磁共振成像的原理及临床应用(2).ppt

,广州中医药大学第一附属医院,五、影响T,1,、T,2,的物理因素,所以组织内由于水分子的剧烈运动，局部的内磁场是极其复杂的，氢核对这种复杂的波动的内磁场的反应决定了在90脉冲停止后其能量丧失的速度，以及相位失去一致性的速度。,广州中医药大学第一附属医院,五、影响T,1,、T,2,的物理因素,（一）,温度的影响,正常体温情况下，水分子的运动频率极快，远远超出一定场强下质子的Larmor频率。,如果将温度减低，水分子的运动频率减慢，接近于共振的Larmor频率，使T,1,弛豫更有效，T,1,缩短了。,广州中医药大学第一附属医院,五、影响T,1,、T,2,的物理因素,（二）大分子的影响,水的分子小、运动快，频,率也高。,大分子如蛋白质运动很,慢，在其表面可以吸附,很多水分子，组成水化,层。,广州中医药大学第一附属医院,五、影响T,1,、T,2,的物理因素,（二）大分子的影响,胆固醇是一个中等大小的分子，其共振频率接近于磁共振扫描机场强下质子的共振频率，故其T,1,短。,广州中医药大学第一附属医院,五、影响T,1,、T,2,的物理因素,（三）顺磁性物质的影响,一个元素其外层电子数决定其原子价与化学特性，外层电子数为双数者，该原子即不是顺磁性的，在外层中任何一层的电子数为奇数时即为顺磁性原子；,例如Fe,2+,，为非顺磁性的，而Fe,3+,则为顺磁性原子；,钆在原子核的外层轨道上有7个不成对的电子，因此顺磁性很强。,广州中医药大学第一附属医院,五、影响T,1,、T,2,的物理因素,（三）顺磁性物质的影响,在正常体温的溶液中，顺磁性的原子或分子与其他原子及分子一起进行任意的运动，由于它们磁性很强，很低的浓度对邻近磁性较弱的原子即有较大的影响。,它们对各种不同频率的波动均起强化作用，包括共振的Larmor频率在内。,广州中医药大学第一附属医院,五、影响T,1,、T,2,的物理因素,（三）顺磁性物质的影响,在此频率条件下促使更多的氢核释放能量，使T,1,缩短，如前面所提到的任何频率的波动均可使氢核的进动频率失去相位一致性。,由于顺磁性原子，对邻近原子的磁场引起了波动，从而使更快地失去相位一致性，T,2,缩短。,广州中医药大学第一附属医院,五、影响T,1,、T,2,的物理因素,（三）顺磁性物质的影响,急性脑出血时，新鲜血液中所含的血红蛋白中的铁是Fe,2+,，所产生的信号与周围脑组织不易区分；,数日后，在正常体温下，血红蛋白还原成正血红蛋白，其中的铁为Fe,3+,，为顺磁性的，故使T,1,缩短，在T,1,加权的磁共振图像上为高信号。,广州中医药大学第一附属医院,第三节 MRI成像技术,一、空间编码与梯度磁场,在磁共振成像中怎样选定层面，又怎样确定一个层面中各个体素内氢质子的密度以及其位置，这就需要在静磁场内沿,X-Y-Z-,轴三个互相垂直的方向各附加一个梯度磁场来完成，我们称之为,Gx,，,Gy,，,Gz,。,广州中医药大学第一附属医院,一、空间编码与梯度磁场,这就像将三角钢琴的88个键盘看成是从长到短排列成梯形的88根琴弦，琴弦的长度与声音波长的关系和磁场强度与质子共振频率的关系相似，于静磁场内叠加这样的梯形磁场或梯度磁场，其强度远远低于静磁场的强度。,它启动的时间必须与射频脉冲相配合。,广州中医药大学第一附属医院,（一）,层面的选择,在磁共振成像中有两种方法进行层面选择；,一是二维成像（2-D），又称选择性激励，是最常见的选层方法；,一种是三维成像（3-D），又称体积成像，即在给射频脉冲激励时，不施加梯度磁场。因此整个解剖部位受到激励，层面的形成是在图像重建过程中进行的。,广州中医药大学第一附属医院,（一）,层面的选择,做横断层成像是沿人体长轴（Z-轴）在静磁场内加一梯度磁场，称Z轴梯度（Gz），使磁场强度从足侧向头侧逐渐增强。梯度磁场的场强很弱，每1cm场强改变只为0.0001。在1.0的扫描系统中，每cm的改变只是0.01。