磁共振成像简论.ppt

磁共振成像简论磁共振成像简论Introduction of Introduction of MMagnetic agnetic R Resonance esonance I Imagingmaging2002-11磁共振成像简论2成像系统眼睛是大自然赋予人类的精密成像系统眼睛的局限：波段有限视野有限视距有限空间与时间分辨率有限仅限于物体表面不具有记录功能成像技术：使眼睛突破以上种种限制2002-11磁共振成像简论3成像方法直接成像几何成像指直接把物体各点转换为图像的像素的成像方法（如放大镜、照相机、光学显微镜等）扫描成像指依次对被观测物体各点的能量接收并记录或显示（如扫描电镜）2002-11磁共振成像简论4几几何何成成像像与与扫扫描描成成像像2002-11磁共振成像简论5成像方法间接成像衍射成像指通过记录物体的傅里叶谱或菲涅尔衍射谱，借助相干技术重建（如X射线衍射）图像重建方法：傅里叶变换法等层析(CT)成像通过测量投影数据，借助反投影重建来重现物体（X-CT成像）图像重建方法：投影重建法2002-11磁共振成像简论6衍衍射射成成像像与与层层析析成成像像2002-11磁共振成像简论7医学影像现代医学影像学的主要手段超声波诊断仪SiemensAcusonX-CT诊断仪SiemensSomatomSiemensMagnetom磁共振成像诊断仪2002-11磁共振成像简论8现现代代医医学学影影像像主主要要手手段段的的性性能能比比较较性能特点性能特点超声波超声波X-CTX-CT磁共振成像磁共振成像信息载体信息载体超声波X射线NMR信号体内信息源体内信息源超声在人体内的反射、折射、散射、绕射、衰减以及多普勒频移X射线的减弱程度或投射X射线的强度分布质子密度，、驰豫和液体流动图像重建方法图像重建方法扫描成像傅里叶变换法（彩色多普勒血流成像技术）投影重建法（反投影法、二维傅里叶变换重建法、卷积投影法等）傅里叶变换法为主主要优点主要优点无电离辐射适用于软组织器官操作比较方便性能价格比较优有很高的密度分辨力图像清晰能做一些定性诊断软组织分辨率高成像参数多多轴面直接成像无电离辐射不使用造影剂，可观察心脏和血管结构主要缺点主要缺点不能用于全身检查不能检查含气结构或骨骼不适用于软组织器官X射线辐射定性诊断困难成像速度相对慢对钙化不敏感结论：磁共振成像是现代医学影像学结论：磁共振成像是现代医学影像学最重要最重要的手段的手段2002-11磁共振成像简论919461948年，Purcel和Bloch等建立NMR理论体系，获得Nobel物理学奖1973年，Lauterbur得出两个充水试管的磁共振图像，提出NMR对比成像法1974年，Larterbur等得出活鼠的磁共振图像1977年，Damadian等建成人类历史上第一台磁共振全身成像装置1980年，磁共振成像商品化设备问世19831984年，美国FDA获准进入市场2002年，中国的磁共振成像仪拥有量超过2000台磁磁共共振振成成像像技技术术的的发发展展概概况况2002-11磁共振成像简论10早早期期的的磁磁共共振振成成像像诊诊断断仪仪2002-11磁共振成像简论11头部头部颈部颈部胸部胸部人人体体各各部部位位的的磁磁共共振振成成像像2002-11磁共振成像简论12现现代代MRI技技术术成成像像速速度度多相血管像10s1.3mm等方图22s1mm等方图5min2002-11磁共振成像简论13现现代代MRI技技术术脑脑成成像像矢状面T1加权像15帧25619216s横轴面T2加权像20帧32022429s横轴面EPI像20帧12812820s三维血管像99帧32019249s2002-11磁共振成像简论14现现代代MRI技技术术高高级级应应用用全身主动脉像大小：512512成像时间：14s静脉血回流的动态研究大小：同上成像时间：8s/帧脂肪的加权像大小：同上成像时间：16s2002-11磁共振成像简论15+t-tSequence GRE-SQCSE-iDQCGRE-iDQCt-thred41.31.6SNR682212Max.