磁共振成像设备

本章学习提示(direction)目的要求了解磁共振现象及其发展过程与未来技术的进展趋势掌握磁共振的物理原理及空间定位的主要基本原理掌握磁共振设备的主要构成部件及其成像工作原理掌握磁共振各部件的性能参数对成像质量的影响掌握磁共振各成像参数的优化原则和提高磁共振检查速度的方法了解MRI的成像序列及其诊断特点熟悉磁共振成像质量控制的主要方法及原理1本章学习提示(direction)参考书(references):医学影像设备磁共振原理磁共振成像系统的原理及其应用现代生物医学工程医学诊断数字影像技术数字成像技术磁共振成像入门医学影像物理学 2思考题(problem)1 共振的本质是什么？2 MR医学成像的依据是什么？为什么？3 射频的作用是什么？如何发生作用？3引言磁共振成像技术是根据生物体磁性核(氢核)在磁场中的表现特性成像的高新技术。磁共振成像设备是磁体技术、超导技术、低温技术、电子技术和计算机等相关技术发展的综合体现。4引言磁共振原理最初主要用于测量物质的物理和化学特性，确定分子结构，进行生化和代谢过程的研究。目前，磁共振成像以其丰富的影像信息、任意的几何参数、灵活的技术参数来满足不同的诊断需要而成为重要的影像检查手段。5先驱者1905年，爱因斯坦的质能联系定律(E=mc2)说明了质量和能量的同一性。1911年，卢瑟福在粒子散射实验基础上提出核型结构：原子核集中全部正电荷及大部分质量。汤普森证实了核外电子的存在。1913年，玻尔把量子概念应用于原子系统。斯特恩建立测量磁偶极子运动的装置。6先驱者1924年，泡利认为原子核中存在着角动量和核磁矩，可能是原子核和核外电子相互耦合的结果，提出核磁共振一词，拉比设计和完成世界上第一个核磁共振实验。1920年，斯特恩和盖拉赫发现，当原子束通过不均匀磁场时，相对于磁场的取向而偏转1930年，该二人观测到十分微弱的核磁矩。1937年，拉瑟里尤和舒伯尼科用传统的方法测出氢的核磁矩值，被认为的最早发现核磁现象的人。7先驱者Bloch及Purcell分别同时（1946年）检测到大块物质内核磁共振吸收，更清楚地阐述了原子核自旋(Spin)的存在，为此，他们共同获得了1952年诺贝尔物理学奖。FelixBlochandEdwardPurcell,bothofwhomwereawardedtheNobelPrizein1952,discoveredthemagneticresonancephenomenonindependentlyin1946.1946年，布洛赫及其合作者在斯坦福大学做了水的核磁共振实验。81946年，珀塞尔及其同事在哈佛大学进行了石腊的核磁共振实验。美国纽约州立大学的一位富有想象力的物理学家和内科医生。1988年获里根颁赠的国家技术勋章。1971年，达马迪安(Raymond Damadian)发现正常组织与恶性组织的NMR信号明显不同。In1971RaymondDamadianshowedthatthenuclearmagneticrelaxationtimesoftissuesandtumorsdiffered,thusmotivatingscientiststoconsidermagneticresonanceforthedetectionofdisease.9美国伊利诺大学的物理学家，1988年和达马迪安一起获里根颁赠的国家技术勋章。1973年，Lauterbur改良了频谱仪，在磁场内形成线性变化的梯度，提供空间编码信号。首次进行了不均匀物体（两试管水）的磁共振成像。MagneticresonanceimagingwasfirstdemonstratedonsmalltesttubesamplesthatsameyearbyPaulLauterbur1973年，与劳特伯几乎同时、但又分别独立地发表磁共振成像论文的还有英国诺丁汉(Nottingham)大学的曼斯菲尔德(Peter Mansfield)等学者，均认识到线性梯度场获取核磁共振的空间分辨率是一种有效的解决方案。10In1975RichardErnstproposedmagneticresonanceimagingusingphaseandfrequencyencoding,andtheFourierTransform.In1991,RichardErnstwasrewardedforhisachievementsinpulsedFourierTransformNMRandMRIwiththeNobelPrizeinChemistry.11发展及趋势1976年Peter Mansfield首次报导了活人体图像；1977年描述了手与胸部图像。