磁共振成像原理及结构培训课件

磁共振成像原理及磁共振成像原理及结构构一、磁共振成像磁共振成像：磁共振成像：Magnetic Resonance ImagingMagnetic Resonance Imaging，MRIMRI是利用人体内原子核在磁场内与外加射频磁场是利用人体内原子核在磁场内与外加射频磁场发生共振而产生影像的一种成像技术发生共振而产生影像的一种成像技术,它既能显示形它既能显示形态学结构，又能显示原子核水平上的生化信息及某些态学结构，又能显示原子核水平上的生化信息及某些器官的功能状况，更有无辐射的优点，其发展潜力巨器官的功能状况，更有无辐射的优点，其发展潜力巨大。大。2磁共振成像原理及结构二、MRI基本原理 MRIMRI影像形成的物理基础影像形成的物理基础3磁共振成像原理及结构(一)、原子核的自旋特性 含单数质子的原子核，例如人体内广泛含单数质子的原子核，例如人体内广泛存在的氢原子核，其质子有自旋运动，带正存在的氢原子核，其质子有自旋运动，带正电，产生磁矩，有如一个小磁体。电，产生磁矩，有如一个小磁体。4磁共振成像原理及结构(一)原子核的自旋特性 在有自旋特性的原子核周围存在的这个微观磁在有自旋特性的原子核周围存在的这个微观磁场是磁偶极子，就是所谓的原子核的场是磁偶极子，就是所谓的原子核的自旋磁矩自旋磁矩。在没有外加磁场时，各个质子由于热运动而处在没有外加磁场时，各个质子由于热运动而处于杂乱无章的任意排列状态，磁矩方向各不相同，于杂乱无章的任意排列状态，磁矩方向各不相同，相互抵消，所以在宏观上不显磁性。相互抵消，所以在宏观上不显磁性。5磁共振成像原理及结构(二)外磁场对原子核自旋的影响 当外部施加一个恒定磁场后，则质子沿外加当外部施加一个恒定磁场后，则质子沿外加磁场方向排列，产生磁场方向排列，产生净磁化净磁化。1.1.低能级低能级-自旋方向自旋方向与磁场方向一致与磁场方向一致2.2.高能级高能级-自旋方向自旋方向与磁场方向相反与磁场方向相反6磁共振成像原理及结构(二)外磁场对原子核自旋的影响 在外磁场作用下，低能级的质子数目要多于在外磁场作用下，低能级的质子数目要多于高能级的质子，在大量原子分布的情况下，原高能级的质子，在大量原子分布的情况下，原子在不同能级上分布的数目与温度与外磁场强子在不同能级上分布的数目与温度与外磁场强度有关。度有关。7磁共振成像原理及结构(二)外磁场对原子核自旋的影响 在一定温度和磁场条件下，自旋质子就产生在一定温度和磁场条件下，自旋质子就产生了一个沿外磁场方向的了一个沿外磁场方向的宏观磁矩宏观磁矩，这样当原子核，这样当原子核围绕自己的轴作自旋运动时，外加磁场又会产围绕自己的轴作自旋运动时，外加磁场又会产生一个旋力臂作用于自旋质子的磁矩上，使得生一个旋力臂作用于自旋质子的磁矩上，使得质子旋进于一个锥形的磁矩轴上，称为质子旋进于一个锥形的磁矩轴上，称为拉莫进拉莫进动。动。8磁共振成像原理及结构(二)外磁场对原子核自旋的影响 质子进动的速度用质子进动的速度用进动频率进动频率来衡量来衡量，也也就是质子每秒进动的就是质子每秒进动的次数，进动频率与外次数，进动频率与外加磁场的强度成正比，加磁场的强度成正比，场强越高，进动频率场强越高，进动频率越高。越高。9磁共振成像原理及结构(二)外磁场对原子核自旋的影响 0 00 0：磁旋比常数：磁旋比常数 0 0：外加磁场强度：外加磁场强度 0 0:质子进动频率质子进动频率拉莫（拉莫（Larmor)Larmor)频率频率原子核的共振频率原子核的共振频率10磁共振成像原理及结构(二)外磁场对原子核自旋的影响 由于有无数个质子在由于有无数个质子在进动，其磁矩在进动，其磁矩在X X和和Y Y轴轴方向上的分量将相互抵方向上的分量将相互抵消，只有沿消，只有沿Z Z轴方向的轴方向的分量叠加起来形成了分量叠加起来形成了纵纵向磁化矢量向磁化矢量，它不能被它不能被直接测量。直接测量。11磁共振成像原理及结构（三电磁感应现象电流通过金属导线可以产生磁场电流通过金属导线可以产生磁场金属导线切割磁力线产生电流金属导线切割磁力线产生电流变化磁场强度在金属导线（线圈内可变化磁场强度在金属导线（线圈内可以产生感应电压和感应电流以产生感应电压和感应电流12磁共振成像原理及结构（四射频脉冲电场和磁场随时间而变化称为电场和磁场随时间而变化称为电磁辐射电磁辐射。