医学成像原理第6章MRI

第六章磁共振成像主要内容第一节概述第二节发生磁共振现象的基本条件第三节磁共振图像的信号第四节磁共振图像的空间定位第五节磁共振图像的重建第六节磁共振成像序列第七节磁共振血管成像第八节磁共振成像的图像质量磁共振成像

(magneticresonanceimagingMRI)通过对静磁场（B0)中的人体施加某种特定频率的射频脉冲(radiofrequencyRF)电磁波，使人体组织中的氢质子（1H）受到激励而发生磁共振现象，当RF脉冲中止后，1H在弛豫过程中发射出信号，被接收线圈接收，利用梯度磁场进行空间定位，最后进行图像重建而成像的。第一节概述MRI的诸多特点使其成为继X线成影、计算机体层成影、超声检查之后在医学诊断和研究中不可或缺的医学影像检查技术。然而MRI也有其局限性：1．空间分辨力低与X线摄影、CT等成像技术相比，MR图像的空间分辨力较低。2．成像速度慢不利于为危重病人及不合作病人的检查。3．禁忌证多装有心脏起搏器、动脉瘤夹、金属假肢等病人不宜进行MRI检查。4．不能进行定量分析因MRI不能对成像参数值进行有效测定，所以不能像CT那样在图像上进行定量分析和诊断。5．多种伪影因素导致MR图像产生的伪影因素较其它的成像技术多。6．MRI设备价格相对昂贵。第二节发生磁共振现象的基本条件一、原子核的自旋与磁矩（一）原子核的自旋和电磁场〝自旋〞（spin）：原子核及质子围绕着自身的轴进行旋转。带有正电荷的质子的自旋类似于一个小磁体，产生一个与自旋同轴的电磁场，具有大小和方向。磁场的方向可由环形电流的法拉第右手定则确定。（二）原子核的磁矩磁矩是矢量，有大小和方向。并非所有的原子核均可发生磁共振现象，只有具有磁矩的原子核才能在一定的条件下发生磁共振现象。氢质子具有两个能态：低能态和高能态。这意味着一些氢质子绕自身轴进行自旋，产生一个磁场。另外一些氢质子以相反的方向自旋，并产生相反方向的磁场。如果原子核内有偶数个质子，则这些配对质子的磁场将会抵消，总磁场为零；当原子核内有奇数个质子时，则都会产生一个净磁场，使原子核具有磁矩。实际上，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。二、静磁场（一）静磁场的作用人体中有很多的氢质子，质子都有自身的一个小磁场，并且绕自己的轴进行旋转，具有磁矩。一般状态下质子的自旋是随机分布的，磁矩相互抵消，净磁场强度为零。如果把人体放入一个强大的静磁场（B0）中将会出现：①质子将沿着静磁场的方向排列，产生净磁化矢量；②质子在自旋的同时，以静磁场的磁力线为轴进行〝进动〞（或称〝旋进〞）。1．净磁化矢量的形成2．质子在静磁场中的进动无静磁场（B0）时，质子绕自身的轴旋转，产生一个自身的小磁场。当我们把自旋质子放入B0内时，质子开始〝摇摆〞，不仅绕自身的轴进行自旋，同时也绕B0的轴进行旋转，这样的运动状态称之为〝进动〞。质子绕B0轴的进动频率可以通过拉莫方程计算：质子在B0的进动，使质子的旋转轴与B0轴存在着进动角，因而质子的磁化矢量在垂直于B0的方向XY平面上有一个磁化分量。但质子的运动是随机的，其在XY平面上的投影相互抵消而没有横向磁场分量存在。（二）静磁场的类型1．根据磁体的设计分类（1）常导型磁体：根据线圈内的环形电流产生磁场的原理设计，磁场可以被开启和关闭。（2）超导型磁体：根据用超导材料性能设计一个强大磁场，使用液氮或液氦作为制冷剂。磁场可以被开启和关闭。（3）永磁型磁体：磁体由铁磁性物质组成，磁场持续存在，不能被关闭。2．根据磁体的场强分类根据磁体的场强分为：①超高场（4.0～7.0T）；②高场（1.5～3.0T）；③中场（0.5～1.4T）；④低场（0.2～0.4T）；⑤超低场（﹤0.2T）。超高场主要用于研究，高、中场常见于超导型扫描仪，低场见于常导型和永磁型扫描仪。三、射频脉冲射频脉冲（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0.2T～3.0T时，根据拉莫方程，处于B0中自旋质子的进动频率为8.5～127MHz，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。（一）射频脉冲的作用1．翻转纵向磁化矢量章动导致M0向XY平面翻转，与Z轴形成一定的角度（θ）：式中：ω1为射频脉冲进动频率（