12发展及趋势1978年报导了头和腹部图像超导全身成像仪发明后，迅速认识到MR系统能够产生好的软组织对比，优于其它成像技术13发展及趋势1983年，MR的硬件及软件的改进，已经可以获得全身成像系统产生小于1mm的空间分辨率，总成像时间仅数分钟的高对比图像14发展及趋势磁共振显微成像（MRM）磁共振显微成像是利用磁共振现象以产生显微镜观察水平上的MR信号图像的一种专门技术。活体MRM，可用于对小动物的基础生理学、病理生理学及药物的筛检和毒理学研究，MRM在植物生理、病理以及材料科学中的应用也较广泛。通过与组织标本的对照，磁共振组织学成像的一些应用新领域正在不断拓展。15发展及趋势磁共振实时成像MR实时成像是在MR快速和超快速成像技术基础上发展而来的其发展适应了当今微创外科和要求，便利MR介入成为可能。GE公司开发的双子星结构，其磁体纵向平行排列，中间“裂隙”方便介入操作16发展及趋势磁共振功能成像磁共振功能成像是随着快速成像技术的发展而兴趣的成像新领域，是相对于形态学诊断而言的。包括弥散、灌注加权成像、皮质功能定位及MR波谱成像等。3D FMRI of Auditory Cortex17发展及趋势脑磁图脑磁图是通过测定脑血流所产生的磁场变化用以标测皮质脑功能状态的新技术。磁共振淋巴造影磁共振淋巴造影是通过皮下注射超顺磁性造影剂，以产生阴性对比的新技术。18发展及趋势磁共振氧测量技术磁共振氧测量是运用MRI方法测定氧张力和与氧合作用相关参数的新技术。对脱氧血红蛋白所致磁场不均进行测定，以获得脱氧血红蛋白浓度，从而推算出其氧合状态。19心脏和血管成像MR血管成像最初是应用流动血液的内在对比，近年提出造影剂增强三维扫描成像技术，目前已能在屏气时完成感兴趣区血管成像，成像时间与造影剂到达感兴趣的血循环时间相吻合。磁共振弹性成像采用相位对比MR成像序列，运用环状运动编码梯度对某物体内不断传播的听力内剪波的空间分布进行成像的技术，可用来评价人体骨骼肌的机械特性及人脑灰、白质的弹性系数。20发展及趋势超极化气体MR成像是指通过吸入碱性金属粉末与惰性气体的混合物如铷和3He或129Xe以显著地增强磁化，即达到超极化，然后进行MRI检查的新技术。单一的超极化气体3He的密度图像对显示慢性阻塞性肺部疾患特别有效。21发展及趋势预极化MR成像通常情况下低场阻抗MR能提供的图像信噪比很差，如果自旋极化在瞬间可达到较高值，则可在低场磁体上实现高场磁体所具备的图像信噪比，这种概念命题预极化MRI。由于磁体不需要很均匀，因而可采用便宜的电磁体。22MRI Timeline1946MRphenomenon-Bloch&Purcell1952NobelPrize-Bloch&Purcell1960NMRdevelopedasanalyticaltool1972ComputerizedTomography1973BackprojectionMRI-Lauterbur1975FourierImaging-Ernst1980MRIdemonstrated-Edelstein1986GradientEchoImaging、NMRMicroscope1988Angiography-Dumoulin1989Echo-PlanarImaging1991NobelPrize-Ernst1994Hyperpolarized129XeImaging23磁共振物理基础核的磁性（nuclear magnetsm)带有不对称电荷（electric charge)分布的粒子的自旋(spin)，感应(interaction)产生符合右手螺旋定则的磁场(megnetic field)，24具有磁矩的快速自旋核可以看成为极小磁棒具有磁矩的快速自旋核可以看成为极小磁棒,图中磁矩(magnetic vector,)表示其大小及方向Thinkofthespinofthisprotonasamagneticmomentvector,causingtheprotontobehavelikeatinymagnetwithanorthandsouthpole.磁共振物理基础25磁共振物理基础26PropertiesofSpinWhenplacedinamagneticfieldofstrengthB,aparticlewithanetspincanabsorbaphotonoffrequency.Thefrequencydependsonthegyromagneticratio,oftheparticle.