MRI基本原理与临床应用刘起旺

MRI基本原理与临床应用刘起旺磁共振成像磁共振成像（MagneticResonance Image MRI）是是利用原子核在磁场内共振所利用原子核在磁场内共振所产生的信号，经重建成像的产生的信号，经重建成像的一种检查技术一种检查技术。近年来，核。近年来，核磁共振成像技术发展十分迅磁共振成像技术发展十分迅速，临床应用日益广泛，检速，临床应用日益广泛，检查范围基本覆盖了全身各系查范围基本覆盖了全身各系统。为了准确反应其成像基统。为了准确反应其成像基础，避免与核素成像混淆，础，避免与核素成像混淆，目前均称为磁共振成像。目前均称为磁共振成像。发展史发展史1946 Bloch,Purcell 1946 Bloch,Purcell 核磁共振现象的发现核磁共振现象的发现1971 Damadian 1971 Damadian 肿瘤肿瘤T1T1，T2T2时间延长时间延长1973 Lauterbur 1973 Lauterbur 两个充水试管的两个充水试管的NMRNMR图像图像1974 Lauterbur 1974 Lauterbur 活鼠活鼠NMRNMR图像图像1976 Damadian 1976 Damadian 人胸部人胸部NMRNMR图像图像1977 Mallard 1977 Mallard 初期的初期的NMRNMR全身图像全身图像1980 MRI1980 MRI装备商品化装备商品化T T装备商品化装备商品化一、一、MRI成像基本原理成像基本原理（1）原子结构）原子结构 （6）共振现象）共振现象（2）原子核自旋）原子核自旋 （7）磁共振信产生磁共振信产生（3）自由空间原子核状态）自由空间原子核状态 （8）弛豫）弛豫 现象现象（4）磁场对原子核的作用）磁场对原子核的作用 （9）磁共振信号测量）磁共振信号测量（5）进动与）进动与Larmor频率频率（1）原子结构原子由原子核及核外电子组成，电子以原子由原子核及核外电子组成，电子以特定的轨道绕原子核旋转，原子核由质特定的轨道绕原子核旋转，原子核由质子和中子组成。子和中子组成。(2)原子核自旋 原原子子核核中中的的质质子子并并非非处处于于静静止止状状态态，当当核核内内质质子子为为奇奇数数产产生生自自旋旋（如如：H1 P31），偶偶数数质子能量抵消。质子能量抵消。自旋自旋周围电荷周围电荷小磁场小磁场 氢氢在在人人体体含含量量丰丰富富，含含量量为为1019 氢氢原原子子/mm3，为为目目前前磁磁共共振振成成像像唯唯一一利利用用的的原原子子，是是MRI信号主要来源。信号主要来源。（3）自由空间原子核状态 排列杂乱排列杂乱 质子间能量平衡质子间能量平衡 无磁性无磁性（4）磁场对原子核的作用外外加加一一个个磁磁场场后后，产产生生磁磁化化，沿沿静静磁磁场场方方向排列向排列（5）进动与Larmor频率在在静静磁磁场场中中，氢氢核核沿沿自自身身轴轴旋旋转转，同同时时沿沿静静磁磁场场磁磁力力线线方方向向中中心心轴轴回回旋旋，氢氢质质子子在在静静磁磁场场中中这这种种运运动动如如同同陀陀螺螺运运动动，我我们们将将一一个个沿沿自自身身轴轴旋旋转转的的同同时时又又沿沿另另一一轴轴作作回回旋旋的的运运动动称称为为进进动动。将将其其运运动动频频率率称称为为进进动动频频率，以拉莫尔公式表示又称拉莫尔频率。率，以拉莫尔公式表示又称拉莫尔频率。拉莫尔频率：拉莫尔频率：W0=r*B0 r 旋磁比旋磁比 B0静磁场强度静磁场强度 H+Z）（6）共振现象）共振现象能能量量从从一一个个物物体体传传递递到到另另一一个个物物体体，接接受受者者与与传递者以同样频率振动的现象。传递者以同样频率振动的现象。条条件件：激激励励驱驱动动者者的的能能源源频频率率与与被被激激励励者者的的固固有有频频率率一一致致。MRI系系统统中中，被被激激励励者者为为生生物物体体组组织织中中的的氢氢原原子子核核，激激励励者者为为射射频频脉脉冲冲，只只有有射射频频脉脉冲冲的的频频率率与与质质子子的的进进动动频频率率一一致致时时，才才能能产产生生共共振振。