），t为RF脉冲的作用时间。我们可以通过控制RF脉冲

的强度和作用时间，确定M0的翻转角度。（1）90°翻转：当RF脉冲的能量一定时：因为

，所以：根据式上式如果保持射频脉冲的作用时间为tπ/2，MZ就会被翻转90°。产生90°翻转的脉冲称为90°RF脉冲。（2）180°翻转：用上式可以计算出M0产生180°翻转所需要的脉冲持续时间：为了实现M0的180°翻转，可以使用一个相同强度射频脉冲但具有90°射频脉冲两倍的作用时间；或者具有90°射频脉冲两倍的强度但作用时间相同的脉冲。（3）部分翻转：M0的翻转角度小于90°，可以通过降低射频脉冲的强度或持续时间来实现。M0的三种翻转形式在MRI中都有具体的应用，它决定MR成像序列，影响图像显示病变的敏感性及图像的质量。2．形成横向磁化矢量处于B0中的自旋质子所产生的纵向矢量M0在受到90°射频脉冲作用后，翻转到XY平面，每一个质子仍然以一定的频率绕B0进动，并且所有质子的磁矢量指向同一方向。因此，每个质子的磁矢量在XY平面内叠加而在宏观上形成了一个新的磁化矢量，即横向磁化矢量MXY。（二）射频脉冲的特征参量1．频率使进动频率与RF脉冲频率相同的质子发生磁共振。2．带宽频率的范围，决定扫描时的层面厚度及预饱和。3．强度和作用时间决定Mz的翻转角度。第三节磁共振图像的信号一、相位的概念1．相位平面内旋转的矢量与某一参照轴的夹角称为相位。同相位（in-phase）：多个矢量在空间的方向一致；离相位（outofphase）：多个矢量在空间的方向不一致；聚相位（re-phase）：由不同相位达到同相位的过程；失相位（de-phase）：由同相位变成不同相位的过程。2．磁场中自旋之间的相位在静磁场（B0）中〝进动〞的自旋质子的磁矩与B0存在着进动角，因此自旋磁矩可分解为Z轴与XY平面的两个矢量。在任意时刻，自旋质子的磁矩在Z轴的矢量将始终指向同一方向（即同相位），因而叠加形成宏观纵向磁化矢量M0。XY平面内的矢量则随机分布处于不同的方向（即离相位），因而磁化矢量在XY平面内相互抵消，不能形成宏观磁化矢量。在射频脉冲的作用下，M0被翻转到XY平面的同时，绕Z轴进动的自旋磁矩的相位趋于一致（即聚相位），磁化矢量的叠加形成宏观横向磁化矢量MXY。二、自旋质子弛豫（一）驰豫的概念驰豫（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。驰豫过程包含着同步发生但彼此独立的两个过程：①纵向驰豫（longitudinal

