磁共振成像(MRI)的基本原理课件

1磁共振成像(MRI)的基本原理Magnetic Resonance Imaging同济医科大学附属协和医院MR室刘定西2磁共振现象的发现及发展 1924年pauli在进行电在子波谱试验中发现了许多原子核象带电的自旋粒子一样具有角动量和磁动量。1946年美国物理学家Block和Purcell分别测出了在均匀物质中磁共振的能量吸收，进一步证实了核自旋的存在，并为此获得了1952年诺贝尔物理学奖。3NSRF4T:F射频频率射频强度5磁共振的应用物理化学|：利用磁共振波谱测定物质的化学结构。医学影象：磁共振成像及化学物质含量测定。6第一节：原子及其磁特性原子的构成自旋自旋磁矩净自旋7原子的构成原子核核外电子质子（）中子核外电子（）8原子核的运动特性自旋：物体沿一定方向绕自身某一轴的转动自旋角动量 I：由于自旋运动的矢量性，自旋具有一定的角动量，自旋角动量I通常也称为自旋I。I为矢量。910自旋磁矩自旋粒子的磁性：带电粒子的自旋都可产生磁矩。原子核运动的自旋磁矩：每一个自旋I对应于一个磁动，=hI：113312净自旋原子核的运动:自旋净自旋：具有自旋磁动量的自旋。零自旋/非零自旋：净自旋为零/净自旋不为零净自旋产生的条件:奇数质子和/或奇数中子净自旋的意义：是磁共振信号来源的基础。自旋系统：磁场中所有自旋的集合。131H的原子核结构及特性1H原子核仅有一个质子，无中子。其磁化敏感度高，在人体的自然 丰富度很高，是很好的磁共振靶核。14第二节：磁场磁场的概念均匀磁场稳定磁场交变磁场15磁场物质场对磁性物质的力效应磁场的强度16均匀磁场大小方向恒定不变的磁场.17交变磁场大小或方向呈规律性变化的磁场18XYBX=BsinaBY=BcosaaB(RF)19第三节：磁场对样体的作用磁化:磁场对样体作用的过程。磁化强度m：样体经过磁化而产生的磁矩的大小。磁化率：单位磁场强度的磁化强度 X=m/B。顺磁性物质的磁化率为正值，抗磁性物质的磁化率为负值。影响磁化率的因素：1、外层电子；2、原子核结构。20NSM:21磁场对磁矩的作用 垂直于磁场的磁矩，磁场对其以磁转矩形式产生作用，即以磁场为轴垂直于磁场转动。22M1M223YM0B1XZ2425自旋在磁场中的运动进动（旋进）：自旋轴绕磁场方向的圆周运动。遵循 lamor 定理，w=rB0影响进动频率的因素：磁场强度。进动的方向：上旋态与下旋态。262728量子化与平衡态量子化概念：在磁场的作用下，自旋只能处于两种能级状态，低能态（上旋态）与高能态（下旋态）自旋只有吸收或释放一个特定能量值（E）时才相互转化。量子化遵循波兹定律E(1/2)/E(-1/2)=exp(rhI/kT)平衡态：在磁场和温度的作用下，样体达到稳定磁化的状态。是一种动态平衡。2930剩余自旋与净磁化剩余自旋：平衡态时，上旋态与下态自旋差。净磁化M（宏观磁化）：自旋系统在磁场作用下产生的磁化总量。是所有自旋磁矩的矢量和。M=B0N/T影响M的因素：静磁场强度、温度、自旋密度（单位体积的自旋数）。纵向磁化：平行于磁场方向的磁化矢量横向磁化：垂直于磁场方向的磁化矢量3132磁共振成像中的坐标系统XYZ33第四节 核磁共振现象单摆共振核磁共振34单摆共振的条件系统与激发源的固有频率相同系统吸收能量内能增加F35核磁共振的条件激发磁场的频率与自旋系统的进动频率相等。自旋系统吸收激发磁场能量内能增加36射频射频及磁特性射频的空间效应射频激发与核磁共振章动与翻转角=rB1t90、180脉冲，脉冲射频对自旋磁矩的相位相干效应37XYBX=BsinaBY=BcosaaB(RF)38XYZM0B1射频磁场对磁矩的激发3940射频激发使自旋的横向磁矩相位一致（相位相干），产生一个大的横向磁化矢量MXY。相位是矢量与参照轴间的夹角MXY横向磁化的相位相干进动41横向磁矩的相位XYm1m3m2MXYa42XYM0B1横向磁化的检测MXY43自旋弛豫自旋弛豫：自旋系统由激发态恢复到其平衡态的过程。可分为纵向弛豫和横向弛豫两个过程。纵向弛豫（自旋晶格弛豫、T1弛豫）：纵向磁化逐渐恢复的过程。