所所施施加加射射频频脉脉冲冲必必须须与与LarmorT为为例例，必必须须施施加加42。5MHz的的射射频频脉脉冲冲才才能能使使质质子出现共振。子出现共振。患患者者进进入入MR机机磁磁体体内内，患患者者本本身身产产生生磁磁化化，沿沿外外磁磁场场总总之之纵纵轴轴（Z轴轴）方方向向 纵纵向向磁磁化化，向向患患者者发发射射短短促促无无线线电电波波（射射频频脉脉冲冲RF）,如如RF脉脉冲冲与与质质子子进进动动频率相同出现共振频率相同出现共振（7）磁共振信号产生 H+静磁场内磁化静磁场内磁化 激发激发 射频脉冲（射频脉冲（RF频率一致）频率一致）H+吸吸收收能能量量，产产生生共共振振，停停止止激激发发，H+恢恢复复原原位位，称称弛弛豫豫过过程程，产产生生能能量量相相位位变变化化电电信信号号图图象象形成基础。形成基础。（8）驰豫现象）驰豫现象射射频频脉脉冲冲激激励励质质子子群群产产生生共共振振 质质子子群群宏宏观观磁磁矢矢量量M不不在在与与原原来来主主磁磁场场平平行行，离离开开原原来来平平衡衡状状态态。其其变变化化程程度度取取决决与与施施加加射射频频脉脉冲冲的的强强度和时间。度和时间。MRI使使用用：90、180 脉脉冲冲，如如施施加加90 脉脉冲冲 宏宏观观磁磁化化量量M M以以螺螺旋旋形形式式离离开开原原位位；脉脉冲冲停停止止 宏宏观观磁磁化化量量M M垂垂直直于于主主磁磁场场B B。随随后后自自发发回回到到平衡状态，这个过程称为核磁驰豫。平衡状态，这个过程称为核磁驰豫。T1T1驰豫驰豫 纵向驰豫纵向驰豫9090 脉脉冲冲停停止止后后，纵纵向向磁磁化化量量MzMz逐逐渐渐恢恢复复到到平平衡衡状状态态的的过过程程。由由于于是是在在Z Z轴轴上上的的恢恢复复，称称为为纵纵向驰豫。向驰豫。质子群通过释放已吸收的能量而恢复原来的高质子群通过释放已吸收的能量而恢复原来的高低能态平衡过程能量转移是从质子转移至周围低能态平衡过程能量转移是从质子转移至周围环境，称自旋晶格环境，称自旋晶格驰豫。驰豫。纵向纵向磁化量磁化量(Mz)(Mz)达到平衡状态达到平衡状态63%63%的时间为的时间为T1T1驰豫时间。驰豫时间。获得选定层面中各种组织的获得选定层面中各种组织的T1T1差别形成的组织差别形成的组织图像为图像为T1T1加权像加权像T2T2驰豫驰豫 横向驰豫横向驰豫9090 脉脉冲冲停停止止后后，横横向向磁磁化化量量MxyMxy逐逐渐渐衰衰减减到到零零，该过程为横向驰豫该过程为横向驰豫在在横横向向驰驰豫豫中中，能能量量是是在在质质子子间间相相互互传传递递，但但无能量散出，称为自旋无能量散出，称为自旋自旋自旋驰豫。驰豫。横横向向磁磁化化量量（MxyMxy）由由最最大大减减少少原原来来值值的的37%37%的的时间为时间为T2T2驰豫时间驰豫时间由各种组织中由各种组织中T2T2差别形成的图像为差别形成的图像为T2T2加权像加权像T1长长与与T2 生生物物组组织织的的驰驰豫豫时时间间，T1 T1 为为300-2000ms,T2300-2000ms,T2为为30-150ms30-150msT1T1的的长长短短与与组组织织成成分分、结结构构和和磁磁环环境境有有关关，与与外外磁磁场场场场强强也也有有关关系系。T2T2的的长长短短同外磁场和组织内磁场的均匀性有关。同外磁场和组织内磁场的均匀性有关。（9 9）磁共振信号测量）磁共振信号测量在在驰驰豫豫过过程程中中测测量量横横向向驰驰豫豫MxyMxy可可以以测测得得生生物物组组织织MRMR信信号号。横横向向磁磁化化矢矢量量垂垂直直并并围围绕绕主主磁磁场场B B。以以LarmorLarmor频频率率旋旋进进，其其变变化化使使环环境境在在人人体体周周围围的的接接受受线线圈圈产产生生感感应应电电动动势势，这这个个可可以以放放大大的的电电流流就就是是MRMR信信号号。其其以以指指数数形形式式衰衰减减，称称自自由由感感应应衰衰减减。