021/5/963常规MRI包括常规T1WI、T2WI、质子加权成像临床工作中最常用的MRI技术2021/5/964单层成像时间短于1秒，适用于：不能控制运动或神志不清病人胸部、腹部屏气扫描动态增强扫描各器官功能成像超快速成像技术2021/5/965MR血管成像（MRA）不用造影剂的MRA（常规MRA）：适用于全身血管病变的显示，也可用于血管血液流速、流量分析。对比增强MRA：能提高常规MRA的准确性和真实性。适用于动脉瘤、大血管疾病的MRA检查。对于大血管疾病的检查，对比增强MRA已经能基本取代血管造影。ＭＲＡ2021/5/9662021/5/9672021/5/968水分子扩散加权成像检测组织内水分子热运动水平，适用于：超急性期脑梗塞的诊断和鉴别诊断，可检出发病6小时内甚至2小时以内的脑梗塞ＣＴ１２－２４小时以后常规ＭＲＩ６－１２小时以后T2WIT1WI扩散成像2021/5/969血流灌注成像静脉快速注射造影剂后，利用超快速成像序列进行扫描，可反应组织的血流灌注和血液动力学改变，适用于：超急性期脑梗塞，大面积梗塞于血管闭塞后可立刻检出心肌血流灌注分析，检出早期心肌缺血Ｔ２ＷＩ灌注成像T2WI2021/5/970MRI水成像技术利用人体内的水作为天然对比剂清晰显示含水器官的解剖和病变。内耳水成像MR延腺管造影MR脊髓造影（MRM）MR胆胰管造影（MRCP）MR尿路造影（MRU）ＭＲＣＰ内耳水成像2021/5/9713DFRFSE-MRCP水成像序列不用造影剂快速得到高分辨率磁共振胰胆管水成像2021/5/972脑功能成像利用人工刺激（听觉、运动、视觉等）配合特定的MRI序列标识出脑组织的各功能区，适用于：避免手术损伤脑科学研究2021/5/9732021/5/974MRI仿真内窥镜利用MRI薄层扫描技术及特定的软件进行重建，模拟纤维内窥镜对空腔脏器进行腔内观察，有利于鼻腔、鼻咽部、气管、支气管、胃肠道、血管等部位病变的显示。2021/5/975MRI电影能对心脏、关节等进行运动、功能分析2021/5/976MR频谱分析能对组织的化学元素含量进行分析，反应组织的代谢、功能状态。1H：检测脑组织某些低浓度代谢产物31P：ATP、ADP含量分析13C：酶缺乏性疾病的诊断19F：5-FU的作用机理研究23Na：肿瘤细胞生长评价2021/5/977介入性MRI利用MRI作为监视手段进行介入性放射学手术，避免医生病人遭受放射线损害。MRI导向活检MRI导向射频消融MRI导向微波治疗MRI导向冷冻治疗MRI介导血管成型术和内支架植入术2021/5/978MRI的优点和缺点（与CT比较）

2021/5/979优点组织分辨率较CT高，可检出更多的病变大多数病变不用造影剂就能较好显示不用造影剂就可较好显示血管没有骨性伪影，有利于后颅窝、椎管等部位病变的检查多参数成像，能为病变检出和鉴别诊断提供更多信息可任意断面成像，CT一般仅能进行横断面扫描无放射线损伤2021/5/980缺点钙化显示不及CT空间分辨率一般不及CT，但现代先进的MRI的空间分辨率已与CT接近受磁场影响，一般监护仪器不能进入MR室，因而不适用危重病人价格比较昂贵操作较为复杂2021/5/981MRI的优点和缺点（与CT比较）

重要提示尽管MRI有很多优点，在定位诊断方面明显优于CT，在定性诊断方面也能提供更多的信息，但是部分病变的MRI信号变化仍缺乏特异性，因而有些病变的定性诊断仍较困难。MRI不是万能的！MRI与CT是互补的！2021/5/982MRI造影剂2021/5/983钆贲酸葡甲胺（Gd-DTPA）机理：是一种顺磁性物质,它具有不成对的电子,当它接近共振的H质子时,能改变H质子所处的磁场,使T1值明显缩短。作用：低剂量缩短组织的T1值；高剂量缩短组织的T2值。一般利用前者，表现为有增强的组织信号“变白”。增强代表的意义