第七章磁共振成像MRI技术.pptx

磁磁共共振振成成像像是是利利用用射射频频脉脉冲冲对对置置于于磁磁场场中中的的含含有有自自旋旋非非零零原原子子核核的的物物质质进进行行激激发发，产产生生核核磁磁共共振振，利利用用感感应应线线圈圈采采集集磁磁共共振振信信号号，按按一一定定数数学学方方法法进进行处理而建立图像的一种成像技术。行处理而建立图像的一种成像技术。MRIMRI（magnetic magnetic resonance resonance imagingimaging）设设备备是是利利用用生生物物体体的的磁磁性性核核（主主要要是是氢氢核核）在在磁磁场场中中所所表表现现出出的的MRMR特特性性来来进进行行成成像像的的设设备备。随随着着超超导导技技术术、磁磁体体技技术术、电电子子技技术术、计计算算机机技技术术和和材材料料科科学学的的进进步，步，MRIMRI设备得到飞速的发展。设备得到飞速的发展。MRIMRI设设备备已已成成为为最最先先进进、最最昂昂贵贵的的现现代代化化诊诊断断设设备备之之一一。MRIMRI设设备备既既是是评评价价医医院院综综合合能能力力的的一一项项重重要要指指标标，又又是是医医院院现现代代化化程程度度和和诊诊断水平的标志。断水平的标志。核核磁磁共共振振扫扫描描现现在在已已经经成成为为一一项项常常规规的的医医学学检检查查，全全球球估估计计共共有有2200022000台台全全身身核核磁磁共共振振扫扫描描仪仪投投入入使使用用，每每年年扫扫描描总总数数超超过过60006000万万次次。本本章章将将以以临临床床应应用用型型永永磁磁开开放放式式MRIMRI设设备备为为例例，系统地介绍系统地介绍MRIMRI设备的构成和工作原理。设备的构成和工作原理。第一节第一节 概概 述述一、发展简史一、发展简史 MRMR现象于现象于19461946年第一次由布洛赫年第一次由布洛赫（F.BlochF.Bloch）领导的斯坦福大学研究小组和伯塞尔领导的斯坦福大学研究小组和伯塞尔(E.Purcell(E.Purcell）领导的哈佛大学研究小组分别在水与石蜡中独领导的哈佛大学研究小组分别在水与石蜡中独 立地观察到。因此，布洛赫和伯塞尔共同获得立地观察到。因此，布洛赫和伯塞尔共同获得 了了19521952年的诺贝尔物理学奖。随后，人们利用年的诺贝尔物理学奖。随后，人们利用MRIMRI技术进行了多领域的应用。技术进行了多领域的应用。MRIMRI设备早期设备早期 集中在物理和化学方面，用来确定化学成分、分集中在物理和化学方面，用来确定化学成分、分 子结构和反应过程。子结构和反应过程。19671967年，第一次用年，第一次用MRIMRI设备设备 测试人体活体。测试人体活体。19711971年年，达达马马丁丁（DamadianDamadian）发发现现了了MRIMRI的的一一个个重重要要参参数数T T1 1。肿肿瘤瘤组组织织的的T T1 1值值远远大大于于相相应应正正常常组组织织的的T T1 1值值。此此结结果果预预示示着着MRIMRI设设备在医学诊断中的广阔应用前景。备在医学诊断中的广阔应用前景。19731973年年，受受CTCT图图像像重重建建的的启启示示，纽纽约约州州立立大大 学学 的的 劳劳 特特 布布 尔尔（LauterburLauterbur）在在NatureNature杂杂志志上上发发表表了了MRIMRI设设备备空空间间定定位位方方法法（均均匀匀静静磁磁场场上上迭迭加加梯梯度度磁磁场场）。利利用用MRIMRI模模型型（两两个个并并排排在在一一起起的的充充水水试试管管）的的四四个个一一维维投投影影，成成功功的的获获得得了了第第一一幅幅MRIMRI模型的二维图像。模型的二维图像。19741974年年，曼曼斯斯菲菲尔尔德德（MansfieldMansfield）研研究究出出脉冲梯度法选择成像断层的方法。