,广州中医药大学第一附属医院,（一）,层面的选择,有了这样的梯度磁场，就可以对人体内的氢质了做空间编码。,质于的共振频率与它们在梯度磁场内的位置有关。,广州中医药大学第一附属医院,（一）,层面的选择,例如将受检部位头，置于1.0的静磁场的中央，由于靠足侧磁场弱，靠头侧磁场强，如果射频脉冲频率为42.6MHz，那么只有在1.0处的一个层面内的质子能受激励，邻近层面内的质于不受激励。这样就可将组织内各层面分开。,广州中医药大学第一附属医院,（一）,层面的选择,根据Larmor公式，质子进动频率与磁场强度成正比（,）；,在实际应用中允许,有一个偏差范围，即带宽；,在射频脉冲作用时只有符合,范围内的质子才受激励，产生磁共振的信号；,广州中医药大学第一附属医院,（一）,层面的选择,每个层面厚度取决于梯度磁场的强度与射频脉冲的带宽。不难理解，当不变，梯度磁场越强，层面的厚度越薄，反之层面越厚。当梯度磁场恒定，越大，层面厚度越厚，越小，层面越薄。,广州中医药大学第一附属医院,在图a与c，使用了同一带宽的RF脉冲，其频率64一65mHz，然而，c的梯度场较大，因此，层面较a薄。,（一）,层面的选择,广州中医药大学第一附属医院,（一）,层面的选择,如果只有Gz，只能做层面的选择，收到的是整个一层内所有质子的信号，但尚不能确定该层面内某一信号来自此层的哪一处，要解决这个问题就需要叠加新的梯度，作质子的频率编码及相位编码。,广州中医药大学第一附属医院,（二）频率编码,频率编码是沿X-轴叠加一个梯度磁场，即X-轴梯度（简称Gx），磁场强度从人体的右端至左端逐渐增强。,广州中医药大学第一附属医院,（二）频率编码,当人体一层面已经受射频脉冲激励后X轴梯度开始启动，在第一个梯度磁场Gz关闭后，质子按同一频率共振，不用第二次激励。,启动Gx，质子根据其在第二个梯度磁场内的不同位置，按新的共振频率进行共振，发出信号。,在场强较弱的一端，共振频率低，在场强高的一端，其共振频率较高，从而将一个横断面内的组织分成若干个行，每一行内的质子其共振频率相同。,广州中医药大学第一附属医院,（三）相位编码,在静磁场内沿轴叠加一梯度，即y轴梯度（简称Gy），从人体的前方向后方场强逐渐减弱。,广州中医药大学第一附属医院,（三）相位编码,例如在一个44阵列的组织层面中，当Gy=0，即没有梯度时，每个体积元内，氢质子进动频率一致，磁矩指向同一方向，即相位一致，所有体积元均发出同一射频信号。,广州中医药大学第一附属医院,（三）相位编码,当Gy短暂作用时，磁场强度从前向后逐渐减弱。,上排体积元比下排体积元处于较强的场强，质子进动速率比下排者快，相位不同。,当Gy关闭时，所有体积元均处于同一场强中，质子的磁矢量按相同速率进动，然而相位仍保持Gy关闭时的位置，所有体积元发出的信号是同一频率，但每一横排内的体积元其信号的相位与其余横排内的体积元所发出的信号相位不一致。,广州中医药大学第一附属医院,（三）相位编码,（,a）,短暂地打开梯度场。,(,b),进动频率从顶部到底部依次减低，这一进动频率的差别持续时间很短。当关掉梯度场时，所有的质子再次经历相同的场强，并再次具有相同的频率。,(,c),这些质子略微失去相位一致性，结果，它们以不同的相位，相同的频率发出各自的信号，因此可加以鉴别，相应的梯度称为相位编码梯度。,广州中医药大学第一附属医院,二、脉冲序列与扫描参数,磁共振成像需要进一步了解组织特性，包括局部T,1,、T,2,弛豫时间、质子密度以及血流对成像的作用。,单个RF脉冲不能解决这些问题，需要采用所谓脉冲序列对病人进行扫描。,脉冲序列是由一系列不同强度的射频脉冲的组合，例如90和/或180脉冲。,磁共振的信号不但取决于这些脉冲的强度，而且取决于各脉冲间的时间间隔和组成方式。,广州中医药大学第一附属医院,二、脉冲序列与扫描参数,从一个脉冲序列到下一个脉冲序列的重复，其间的时间间隔称为重复时间(TR)。这些参数称为扫描参数。,改变这些参数可以改变组织T,1,、T,2,弛豫时间或质子密度对图像亮度的响以及组织间的信号对比。