MRI概述1解读.pptx

Chapter 13 MRI（Magnetic Resonance Imaging）设备设备 1 1 概述概述 万东医疗万东医疗i-Open 0.36T 磁共振成像系统磁共振成像系统 n日立公司日立公司-AIRIS磁共振系统磁共振系统,前方前方210度、后方度、后方70度的开放度的开放空间。机架的开放形式不仅解决了超导空间。机架的开放形式不仅解决了超导MRI的噪音和压抑感的噪音和压抑感的困扰，操作者还可以从多个不同方向同时接近磁场中心，的困扰，操作者还可以从多个不同方向同时接近磁场中心，为正在兴起的为正在兴起的MR介入治疗及手术室介入治疗及手术室MRI提供了理想的平台。提供了理想的平台。一、核磁共振成像技术发展简史一、核磁共振成像技术发展简史n1946：布洛赫（：布洛赫（F.Bloch）领导的斯坦福大）领导的斯坦福大学研究小组和伯塞尔（学研究小组和伯塞尔（E.Purcell）领导的哈）领导的哈佛大学研究小组分别在水与石蜡中独立地观佛大学研究小组分别在水与石蜡中独立地观察到察到MR现象现象.因此，在因此，在1952年布洛赫和伯塞年布洛赫和伯塞尔共同获得了诺贝尔物理学奖。尔共同获得了诺贝尔物理学奖。n1967：第一次用：第一次用MRI设备测试人体活体。设备测试人体活体。n1971：达马丁（：达马丁（Damadian）发现了）发现了MRI的的一个重要参数一个重要参数T1。肿瘤组织的。肿瘤组织的T1值远大于值远大于相应正常组织的相应正常组织的T1值。值。(T1大，图象暗大，图象暗)n1973年，受年，受CT图像重建的启示，纽约州立大图像重建的启示，纽约州立大学的劳特布尔（学的劳特布尔（Lauterbur）在）在Nature杂杂志上发表了志上发表了MRI设备空间定位方法。设备空间定位方法。n1974年，曼斯菲尔德（年，曼斯菲尔德（Mansfield）研究出脉）研究出脉冲梯度法选择成像断层的方法。冲梯度法选择成像断层的方法。n1975年，恩斯特（年，恩斯特（Ernst）研究出相位编码的）研究出相位编码的成像方法。成像方法。n1977年，爱特斯坦（年，爱特斯坦（Edelstein）、赫切逊）、赫切逊（Hutchison）等等研究出自旋扭曲（研究出自旋扭曲（Spin Warp）成像法。）成像法。n1977年，达马丁完成了首例动物活体肿瘤检年，达马丁完成了首例动物活体肿瘤检测成像，并获得首张人体活体测成像，并获得首张人体活体MRI设备设备图图像。像。n1980年，阿勃亭（年，阿勃亭（Aberdeen）领导的研究）领导的研究小组发表了利用二维傅立叶变换对图像进小组发表了利用二维傅立叶变换对图像进行重建的成像方法。该成像方法效率高、行重建的成像方法。该成像方法效率高、功能多、形成的图像分辨力高、伪影小，功能多、形成的图像分辨力高、伪影小，目前医用目前医用MRI设备均采用该算法。设备均采用该算法。n1983年，年，MRI设备进入市场。设备进入市场。二、主要特点及临床应用二、主要特点及临床应用（一）一）MRI设备的特点为：设备的特点为：、多参数成像，可提供丰富的诊断信息、多参数成像，可提供丰富的诊断信息 氢核（质子）密度氢核（质子）密度、纵向弛豫时间、纵向弛豫时间T1、横向弛像时间、横向弛像时间T2以及体内以及体内液体的流速液体的流速V、化学位移、化学位移等。等。、人体氢核含量高，高对比成像、人体氢核含量高，高对比成像 人体含有占体重人体含有占体重70以上的水。这些水中的氢核是磁共振信号的主要以上的水。这些水中的氢核是磁共振信号的主要来源，其余信号来自脂肪、蛋白质和其他化合物中的氢质子。来源，其余信号来自脂肪、蛋白质和其他化合物中的氢质子。