《MRI基本原理》课件

MRI基本原理磁共振成像(MRI)是一种非侵入性成像技术，利用磁场和无线电波创建人体内部的详细图像。什么是MRI磁共振成像MRI是核磁共振成像（MagneticResonanceImaging）的简称，是一种非侵入性的医学影像技术，利用强磁场和无线电波产生人体内部的详细图像。无辐射与X射线、CT等影像技术不同，MRI不会产生有害的电离辐射，对人体无害，可以安全地用于各种人群，包括儿童、孕妇等。MRI的发展历程11946年美国物理学家费利克斯·布洛赫和爱德华·珀塞尔因在核磁共振方面的研究独立获得诺贝尔物理学奖。21971年美国科学家保罗·劳特伯发表文章，提出使用梯度磁场来定位核磁共振信号，为MRI技术的诞生奠定了基础。31973年英国科学家彼得·曼斯菲尔德首次成功应用梯度磁场获得人体第一张核磁共振图像。41977年美国科学家雷蒙德·达马迪安发明了第一台用于医学诊断的MRI扫描仪。51980年美国科学家理查德·恩斯特因其在核磁共振波谱学方面的贡献获得了诺贝尔化学奖。61991年美国科学家保罗·劳特伯因其在MRI成像方面的贡献获得了诺贝尔生理学或医学奖。MRI的基本原理核磁共振MRI利用原子核在强磁场中的自旋特性，通过射频脉冲激发核磁共振信号，从而获取人体组织的图像。梯度场在磁场中加入梯度场，使不同位置的原子核产生不同的共振频率，从而实现空间定位。图像重建将采集到的核磁共振信号进行傅里叶变换，并根据空间定位信息，重建人体组织的图像。磁场的产生磁共振成像(MRI)依赖于强磁场，这些磁场是由强大的电磁铁产生的。这些电磁铁通常使用超导线圈，在极低温度下运行，以产生强大的磁场。1.5T1.5T常见的磁场强度3T3T更高分辨率和信噪比7T7T用于研究和特殊成像磁场的强度单位特斯拉（T）临床应用0.5-3T超高场7T以上磁场强度是MRI的关键参数，直接影响信噪比和分辨率。较强的磁场可以提高信噪比，使图像更清晰，同时也能提高分辨率，显示更多细节。超高场MRI能够提供更高的灵敏度和分辨率，但技术难度也更大，成本更高。核磁共振现象原子核原子核带正电，并像一个小磁体，具有磁矩。原子核的自旋运动产生磁矩。磁场作用在强磁场中，原子核的磁矩会受到磁场力的作用，排列整齐。电磁波特定频率的电磁波可以使原子核的磁矩发生共振。信号产生共振后，原子核会释放出信号，被MRI仪器接收，进而生成图像。共振频率1核磁共振频率核磁共振频率取决于原子核的种类和所处磁场的强度，不同的原子核在同一磁场中具有不同的共振频率，氢核的共振频率最高，因此在MRI中应用最广泛。2共振频率公式核磁共振频率可以通过公式f=γB/2π计算，其中f为共振频率，γ为原子核的旋磁比，B为磁场强度。3频率调谐通过改变磁场强度，可以改变核磁共振频率，这种技术被称为频率调谐，在MRI中，利用频率调谐技术可以区分不同的组织结构。前述的简单解释核磁共振成像利用了原子核的自旋特性。这些原子核就像微小的磁体，在磁场中会以特定的频率旋转。当外部射频脉冲的频率与原子核自旋频率一致时，就会发生共振，原子核会吸收能量并改变自旋方向。当射频脉冲停止后，原子核会逐渐回到初始状态，释放能量，这个过程可以被检测到，并用来构建图像。对于氢核的解释氢核的组成氢原子只有一个质子，没有中子，因此氢核仅由一个质子构成。自旋和磁矩氢核具有自旋，并产生磁矩，其大小和方向与自旋角动量相关。横向磁化和纵向磁化1纵向磁化氢核自旋方向与外磁场方向一致2横向磁化氢核自旋方向与外磁场方向垂直3磁化矢量表示磁化强度和方向的矢量4磁化过程外磁场使氢核自旋方向趋于一致纵向磁化反映了氢核自旋方向与外磁场方向一致的程度，横向磁化反映了氢核自旋方向与外磁场方向垂直的程度。磁化矢量的方向和大小决定了MRI信号的强度和相位。自旋和磁矩原子核自旋原子核内部带电粒子运动产生自旋，如同地球自转。磁矩产生自旋运动会产生磁矩，类似于一个小磁铁，具有南北极。磁场方向磁矩的方向取决于原子核自旋的方向，形成一个微小的磁场。磁场强度磁矩的大小决定了磁场强度，不同的原子核具有不同的磁矩。自旋系综的态势在MRI中，大量的氢原子核的自旋方向并非完全一致，而是呈现随机分布。这些自旋方向的随机性导致总体磁矩相互抵消，因此在没有外磁场的情况下，物质整体上不会表现出磁性。当外磁场施加后，氢原子核的自旋方向会发生变化，部分氢原子核的自旋方向会与外磁场方向一致，产生磁化。这种现象称为自旋系综的态势，是MRI成像的基础。激发和放松过程激发应用射频脉冲，使自旋系综中的核磁矩发生共振，从而改变核磁矩方向，使其不再指向Z轴。能量吸收氢核从低能级跃迁至高能级，吸收射频能量。弛豫射频脉冲结束后，核磁矩不再受到外力，逐渐恢复到初始状态，即沿Z轴方向排列。能量释放氢核从高能级跃迁至低能级，释放能量，并以无线电波的形式发出信号。