relaxation）；②横向驰豫（transverserelaxation）（二）纵向驰豫射频脉冲停止以后，纵向磁化矢量M0由最小恢复到原来大小的过程称纵向驰豫。在驰豫过程中总的净磁化矢量也程螺旋形运动，与射频激发后的运动正好相反。1．纵向驰豫机制纵向驰豫过程中，吸收了射频脉冲能量跃迁到高能级的自旋质子把能量释放到周围的晶格中，回到它们的稳定状态。因而，纵向驰豫也称为自旋-晶格驰豫。纵向驰豫过程中M0恢复的程度是随时间的变化而逐步增长，用T1来表示M0恢复速率特征的时间常数（M0恢复到某一程度时所需要的时间）。因此，纵向驰豫又称为T1驰豫。2．纵向驰豫时间90°射频脉冲之后，净磁化矢量M0被翻转到XY平面，随后以T1速率特征进行恢复，呈指数曲线增长形式。T1驰豫过程中MZ是时间的函数，符合：式中：MZ（t）为t时刻的纵向磁化矢量值，M0为平衡态时的净磁化矢量值，t为驰豫时间，T1为纵向驰豫时间常数。T1＝纵向磁化矢量MZ从最小恢复到平衡态磁化矢量M0的63％的时间不同组织的T1值是不同的。B0强度不同，同一组织的T1值也是不同的（表6-1）。B0越大，组织的T1值越大。以上讨论了使用90oRF脉冲时的T1驰豫过程。如果在90o脉冲之前再施加一个180oRF脉冲，这将使纵向磁化矢量M0被翻转180o至B0的负方向，然后按照组织的T1速率进行恢复。（三）横向驰豫1．横向驰豫机制MXY

的形成是由于射频脉冲激发后，自旋质子处于激发态并在XY平面继续绕Z轴进动，其相位趋于一致而叠加形成宏观磁化矢量。在磁场中，每个自旋都受到静磁场B0和临近自旋磁矩产生的局部磁场的影响。（三）横向驰豫1．横向驰豫机制MXY

