磁共振成像基础知识.ppt
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1、磁共振成像概述磁共振成像的历史1946年,美国斯坦福大学的Bloch和哈佛大学的Purcell发现了物质的核磁共振现象1978年,英国诺丁汉大学和阿伯丁大学的物理学家获得了第一幅人体头部的核磁共振图像后来为了区别核医学成像,不引起误解,将核磁共振成像(NMR)称为磁共振成像(MRI)MRI扫描仪的基本硬件构成一般的一般的MRIMRI仪由以下几部分组成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主 磁 体 主磁体为一种外加磁场,磁共振成像就是在这种外加磁场内进行的。按主磁体的类型不同,可将磁共振成像仪分为以下三种类型:1.永磁型 2.常导型 3.超导型 永磁型 优点:1.造价与
2、维护费用更低,不耗电,不需冷冻剂;2.磁力线垂直于孔腔,使用螺旋管线圈,可提高信噪比。缺点:1.场强较低,0.3-0.35T;2.重量过大;3.磁场均匀性受室温的影响大,对室温要求高(波动范围1);4.成像速度慢。常导型 优点:1.造价低;2.磁体重量轻;3.磁场可关闭 缺点:1.耗电量大;2.场强低0.2-0.4T;3.产热量大,需大量循环水冷却;4.磁场均匀性受磁体温度的影响大。超导型 优点:1.场强高(0.5-3.0T);2.磁场稳定均匀;3.成像速度快,图象质量好。缺点:1.造价高;2.需要补充液氦和液氮;日常维护费用高。梯度线圈梯度线圈梯度线圈性能的提高磁共振成像速度加快梯度线圈性能
3、指标梯度场强 20mT/m切换率 50mT/m.s 脉冲线圈作用:激发人体产生共振;采集MR信号脉冲线圈的进步显著提高了MR图像的质量计算机系统用于数据的运算、显示图像、控制扫描。MRI的物理学基础 磁共振中的基本物理学概念1、物质是由原子构成的,而原子是由核外电子和原子核组成的。2、不同物质其原子核由不同数目的质子和中子组成。3、氢核内没有中子,只有单个质子,带正电,作自旋运动,产生磁场,并具有极性。人体内含有丰富的氢质子,各自极性排列杂乱无章。目前的MRI都是利用1H核成像4、带正电荷的H质子围绕自身轴旋转,称“自旋”。该自旋轴亦围绕某一轴旋转,称“进动”。5、人体进入均匀的磁场B0中,杂
4、乱无章的H原子核逐渐按主磁场方向排列并继续进动(进动轴与B0一致),即“磁化”。B06、在常温的状态下顺静磁场B0排列的氢质子数比逆向排列者多10-6倍。故净磁化矢量M在Z轴上的分量与静磁场B0方向一致,称“纵向磁化矢量(M0)”。由于各个氢质子进动不同步,故在XY平面上的分量相互抵消,为0。(矢量是具有一定方向和大小的物理量)7、组织净磁化向量即受静磁场的作用(相当于陀螺受到重力作用),也受射频磁场的作用(相当于对陀螺顶端水平方向的弹力)。当有射频磁场(频率单一的电磁波)作用于H质子时,只要射频磁场频率与磁化矢量进动频率相同,H质子吸收其能量,磁化矢量进动角度将会越来越大。8、射频脉冲(RF
5、)愈长,进动角度愈大,可以使进动角度增加到900的RF称900 RF。在垂直于主磁场的RF作用下,氢质子同步旋转进动,逐渐从Z轴倒向XY平面旋转,形成新的磁化矢量,称“横向磁化矢量”(或虽然没有完全倒向XY平面,但由于RF的作用,使氢质子旋转进动同步,净磁化矢量在XY平面形成的分量亦称)。9、组织的磁化矢量是由许许多多质子的成分所构成的,每个质子的进动频率也直接取决于主磁场强度。主磁场强度和磁化矢量进动频率之间遵循拉摩尔方程 f=B0/2 f是进动频率,B0是主磁场强度,是磁旋比,对于每一种原子核,磁旋比是一个常数,氢质子的磁旋比约为42.5810、磁化矢量在XY平面旋进,产生变化的磁场,根据