=BForhydrogen,=42.58MHz/T.磁共振物理基础27磁共振物理基础磁化（magnetization)前后的原子核核的磁矩按照布郎运动原理随机取向28磁共振物理基础静止磁场内，这些磁偶极子倾向于与使用的磁场顺向平行或逆向平行取向排列29磁共振物理基础低能级(energylevel)方向排列较高能级方向略占优势，产生沿外磁场方向排列的净磁化。ThereisalowenergyconfigurationorstatewherethepolesarealignedN-S-N-SandahighenergystateN-N-S-S.30磁共振物理基础31TransitionsThisparticlecanundergoatransitionbetweenthetwoenergystatesbytheabsorptionofaphoton.Theenergyofthisphotonmustexactlymatchtheenergydifferencebetweenthetwostates.Theenergy,E,ofaphotonisrelatedtoitsfrequency,byPlanksconstant(h=6.626x10-34Js).E=hInNMRandMRI,thequantityiscalledtheresonancefrequencyandtheLarmorfrequency.磁共振物理基础32磁共振物理基础净(net)磁矩的矢量描述：磁矢量的合成：宏观磁化矢量。33AdaptingtheconventionalNMRcoordinatesystem,theexternalmagneticfieldandthenetmagnetizationvectoratequilibriumarebothalongtheZaxis.34磁共振物理基础磁矩的分解35磁共振物理基础静磁场中质子(proton)的状态36磁共振物理基础37磁共振物理基础磁矩与外磁场磁矩与外磁场(B(Bo o)方向方向不完全一致不完全一致在外加磁场中，核在外加磁场中，核自旋矢量经历转矩作自旋矢量经历转矩作用，又称作耦合用，又称作耦合,引引起自旋以一定频率围起自旋以一定频率围绕外磁场轴旋转。类绕外磁场轴旋转。类似地球引力场内的一似地球引力场内的一个旋转陀螺运动，称个旋转陀螺运动，称为拉莫尔进动为拉莫尔进动（LarmorLarmor process)process)，=Bo 38磁共振物理基础39磁共振物理基础40磁共振物理基础射频(radiationfrequency)脉冲形成射频场B1一种短促的无线电波，与感兴趣核的拉莫尔频率一致41磁共振物理基础共振的本质（吸收能量，产生能级跃迁，使B0方向宏观磁矩变小）42磁共振物理基础4344磁共振物理基础B0方向B1方向B1轨迹运动轨迹的分解XZY45磁共振物理基础射频激励(excite)脉冲实际上是另一个磁场（B1）B1方向垂直于Bo及作用非常短的时间B1磁场的作用是使磁化沿其进动，从垂直方向转向Mxy平面B1翻转角度与所使用射频脉冲的强度及作用时间相关=B1t46磁共振物理基础调整射频脉冲强度和时间，可使磁化从平衡状态（equilibrium state）翻转需要的角度时，称为翻转角。常用的有90度和180度射频脉冲。47 角脉冲角脉冲=1 1t=t=B B1 1t t48磁共振物理基础90度射频脉冲作用的宏观表现49思考题(problem)4 纵向弛豫的机制是什么？5 横向弛豫的机制是什么？6 磁共振信号是如何产生的？50磁共振物理基础MR信息载体RF。MR信号的实质是变化的电磁波5152磁共振物理基础电磁波谱(electromagnetic spectrum)53Magneticresonanceimagingisbasedontheabsorptionandemissionofenergyintheradiofrequencyrangeoftheelectromagneticspectrum.MRIgetsaroundthislimitationbyproducingimagesbasedonspatialvariationsinthephaseandfrequencyoftheradiofrequencyenergybeingabsorbedandemittedbytheimagedobject.54磁共振物理基础MR信号的产生弛豫（relaxation）过程：射频脉冲激励结束时即开始释放电磁辐射并将能量转移到晶格（lattice）或其自身之间而回到平衡状态，这一过程被称为弛豫。