的形成是由于射频脉冲激发后，自旋质子处于激发态并在XY平面继续绕Z轴进动，其相位趋于一致而叠加形成宏观磁化矢量。在磁场中，每个自旋都受到静磁场B0和临近自旋磁矩产生的局部磁场的影响。（2）自旋质子间的相互作用：两个自旋相邻时，一个为ω(1)的自旋顺B0方向排列，另一个为ω(2)的自旋逆B0方向排列。由于这两个自旋之间的相互作用，ω(1)受到B0加上另一个质子所产生的小磁场（ΔB）的影响，其进动频率将会略微增加；ω(2)受到与B0相反的略低磁场的影响，总磁场强度有所减小，因而其进动频率也将减小。正是由于自旋质子间的相互作用引起的磁场均匀性的改变，造成质子进动频率的差异，导致在XY平面内进动的净磁化矢量的失相位。因此，横向驰豫也称为自旋-自旋驰豫。横向驰豫是横向磁化矢量MXY逐步衰减的过程，用T2来表示MXY衰减速率特征的时间常数。横向驰豫又称为T2驰豫。2．横向驰豫时间90°RF脉冲关闭后，在XY平面内的MXY以T2速率特征进行驰豫，呈指数衰减曲线形式，如下图所示。T2驰豫过程符合：式中：MXY（t）为t时刻的横向磁化矢量值，M0为平衡态的磁化矢量值，t为驰豫时间，T2为驰豫时间常数。上式中当t＝T2时，MXY＝M0e-1=37%M0，即MXY衰减至最大值的37％时所经历的时间等于T2值：T2＝横向磁化矢量MXY衰减至最大值63％的时间。不同组织的T2值不同。3．T2*驰豫T2*称为准T2或有效驰豫时间。T2是在绝对均匀的静磁场（B0）中的驰豫，T2衰减主要取决于自旋-自旋相互作用。但是任何磁体产生的磁场都不可能是绝对均匀的，因此横向驰豫受到不均匀的B0和自旋-自旋相互作用的双重影响，我们把在不均匀的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。三、自由感应衰减信号使用一个90°RF脉冲来激发自旋质子，使M0翻转到XY平面。90°RF脉冲关闭后，自旋质子在XY平面内进动，并且处于相同的相位；MXY开始随时间衰减；自旋在接收线圈内感应产生一个电流。当t＝0时，信号有最大值；t＝1时，信号为零；t＝2时，信号有反向最大值；t=3时，信号为零。因此，产生震荡磁场，其在接收线圈内产生震荡的感应电流（磁共振信号）。信号的强度取决于MXY：接收到的信号如下图所示。呈指数曲线形式衰减的震荡信号称为自由感应衰减（FID）信号，信号的强度与组织的T1、T2及组织的质子密度有关。FID信号是在90oRF脉冲之后采集的信号，该信号的衰减符合T2*方式。第四节磁共振图像的空间定位一、梯度磁场的概念因为人体内所有自旋质子具有相同的拉莫频率，受射频脉冲激发后接收到的信号包含受检者整个身体的信息，我们不能够确定信号每个成分的特定起源点，即空间位置信息。为了获取信号的空间位置信息，在MRI中采用了梯度磁场的方法。梯度磁场：是一个随位置、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。梯度磁场是由置于磁体内的额外线圈所产生的，这种线圈叫做梯度线圈。位于磁体内的梯度线圈一般为成对线圈，每对线圈内的电流大小相等，极性相反。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：①层面选择梯度；②频率编码或读出梯度；③相位编码梯度。二、层面选择（一）层面选择应用层面选择梯度之后，磁场强度随位置而变化，在Z轴方向上，每个位置上的自旋质子都具有自己的共振频率。如果现在向被检者发射一个特定频率的射频脉冲，沿Z轴方向上与射频脉冲具有相同频率的自旋质子被激发，我们将会接收到来自于人体内，与Z轴方向垂直的相应位置层面的信号。改变射频脉冲的频率或线性梯度磁场的斜率，可以改变被激发平面的位置。（二）层面厚度选择在梯度磁场的作用下，如果发射一个单一频率的射频脉冲，将会激发以该频率进动的相应磁场位置的信号，但它是一个无限薄的平面。为获得一定厚度的层面，需要射频脉冲具有一定的频率范围（带宽）。改变射频脉冲的带宽或梯度磁场的斜率，可以选择不同层面的厚度。三、空间编码使用层面选择梯度确定了成像平面，但是还不能在选定的层面内确定信号来源的空间位置。为了能够进行层面的图像重建，还需要知道扫描矩阵内每个体素所产生的信号的位置和大小。解决这一问题的方法，就是对信号进行空间编码，包括：①频率编码；②相位编码。（一）频率编码频率编码：目的是为了区分信号来自于扫描矩阵中的那一列。在读出信号之前，沿X施加一个频率编码梯度。由于梯度磁场的作用：①磁场在右边一列有最大值，自旋质子有较快的进动频率；②磁场在左边一列有最小值，自旋质子有较慢的进动频率；③中间一列磁场无变化，检测到的信号为自旋质子按照原来的频率进动。（二）相位编码在2D-FT技术中，除了使用层面选择和频率编码两个梯度进行层面选择及在X方向上进行编码以外，还需要在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那一行。这个梯度称为相位编码梯度。相位编码梯度应用于层面激发之后，频率编码读出信号之前。第五节磁共振图像的重建一、傅里叶变换傅里叶变换（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空间域值转换为频率域。傅里叶变换有一维、二维、三维傅里叶变换等。MRI重建过程中，FT用于分解频率编码与相位编码的信号成分。MRI系统常用二维傅里叶转换法（2D-FT）进行图像重建。磁共振图像重建：磁共振成像过程中，启动梯度磁场，通过层面选择、频率编码、相位编码，把整个层面体素一一进行标定，用RF脉冲对各体素进行激励，测量感应信号采集数据信息，对所采集的信号进行2D-FT处理，得到具有相位、频率特征的磁共振信号，根据各层面体素编码的对应关系，将体素信号大小用灰度等级表现出来形成图像的过程。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（scantime）：是指完成一次数据采集的时间。二维傅里叶扫描时间（t）可以表示为：式中：TR为重复时间；NY

为相位编码步数；NEX为激发次数（或平均次数）。上式仅适用于在一个TR内采集一个编码行的情况。三维傅里叶扫描时间（t）可以表示为：式中：NY为Y方向上相位编码步数；NZ