、任意方位体层、三维成像、任意方位体层、三维成像横断面、冠状面、矢状面、任意斜位多个方位的成像，三维立体空间横断面、冠状面、矢状面、任意斜位多个方位的成像，三维立体空间上观察人体上观察人体。4 4、高的组织学、分子学特征、高的组织学、分子学特征 nMRIMRI不不仅仅能能显显示示人人体体解解剖剖及及病病理理变变化化的的影影像像学学细细节节，磁共振波谱分析还可提供有关分子水平诊断信息。磁共振波谱分析还可提供有关分子水平诊断信息。n任任何何生生物物组组织织在在发发生生结结构构变变化化之之前前，首首先先要要经经过过复复杂杂的的化化学学变变化化，然然后后才才发发生生功功能能改改变变和和组组织织学学异异常常。MRIMRI使使疾疾病病的的诊诊断断深深入入到到分分子子生生物物学学和和组组织织学学的的水水平。平。n通通过过MRIMRI的的研研究究可可以以洞洞察察组组织织器器官官的的能能量量代代谢谢情情况况。MRIMRI是是目目前前唯唯一一能能对对人人体体的的组组织织代代谢谢、生生化化环环境境及及化合物进行定量分析的无创伤性方法。化合物进行定量分析的无创伤性方法。5、多种特殊成像、多种特殊成像 如各种血管成像，水、脂成像、脑功能成像等。如各种血管成像，水、脂成像、脑功能成像等。MRIMRI无需注射对比剂即可显示心脏和某些血管的结无需注射对比剂即可显示心脏和某些血管的结构。构。、较高的成像速度、较高的成像速度 虽然目前大多数磁共振成像速度还不十分快虽然目前大多数磁共振成像速度还不十分快,但新但新的快速成像序列技术已经出现的快速成像序列技术已经出现,其高速其高速MRIMRI设备的成设备的成像速度已经超过了螺旋像速度已经超过了螺旋CTCT。、无电离辐射、无电离辐射、高额的运行、检查费用。、高额的运行、检查费用。（二）磁共振成像的主要临床应用（二）磁共振成像的主要临床应用1 1MRI磁共振成像在临床上的应用磁共振成像在临床上的应用：各种参数的解剖学结构图像，用以区别不同各种参数的解剖学结构图像，用以区别不同器官、组织；器官、组织；MRI可利用被检组织的物理和生物化学特性可利用被检组织的物理和生物化学特性作组织特性的评价；作组织特性的评价；通过流动效应来评价血流和脑脊液的流动，通过流动效应来评价血流和脑脊液的流动，可精确测定血液的流速、分布等特征。可精确测定血液的流速、分布等特征。2 2磁共振波谱分析磁共振波谱分析（magnetic resonance spectroscopy,MRS）目前检测体内化学成分唯一的无创性目前检测体内化学成分唯一的无创性手段，可精确测定很小单元体积内组织特手段，可精确测定很小单元体积内组织特定成分的含量。定成分的含量。MRS 在高均匀性的强磁场中，利用在高均匀性的强磁场中，利用化学位移对应的频谱分析，能揭示组织内化学位移对应的频谱分析，能揭示组织内生理、生化生理、生化(蛋白质等蛋白质等)的情况。的情况。（）磁共振波谱：（）磁共振波谱：将磁共振信号，经傅立叶将磁共振信号，经傅立叶公式转换成频率公式转换成频率(波谱波谱)作为诊断手段的检查作为诊断手段的检查方法。方法。与磁共振成像不同的是磁共振波谱主要与磁共振成像不同的是磁共振波谱主要检测的是组织内的一些化合物和代谢物的含检测的是组织内的一些化合物和代谢物的含量以及它们的浓度。量以及它们的浓度。由于各组织中的原子核质子是以一定的由于各组织中的原子核质子是以一定的化合物的形式存在化合物的形式存在.在一定的化学环境下这在一定的化学环境下这些化合物或代谢物有一定的化学位移，并在些化合物或代谢物有一定的化学位移，并在磁共振波谱中的峰值都会有微小变化，它们磁共振波谱中的峰值都会有微小变化，它们的峰值和化学浓度的微小变化经磁共振扫描的峰值和化学浓度的微小变化经磁共振扫描仪采集，使其转化为数值波谱。这些化学信仪采集，使其转化为数值波谱。