,广州中医药大学第一附属医院,二、脉冲序列与扫描参数,目前临床上应用的脉冲序列有部分饱和（partial saturation,PS），反转恢复（inversion recovery,IR），自旋回波（spin echo,SE）以及快扫描或梯度回波(gradient echo,GE)等序列。,广州中医药大学第一附属医院,二、脉冲序列与扫描参数,自旋回波脉冲序列,自旋回波脉冲序列（SE序列）这是最常用的磁共振扫描技术，它是由一个90脉冲与若干个180脉冲组成。,广州中医药大学第一附属医院,二、脉冲序列与扫描参数,自旋回波脉冲序列,由于人体的内在磁场的不均衡，一个回波比前一个回波信号低。,在用自旋回波技术时，组织间信号的对比取决于所选用的时间参数，即TR与TE。,还取决于组织的T,1,及T,2,弛豫时间。,质子密度对信号强度及组织间信号的对比也有影响。,广州中医药大学第一附属医院,自旋回波序列T,1,与T,2,弛豫时间与组织对比的关系,组织A的T,2,比组织B长，在时间2时组织间的对比要比在时间1大。,.,如果组织A的T,2,较短，对比就会根据信号采集时间而变化，在时间3时组织A的信号较B大，在时间4时二者信号相等，在时间5时,组织A的信号低于组织B,二、脉冲序列与扫描参数,广州中医药大学第一附属医院,二、脉冲序列与扫描参数,短/长TR或TE实际是什么？,请记住：T,1,为一时间常数，并非一种组织获得其纵向磁化所需要的时间。,长TR大约是短TR的3倍。小于600msec的TR被认为是短TR，长于1500msec的TR则为长TR（仅为一个粗略的概）。,短TE是尽可能短的TE，长TE大约也是短TE的3倍。少于30msec为短TE，大于80msec为长TE。,广州中医药大学第一附属医院,二、脉冲序列与扫描参数,使用自旋回波序列时，通过连接某一组织的T,1,与T,2,曲线，就有可能测定该组织的信号强度。,在时间TR后的纵向磁化量等於开始时的横向磁化量，因为它被倾斜了90。,这一横向磁化立即开始消失，,其速率由横向弛豫时间决定，,因而也由T,2,曲线决定。,在时间TE后的组织信号强度,可以从TE处（开始於TR后）,的T,2,曲线上推断出。,广州中医药大学第一附属医院,二、脉冲序列与扫描参数,选择长TR会发生什么呢？,使用长TR，纵向磁化时间T,1,的差别不再重要了，因为所有组织的纵向磁化都己宪全恢复。,当我们只等待一个非常短的TE时，由T,2,不同所致的信号强度差别还未显示出来。,因此，所得图象既非T,1,加权，,也非T,2,加权，而主要由组织,的质子密度决定，称为质子,密度像。,广州中医药大学第一附属医院,二、脉冲序列与扫描参数,使用长TR、长TE又会发生什么呢？,使用长TR，T,1,差别不明显。然而，使用长TE，T,2,差别将突出地显示出来。因此，图象是T,2,加权象。,广州中医药大学第一附属医院,二、脉冲序列与扫描参数,使用短TR、短TE又会发生什么呢？,使用短TR，组织的纵向磁化还未完全恢复，因此，T,1,（它决定纵向磁化恢复的速度）差别将以信号强度的差别显示出来。短TE时，T,2,差别不能真正地显示出来。因此，图象是T,1,加权象。,广州中医药大学第一附属医院,第四节,MRI,图像的特点,一、组织的MR特性,决定MR图像的组织参数有三个，即被检组织的质子密度、T,1,弛豫时间、T,2,弛豫时间。,它们代表被检组织的组织特征，非人为所能控制和选择的。对MR图像的影响可从下列公式中看出：,IKM,0,f,1,（T,1,）f,2,（T,2,）,I为信号强度，为常数，,0,为被检组织的磁化矢量，f,1,为T,1,的函数，f,2,为T,2,的函数，质子密度的信息包括在,0,内，即单位体积内质子越多，,0,越大。,广州中医药大学第一附属医院,一、组织的,MR,特性,（一）质子密度（N(H)）,氢原子核是由单一质子组成，所以单位体积内质子数目越多，产生的MR信号也就越强，而含质子少的组织或区域（如含气腔），不产生MR信号，或信号很弱。