需需要要强强调调的的是是MRMR信信号号的的测测量量只只能能在垂直与主磁场的在垂直与主磁场的MxyMxy平面进行。平面进行。2、医学成像、医学成像基础基础（1）正常组织、病理组织质子密度不一）正常组织、病理组织质子密度不一（2）T1、T2豫弛时间不一豫弛时间不一二、二、MRI MRI设备设备1、静静磁磁场场 单单位位Tesla “T”高高斯斯（Gauss）1T=10000高斯高斯(1)永磁型永磁型：T(2)常导型常导型：T，耗水耗电，耗水耗电(3)超导型超导型：T，需液氦及液氮冷却，需液氦及液氮冷却。2、梯度磁场、梯度磁场 选层选层 频率编码频率编码 相位编相位编码作用码作用MRMR信信号号与与T1T1、T2T2旋旋进进频频率率及及相相位位有有关关，为为了了控控制制MRMR信信号号的的旋旋进进频频率率及及相相位位，必必须须使使用用梯梯度度磁磁场场。从从而而决决定定MRMR信信号号在在空空间的定位。间的定位。梯梯度度磁磁场场是是一一个个在在主主磁磁场场基基础础上上附附加加的的磁磁场场，其其磁磁场场强强度度随随距距离离不不同同而而有有微微弱弱变变化化。这这样样由由于于生生物物组组织织所所处处的的位位置置不不同同，其其磁磁场场强强度度不不同同。典典型型的的梯梯度度磁磁场场从从 110 110 mT/m mT/m(0.11Gauss/cm)(0.11Gauss/cm)。梯梯度度场场在在X X、Y Y、Z Z轴轴均均有有。MR1MR1扫扫描描时时分分别别开开放放层层面面选选择择梯梯度度、相相位位偏偏码码梯梯度度、频频率率偏偏码码梯梯度度、后后行行图图像像重重建建。获获得得一一幅幅MR1MR1图像图像.3、射频脉冲、射频脉冲 发射与接收作用（称表面线发射与接收作用（称表面线圈）：激发人体氢原子核，产生信号，并圈）：激发人体氢原子核，产生信号，并进行接收。进行接收。主主要要完完成成射射频频信信号号的的传传输输及及接接受受质质子子产产生生的的信信号号。无无线线电电广广播播使使用用的的短短波波频频率率一一般般在在3326MHz26MHz，调调 频频 广广 播播 和和 电电 视视 频频 率率 一一 般般 在在 5454216MHz216MHz，T MRMHzT MRMHz4、计算机控制显像系统、计算机控制显像系统5、磁屏蔽、磁屏蔽 射频屏蔽射频屏蔽：防止磁场对外界防止磁场对外界影响及外界电磁波对磁场的影响影响及外界电磁波对磁场的影响 三、三、MR1MR1检查技术检查技术1 1、脉冲序列和加权像、脉冲序列和加权像 脉脉冲冲序序列列是是指指射射频频线线圈圈开开放放和和关关闭闭的的方方式式。一一般般包包括括9090、180180脉脉冲冲。使使纵纵向向磁磁化化倾倾斜斜9090的的脉脉冲冲为为9090脉脉冲冲，而而倾倾斜斜180180的的脉脉冲冲为为180180脉脉冲冲，连连续续施施加加脉脉冲冲称称为为脉脉冲冲序序列列，脉冲序列将决定从组织中获得何种信号脉冲序列将决定从组织中获得何种信号 TR TR 重复时间重复时间(Repetition time)(Repetition time)：第一个第一个9090RFRF到第二个到第二个9090RFRF出现的时间。出现的时间。TE TE 回波时间回波时间(Echo time):(Echo time):自自9090脉冲开始至测量回波出现的时间。脉冲开始至测量回波出现的时间。（1 1）自旋回波序列自旋回波序列 （SESE）（2 2）反转恢复序列反转恢复序列 （IRIR）（3 3）梯度回波序列梯度回波序列 （GREGRE）（4 4）平面回波成像平面回波成像 （EPIEPI）2 2、脂肪抑制、脂肪抑制3 3、对比增强、对比增强4 4、MRAMRA5 5、水成像、水成像6 6、功能性、功能性MR1MR1成像成像四、图像 1.1.