磁共振成像设备课件

磁共振成像设备第一课磁共振成像Magneticresonanceimaging,MRI磁共振成像原理：

成就一副图像的根本原理〔要素或步骤〕有信号:信号性质、信号来源、信号产生及条件获取信号:如何获取、用何物获取处理信号:如何处理、处理方法、处理过程图像重建:重建原理、图像参数、质量控制MRI的特点与意义1、高、尖、新：高科技、边缘科学、开展迅速、产生了14位诺贝尔奖金获得者3、生命意义：科技的双刃剑作用；MRI应用于医学的优势利用人体氢质子的MR信号成像，从分子水平提供诊断信息；任意截面成像；软组织图象更出色；不受骨伪影的影响；无电离辐射,一定条件下可进行介入MRI治疗

主要用途特别适合于中枢神经系统、头颈部、肌肉关节系统以及心脏大血管系统的检查，也适于纵隔、腹腔、盆腔实质器官及乳腺的检查。中枢神经系统，MRI已成为颅颈交界区、颅底、后颅窝及椎管内病变的最正确检查方式。对于脑瘤、脑血管病、感染疾病、脑变性疾病和脑白质病、颅脑先天发育异常等均具有极高的敏感性，在发现病变方面优于CT；对于脊髓病变如肿瘤、脱髓鞘疾病、脊髓空洞症、外伤、先天畸形等，为首选方法。

主要用途

主要用途MRI的局限性成像速度慢〔相对于X-CT而言〕对钙化灶和骨皮质灶不敏感图像易受多种伪影影响禁忌症：心脏起搏器及铁磁性植入者等定量诊断困难MRI、X-CT、ECT、US比照这不是危言耸听！平安性磁场射频噪声液氦防护周围神经刺激热量积累听力氧含量绝对禁忌症相对禁忌症磁共振成像开展史：1946年美国哈佛大学的E.Purcell及斯坦福大学的F.Bloch领导的两个研究小组各自独立地发现了磁共振现象。Purcell和Bloch共同获得1952年诺贝尔物理学奖；1968年

Jockson试制全身磁共振；1971年美国纽约州立大学的R.Damadian利用磁共振波谱仪对小鼠研究发现，癌变组织的T1，T2弛豫时间比正常组织长；1973年美国纽约州立大学的Lauterbur利用梯度磁场进行空间定位，获得两个充水试管的第一幅磁共振图像；1978年英国取得了第一幅人体头部的磁共振图像；1980年第一副人体胸腹部MR图像产生，磁共振设备商品化。1982年底

全世界有2000名病例接受MRI检查；1984年

美国FDA批准核磁共振使用于临床；1986年

中国成立安科公司；1998年

世界磁共振成像年；磁共振成像的开展1946核磁共振现象的发现USA,物理学家Bloch,Purcell,1952诺贝尔物理奖1971正常与癌变组织磁共振特性有很大差别USA,科学家Damadian1973利用图像重建技术获得充水试管的磁共振图像USA,美国物理学家Lauterbur1974活鼠NMR图像Lauterbur等1976人体胸部NMR图像Damadian1977初期的NMR全身图像Mallard1980MRI装备的商品化1989国产永磁MRI的商品化中科院安科公司2003诺贝尔奖Lauterbur&MansfieldMRI的开展目的、方向及热点开展目的：缩短成像时间提高图像质量降低成像费用更舒适、人性化的受检环境开展热点：fMRI:功能磁共振成像，主要指脑功能磁共振成像MRS:磁共振波谱分析，化学位移、核磁矩、元素确定、体内化学成分分析新的成像核素的开发，如31P专用小型磁共振的开发，如关节磁共振站立式磁共振〔STAND-UPMRI〕主要MRI厂家国际:PHILIPSG.ESIEMENSHITACHIMARCONI(原PICHER)TOSHIBA国内:东大阿尔派(沈阳)安科(深圳)麦迪特(深圳)鑫高益(宁波)万东(北京)威达〔广东〕在磁共振方面，广东威达公司可能不大为人所知，但据行业人士信息，上世纪九十年代国内医院共装配了一百多台威达公司的400高斯磁共振至今仍在使用，而且几乎所有部件都是自己研制生产的。2002年南京的医疗器械展览会上还有模型展出。因该说是在开展国内磁共振事业还是做出了奉献的。故特此提出3TMRI已经广泛用于临床，7TMRI在全球陆续装机，最高的由GE研发的9．4TMRI就安装在RSNA举办地芝加哥。作为超高场MRI的主力军，3Tt以迅猛的速度在世界各地广泛安装投入临床使用。