55弛豫过程期间，净磁矩的纵向（longitudinal，Mz）和横向（transverse，Mxy）成分均呈指数形式，恢复到它们的平衡值横向弛豫、纵向弛豫56磁共振物理基础纵向（自旋晶格）弛豫（spin lattice relaxation）分子晶格为激励核与晶格间能量交换提供了机会，激励的核与邻近晶格的相互影响提供了纵向弛豫的机制57磁共振物理基础在单纯的水分子内，一个质子的磁偶极子场产生晶格场，它影响邻近核的弛豫58磁共振物理基础能量以离散量子数方式从激励核转移出去，结果净磁化矢量以指数函数恢复到初始值。ThetimeconstantwhichdescribeshowMZreturnstoitsequilibriumvalueiscalledthespinlatticerelaxationtime(T1).Theequationgoverningthisbehaviorasafunctionofthetimetafteritsdisplacementis:Mz=Mo(1-e-t/T1)59磁共振物理基础Ifthenetmagnetizationisplacedalongthe-Zaxis,itwillgraduallyreturntoitsequilibriumpositionalongthe+ZaxisatarategovernedbyT1.Theequationgoverningthisbehaviorasafunctionofthetimetafteritsdisplacementis:Mz=Mo(1-2e-t/T1)60磁共振物理基础用T1值表示纵向弛豫时间，T1是时间常数，表示纵向磁化矢量恢复到它的初始值的63所需要的时间生物组织的T1值从大约50毫秒到几秒不等。61磁共振物理基础横向（自旋自旋）弛豫（spinspin relaxation）激励后，自旋磁矩以相同相位进动，产生较大磁化横向成分，单个自旋磁矩间相互作用引起局部随机性磁场的变化，使得单个核的进动频率波动，相互分散，出现自旋磁矩逐渐的、随机的相位异步（dephase），引起净磁化横向成分呈指数形式衰减（reduce)Twofactorscontributetothedecayoftransversemagnetization.1)molecularinteractions(saidtoleadtoapure T2moleculareffect)2)variationsinBo(saidtoleadtoaninhomogeneous T2effect62磁共振物理基础IfthenetmagnetizationisplacedintheXYplaneitwillrotateabouttheZaxisatafrequencyequaltothefrequencyofthephotonwhichwouldcauseatransitionbetweenthetwoenergylevelsofthespin.63磁共振物理基础Inadditiontotherotation,thenetmagnetizationstartstodephasebecauseeachofthespinpacketsmakingitupisexperiencingaslightlydifferentmagneticfieldandrotatesatitsownLarmorfrequency.Thelongertheelapsedtime,thegreaterthephasedifference.Herethenetmagnetizationvectorisinitiallyalong+Y.64磁共振物理基础相位异步65Thetimeconstantwhichdescribesthereturntoequilibriumofthetransversemagnetization,MXY,iscalledthespin-spinrelaxationtime,T2.MXY=MXYoe-t/T2指数衰减66磁共振物理基础用T2值表示横向弛豫时间，T2是时间常数，表示横向磁化矢量恢复到它的初始值的37所需要的时间横向磁化在纵向磁化恢复以前很久就消失了，因此生物组织的横向弛豫时间要短于纵向弛豫时间67磁共振物理基础人体部分组织、值68磁共振物理基础MR信号的探测69磁共振物理基础只有在XY平面的成分能被探测到7071MR信号波形自由感应衰减（FID）72磁共振物理基础信号与频谱（spectrum）信号包括时间、强度、相位、频率等成分（A）是单一频率正弦波。