这些化学信息代表组织或体液中相应代谢物的浓度，反息代表组织或体液中相应代谢物的浓度，反映组织细胞的代谢状况。即磁共振波谱是从映组织细胞的代谢状况。即磁共振波谱是从组织细胞代谢方面来表达其病理改变的。组织细胞代谢方面来表达其病理改变的。（）化学位移：（）化学位移：n原子核周围因素即所谓化学环境不同引起外原子核周围因素即所谓化学环境不同引起外磁场或共振频率的移动这种现象称为化学位磁场或共振频率的移动这种现象称为化学位移。移。3 3介入磁共振介入磁共振 n所谓介入所谓介入MRI，是在开放式，是在开放式MRI设备下实设备下实现精确定位及图像引导，以达到某种诊断现精确定位及图像引导，以达到某种诊断和治疗目的的新技术。它的应用范围包括和治疗目的的新技术。它的应用范围包括脑外科、骨科、普通外科及肿瘤科等。脑外科、骨科、普通外科及肿瘤科等。（三）磁共振成像临床应用的禁忌与局限（三）磁共振成像临床应用的禁忌与局限1金属异物：会产生金属伪影。金属异物：会产生金属伪影。体内（起搏器、介入留置夹、金属关节、种体内（起搏器、介入留置夹、金属关节、种植牙、金属节育环等），体外（假牙、假肢、金属植牙、金属节育环等），体外（假牙、假肢、金属饰品、磁卡等）。饰品、磁卡等）。n磁共振检查为何要求严格：磁共振检查为何要求严格：首先，含铁磁性的置入物在磁场环境下受磁力首先，含铁磁性的置入物在磁场环境下受磁力相互作用时，可出现移位和转动，其移动程度与静相互作用时，可出现移位和转动，其移动程度与静磁场的场强大小、空间梯度磁场的场强大小，以及磁场的场强大小、空间梯度磁场的场强大小，以及置入物的质量、大小、形状及其磁敏感性呈正比。置入物的质量、大小、形状及其磁敏感性呈正比。其次，具有生物电活动或导电部件的生物医学其次，具有生物电活动或导电部件的生物医学置入物及其附属装置会被诱导，产生局部较强电流，置入物及其附属装置会被诱导，产生局部较强电流，进而有可能导致置入物过量加热。进而有可能导致置入物过量加热。例如，心脏起搏器、各类体内神经刺激装置、例如，心脏起搏器、各类体内神经刺激装置、体内导丝等进入磁场后，可导致患者不同程度的烧体内导丝等进入磁场后，可导致患者不同程度的烧伤。尤其是当这些装置具有一定几何形状，如呈环伤。尤其是当这些装置具有一定几何形状，如呈环形或线圈样，且靠近射频发射源时，热损伤更易发形或线圈样，且靠近射频发射源时，热损伤更易发生。生。2早孕者早孕者(三个月内三个月内)尽管目前尚无证据表明磁场对人体发育有尽管目前尚无证据表明磁场对人体发育有危害，但谨慎起见，对妊娠病人，尤其妊娠早危害，但谨慎起见，对妊娠病人，尤其妊娠早期必须慎重对待。期必须慎重对待。3不安静者不安静者(恐惧者、婴幼儿、高危病人恐惧者、婴幼儿、高危病人)MRI扫描时间较长，因此无法控制的不自扫描时间较长，因此无法控制的不自主运动及不合作的病人、重危病人需要生命监主运动及不合作的病人、重危病人需要生命监护系统和生命维持系统者（铁磁物质不能进入护系统和生命维持系统者（铁磁物质不能进入磁体机房），亦不能接受此项检查。磁体机房），亦不能接受此项检查。三、主要技术参数三、主要技术参数1组织参数：组织参数：它是人体的内在信息参数。它是人体的内在信息参数。氢核（质子）密度氢核（质子）密度 纵向弛豫时间纵向弛豫时间T1横向弛像时间横向弛像时间T2体内液体的流速体内液体的流速V化学位移（化学位移（）n质子密度质子密度与与MR信号的强度成正比，它主信号的强度成正比，它主要反映欲观察平面内组织脏器的大小、范要反映欲观察平面内组织脏器的大小、范围和位置。围和位置。nTl、T2参数则含有丰富和敏感的生理、生参数则含有丰富和敏感的生理、生化信息。化信息。2设备参数设备参数 ：是成像所依赖的设备及成像过是成像所依赖的设备及成像过程的测量条件参数。