脉冲梯度法选择成像断层的方法。19751975年年，恩恩斯斯特特（ErnstErnst）研研究究出出相相位位编编码码的成像方法。的成像方法。19771977年，爱特斯坦（年，爱特斯坦（EdelsteinEdelstein）、）、赫切逊赫切逊（HutchisonHutchison）等等研究出自旋扭曲（研究出自旋扭曲（Spin Spin WarpWarp）成像法。成像法。19771977年，达马丁完成了首例动物活体肿瘤年，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检测成像，并获得首张人体活体MRIMRI设备设备图图像像。19801980年年，阿阿勃勃亭亭（AberdeenAberdeen）领领导导的的研研究究小小组组发发表表了了利利用用二二维维傅傅立立叶叶变变换换对对图图像像进进行行重重建建的的成成像像方方法法。该该成成像像方方法法效效率率高高、功功能能多多、形形成成的的图图像像分分辨辨力力高高、伪伪影影小小，目目前前医医用用MRIMRI设备均采用该算法。设备均采用该算法。19831983年，年，MRIMRI设备进入市场。设备进入市场。MRIMRI设备具有对软组织成像好的优点。把大设备具有对软组织成像好的优点。把大量的波谱分析技术运用到医用量的波谱分析技术运用到医用MRIMRI设备上，设备上，使使MRIMRI设备不仅可获得解剖学信息，而且可设备不仅可获得解剖学信息，而且可获得其他方面的信息，如生理和生化方面的获得其他方面的信息，如生理和生化方面的信息。信息。二、主要特点及临床应用二、主要特点及临床应用 MRIMRI与与CTCT各各有有优优点点，可可以以互互相相补补充充。通通过过MRIMRI设设备备与与CTCT扫扫描描机机的的性性能能比比较较和和临临床床应应用用比比较较，可可以以看看出出：MRIMRI设备的优点为：设备的优点为：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 多方位成像多方位成像 大视野成像大视野成像 组织特异性成像组织特异性成像 人体能量代谢研究人体能量代谢研究 无电离辐射，即无创性检查无电离辐射，即无创性检查 无骨伪影干扰无骨伪影干扰 MRIMRI设备的缺点为：设备的缺点为：成像速度慢成像速度慢对钙化灶和骨皮质病灶不够敏感对钙化灶和骨皮质病灶不够敏感图像易受多种伪影影响图像易受多种伪影影响禁忌症多禁忌症多定量诊断困难定量诊断困难三、主要技术参数三、主要技术参数 与与其其它它影影像像设设备备相相比比，影影响响MRIMRI图图像像的的信信号号强强度度或或图图像像密密度度的的参参数数较较多多。这这些些参参数数大大体体可可分分为为组组织织参参数和设备参数两大类。数和设备参数两大类。1 1组组织织参参数数 它它是是人人体体的的内内在在信信息息参参数数。组组织织参参数数主主要要有有质质子子密密度度（）、纵纵向向驰驰豫豫时时间间（T T1 1）、横横向向驰驰豫豫时时间间（T T2 2）、化化学学位位移移（）、液液体体流流速速（v v）和和波波动动。其其中中，组组织织参参数数、T T1 1和和T T2 2决决定定图图像像信信号号的的密密度度。组组织织参参数数决决定定水水与与脂脂肪肪的的分分离离成成像像，能能引引起起化化学学位位移移伪伪影影。组组织织参参数数v v和和波波动动可可用用来来进进行行血血管管成像，能引起运动伪影。成像，能引起运动伪影。2 2设设备备参参数数 它它是是成成像像所所依依赖赖的的设设备备及及成成像像过过程程的的测测量量条条件件参参数数。设设备备参参数数主主要要有有磁磁场场强强度度、梯梯度度磁磁场场强强度度和和切切换换率率、线线圈圈特特性性（包包含含发发射射和和接接收收）、测测量量条条件件。