,但是一般组织间，质于密度相差不,很多，所以产生的MR信号差别在,图像上形成的灰阶很难用肉眼区,别，因而质子密度成像和T,1,、T,2,成像比较，其意义相对小。,广州中医药大学第一附属医院,一、组织的,MR,特性,（二）T,1,弛豫时间,T,1,弛豫时间短的组织，纵向磁比恢复得快；T,1,弛豫时间长的组织，纵向磁化恢复得慢。,纵向磁化恢复得多及快的组织产生的MR信号强；反之，则弱。,广州中医药大学第一附属医院,一、组织的,MR,特性,（二）T,1,弛豫时间,如脂肪和脑脊液相比，主磁场强度为0.3时，脂肪和脑脊液的T,1,弛豫时间分别为240ms和1150ms。二者产生的MR信号可代入公式进行比较,故在单纯T,1,成像中，脂肪呈白色（高信号），脑脊液呈黑色（低信号）。,广州中医药大学第一附属医院,一、组织的,MR,特性,（三）T,2,弛豫时间,T,2,弛豫时间长的组织，横向磁化强度衰减得慢，信号就强。反之，T,2,弛时间短的组织，横向磁化强度衰减得快，信号就弱。,仍以主磁场强度0.3为例，取脂肪组,织和脑脊液T,2,弛豫时间和信号的关系,进行比较，可代入公式，所以在单纯,T,2,加权图像中（SE序列的T,2,加权图像）,，脑脊液的信号强于脂肪组织呈白,色，而脂肪组织较暗，在多回波图像,更为明显。,广州中医药大学第一附属医院,一、组织的,MR,特性,质子密度像、T,1,加权象及T,2,加权象的信号差异。,广州中医药大学第一附属医院,二、流动效应,流动效应亦称流空效应,正常流速（10cm/s）的血流不产生或只产生很低的信号，所以和另外一些组织间有非常好的对比。,其原因非常复杂，但可简单地解释为快速流动的垂直于扫描层面的血流，因其中的氢质子在选定的扫描层面内停留的时间太短，一个完整的射频脉冲尚未结束，还未激发出MR信号，氢质子已流出了该层面，因而收不到MR信号。,另外，涡流也是流动效应产生的原因之一，由于水分子不规则运动，特定平面内氢原子核相位一致性丧失，不能产生较强的MR信号。,广州中医药大学第一附属医院,二、流动效应,正常流速（10cm/s）的血流不产生或只产生很低,的信号，所以和另外一些组织间有非常好的对比。,广州中医药大学第一附属医院,二、流动效应,流动慢的血流产生的信号比静止血流产生的信号高，此现象称为反常增强或流动相关增强,MR信号的增强是由于在成像平面内未被磁化的质子被进入该层面的充分磁化的质子代替，当它被激发时，产生较强的MR信号。,此现象常见于血流速度1cm/s或短TR脉冲序列时。又如应用多层面成像时，即便流速正常，由于流动相关增强现象，流入层内的血管中有较高信号，例如腹部检查时在第一、二层腹主动脉内，以及最后一层的下腔静脉内均可有信号。,广州中医药大学第一附属医院,二、流动效应,流动慢的血流产生的信号比静止血流产生的信号高，此现象称为反常增强或流动相关增强,广州中医药大学第一附属医院,二、流动效应,综上所述，决定流动血液信号强度减少有三个因素：高速运行；涡流；奇数回波失相位。,形成流动血液信号增加也有三个因素：流动相关增强；偶回波相位重聚；舒张期假门控现象，这是由于在舒张期进行采集信号的结果，这些现象使信号增加，不可误认为血管腔内异常。,广州中医药大学第一附属医院,四、运动器官的成像处理门控,用于减少心脏搏动产生的伪影、提高心血管结构的解剖分辨率的办法已有数种，此些办法能在心脏搏动周期的某一时期进行数据采集。,触发数据采集的仪器包括心电图机、激光多普勒测速器等。,心脏门控触发序列使检查时间稍有延长。,广州中医药大学第一附属医院,四、运动器官的成像处理门控,呼吸运动主要影响胸腹部图像，甚至造成运动伪影。为了减少呼吸运动形成的伪影和对图像质量的影响，提高图像的分辨率，必须在呼吸周期的某一时间进行MR信号的采集。,现在应用的办法为呼吸触发器、门控等。此种呼吸触发装置最大的缺点为使成像时间延长23倍。,广州中医药大学第一附属医院,再见！,广州中医药大学第一附属医院,