程的测量条件参数。n主要有磁场强度、梯度磁场强度和切换率、主要有磁场强度、梯度磁场强度和切换率、线圈特性（包含发射和接收）、测量条件。线圈特性（包含发射和接收）、测量条件。n重复时间（重复时间（time of repetition，TR）、回波、回波时间时间（time of echo，TE）和反转时间和反转时间（time of inversion，TI）决定图像的性质，决定图像的性质，即图像的权重。即图像的权重。n层厚、平均采样次数、像素尺寸、有效视野层厚、平均采样次数、像素尺寸、有效视野和层数决定扫描区域并控制图像信号的密度。和层数决定扫描区域并控制图像信号的密度。四、发展趋势四、发展趋势1 1主磁体主磁体n主磁体的发展趋势是低磁场强度的开放和主磁体的发展趋势是低磁场强度的开放和高磁场强度的性能改善。高磁场强度的性能改善。n国内市场上的国内市场上的MRI产品主要有两种：场强产品主要有两种：场强为为0.30.4的永磁的永磁MRI和场强在和场强在1.5以上的超导以上的超导MRI(78T)。n由于技术水平不高，国内企业较多的生产由于技术水平不高，国内企业较多的生产永磁永磁MRI，而跨国企业则在超导，而跨国企业则在超导MRI上优上优势明显。势明显。(1)(1)在第在第20062006年年4 4月的月的5555届中国国际医疗器届中国国际医疗器械春季博览会上，北京万东医疗装备股份械春季博览会上，北京万东医疗装备股份公司正式对外发布了其拥有自主知识产权、公司正式对外发布了其拥有自主知识产权、去年被评为中关村科技园海淀园经济创新去年被评为中关村科技园海淀园经济创新工程的国内第一台工程的国内第一台“永磁型超级开放永磁型超级开放0.360.36磁共振成像系统磁共振成像系统”。(2)(2)新奥博为公司以推出世界首台新奥博为公司以推出世界首台0.450.45永永磁磁共振成像系统，一跃成为国内磁共振生磁磁共振成像系统，一跃成为国内磁共振生产企业中的一员新贵。（产企业中的一员新贵。（20032003年，由年，由8 8位归位归国博士创办的美国博维技术有限公司与廊坊国博士创办的美国博维技术有限公司与廊坊新奥集团联合成立新奥博为公司。）新奥集团联合成立新奥博为公司。）n20062006年年7 7月月2323日，国内首台日，国内首台“MRIMRI图像导航介图像导航介入治疗系统入治疗系统”正式落户北京协和医院，这正式落户北京协和医院，这标志着我国自主科技创新的尖端科研成果标志着我国自主科技创新的尖端科研成果在中国首次实现产业化，可望成为中国医在中国首次实现产业化，可望成为中国医疗领域的一大发展趋势。疗领域的一大发展趋势。n“MRIMRI图像导航介入治疗系统图像导航介入治疗系统”主要是将手主要是将手术导航系统结合到磁共振扫描机上，借助术导航系统结合到磁共振扫描机上，借助计算机处理手段，把手术器械（如穿刺针）计算机处理手段，把手术器械（如穿刺针）的影像及其虚拟的进入路线，投射到系统的影像及其虚拟的进入路线，投射到系统实时成像的解剖图像上，以达到准确定位实时成像的解剖图像上，以达到准确定位和实时监控。和实时监控。磁场强度大小对磁场强度大小对MRIMRI设备图像质量的影响：设备图像质量的影响：在信噪比方面，磁场强度越高，信号强度在信噪比方面，磁场强度越高，信号强度越大，信噪比越高（但不是线性关系）。越大，信噪比越高（但不是线性关系）。磁场强度高，扫描时间短。磁场强度高，扫描时间短。在图像对比度方面，组织的在图像对比度方面，组织的T1值随磁场强值随磁场强度增高而变大，度增高而变大，T1驰豫时间延长。当驰豫时间延长。当TR为为固定值时，固定值时，T1图像对比度反而下降，造成图像对比度反而下降，造成T1图像质量下降图像质量下降。