根根据据诊诊断断目目的的的的不不同同，可可以以选择不同的参数来产生所需要的选择不同的参数来产生所需要的MRIMRI图像。图像。重重复复时时间间（time time of of repetitionrepetition，TRTR）、回回波波时时间间（time time of of echoecho，TETE）和和反反转转时时间间（time time of of inversioninversion，TITI）决决定定图图像像的的性性质质。即即图图像像的的权权重重。层层厚厚、平平均均采采样样次次数数、像像素素尺尺寸寸、有有效效视视野野和和层层数数决决定定扫扫描描区区域域并并控控制制图图像像信信号号的的密密度度。各各种种应应用用软软件件可可获获得得不不同同性性质质和和不不同同区区域域的的MRIMRI图图像，而且成像速度快、有效抑制伪影、功能完善。像，而且成像速度快、有效抑制伪影、功能完善。第二节第二节 磁共振成像的物理学原理磁共振成像的物理学原理 磁共振成像（磁共振成像（MRI)MRI)是利用生物体内特定原是利用生物体内特定原子磁体性核在磁场中表现出核磁共振作用而产子磁体性核在磁场中表现出核磁共振作用而产生信号，经空间编码、重建而获得图像的一种生信号，经空间编码、重建而获得图像的一种技术。其物理基础为核磁共振理论，其本质是技术。其物理基础为核磁共振理论，其本质是一种能级见跃迁的量子效应。一种能级见跃迁的量子效应。一、磁场对样体的磁化作用一、磁场对样体的磁化作用 样体经磁场作用后在磁场方向上产生磁矩样体经磁场作用后在磁场方向上产生磁矩的过程称为磁化，其大小称为磁化强度（的过程称为磁化，其大小称为磁化强度（M M）。）。=M/B=M/B或或M=M=B B式中，式中，为磁化率，为磁化率，B B为磁场强度。为磁场强度。物质物质M M的大小取决于其原子的大小取决于其原子结构。结构。X X的正负表示物质的顺磁性。的正负表示物质的顺磁性。(一一)原子核的磁特性原子核的磁特性 原子是由原子核绕核运动的电子所组成，原原子是由原子核绕核运动的电子所组成，原子核又由带正电的质子和不带电的中子组成。子核又由带正电的质子和不带电的中子组成。原子核绕其特定轴旋转的特性称为自旋。自旋原子核绕其特定轴旋转的特性称为自旋。自旋过程中所产生的动量称为原子核磁矩。过程中所产生的动量称为原子核磁矩。=hI式中，式中，称为旋磁比常数，称为旋磁比常数，1H的的=42.58MHZ/Th表示自选大小的物理单位表示自选大小的物理单位,1h=1.05458910-3 JSI为自选量子数为自选量子数（二）磁场对原子核磁矩的作用（二）磁场对原子核磁矩的作用 在无外加磁场时，核磁矩是随机排列的。在在无外加磁场时，核磁矩是随机排列的。在外加磁场（外加磁场（B B0 0）的作用下，磁矩沿着外加磁场）的作用下，磁矩沿着外加磁场方向成平行或反向排列。沿着方向成平行或反向排列。沿着B B0 0方向为低能态方向为低能态（上旋态），反向则为高能态（下旋态）。（上旋态），反向则为高能态（下旋态）。其能级差为：其能级差为：E=hB0其中其中h为普朗克常量为普朗克常量在温度和外加磁场不变的情况下，两种能态：低能他E(+1/2)和高能态（E-1/2）处于平衡状态。平衡态质子自旋磁距遵循波尔兹曼分布：N(-1/2)/N(+1/2)=e-E/kT对于质子E=hB0，令令 T=300K,B0=1Tesla,则：则：N(-1/2)/N(+1/2)=e-E/kT =100000/100006 二、核磁共振的量子物理学理论二、核磁共振的量子物理学理论 由于磁场对自旋系统的量子化作用，使自旋由于磁场对自旋系统的量子化作用，使自旋系统产生低能态与高能态的级差系统产生低能态与高能态的级差E E。若射频的。若射频的能量能量E Er r恰好等于该能级差恰好等于该能级差E E，则低能态自旋，则低能态自旋可吸收其能量跃迁至高能态；射频停止后，自可吸收其能量跃迁至高能态；射频停止后，自旋系统将释放出能量并恢复至平衡态。