2021年中国第一台〔亚洲第二台〕7T西门子中国医学科学院生物物理研究所中科院合肥物质科学研究院强磁场中心建成大型超导磁共振成像系统，该系统是亚太地区第一台磁体强度为9.4T、磁体口径为400mm的大型哺乳动物高场磁共振成像系统核磁共振成像磁体可分为：超导磁体、永磁磁体和电磁体三种。从磁场强度来分，磁体可分为中低场(B<0.5T)、中高场(B≈0.5～1.5T)、高场(B>1.5T)和超高磁场(B>3T)。根据所用磁体的不同，核磁共振成像分为超导型、永磁型和电磁型MRI系统。场强为1.5T和3.0T水平温孔MRI系统已经成为标准成像诊断设备，并被医院普遍使用，尤其是磁场到达3～4T的超短腔磁体系统。而7.0T、9.4T和11.75T的核磁共振系统也已在多个国家安装或立项研发样机。MRI系统的场强越高，其所成图像的分辨率越清晰，可观测到低场MRI系统无法发现的现象，高场MRI系统可对人类的大脑开展记忆、注意力、决定等认知层次的研究，甚至能够鉴别谎话这类复杂状态，MRI对人类的健康和科技开展发挥着越来越重要的作用。未来，随着医学诊断需求的增加7T全身成像可能会同3T核磁共振系统一样成为主流产品。MR现象的物理学根底产生核磁共振现象的根本条件静磁场中物质的原子核受到一定频率的电磁波作用，它们的能级之间发生共振跃迁，就是磁共振现象。物质吸收电磁波能量而跃迁后，又会释放电磁能量恢复到初始状态，如果用特殊装置接受这局部能量信号，就采集到MR信号。MR现象的物理学根底产生MR信号三个根本条件：能够产生共振跃迁的原子核；恒定的静磁场〔外磁场、主磁场〕；产生一定频率电磁波的交变磁场。因产生MR的电磁波在电磁波谱中位于长波的射频无线电波波段，这个交变磁场称为射频磁场。“核磁共振〞的“核〞是指共振跃迁的原子核，“磁〞是指主磁场和射频磁场，“共振〞是指当射频磁场的频率与原子核进动的频率一致时原子核吸收能量，发生能级间的共振跃迁。原子核的特性〔一〕原子核自旋和磁矩1.原子核和电子云物质由分子组成的，分子由原子组成。原子由一个原子核及数目不同的电子组成。原子核又由带有正电荷的质子〔proton〕和不显电性的中子组成，其中质子与MRI有关。构成水、脂肪、肌肉等生命物质的原子(氢、钠或磷等)，原子的外层为原子壳，由不停运动着的许多电子构成(电子云)。中央是原子核，核上有电荷，围绕原子核的轴线转动，称为“自旋〞〔spin〕。

原子核自旋

原子核结构和自旋质子(氢质子)

原子核是由不同数量的质子和中子构成，其大小与质量都不相同，如氢的同位素氕(1H)、氘(2H)、氚(3H)。它们的核都有一个质子，不同的是氘还有一个中子，氚有两个中子。因为氕的核只有一个质子，将它称为氢质子或质子，质子带正电，并不停的旋转着，又称自旋质子，是目前MR成像应用最广泛的原子核。自旋动画

带电的自旋质子群

一群自旋着的质子，显示每个核内周边的电荷形成一个环形电流。这些环形电流的方向是杂乱无章的，这是自然状态下的自旋核质子群。每一个环形电流周围将产生电磁效应，就是磁场。一个环形电流就好似一个小磁棒。理论上任何原子核所含质子或中子的为奇数时，具有磁性。自旋动画带电的自旋质子群通电的环形线圈周围都有磁场存在，相当于一块磁铁。所以转动的质子也相当于一个小磁体，具有自身的南、北极及磁力，质子自身具有磁性，在其周围产生磁场，并具有自身磁矩。磁矩是矢量，具有方向和大小，磁矩的方向可有环形电流的法拉第右手定那么确定，与自旋轴一致。环形电流的磁矩μ：μ=IS自然状态下，人体存在大量带电、有磁性的自旋核，但它们的磁矩互相抵消，组织并未显示出磁性。磁场强度及方向

磁场有力和能的性质，力有强度和方向静磁场强度以字母B表示，单位是特斯拉(Tesla)或高斯(Gauss)磁场的强弱在图中用平行线的密疏来表示密度大，场强大，用箭头的长短来表示，箭头的方向就是磁场的方向。TeslaORGauseTesla是一个磁场强度单位,中文译为特斯拉，一个单位Tesla＝10000GauseGause

中文译为高斯,地球的自然磁场强度为高斯,南北极有所不同.