其谱线是频谱某点的竖线，高度取决于信号强度。73（B）是二个频率正弦波，每个成分具有相等的强度74磁共振物理基础复杂信号的频谱付立叶变换下时间有关的信号可以通过付立叶变换生成相应的频谱，及反之亦然7576磁共振物理基础77磁共振物理基础78思考题(problem)7 如何确定磁共振信号的空间位置？8 选层梯度如何实现其功能？9 梯度磁场及射频如何影响层厚？10 MR图像上的点与K 空间上的点是对应的吗？为什么？79磁共振成像原理组织的空间定位当RF脉冲停止时，MR信号就可接收到了，此时接收线圈范围内的所有原子核会以相同的频率辐射信号，并不携带任何空间位置信息。80投影（project）磁共振成像原理81梯度磁场（Magnetic Field Gradient）磁共振成像原理82梯度场的作用（effect)磁共振成像原理83空间定位需要解决的问题为了重建图像，必须确定组织间的空间位置，涉及两个方面：）层面选择）层面上共振信号的空间编码84磁共振成像原理选层梯度(Slice Selection)由于共振频率是磁场强度的函数，在人体长轴方向上附加一梯度磁场Z，则每一横断面的共振频率均不一样，只有那些与射频脉冲频率相同的扫描层面内的核才会吸收射频脉冲能量。Z=Z=f/Gs8586磁共振成像原理选层梯度与层厚层面厚度取决于磁场梯度和射频带宽及形状87磁共振成像原理被选层面内质子的频差及校正螺旋阶梯样散开施加自旋复相位梯度88磁共振成像原理选定层面的空间编码使用读识梯度(频率编码Frequency Encoding)接受信号时，使用与层面选择梯度Gz垂直的第二个磁场梯度，散发出来的信号频率与沿x梯度轴位置不同而不同。信号经付立叶转换为轴上的频谱。每个频率成分的振幅，即沿轴每个位置上的强度，与轴位置上方向信号总和成正比89磁共振成像原理频率编码（读识梯度）90f=(Bo+x Gx)=fo+x Gx x=(f-fo)/(Gx)Thisprocedureiscalledfrequencyencodingandcausestheresonancefrequencytobeproportionaltothepositionofthespin.91磁共振成像原理相位编码梯度(Phase Encoding Gradient)在读识梯度前施加，与读识梯度方向垂直层面选择梯度与90度射频激励脉冲后，所选择层面内所有自旋同频同相进动；相位编码梯度打开后，自旋将受该梯度影响以不同频率进动，相位编码梯度关闭时，所有自旋又同频进动，而位置各异，每个核有各自的相位，依梯度位置而定，这种改变称为“相位记忆”92磁共振成像原理相位编码梯度相位记忆Phase Encoding Gradient939495磁共振成像原理96磁共振成像原理图像细节的获得过程图像细节的获得过程：在相位编码梯度方向，图像的空间分辨力在相位编码梯度的升高过程中被逐渐获得，系统所能识别的最小两点间相位差别是有一定限度的(即空间分辨力)，比如是180度，这样随着梯度场强的升高，相差180度相位的两点间距离逐渐变小，图像的细节在相位编码的过程中被获得。97Gradient Slice Plane Slice Phase Frequency XYZXorYYorXXZYXorZZorXYZXYorZZorY磁共振成像原理98磁共振成像原理空间编码及空间MR扫描期间，采集的数据并不分别对每个相位编码步的数据进行付里叶变换，来产生图像灰度，而是按照相位编码顺序，暂存在一个地方-即K空间，K空间是一个抽象空间或平面，每幅影像都有它自己的K空间数据阵列。K空间水平方向的Kx值对应于测量梯度的时间(积分)，垂直方向的Ky值正比于相位编码梯度的强度，每一相位编码步由一个Ky值表示。99磁共振成像原理K空间、数据矩阵与相位编码步100磁共振成像原理K空间实际由数据采集获取的全部回波数据或投影一行一行叠排起来组成。Ky=0的投影是相位编码梯度为零的条件下测量的回波的数据。K空间数据阵列垂直方向具有共轭对称性。因为两端的相位编码梯度幅度相等极性相反101磁共振成像原理K空间数据模型K空间中心有最大信号102磁共振成像原理K空间数据获取过程103磁共振成像原理104当一个扫描序列完成后，系统会对该序列中所有予设层面的K空间的数据进行付里叶变换，最终得到对应层面具有相应灰度等级的亮度图像。