旋系统将释放出能量并恢复至平衡态。三、驰豫三、驰豫 驰豫是指自旋系统由激发态恢复至其平衡态驰豫是指自旋系统由激发态恢复至其平衡态的过程，也就是纵向磁化恢复和横向磁化衰减的过程，也就是纵向磁化恢复和横向磁化衰减的过程。的过程。ZYXMB0MxyMz（1）纵向驰豫及纵向驰豫时间）纵向驰豫及纵向驰豫时间 当射频脉冲关闭后，在静磁场的作用下，组织中的宏观纵向磁化矢量将逐渐恢复到激发前平衡状态，把这一过程称为纵向驰豫，即T1驰豫。Mz=M0(1-e-t/T1)令t=T1，则Mz=0.63M0.由此，定义T1是指纵向磁化矢量从最小值恢复至平衡态的63%所经历的驰豫时间，或者说，每经过一个T1时间则纵向磁化恢复其剩余量的63%。100%Mz时间63%Mz=M0(1-e-t/T1)T1T2T3T4T5100%时间63%脂肪白质脑脊液Mz=M0(1-e-t/T1)（2）横向驰豫及横向驰豫时间）横向驰豫及横向驰豫时间 当射频脉冲关闭后，在静磁场的作用下，组织中的宏观横向磁化矢量将逐渐恢复到激发前平衡状态，把这一过程称为横向驰豫，即T2驰豫。MXY=MXYmaxe-t/T2式中，Mxymax是驰豫过程开始时横向磁化矢量Mxy的最大值。令t=T2，则Mxy=0.37M0.由此，定义T2是射频脉冲停止后，横向磁化矢量衰减至最大值的37%所经历的时间，也就是说，每过一个T2时间，横向磁化减少至其剩余值的37%。100%Mxy时间37%T22T23T2MXY=MXYmaxe-t/T2100%Mxy时间37%脂肪白质脑脊液MXY=MXYmaxe-t/T2 人体不同器官的正常组织与病理组织的T1是相对固定的，而且它们之间有一定的差别，T2也是如此（表1-5-1a、b）。这种组织间弛豫时间上的差别，是MRI的成像基础。有如CT时，组织间吸收系数（CT值）差别是CT成像基础的道理。但MRI不像CT只有一个参数，即吸收系数，而是有T1、T2和自旋核密度（P）等几个参数，其中T1与T2尤为重要。因此，获得选定层面中各种组织的T1（或T2）值，就可获得该层面中包括各种组织影像的图像。表1-5-1a 人体正常与病变组织的T1值（ms）表1-5-1b 正常颅脑组织的T1值和T2值（ms）四 磁共振信号的产生 射频脉冲停止后，纵向磁化矢量转向横向磁化矢量。正如一个XY平面内的旋转磁体可以在接收线圈内产生感应电压，这个随时间波动的电压即MR信号。ZYM0XMZMXZYXMB0五 磁共振信号的空间定位 MR信号是宏观磁化矢量经激发后在线圈内感应出的信号，是自选信号的总和，无空间位置信息，不能形成图像，必须对其进行空间编码及图像重建才能得到MR图像。MRI的空间编码技术是采用梯度磁场，以达到选层和体素编码的目的。梯度在物理学上是指在一定方向上强度随空间的变化率，梯度是一个矢量。在MR技术上，梯度磁场是指在一定方向上磁场强度的变化情况，即在一定方向上场强与位置成正比例变化。在MRI基础上，梯度磁场是指在一定方向上磁场强度的变化情况及在一定方向上场强与位置呈正比例变化。为了得到任意层面的空间信息，MRI系统在X、Y、Z三个坐标方向均使用梯度磁场，它们分别被称为GX梯度、GY梯度、GZ梯度，其作用是完成梯度磁场对自旋的空间编码。ZYX梯度磁场六、六、MRIMRI图像的重建图像的重建 将所选择地层面在相互垂直的两个方向（X轴，Y轴）分别将其分割为相同间隔的若干行及相同间距的若干列，形成具有相同体积的若干小立方体，即体素。MR图像是由众多不同灰度值的矩形基本像单元组成，每个基本单元称为一个像素。构成整幅图像的像素的行数与列数的积称为图像的显示矩阵。从每个体素的MR信号中获得与像素灰度值有关的数据并产生MR图像，MR图像重建是采用傅里叶变换的方法。幅度频率幅度时间