横向弛豫（自旋自旋弛豫、T2弛豫）：横向磁化逐渐消失的过程4445纵向弛豫的机理 波动的晶格磁场是一个连续频率的波动磁场，Lamor 频率的晶格磁场可以吸收激发态自旋所释放的量子化能量，恢复其平衡态。晶格磁场的频率越接近 Lamor 频率，纵向弛豫的速度越快。人体各种不同类型组织的晶格磁场频率有差异。纵向弛豫速度不同。46影响纵向弛豫的因素组织特异性：中等大小分子快，小分子及大分子慢晶格的物理状态：液态快、固态慢。晶格的温度：低快，高慢。周围大分子结构：加快。磁场强度：低场快，高强慢47纵向弛豫特征时间常数T1T1：射频激发停止后，纵向磁化弛豫至其平衡态值的63%时所经历的时间。MZ=M0(1e-t/T1)T1的物理学意义：弛豫周期。48纵向磁化对比由于各种组织的T1不同，在纵向弛豫过程中，不同时刻各种组织在纵向磁化中的比例不同，因而产生了不同组织间的纵向磁化对比。也称为T1对比。49T1加权图像 图像的对比主要依赖T1对比称为T1加权（权重）图像。T1 weighted image5051T1图像T1 Image每一个像素的亮度表示其所对应的构成体素的组织的T1值,这种图像称为T1图像。52人体正常组织的T1值53由于磁场的不均匀性，自旋的进动频率不同，当RF 停止后，横向磁矩间很快出现相位弥散（相位不相干、去相位）进动，使横向磁化矢量逐渐消失。横向弛豫的机理54横向弛豫特征时间常数T2T2：射频激发停止后，横向磁化弛豫至其平衡态值的37%时所经历的时间。MXY=M0e-t/T2T2的物理学意义：弛豫周期。555657影响横向弛豫的因素组织特异性：大小分子快，小分子慢。晶格的物理状态：液态慢、固态快。晶格的温度：低快，高慢。周围大分子结构：加快。无磁场强度依赖性。58横向磁化对比由于各种组织的T2不同，在横向弛豫过程中，不同时刻各种组织在横向磁化中的比例不同，因而产生了不同组织间的横向磁化对比。也称为T2对比。59T2弛豫图60T2加权图像 图像的对比主要依赖T2对比称为T2加权（权重）图像。T2 weighted image61T2图像T2 Image每个像素的亮度对应于其所代表的构成体素的组织的T2值，这种图像称为T2图像。62人体正常组织的T2值63T2弛豫：由于磁体磁场本身的不均匀性而产生的横向磁化的快速衰减。T2*弛豫：由于T2和T2共同作用而产生的横向弛豫，也称为有效T2弛豫时间。1/T2*=1/T21/T2T2*加权图像：图像的对比主要依赖于T2*对比64第六节:MR信号的产生及种类FID信号产生SE信号产生方法及原理刺激回波产生及性质梯度回波产生及原理65FID信号电磁感应原理横向磁化的感应信号 V=Mxycost激发角度为,则Mxy=M0sine-t/T2*VFIDM0sincoste-t/T2*FID信号的衰变:自旋相位相干、重聚、去相位66自由感应衰减信号(FID)67SE信号产生方法及原理回波180脉冲的去T2效应及SESE的特性68自旋回波信号（SE）6970717273SE信号的特点消除了T2效应信号幅度大可用于T1、T2加权成像信号幅度随T2衰减74梯度回波及原理梯度磁场的去相位效应反相梯度磁场的聚相位效应梯度回波GE7576TG7778梯度回波信号GRE79刺激回波及性质连续脉冲的作用:相位累积效应。刺激回波的性质：自旋回波。900900aaa80第七节 MR图像重建原理一维傅立叶变换重建(反投影)二维傅立叶变换重建(K-空间数据重建)81傅立叶变换将时间强度的信号关系变换为频率强度的信号关系。这种数学变换模式称为傅立叶（Fourier transform)变换。821DFT重建梯度与梯度磁场层面选择及相关因素=GzD体素的频率编码及投影831122334455667788998485空间频率与K-空间空间频率：是指波动性信号在一定方向上单位距离的波动周期数，单位是:周/m。和时间频率（Hz、周/s)有本质的区别为一个空间矢量，通常以Kx、Ky、Kz分别表示其在X、Y、Z三个互相垂直方向上的空间频率分量。其总量等于三个分量的矢量和。K-空间（K-space）：以空间频率Kx、Ky、Kz为单位的空间坐标系所对应的一个频率空间。二维K-空间为一个平面。86空间频率与K-空间的关系任何一个具有空间频率的信号都对应于K-空间内一个点；反之，K-空间内的任何一点代表且只代表一个空间频率。