6、法拉第定律,若在磁场内有一个线圈,则会在线圈内产生变化的电流,即MR信号,这是一个释放能量的过程。11、撤消RF后,新建立的横向磁化矢量逐步消失,称“横向弛豫”,反映横向磁化衰减、丧失的过程。其消失至最大值37%所需的时间称该组织的“T2”。13、纵向磁化矢量逐步恢复,称“纵向弛豫”。其反映自旋核把吸引的能量传递给周围晶格所需的时间。其恢复到原来大小的63%所用时间称该组织的“T1”。提示不同组织有着不同横向(T2)弛豫或/和纵向(T1)弛豫速度,是MRI显示解剖结构和病变的基础。14、氢质子的上述吸收和释放能量的过程称“共振”,共振的条件是射频脉冲的频率和氢质子的拉莫尔频率一致。MRI形成的
7、基本理论 根据拉莫尔方程,质子的进动频率与场强成正比,若(利用梯度磁场)令病人体内空间各点的场强不同,不同空间位置的质子将以不同的频率进动,则产生的MR信号频率也不同,藉之就能确定MR信号产生的部位。梯度磁场 由主磁体提供的静磁场,在成像空间内其磁场是均匀的,而梯度磁场却是在静磁场中放入通电线圈,产生新的磁场,使磁场中的一点的磁场比另一点强,从而获得MR成像的位置信息。目前设计的梯度磁场有三种:层面选择梯度磁场,频率编码梯度磁场和相位编码梯度磁场。这三种梯度磁场由三个梯度磁场来完成,这三个梯度磁场的方向均按3个基本轴线(X、Y、Z轴)的方向,联合使用梯度磁场亦可获得任意斜面的图像。通常GZ指人
8、体自头至脚的梯度磁场,GX指左右梯度磁场,GY指前后梯度磁场。层 面 选 择在固定的主磁场上附加一个线性的梯度磁场,就会在受检体上形成不同共振频率的空间坐标。如右图,在1.0T的磁场中,加入一个梯度磁场,则一端场强高,氢质子共振频率也高,另一端场强低,氢质子共振频率也低。选用不同频率的RF去激励相应位置的质子,就可以达到选择层面的目的。成像平面信号的定位在平面内是采用频率梯度磁场改变氢质子的进动频率,运用相位梯度磁场短时间作用于氢质子来改变其相位,从而确定各自位置的。傅里叶变换傅里叶变换的功能是将信号从时间阈值转换为频率阈值 ,用于“翻译”频率与相位编码的信号成份。通过傅里叶变换每个复合信号都
9、被分解成一系列具体与体素相应的频率成分。就象一个乐队演出的乐曲,是一个多频率的复合信号,我们的耳朵能够分辨出每一个声调和频率,能区分出钢琴、小提琴及其它乐器,是因为我们的听神经具有傅里叶变换的能力。图像重建 如前所述,傅里叶变换可将复合信号的频率和相位成分区分开。故沿着一个平面的两个垂直方向行相位(行)和频率(列)编码,便可得到该层面每个体素的信息。就象电影院座位按排、行编号那样,各个体素由不同的频率和相位组合,在矩阵中有其特有的位置,再由计算机计算出每个体素的灰阶值,就得出一幅MR图像。脉冲序列:是一具有特定时序和幅度的射频 脉冲。重 要 性:控制着系统施加RF脉冲、梯度和 数据采集方式,并
10、决定图像的加 权、图像质量及对病变显示的敏 感性。分 类:分三类:SE 、IR 、GRE脉冲序列脉冲序列SE(Spin echo)脉冲序列 1、常规SE序列:是一个以900-1800为序列的脉冲序列,先施加一个900脉冲,继而施加一个1800复相位脉冲使质子相位重聚,产生自旋回波信号。90脉冲间隔时间TR(Time of Repetition,重复时间);90至获取回波的时间TE(Time of Echo,回波时间)。所谓的加权就是“突出”的意思T1加权成像(T1WI)-突出组织T1弛豫(纵向弛豫)差别T2加权成像(T2WI)-突出组织T2弛豫(横向弛豫)差别。在任何序列图像上,信号采集时刻横