在MR图像中，图像上每一点与K空间内每一点不是一一对应关系，图像上每一点的信号都来源于K空间所有点，K空间内每一点都参与图像上所有点信号的形成。磁共振成像原理105磁共振成像原理图像转换106磁共振成像原理采样时序107磁共振成像原理全回波与部分回波80%60%108磁共振成像原理扫描时间=YxTRxNSA109磁共振成像原理K空间轨迹类型KyKxoKyKxo110磁共振成像原理111磁共振成像原理112二维付里叶变换接收线圈所探测到的电流，实际上是频率和相位的函数，如果假设扫描层面中某一体素所对应的频率和相位是单一的，则每一体素所产生的电流df(t)可用下式来表示:df(t)=A(,)cos(t+)d d 磁共振成像原理113每进行一次采样，在扫描脉冲序列作用下，扫描平面内所有体素发出的信号总和为f1(t)=A(,1)cos(t+1)d d 1磁共振成像原理114 上式和f(t)的傅里叶变换式很相似，差别在于增加了相位分布的积分，加第二个脉冲序列时，相位编码梯度的功率增加到使所有体素再多产生相位增量，第三个脉冲序列则使相位增量为2，因此所得的各级数据可以用下面一组式子来表示：磁共振成像原理115f1(t)=A(,1)cos(t+1)d d 1f2(t)=A,1(1+)cos t,1(1+)d d 1 fn(t)=A,1 1+(n-1)cos t,1 1+(n-1)d d 1磁共振成像原理116这一系列等式可用以下等式来代表：当我们采用256个相位编码步时，增量 360/2561.4f(s,t)=A,1 1+(s-1)cos t,1 1+(s-1)d d 1磁共振成像原理117MR图像究竟是如何得到的？118思考题(problem)11请画出自旋回波序列的时序图。12请画出FLAIR序列的时序图。13 IR序列为什么可以选择性地抑制某些组织信号？14 EPI序列的时序图119磁共振成像方法射频脉冲和自由感应衰减的检测是连续进行的，然而并不是RF停止后立即进行自由感应衰减取样，而是检测自由感应衰减消失后一定时间重新出现回波信号磁共振测量使用两种方法产生回波信号自旋回波（Spin-Echo）梯度回波（Gradient-Echo）120磁共振成像方法脉冲序列的构成自旋准备准备脉冲组织预饱和信号产生自由感应衰减自旋回波梯度回波付氏变换亮度转换图像121磁共振成像方法脉冲序列的表达时序图表达射频、选层梯度、相位编码梯度、频率编码梯度、回波、采样等过程的波形叙述流程图表达用数字或数学符号表达122磁共振成像方法脉冲序列分类：按信号：FID、SPINECHO、GRADIENT ECHO、EPI ECHO按用途：通用：常规检查序列专用：心脏、脂肪抑制、伪影抑制等按成像速度：普通、快速123磁共振成像方法被激励核经历两个根本不同的失相位过程自旋自旋相互作用，该作用是随机的，随时间而变化，是不可逆的过程磁场的不均匀，产生对自旋系统的恒定的影响，需采用一定的方法纠正净磁场不均匀性的影响124磁共振成像方法自旋回波磁场不均匀的静态作用，可以在90度RF脉冲之后一段时间使用180度RF重聚相脉冲消除125磁共振成像方法A180opulsewillrotatethemagnetizationvectorby180degrees.A180opulserotatestheequilibriummagnetizationdowntoalongthe-Zaxis.126磁共振成像方法Thenetmagnetizationatanyorientationwillbehaveaccordingtotherotationequation.Forexample,anetmagnetizationvectoralongtheYaxiswillendupalongthe-Yaxiswhenacteduponbya180opulseofB1alongtheXaxis.127磁共振成像方法在旋转坐标系中，相位调制后，180度脉冲可加在X轴上，使得质子群绕X轴折叠128磁共振成像方法自旋回波的形成129磁共振成像方法AnetmagnetizationvectorbetweenXandYwillendupbetweenXandYaftertheapplicationofa180opulseofB1appliedalongtheXaxis.130磁共振成像方法自旋回波脉冲序列自旋回波（SE，spin echo)脉冲序列是指以90度脉冲开始，后续以180度相位重聚焦脉冲，以获得有用信号的脉冲序列。