%3.43.24.1听音乐时脑听觉皮层的活动听音乐时脑听觉皮层的活动切切片厚度片厚度=15mm,64x64,3000/50,t t=25ms,21min AQiDQC 功功能能磁磁共共振振成成像像 (1.5T)2002-11磁共振成像简论16戊四唑药物造成小鼠癫痫病的戊四唑药物造成小鼠癫痫病的fMRI上排：注射前安静状态时的四幅图像上排：注射前安静状态时的四幅图像中排：癫痫发作之前的假想诱发中排：癫痫发作之前的假想诱发下图：全面发作下图：全面发作脑脑科科学学功功能能成成像像2002-11磁共振成像简论17核磁共振原理核磁共振的微观描述自旋核自旋角动量量子化：磁旋比：塞曼效应（Zeemaneffect）自旋核能量量子化：磁能极等距分布：拉莫尔（Larmor）进动方程：2002-11磁共振成像简论18核磁共振原理核磁共振的宏观描述磁化强度矢量，纵向分量和横向分量磁化强度矢量的进动和章动进动：章动：纵向驰豫时间和横向驰豫时间弛豫过程的数学描述：磁化强度矢量的弛豫磁化强度矢量的弛豫2002-11磁共振成像简论19核磁共振原理核磁共振的宏观描述自由衰减信号（FID，freeinductiondecaysignal）Bloch方程：2002-11磁共振成像简论20磁共振成像方法灵敏点扫描法指一次只激发或观测一个体积元信号，通过逐点扫描灵敏点而得到整体结构，无需图像处理就直接可得物体的像分类：直接成像中的扫描成像法特点：测量灵敏度低，时间长；适合局部细致研究投影重建法指在线性梯度磁场下得到物体的一维投影，之后通过大量系统的投影数据重建图像分类：间接成像中的层析成像法特点：灵敏度较高，直接采样FID信号，但成像时间长。2002-11磁共振成像简论21磁共振成像方法二维傅里叶成像法指通过对物体进行层选后，对其层面进行空间编码，之后对所得到的信号进行傅里叶变换来重建图像分类：间接成像中的衍射成像法特点：具有较佳的分辨率、成像时间和信噪比，是目前应用最广的磁共振成像技术成像方法的讨论灵敏度、空间分辨率和成像时间2002-11磁共振成像简论22二维傅里叶变换成像法自旋密度与k空间自旋密度扩展：加权自旋密度：核自旋密度：纵向弛豫、横向弛豫、扩散、流动等产生的加权因子k空间采样k空间MRI信号傅里叶变换对恩奎斯特采样定理2002-11磁共振成像简论23二维傅里叶变换成像法成像过程检测编码转化消除伪影解码变换图像处理重建2002-11磁共振成像简论24磁共振成像的空间定位层面选择（sliceselect）矢状面、额状面和横轴面以及任意斜面成像选择性激发原理选层激发脉冲激发中心频率激发带宽一般采用Sinc脉冲和Gaussian脉冲层选梯度磁场层厚的改变最小层厚与空间分辨率2002-11磁共振成像简论25Sinc脉脉冲冲与与高高斯斯脉脉冲冲Gaussian函数及其频谱函数及其频谱FTGaussian函数层厚层厚00tSinc函数及其频谱函数及其频谱tFT002002-11磁共振成像简论26层层面面厚厚度度RF带宽带宽层厚层厚脉脉宽宽与与层层厚厚的的关关系系RF带宽带宽层厚层厚梯梯度度场场与与层层厚厚的的关关系系（一定）一定）（一定）一定）2002-11磁共振成像简论27磁共振成像的空间定位相位编码（phaseencoding)先利用相位编码梯度磁场造成质子有规律的进动相位差，然后用此相位差来标定体素空间位置的方法相位编码梯度和进动频率进动相位及进动相位差相位编码数（）和分辨率2002-11磁共振成像简论28相相位位编编码码的的原原理理 作作用用之之前前梯梯度度对对相相位位的的作作用用2002-11磁共振成像简论29磁共振成像的空间定位频率编码（frequencyencoding)利用梯度磁场造成相关方向上各磁化矢量进动频率的不同，来标定体素空间位置的编码方法频率编码梯度与进动频率频差采集周期与相位编码梯度脉冲和读出梯度脉冲2002-11磁共振成像简论30频频率率编编码码的的原原理理频率编码梯度频率编码梯度信号幅度信号幅度S2002-11磁共振成像简论31梯梯度度周周期期与与成成像像时时序序最后一个成像周期最后一个成像周期第一个成像周期第一个成像周期echoFIDTETR