多多参参数数成成像像 TRTR、TETE为为形形成成不不同同图图像像基本条件：基本条件：（1）短短TR 短短TE-T1像像 T1WI 解剖结构解剖结构（2 2）长长TR 长长TE-T2像像 T2WI 病变定性病变定性（3）长长TR 短短TE-质质子子像像 PDI 2 2、T T1 1、T T2 2鉴别鉴别 临床常用T1和T2来进行比较诊断，在具体分析图像时，以SE序列为例，先应区分哪幅图像为T1加权像（T1 weighted image，T1WI），哪幅为T2加权像（T2 weighted image，T2WI）或质子密度像（PD weight image）；最最简简易易的的方方法法是是首首先先观观察察脑脑脊脊液液和和眼眼球球，两两张张影影像像比比较较，哪哪一一张张呈呈现现黑黑色色（低低信信号号）则则就就是是T T1 1加加权权像像，如如果果两两张张影影像像为为不不同同序序列列扫扫描描所所获获得得，哪哪一一张张眼眼球球或或脑脑脊脊液液越越黑则越趋于黑则越趋于T T1 1加权像，相反则趋向加权像，相反则趋向T T2 2加权像。加权像。了解了解SESE序列的各加权像参数，能区分以上三种加权像序列的各加权像参数，能区分以上三种加权像SESE序列各加权像的参数序列各加权像的参数加权像加权像 TR TR TE TET T1 1加权像加权像 短（短（500ms500ms）短（短（25ms2000ms2000ms）长（长（75ms75ms）质子加权像质子加权像 长（长（2000ms2000ms）短（短（25ms25ms）一一般般认认为为T T1 1加加权权像像基基本本上上以以发发现现病病变变为为主主，且且特特别别有有助助于于定定位位诊诊断断，而而T T2 2加加权权像像则则一一般般可可对对病病变变性性质质进进行行评评价，有助于定性诊断。价，有助于定性诊断。3、图像特点、图像特点 A:灰阶成像灰阶成像其其反反映映的的是是信信号号强强度度的的不不同同或或弛弛豫豫时时间间的的 T1T2长短，而不同于灰度反映的是组织密度。长短，而不同于灰度反映的是组织密度。人体不同组织人体不同组织T1WI与与T2WI上的灰度上的灰度B:流空效应 流空效应流空效应(Flowing Void Effect)：心血心血管内的血液流动迅速，管内的血液流动迅速，使发射使发射MR信号的氢信号的氢原子核离开接收范围原子核离开接收范围之外，测不到之外，测不到MR信信号，号，T1WI与与T2WI均均呈黑影，即流空效应，呈黑影，即流空效应，可使心脏与血管显影。可使心脏与血管显影。三三维维成成像像：MRI可可获获得得人人体体轴轴位位、冠冠状状、矢矢状状及及任任何何方方位位断断面面成成像像，有有利利于于病病变变三三维维定定位位,采采用用重重建建方方法法，可可获获得得三三维维重重建立体像。建立体像。C:三维成像运动器官成像：采运动器官成像：采用呼吸和心电门控用呼吸和心电门控(gating)成像技术，成像技术，可获得心脏大血管可获得心脏大血管动态图像。动态图像。D:运动器官成像造影剂造影剂GdDTPA 钆钆二乙烯三胺五醋酸二乙烯三胺五醋酸顺磁性顺磁性 磁显葡胺磁显葡胺E：增强扫描F：MR血管造影 MR血管造影血管造影-MRA流空效应流空效应MR血血管管成成像像 MRA常常用用的的方方法法有有：时时间间飞飞跃跃法法TOF(Time of flight)和和相相位位对对比比法法PC(Phase contrast)，无无需需注注射射造造影影剂剂，使血管成像。使血管成像。五、五、适应症适应症 禁忌症禁忌症 注意事项注意事项禁忌症禁忌症（1）体内金属异物（2）危重病人需监护（一般急诊不适宜）（3）扫描时间长 不合作者（4）高热患者 散热功能差适应症适应症 （1）脑脊髓病变（2）脊柱病变（3）腹部盆腔、实质脏器病变（4）肌肉关节病变（5）胸部（肺、心血管）软件包 （6）MRA MRSMRI优势优势 分辨力高 无电离辐射 三维成像 血管成像 造影增强无毒性不足之处不足之处扫描时间长 幽闭感 骨骼钙化、胃肠道含气结构图像差 应用 技术复杂等其它其它体内金属异物（银夹、人造股骨头、起搏器等）。电子器件、磁卡、手表等不能带入检查室The End谢谢您的聆听！期待您的指正！