T1和T2的概念1T1弛豫时间T1弛豫时间指从纵向磁化完全消失到恢复到63%所需的时间。2T2弛豫时间T2弛豫时间指从横向磁化完全消失到恢复到37%所需的时间。3概念区别T1和T2分别描述了纵向和横向磁化的恢复时间，反映了不同的物理过程。T1弛豫和T2弛豫T1弛豫T1弛豫是指纵向磁化恢复到平衡状态的时间常数。它取决于组织的水含量和分子运动速度。T1加权成像可以显示组织的解剖结构。T2弛豫T2弛豫是指横向磁化衰减到零的时间常数。它取决于组织的氢离子浓度和分子运动速度。T2加权成像可以显示组织的水分含量和病理变化。自旋回波现象自旋回波现象是指当磁场梯度脉冲结束后，氢原子核自旋逐渐恢复到平衡状态时，由于核磁共振信号的衰减而形成的信号回波。自旋回波信号的衰减速度与组织的弛豫时间相关，因此可以用来区分不同的组织类型。编码原理空间编码通过改变磁场梯度，实现对不同空间位置的信号进行编码。频率编码利用不同频率的射频脉冲，对不同空间位置的信号进行编码。相位编码通过改变相位编码梯度，对不同空间位置的信号进行编码。梯度场的作用空间定位梯度场会使不同位置的磁场强度不同。通过改变梯度场的强度和方向，可以将信号源的空间位置编码为不同的频率。图像重建通过对不同梯度场下获取的信号进行处理，可以重建出组织的二维或三维图像。切片选择梯度场可以用于选择特定的切片进行成像。其他功能梯度场还可以用于多种成像技术的实现，例如扩散加权成像和磁敏感加权成像。图像重建的基本原理1数据采集获取空间位置和信号强度2数据处理进行傅里叶变换3图像显示将信号转换为像素MRI图像重建过程主要分为三个步骤：数据采集、数据处理和图像显示。影像构建的几种方式11.频谱编码利用不同频率的信号，对图像进行编码，并根据频率信息重建图像。22.相位编码利用不同相位的信号，对图像进行编码，并根据相位信息重建图像。33.空间编码利用不同的空间位置，对图像进行编码，并根据空间信息重建图像。44.傅里叶变换对编码后的信号进行傅里叶变换，将信号从时域变换到频域，并根据频域信息重建图像。脉冲序列的种类自旋回波序列是最常用的序列之一，产生高质量的图像，但扫描时间较长。梯度回波序列扫描速度快，适用于动态图像，但图像质量略逊于自旋回波序列。反转恢复序列用于区分不同组织的T1弛豫时间，常用于脑部扫描。弥散加权成像用于观察组织内部的水分子运动，常用于脑肿瘤检测。T1加权和T2加权成像T1加权成像T1加权成像以组织的T1弛豫时间为基础。T1弛豫时间是指组织从低能级状态到高能级状态的时间，它与组织的组成成分有关。例如，脂肪组织的T1弛豫时间较短，在T1加权图像中表现为明亮信号。T2加权成像T2加权成像以组织的T2弛豫时间为基础。T2弛豫时间是指组织从高能级状态到低能级状态的时间。例如，水组织的T2弛豫时间较长，在T2加权图像中表现为明亮信号。扫描过程1定位患者进入扫描仪，躺在一张可移动的床上，床会滑入扫描仪的中心，并将身体移动到扫描区域。2扫描开始扫描过程开始后，患者需要保持静止，避免身体晃动或移动，以免影响图像质量。3图像采集扫描完成后，扫描仪会将采集到的信号数据传输到计算机，并通过复杂的算法重建成图像。扫描参数的选择层厚层厚决定了图像的横向分辨率和信噪比。层厚越薄，分辨率越高，但信噪比越低。重复时间（TR）TR决定了每个层面的扫描时间。TR越短，扫描速度越快，但信噪比越低。回波时间（TE）TE决定了扫描时间。TE越长，信噪比越低，但图像对比度越高。视野（FOV）FOV决定了图像的空间范围。FOV越大，图像分辨率越低，但图像细节可能丢失。成像质量的影响因素磁场均匀性磁场均匀性影响图像清晰度和准确性。不均匀的磁场会导致图像失真和伪影。梯度场线性度梯度场线性度影响图像的空间分辨率。非线性梯度场会导致图像模糊和伪影。脉冲序列设计脉冲序列的设计决定了图像的对比度和信噪比。合理的脉冲序列设计可以提高图像质量。扫描参数设置扫描参数设置，如扫描时间、层厚和矩阵尺寸，都会影响图像质量。合理的参数设置可以提高图像质量。MRI系统的组成磁体系统磁体系统产生强磁场，将人体内的氢原子核排列整齐。射频系统射频系统发射射频脉冲，激发氢原子核产生共振。梯度系统梯度系统产生空间梯度磁场，用于对不同位置的信号进行编码。数据采集和处理系统数据采集和处理系统接收、处理、重建信号，生成MRI图像。MRI成像的应用领域1神经系统疾病脑肿瘤、脑卒中、脑积水、多发性硬化症、癫痫等疾病的诊断。2肌肉骨骼系统疾病关节炎、韧带损伤、骨折、肌肉损伤等疾病的诊断。3心脏病心脏结构异常、心肌病变、心脏瓣膜疾病等诊断。4肿瘤诊断各种肿瘤的诊断和分期，以及疗效评估。存在的问题和未来展望成本问题MRI设备昂贵，扫描成本较高，阻碍了其普及。技术局限MRI扫描时间较长，对部分患者不适用，如金属植入患者。