2 2梯度磁场梯度磁场：影响：影响MRI设备的成像时间，也设备的成像时间，也决定图像的最高空间分辨力。决定图像的最高空间分辨力。n梯度切换时，变化的磁场在周围导体中感梯度切换时，变化的磁场在周围导体中感应出圆形电流，称为涡流。应出圆形电流，称为涡流。n这些涡流自身又产生变化的磁场，其方向这些涡流自身又产生变化的磁场，其方向与梯度线圈所产生的磁场相反。因此，涡与梯度线圈所产生的磁场相反。因此，涡流会抵消和削弱梯度场，使梯度场波形畸流会抵消和削弱梯度场，使梯度场波形畸变，图像质量下降；变，图像质量下降；3 3接收线圈接收线圈 ：提高接收线圈的效率和进一：提高接收线圈的效率和进一步增加阵列线圈，将成为步增加阵列线圈，将成为MRI设备临床中设备临床中的最大需要。改进接收线圈，使其能满足的最大需要。改进接收线圈，使其能满足介入治疗的需要。介入治疗的需要。计算机网络化计算机网络化五、分类及构成五、分类及构成n分类：临床应用型和临床研究分类：临床应用型和临床研究n构成：构成：磁体系统磁体系统谱仪系统谱仪系统计算机图像重建和显示系统计算机图像重建和显示系统配套的附属装置组成配套的附属装置组成 （一）磁体系统（一）磁体系统 n由主磁体、均场线圈、梯度线圈、和射由主磁体、均场线圈、梯度线圈、和射频线圈组成，是磁共振发生和产生信号频线圈组成，是磁共振发生和产生信号的主体部分。的主体部分。1.1.主磁体主磁体 n主磁场的作用是产生静态磁场。磁场强主磁场的作用是产生静态磁场。磁场强度、磁场均匀度和磁场稳定度是衡量磁度、磁场均匀度和磁场稳定度是衡量磁体性能的三大要素。体性能的三大要素。n常见的磁体有常导磁体、超导磁体和永常见的磁体有常导磁体、超导磁体和永磁体三类。磁体三类。2 2梯度磁场梯度磁场：包括梯度线圈和梯度发生系：包括梯度线圈和梯度发生系统。统。n梯度线圈是装在磁体内用于产生梯度线圈是装在磁体内用于产生x、y、z三三维空间线性变化的梯度磁场的，是三个正维空间线性变化的梯度磁场的，是三个正交的直流线圈。交的直流线圈。3 3射频磁场射频磁场：包括射频线圈和射频发生系统。：包括射频线圈和射频发生系统。n射频线圈装在主磁体梯度线圈内径和成像射频线圈装在主磁体梯度线圈内径和成像体的外径之间。产生的射频场与主磁场垂体的外径之间。产生的射频场与主磁场垂直，主要用于激励核子出现共振现象（或直，主要用于激励核子出现共振现象（或接收信号）。接收信号）。4 4匀场磁场匀场磁场 n匀场磁场由垫补线圈（或称校正线圈）产匀场磁场由垫补线圈（或称校正线圈）产生，是常导或超导材料绕制的较小电流线生，是常导或超导材料绕制的较小电流线圈，用于提供辅助磁场以补偿磁共振系统圈，用于提供辅助磁场以补偿磁共振系统中主磁场的不均匀性。也可用铁片进行匀中主磁场的不均匀性。也可用铁片进行匀场。场。（二）谱仪系统（二）谱仪系统它是整个它是整个MRI设备的控制核心。其作用为：设备的控制核心。其作用为：1.根据计算机控制台提供的脉冲序列参数，产根据计算机控制台提供的脉冲序列参数，产生序列脉冲并将其输出到梯度功率放大器和生序列脉冲并将其输出到梯度功率放大器和射频功率放大器进行脉冲功率的放大。射频功率放大器进行脉冲功率的放大。2.对接收线圈接收到的对接收线圈接收到的MR信号经由前置放大信号经由前置放大器（简称前放）放大后进行数据的采集，并器（简称前放）放大后进行数据的采集，并将采集到的数据送往计算机控制台的主机进将采集到的数据送往计算机控制台的主机进行原始数据的处理、图像的重建、显示等。行原始数据的处理、图像的重建、显示等。（三）计算机图像重建系统（三）计算机图像重建系统n计算机控制台的主机进行原始数据存储、计算机控制台的主机进行原始数据存储、处理、图像的重建及显示，最后将处理、图像的重建及显示，最后将MRI图像送到输出设备如激光照相机进行硬图像送到输出设备如激光照相机进行硬拷贝输出。