K=Kx+ky+kzK2=Kx2+Ky2+Kz2K2=Kx2+Ky2(二维、方向由Kx、Ky决定)87梯度磁场与磁共振信号的空间频率的关系梯度磁场强度与时间的累积效应称为梯度动量（Gradient Moment），在梯度动量的作用下，沿着梯度方向的自旋之间的相位成规律的波动，其波动的周期数对应于梯度方向的一定距离，即空间频率。所以在梯度磁场的作用下，磁共振信号便可以具有空间频率。因此，可以将其写入K-空间内某一坐标位置。88一维梯度动量效应-产生一为维空间频率信号GytKy=1/fov89一维梯度动量产生的具有一维空间频率的磁共振信号GytKy信号区无信号区90二维梯度动量产生旋转（二维）空间频率信号GytGxtK=Kx+Ky91二维梯度动量效应-产生二维空间频率信号由K2=Kx2+Ky2(二维-空间)可见：在二维K-空间内，随着Kx、Ky的变化，空间频率大小相等但方向不同的一系列空间频率,在同一个圆轨迹上；反之，在同一圆轨迹上的所有K-空间坐标数据对应于一系列空间频率大小相等、方向连续变化的空间频率信号。即相当于一个大小不变、方向绕K-空间中心旋转的空间频率信号。922DFT重建黑白图像的产生K-空间的概念空间频率的概念空间频率的产生K-空间数据的填写逆向FT及MR图像93MRI基本序列自旋回波采集（Spin Echo）梯度回波采集(Gradient Echo)反转恢复采集(Inversion recovery)部分饱和采集(Partial Saturation)刺激回波采集(Steam)94磁共振各种特殊成像技术磁共振血管造影技术(MRA)时间飞跃法(Time of flight)相位对比法(Phase contrast)幅度对比法(Magnitude contrast)对比剂增强法(Contrast enhance)95MRI心电门控技术心电门控触发肢端脉搏触发回顾性心电门控96磁共振水成像技术MRCPMRUMRMMRD MRS97MRI造影剂T1造影剂 GD-DTPA（二乙烯三厂五乙-酸钆）T2造影剂-SPIO(超顺磁氧化铁)98MRI呼吸触发技术呼吸门控呼吸补偿99磁共振饱和成像技术频率饱和幅度饱和化学位移饱和磁化传递饱和100磁共振电影心脏运动电影关节活动电影三维结构转动显示电影101功能成像技术弥散成像灌注成像脑活动功能成像102第八节：磁共振系统的构成磁体及主磁场梯度系统射频系统计算机系统103104磁体永磁体超导磁体常导磁体105梯度梯度系统构成梯度系统的作用106射频系统RF线圈RF放大器RF接受放大器屏蔽107计算机系统A-D转换器阵列处理机用户计算机108MRI的图像质量参数109MR图像特征指标及评价方法SNRC/CNRR、RsA(artifact)110SNR噪声的概念及主要来源信号的概念及来源信噪比的概念SNR的评价 SNR=S/N111影响SNR因素设备因素（B0、线圈、梯度）选择序列及参数技术影像参数SNR=V112C对比度对比度的概念C的评价 C=S1S2/S1+S2113影响C的因素组织类型脉冲序列序列参数对比剂114CNRCNR概念CNR评价 CNR=SNRASNRB115R、RsR、Rs的概念R、Rs的评价Rs1/体素体积116影响R、Rs的因素FOV（Lx、Ly、Lz)Nx、Ny、NzK-空间方式117特殊技术对图像质量的影响半傅立叶技术半回波技术三维部分K-空间超频带采样MT压脂技术内插技术118MRI伪影边缘伪影几何变形回卷伪影流动伪影技术性伪影119边缘性伪影运动伪影化学伪影水脂反相位截断伪影120几何变形金属磁敏感磁场不均匀磁敏感伪影消除方法121回卷伪影频率编码方向回卷相位编码方向回卷层面选择方向回卷122流动伪影动脉血流及搏动致鬼影静脉流动及搏动伪影脑脊液流动及搏动伪影 123设备及技术伪影RF干扰数据丢失致线状伪影截断伪影化学位移伪影124磁共振检查禁忌症心脏起搏器颅内动脉夹存留铁磁性植入物心脏金属瓣膜体内电子泵、神经刺激器妊娠三个月以内以上各项有疑问者125MR检查适应证中枢神经系统病变颅颈移行区病变颈部病变胸部病变心脏大血管病变肝、胆、胰、脾、腹膜后病变盆腔病变四肢关节病变血管性病变