并且可以多次施加180度脉冲，以获得多次回波信号。SE序列是目前临床磁共振成像中最基本、最常用的脉冲序列。131磁共振成像方法18018090TE1TE2132磁共振成像方法时序与信号幅度变化趋势133磁共振成像方法几个重要参数反转时间TI回波时间TE重复时间TR静息时间Tdead（TR、TE之差)SE序列的执行过程分为激发、编码、相位重聚和信号读出四个阶段134磁共振成像方法180RFGpc90next90TITE/2TETRGssEchoGroTdead135磁共振成像方法2DFT&3DFT136磁共振成像方法137磁共振成像方法自旋回波信号的应用测量组织T2：由外磁场不均匀引起的失相位的可逆的，组织本身横向弛豫引起的、由其表征的信号衰减是不可逆的。1/T2138磁共振成像方法多次回波信号的最大幅度正比于组织的本征弛豫时间T2：Sm(n)e-n/T2 根据此式可获得比较准确的T2值。139磁共振成像方法自旋回波序列的图像特征SE序列的信号强度至少取决于氢质子密度、T1和T2弛豫时间、TR及TE等5个因素，当组织一定时，改变序列参数TR和TE就可改变质子密度、T1及T2对图像的影响程度或加权权重。140磁共振成像方法自旋回波序列信号强度的近似表达：S r(1e-TR/T1)e-TE/T2在式中，当取TRT1时信号强度与T1几乎无关系；当TR一定时，如果TET2，信号强度受T2影响减少。因此，TR和TE是自旋回波序列的重要操作参数。可以通过调节TR和TE来灵活地实施所谓加权成像：T1加权像，T2加权像及质子密度加权像。141磁共振成像方法图像亮度与信号强度的关系线性关系：I=S142磁共振成像方法梯度回波脉冲序列梯度回波（GRE，gradient echo），是一种采用小角度RF波替代SE中的90度RF脉冲，通过有关梯度场方向的翻转替代自旋回波中180度脉冲而产生回波信号的成像技术，该技术扫描时间大大短于SE序列成像时间。143磁共振成像方法梯度回波的原理：相位回聚Gy无梯度正梯度负梯度翻转梯度144磁共振成像方法145时序图：RFGpcGssEchoGronextssrope146磁共振成像方法梯度回波信号强度：S=k r(1-exp(-TR/T1)Sin exp(-TE/T2*)/(1-Cos exp(-TR/T1)GRE序列只能获得T2加权的图像给定T1和TR时，信号的幅度与角相关：1arccosTTRErnste-=147磁共振成像方法扰相梯度：减少剩余磁化采用的手段。使梯度回波序列在较短的TR下获得更大的权重。将加大梯度系统的负担。148磁共振成像方法横向残余磁化矢量破坏序列149磁共振成像方法TSE&GRE序列RF后多次进行梯度翻转：两种回波成分150磁共振成像方法GRE-EPI(Gx翻转)151磁共振成像方法GRE-spiral螺旋磁共振152153磁共振成像方法其他序列：饱和恢复序列（saturation recovery,SR)部分饱和序列（partial saturation,PS)反转恢复序列（inversion recovery,IR)STIR（short time inversion recovery)SPIR(spectral presaturation with inversion recovery)FLAIR(fluid attenuated inversion recovery)IRSE(inversion recovery spin echo)回波平面成像序列（echo planar image,EPI)154磁共振成像方法饱和恢复序列使用长TR，纵向弛豫最大，质子密度加权像155磁共振成像方法部分饱和序列（可测T1）90RFFID909090TR156磁共振成像方法部分饱和恢复序列TR短，得到T1W157磁共振成像方法翻转序列（抑制某种组织）FIDRF90180180TI158159磁共振成像方法IR序列时序图160磁共振成像方法EPI序列恒定相位编码161磁共振成像方法EPI序列脉冲式相位编码162信号强度公式小结Spin-Echo S=k r(1-exp(-TR/T1)exp(-TE/T2)Inversion Recovery(180-90)S=k r(1-2exp(-TI/T1)+exp(-TR/T1)Inversion Recovery(180-90-180)S=k r(1-2exp(-TI/T1)+exp(-TR/T1)exp(-TE/T2)Gradient Recalled Echo S=k r(1-exp(-TR/T1)Sin exp(-TE/T2*)/(1-Cos exp(-TR/T1)163决定信号强度的参量Repetition Time,TR Echo Time,TE Inversion Time,TI Rotation Angle,T2*164图像对比与加权T1值和T1图像对比度组织的T1值越短，纵向磁矩分量恢复越快，在测量T1的序列中，呈高信号，图像中相应像素较亮。