为Z方向上相位编码步数；NEX为激发次数。与2D-FT成像相比较，3D-FT成像的扫描时间长，但各种快速成像技术的出现，大大缩短了三维容积成像的时间；与2D-FT成像相比较，3D-FT成像具有采集层面薄、层面间可以无间隔的连续采集的优点。三、K-空间的概念K-空间：是一个数学概念，也称为傅里叶频率空间，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。K-空间中各点的数据是沿着一定轨迹顺序填充的，这种按某种顺序填充数据的方式称为K-空间的轨迹（傅里叶线），K-空间的填充轨迹代表了成像中MR信号的采集过程。目前应用的K-空间填充方式有：直线填充（如逐行填充、中心填充、对称填充）、螺线形填充、圆形填充等。四、磁共振图像的对比磁共振成像过程中，射频脉冲激发后所记录到的信号强度的大小主要与以下因素有关：一是生物组织本身的因素，包括纵向弛豫时间T1、横向弛豫时间T2和质子密度等；二是脉冲序列的形式。同时流动效应也起一定作用（血流显像时）。（一）图像对比的主要参数MRI中产生组织间对比差异的主要参数有：①纵向弛豫时间的固有差别，即组织间T1值的固有差别；②横向弛豫时间的固有差别，即组织间T2值的固有差别；③组织氢质子密度的固有差别。（二）磁共振加权图像的对比目前，临床上应用的主要加权图像有三种：1．T1加权图像（T1weightedimaging，T1WI）组织之间T1值的差异。2．T2加权图像（T2weightedimaging，T2WI）组织之间T2值的差异。3．质子密度加权图像（protondensityweightedimaging，PDWI）组织之间质子密度的差异。（三）影响磁共振图像对比的其他因素1．流动效应

血液的一些特性产生了血管影像的不同表现。其重要特性包括：①在T1加权像上，血流方式影响信号强度；②在T2WI和T2*WI加权像上，血液的氧化状态影响信号强度。2．磁敏感效应磁敏感度用来表示物质改变其所处外磁场的能力，即被磁化的能力。不同的组织磁敏感性能不同。抗磁性物质具有对抗外磁场的作用，能降低外磁场在其内部产生的磁场；顺磁性物质处于外磁场中时，其电子沿磁场方向排列，在其内部会产生额外磁场。3．对比剂临床上使用的一些外源性的，可用来提高某些组织与其周围组织对比的物质，即MR对比剂。目前，临床上使用的对比剂包括以下两种：（1）非选择特异性对比剂：对增强的器官或组织没有选择性。（2）选择特异性对比剂：对增强的器官或组织有选择性，具有器官特异性或组织特异性。4．化学位移因电子环境(即核外电子结构)不同引起的共振频率的差异称作〝化学位移〞。化学位移是磁共振波谱的基础，用于检测组织细胞内的代谢物质；化学位移饱和成像可用来突出或抑制某种组织的信号；化学位移特性还会诱发化学位移伪影。5．弥散分子的弥散运动会影响组织的T1和T2值。弥散运动会导致失相位，而使信号有一定的降低。6．磁化传递对比MR信号主要来自于游离态的水质子，而结合态的水质子可以影响MR信号。游离态的水质子T2值较长，其产生共振的频率范围较小，而结合态的水质子T2值较短，其产生共振的频率范围较大。7．组织方向在一些MR成像中，组织的方向对信号强度有一定影响，最典型的是组织本身具有方向性的纤维结构。最重要的两个效应是T2和弥散运动导致的信号降低具有角度依赖性。第六节磁共振成像序列一、脉冲序列（一）脉冲序列的概念脉冲序列（pulsesequence）：是指具有一定带宽、一定幅度的射频（RF）脉冲与梯度脉冲组成的脉冲程序。不同的RF脉冲发射形式和时间、不同梯度磁场的引入方式等都会产生不同的MR信号特征，而脉冲序列则控制着系统施加RF脉冲、梯度磁场及数据采集的方式，并由此决定图象的加权像、图像的质量以及对病变显示的敏感性。不同的成像目的应用不同的脉冲序列。不同的MR设备制造厂家有着自己独特的序列。（二）脉冲序列主要成像参数MR成像脉冲序列中有许多变量，这些变量称为序列参数。1．脉冲序列周期2．重复时间（repetitiontime，TR）是指从第一个RF激励脉冲出现至下一周期同一脉冲出现时所经历的时间。TR