RF(射频激励脉冲射频激励脉冲)(层面选择梯度）层面选择梯度）(相位编码梯度）相位编码梯度）(频率编码梯度）频率编码梯度）射频（射频（RF）接收信号接收信号tttttt2002-11磁共振成像简论32磁共振成像的图形重建基本成像方程横向磁化强度矢量的Bloch方程是依赖时间的磁场梯度矢量，是位置矢量忽略了扩散效应、介质流动和化学位移方程解析解：为系统自旋密度，为自旋核磁矩的平均值隐含和2002-11磁共振成像简论33磁共振成像的图形重建二维傅里叶变换成像法MRI信号（空间矢量坐标与二维直角坐标）：傅里叶域的扫描（k空间采样）：离散相位编码：（n代表第n个扫描周期）频率编码中的离散采样：（m代表第m次采样）K空间：k(n,m)2002-11磁共振成像简论34磁共振成像的图形重建二维傅里叶变换成像法MRI信号的离散形式：MRI信号的二维傅里叶变换：二维傅里叶变换成像法：从理论到现实快速傅里叶变换算法现代计算机发展2002-11磁共振成像简论35后期图象处理后期图象处理图像增强空域变换增强：灰度变换与直方图处理频域滤波：模糊与锐化彩色增强：伪彩色增强2002-11磁共振成像简论36直直接接灰灰度度变变换换原始图原始图（对比度过低）灰度变换图灰度变换图（对比度得到一定改善）图像图像直方图直方图2002-11磁共振成像简论37原始图原始图（对比度过低）直方图均衡化图直方图均衡化图（对比度明显提高，细节得以凸现）直直方方图图均均衡衡化化图像图像直方图直方图2002-11磁共振成像简论38图图像像融融合合与与伪伪彩彩色色处处理理左图：MRI图像；中图：X-CT图像；右图：图像融合及伪彩色处理2002-11磁共振成像简论39Siemens syngo MRMRI图图像像软软件件2002-11磁共振成像简论40磁共振成像的脉冲序列本征参数加权像图像对比度对比度T1对比度的形成对比度的形成对比度图像对比度T2对比度的形成对比度的形成2002-11磁共振成像简论41人人脑脑切切片片的的不不同同加加权权像像PD加权加权T1加权加权T2加权加权2002-11磁共振成像简论42磁共振成像的脉冲序列脉冲序列（pulsesequence）指具有一定带宽、一定幅度的射频脉冲与梯度脉冲的有机组合脉冲序列参数重复时间（TR,repetitiontime）回波时间（TE,echotime）扫描矩阵（matrix）影响分辨率射频翻转角（flipangle）信号采集次数（NA,numberofacquisitions）影响SNR2002-11磁共振成像简论43自旋回波脉冲序列不均匀场与微观：共振频率的不均匀导致相位发散宏观：和可逆过程：脉冲与相位重聚自旋回波指相位重聚后，横向分量再次出现极大值，接收线圈又可检测到的FID信号2002-11磁共振成像简论44质质子子群群的的相相位位重重聚聚脉冲激励脉冲激励 失相开始失相开始失相过程失相过程脉冲重聚脉冲重聚相位重聚过程相位重聚过程自旋回波形成自旋回波形成慢快慢快慢快慢快2002-11磁共振成像简论45双双回回波波信信号号echo1echo2TE1TE2RFtt2002-11磁共振成像简论46自旋回波脉冲序列自旋回波（SE，spinecho）序列指以脉冲开始，后续以相位重聚脉冲，以获得有用信号的脉冲序列执行过程：信号强度：激发编码相位重聚信号读出2002-11磁共振成像简论47echoFIDTITE/2TTETR RF(激发）激发）RF(接收信号）接收信号）基基本本自自旋旋回回波波序序列列2002-11磁共振成像简论48自旋回波序列的图像特征自旋回波脉冲序列短短T1组织组织长长T1组织组织短短T2组织组织长长T2组织组织对比度对比度1对比度对比度2对比度对比度1对比度对比度2TR1TR2TE1TE200TR与与T1对比度的关系对比度的关系TR与与T2对比度的关系对比度的关系2002-11磁共振成像简论49自旋回波序列族多层面（multi-slice）自选回波序列等待时间（delaytime）TE与层数多回波（multiecho）自旋回波序列缩短扫描时间自旋回波脉冲序列2002-11磁共振成像简论50多多层层面面自自旋旋回回波波