165图像对比与加权166图像对比与加权T2值与T2图像对比度弛豫缓慢（T2长）的组织将保持较高的剩余横向磁化167图像对比与加权168图像对比与加权质子密度图像对比度169图像对比与加权图像的加权调节TR，TE，TI或翻转角等脉冲序列参数，就可达到在图像中突出某一对比度的目的。常将这样获取的图像称为加权像(WI，weighted image)。图像对比度突出的程度叫做权重，有轻度加权、中度加权及重度加权之分170决定图像对比的因素Spin-Lattice Relaxation Time,T1 Spin-Spin Relaxation Time,T2 Spin Density,r T2*171图像对比与加权T1加权像 在序列中采用短TR(500ms)和短TE(25ms)就可得到所谓的T1加权像。扫描时，脂肪等短T1组织在给定TR时间内可充分弛豫，而脑脊液等长T1组织的弛豫量相对较少，因此，在下个RF脉冲出现时对能量的吸收程度也就不同，短T1组织因吸收能量多而显示强信号，长T1组织则因饱和而不能吸收太多的能量，呈低信号。这种组织间信号强度的变化使图像的T1对比度得到增强。由于信号检测是在横向进行，采用短TE可最大限度地削减由于T2弛豫造成的横向信号损失，从而排除T2的作用。172图像对比与加权T2加权像T2加权像通过长TR(15002500ms)和长TE(90-120ms)的扫描序列来取得，在长TR的情况下，扫描周期内纵向磁化矢量已按T1时间常数充分弛豫，采用长的TE后，信号中的T1效应也被进一步排除，长TR的另一作用是突出液体等横向弛豫较慢的组织信号。一般病变部位都会出现大量水的聚集，用T2加权像可以非常满意地显示这些水的分布。因此，T2加权像在确定病变范围上有重要作用。173图像对比与加权质子密度加权像 选用长TR(15002500ms)和短TE(1525ms)的脉冲序列进行扫描，就可获得反映体内质子密度分布的图像，称为质子密度加权像或质子密度像，这里长TR可使组织的纵向磁化矢量在下个激励脉冲到来之前充分弛豫，以削减T1对信号的影响；短TE的作用则主要是削减T2对图像的影响。这时图像的对比度仅与质子密度有关。174图像对比与加权对比逆转对比逆转是T2加权像中一种现象，在多回波成像(分别取长、短不同的TE)时，常会发现两种组织的亮度在不同图像中发生了逆转。例如，在短TE的图像上脑组织比脑脊液要亮些，但在长TE的图像上脑组织却会暗些，这种现象就是对比逆转。图示两条信号强度曲线出现交点，它表明当TEr时图像中将发生对比逆转，r称为对比逆转点。175图像对比与加权自旋回波序列中TR与TE的取值与加权176图像对比与加权不同的翻转角及TR对图像对比度的影响177伪影的类型与成因一、图像处理伪影1、混淆伪影(aliasingorwrapround)178伪影的类型与成因解决办法：表面线圈、加大FOV、过采样、预饱和脉冲相位过采样179伪影的类型与成因2、化学位移伪影(3.5PPM)解决：抑脂、增大象素、降低磁场增加带宽、交换Gx、Gy使用长TE180伪影的类型与成因3、截尾伪影：(高对比度界面，相位编码方向，由数据截断所致)解决：增加采样、缩小象素181伪影的类型与成因4、部分容积效应：(层厚)解决：减小层厚182伪影的类型与成因二、运动伪影：1、周期性运动(血管脉动、心跳、CSF)解决：预饱和、交换GxGy、门控、FC2、随机运动解决：镇静、RC、TF3、CSF、血流解决：FC、多序列对比183伪影的类型与成因三、RF相关伪影1、串扰(cross-talk)184伪影的类型与成因解决：(增加GAP、隔层扫描)185伪影的类型与成因2、RF拉链式伪影(FID-180度RF)3、馈穿(自激)4、噪声(外环境)186伪影的类型与成因四、主磁场(非均匀性)五、磁化率伪影(逆磁、顺磁、铁磁)(界面)六、梯度相关：涡流、非线性七、数据误差187小结磁共振的物理基础磁共振的成像原理磁共振的成像方法磁共振图像的对比与加权磁共振图像的伪影188