NSB0接动画静磁场的作用〔一〕外加静磁场中的磁化MRI中外加静磁场的强度B0是恒定的。用X、Y、Z坐标系来描述磁场的位置，Z代表B0方向，即磁力线方向，X-Y平面代表垂直于磁场方向的平面。外加静磁场中的磁化垂直座标系

Z轴是B0方向，通常与体轴一致XY平面垂直于体轴，叫横断面X轴是水平轴，Y轴是垂直轴，三个轴互相垂直接动画

静磁场的作用〔一〕外加静磁场中的磁化将一个小磁矩放在外磁场B0中，两磁场方向的夹角为θ，小磁矩发生转动，停在顺B0方向(θ减小到零)。这时的小磁矩处于稳定状态，能级最低，是磁场B0的扭力效应。假设θ等于180°，即磁矩与B0方向相反，磁矩最不稳定，势能最大。磁矩在B0中有顺B0或反B0两个方向，一群磁矩动态平衡的结果是顺B0的磁矩多于逆B0的磁矩，剩余的是平行B0的低能态质子，因此，净磁向量M与B0同方向。接动画静磁场的作用静磁场中人体组织获得磁化

人体进入静磁场后，经过质子有序化排列，组织宏观上产生了一个纵向磁化矢量Mz

，组织有了磁性。纵向磁化矢量Mz不是振荡磁场，无法测定。振荡磁场是一种随时间而变化的磁场，它的磁场变化可在天线内感应产生电压，用电流表可以测定。纵向磁化Mz不移动也不旋转，因此无法记录。

射频磁场的作用MZ不是振荡磁场，无法单独检测出来，不能直接用于成像。如果要检测质子的自旋、收集信号，只有在垂直于静磁场B0方向的横向平面有净磁化矢量。为了设法检测到特定质子群的净磁化矢量，并用于成像，需使净磁化矢量偏离B0方向。为了到达这个目的，在MRI中采用了射频〔radiofrequency，RF〕脉冲作为激发源。自旋(spin):

是原子核具有绕其特定轴旋转的特性自旋角动量：原子核自旋具有方向性磁矩：原子核自旋运动产生的微观磁场,随机分布的根本概念进动〔precession〕：氢原子绕自身轴线转动的同时,其转动轴线又绕重力方向回转核磁共振NMR的条件

原子核在进动中吸收外界能量产生能级跃迁现象外界能量：短射频脉冲激发源射频磁场RF自旋磁矩在主磁场中进动外磁场方向核磁矩方向根本概念沿着主磁场方向为Z轴〔纵轴〕；垂直于主磁场方向的平面为XY平面〔水平面);左右方向为Y轴；前前方向为X轴。宏观磁化向量：全部磁矩重新定向所产生的磁化向量，单位体积中全部原子核的磁矩磁化向量〔M〕与磁场的三维坐标XZB1MY根本概念射频脉冲〔RadioFrequencypulse,RF)：一定频率的无线电波或射频能量,使磁化向量以90°的倾斜角旋转的射频脉冲称为90°脉冲.核磁共振(NuclearMagneticResonance,NMR):利用射频脉冲(RadioFrequencypulse)对平衡态的自旋系统做功,使其吸收能量,射频停止,系统能量释放能量.根本概念弛豫过程(relaxation):是指自旋系统吸收能量后由激发态恢复至其平衡态的过程.这一过程所用时间为弛豫时间(纵向磁化恢复和横向磁化衰减的过程)

弛豫过程是一个能量转变过程,磁距恢复状态过程随时间延长而改变,是磁共振成像的关键.根本概念纵向驰豫T1纵向驰豫(T1驰豫):是指90°射频脉冲激发停止后纵向磁化分量(Mz)将缓慢增大到最初值,成指数规律增长.恢复至平衡态的过程.1*T15*T12*T13*T14*T1MZ

0Time100%63%根本概念T1Relaxation1*T15*T12*T13*T14*T1Mo0.5*Mo

063%ofM0MzTime脂肪白质灰质脑脊液MZ横向驰豫横向弛豫(T2驰豫)：射频脉冲停止后,横向磁化分量Mxy很快衰减到零,并且呈指数规律衰减到RF作用前的零状态.横向弛豫是一个从最大值恢复至零状态的过程.根本概念T2Relaxation

MXYt(ms)37%84921011400脑脊液灰质白质脂肪T1&T2Time63%37%100%T1T2MZMR信号的形成

RFPulse停止后，纵向磁化矢量转向横向并在XY平面内绕Z轴进动。XY平面内的旋转磁体可以在接收线圈内产生感应电压，这个随时间波动的电压即为MR信号。ZM0M1YXMXYRF线圈信号检测YZM(t)O横向磁化的产生拉莫进动O(一)电磁感应与FID信号(磁场)Electromagnetism根据法拉第定率产生电流。Bo(电流)currentXY自由感应衰减信号(freeinductiondecayFID):以频率在XY平面内自由旋进的横向磁化矢量在线圈感应出频率相同,幅度按指数方式快速衰减的MR信号0tFITV幅度MR成像3个根本轴：Z,X,YZ：人体从头到足，沿着这个轴选择人体横断面X：人体从左到右，沿着这个轴选择人体矢状面Y：人体从前到后，沿着这个轴选择人体冠状面〔三〕梯度磁场与定位梯度磁场(G):人体的轴分为Gz、Gx、Gy。梯度磁场是在主磁场根底上再外加的一种磁场，使成像时感兴趣人体段块受到的磁场强度出现微小的差异w0