11、向的磁化矢量越大,MR信号越强。T1T1加权成像、加权成像、T2T2加权成像加权成像短TR、短TET1加权像,T1像特点:组织的T1越短,恢复越快,信号就越强;组织的T1越长,恢复越慢,信号就越弱。T T1 1加权像加权像T T2 2加权像加权像 长TR、长TET2加权像,T2像特点:组织的T2越长,恢复越慢,信号就越强;组织的T2越短,恢复越快,信号就越弱。长TR、短TE质子密度加权像,图像特点:组织的 H 越大,信号就越强;H 越小,信号就越弱。脑白质:65%脑灰质:75%CSF:97%质子密度加权像质子密度加权像常规SE序列的特点最基本、最常用的脉冲序列。得到标准T T1 1 WIWI、
12、T T2 2 WIWI图像。T T1 1 WIWI观察解剖好。T T2 2 WIWI有利于观察病变,对出血较敏感。伪影相对少(但由于成像时间长,病人易产生运动)。成像速度慢。2、FSE脉冲序列 原理:FSE脉冲序列,在一次900脉冲后施加多次1800复相位脉冲,取得多次回波并进行多次相位编码,即在一个TR间期内完成多条K空间线的数据采集,使扫描时间大大缩短。在一次成像中得到同一层面的不同加权性质的图像。FSEFSE序列时序图序列时序图扫描参数:T1WI-短TE,20ms TR,300600ms ETL26 T2WI-长TE,100 长TR,4000 ETL812优 点:时间短,显示病变。缺 点
13、:对出血不敏感,伪影多等。FSEFSE序列序列T1WIT1WI和和T2WIT2WI反转恢复序列反转恢复序列(Inverse(Inverse Recovery,IR)Recovery,IR)IR序列是用来得到最佳T1像的成像序列。IR序列是由一个180反转脉冲使 Mz0 反转,此后脉冲同SE序列。180-90-180-Echon 180脉冲反转脉冲结束后,无MXY的存在,MZ开始恢复,等MZ过了0点后,在时刻 t=TI(Time of Inversion反转时间),再施加一个 90脉冲(此后的脉冲方式同SE),再施加180脉冲,就可以得到回波信号。IR序列的TR一般为18002500ms,而TI
14、=400600ms。IRIR序列序列M M的变化过程的变化过程IRIR序列特点序列特点 IR序列具有强T1对比特性;可设定TI,饱和特定组织产生具有特征性对 比图像(STIR、FLAIR);短 TI 对比常用于新生儿脑部成像;采集时间长,层面相对较少。STIRSTIR序列序列(Short TI Inversion Recovery)(Short TI Inversion Recovery)在IR恢复过程中,组织的MZ都要过0点,但时间不同。利用这一特点,对某一组织进行抑制。如脂肪,由于其T1时间比其他组织短,取TI=0.69T1(T1为脂肪弛豫时间),脂肪的信号好过0点,接收不到它的信号。突出
15、其他组织。STIRSTIRSTIRSTIR应用于膝关节应用于膝关节应用于膝关节应用于膝关节膝盖矢状像(脂肪抑制)常规FLAIRFLAIRFLAIRFLAIR序列序列序列序列 当T1非常长时,几乎所有组织的MZ都已恢复,只有T1非常长的组织的 MZ接近于0,如水,液体信号被抑制,从而特出其他组织。FLAIR(Fluid Attenuation IR)常用于对CSF抑制。FLAIRFLAIRFLAIRFLAIR序列序列序列序列 SE T2加权 FLAIR,脑室水被抑制,白质信号更清楚IRIRIRIR序列的运用序列的运用序列的运用序列的运用 脑部IR的T1加权可使灰白质的对比度更大。眼眶部STIR能
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