拷贝输出。（四）附属装置（四）附属装置MRI设备还需要许多附属装置共同参与，设备还需要许多附属装置共同参与，如磁屏蔽体、射频屏蔽体、冷水机组、不如磁屏蔽体、射频屏蔽体、冷水机组、不间断电源、空调机以及超导磁体的低温保间断电源、空调机以及超导磁体的低温保障设施等。障设施等。六六 MRI构成构成n超导型超导型MRI设备由主磁体（含冷却装置）、设备由主磁体（含冷却装置）、扫描床、梯度线圈、射频扫描床、梯度线圈、射频（radiofrequency，RF）线圈、谱仪系统、控制柜、线圈、谱仪系统、控制柜、人机对话的操作台、计算机和图像处理器等人机对话的操作台、计算机和图像处理器等构成。构成。n永磁型开放式永磁型开放式MRI设备由主磁体、扫描床、设备由主磁体、扫描床、谱仪系统、控制柜、操作台、计算机和图像谱仪系统、控制柜、操作台、计算机和图像处理器等构成。永磁型处理器等构成。永磁型MRI设备的主磁场方设备的主磁场方向为垂直方向。向为垂直方向。n本章以永磁型本章以永磁型MRI设备为例，主要介绍设备为例，主要介绍MRI设备的硬件系统。设备的硬件系统。永磁型永磁型MRI设备的硬件部分因安装位置的不同又可分设备的硬件部分因安装位置的不同又可分为扫描室内、扫描室外两大部分：为扫描室内、扫描室外两大部分：1 1扫描室内部分扫描室内部分 n主磁体主磁体（magnet）n支架支架（yoke）n温度加热器温度加热器（thermostat）n梯度磁场线圈梯度磁场线圈（gradient magnet field coil）n发射线圈发射线圈（transmitter coil）n接收线圈接收线圈（receiver coil）n前置放大器前置放大器（preamplifier）n控制面板控制面板（control panel）n扫描床扫描床（patient table）需对整个扫描室进行磁屏蔽。需对整个扫描室进行磁屏蔽。2 2扫描室外部分扫描室外部分 ：包括中央控制柜：包括中央控制柜（central control console，CCC）、电源分配器、电源分配器（power distribution）、恒温控制器、恒温控制器（thermostatic control）、梯度磁场电源、梯度磁场电源（power supply for gradient magnetic field），RF发射发射/接收装置接收装置（RF transmitter/receiver）操作台操作台计算机和计算机和图像处理器。图像处理器。3 3滤波盒滤波盒（filter box）n 为防止干扰，扫描室内外的所有连接线均为防止干扰，扫描室内外的所有连接线均需要通过滤波盒转接。需要通过滤波盒转接。MRI设备的基本工作原理为：设备的基本工作原理为：n由恒温控制器将主磁体的温度准确的控制在某一温由恒温控制器将主磁体的温度准确的控制在某一温度（度（32.5）上，使主磁体产生一个均匀的静磁场。）上，使主磁体产生一个均匀的静磁场。梯度电源通过梯度线圈进行空间定位（编码）。梯度电源通过梯度线圈进行空间定位（编码）。n通过通过RF单元和单元和RF发射线圈，发射发射线圈，发射RF信号作用于病信号作用于病人（置于可进行三维运动的扫描床上）产生人（置于可进行三维运动的扫描床上）产生MRI设设备现象备现象;n发出的发出的MRI设备信号被接收线圈接收，经前置放大设备信号被接收线圈接收，经前置放大器放大、检波、器放大、检波、A/D转换后送给计算机和图像处理转换后送给计算机和图像处理器，重建图像在监视器上显示或用激光照相机将图器，重建图像在监视器上显示或用激光照相机将图像在激光胶片上打印出来。像在激光胶片上打印出来。