射频（射频（RFRF脉冲脉冲是一种无线电波，也是电磁波是一种无线电波，也是电磁波的一种，它的主要作用是扰乱沿外加磁场方向的一种，它的主要作用是扰乱沿外加磁场方向进动的质子的进动。只有进动的质子的进动。只有RFRF脉冲与自旋质子的脉冲与自旋质子的进动频率相同时，才能向质子传递能量。进动频率相同时，才能向质子传递能量。13磁共振成像原理及结构（五核磁共振现象当当RFRF脉冲频率与质子进动频率相同时，质子就从脉冲频率与质子进动频率相同时，质子就从中吸收能量，这称为中吸收能量，这称为核磁共振现象核磁共振现象。此时此时RFRF脉冲频率脉冲频率 0 00 014磁共振成像原理及结构（五核磁共振现象施加施加RFRF脉冲后，质子吸收了能量，能级就会提脉冲后，质子吸收了能量，能级就会提高，这会产生两方面的效应：高，这会产生两方面的效应：1 1、质子能级提高，使得纵向磁化矢量减小，最、质子能级提高，使得纵向磁化矢量减小，最终为零，称为饱和状态。终为零，称为饱和状态。15磁共振成像原理及结构（五核磁共振现象2 2、进进动动的的质质子子相相位位一一致致，做做同同步步同同速速运运动动，使使得得在在横横轴轴方方向向上上的的磁磁化化矢矢量量得得以以叠叠加加，并并产产生生一一个个新新的的横横向向磁磁化化矢矢量量，RFRF脉脉冲冲的的强强度度越越大大，持持续续时时间间越越长长，横横向向进进动动偏偏转转的角度就越大。的角度就越大。16磁共振成像原理及结构（六核磁共振弛豫 当质子系统达到饱和状态后，停止当质子系统达到饱和状态后，停止RFRF磁场后，磁场后，激励过程结束。随后，吸收能量跃迁到高能级激励过程结束。随后，吸收能量跃迁到高能级的质子将释放吸收的能量，很快回到外加磁场的质子将释放吸收的能量，很快回到外加磁场原先排列的平衡位置，这一过程称为原先排列的平衡位置，这一过程称为核磁弛豫核磁弛豫。横向磁化矢量逐渐消失，横向磁化矢量逐渐消失，称为称为横向弛豫横向弛豫纵向磁化矢量恢复原状，称为纵向磁化矢量恢复原状，称为纵向弛豫纵向弛豫17磁共振成像原理及结构（六核磁共振弛豫 在在磁磁共共振振领领域域中中，将将质质子子周周围围的的原原子子统统称称为为晶晶格格。纵纵向向弛弛豫豫就就是是质质子子自自旋旋磁磁矩矩将将能能量量释释放放传传递递给给晶晶格格原原子子的的过程，所以也叫过程，所以也叫自旋自旋-晶格弛豫晶格弛豫。RFRF脉脉冲冲停停止止后后，纵纵向向磁磁化化矢矢量量恢恢复复到到原原来来的的数数值值所所需需要要的的时时间间称称为为纵纵向向弛弛豫豫时时间间，简简称称T T1 1,实实际际中中将将纵纵向向磁磁化化矢矢量量从从0 0恢恢复复到到最最大大值值的的63%63%所所需需的的时时间间定定义义为为T T1 1 时时间。间。T T1 1是是一一个个时时间间常常数数，描描述述组组织织的的纵纵向向磁磁化化矢矢量量恢恢复复的的快快慢慢程程度度。其其长长短短依依赖赖于于组组织织成成分分、结结构构和和环环境境，如如水水为长为长T T1 1，脂肪为短，脂肪为短T T1 1 。18磁共振成像原理及结构（六核磁共振弛豫19磁共振成像原理及结构（六核磁共振弛豫 RFRF脉脉冲冲停停止止后后，质质子子很很快快失失去去相相位位一一致致性性,这这是是由由于于原原子子核核之之间间的的相相互互作作用用，而而没没有有能能量量从从原原子子核核向向周周围晶格中的转移，所以也成为围晶格中的转移，所以也成为自旋自旋-自旋弛豫自旋弛豫。此此过过程程中中，横横向向磁磁化化矢矢量量逐逐步步抵抵消消而而变变小小直直至至为为零零。实实际际中中把把横横向向磁磁化化矢矢量量衰衰减减至至其其最最大大值值的的37%37%的的时时间间定义为横向弛豫时间，定义为横向弛豫时间，简称简称T T2 2 。T T2 2与与人人体体组组织织的的固固有有小小磁磁场场有有关关,如如大大分分子子比比小小分分子快子快,结合水比游离水快。结合水比游离水快。20磁共振成像原理及结构（六核磁共振弛豫21磁共振成像原理及结构（六核磁共振弛豫22磁共振成像原理及结构（六核磁共振弛豫小结：小结：这这种种组组织织间间弛弛豫豫时时间间上上的的差差别别，是是MRIMRI的的成成像像基基础础。有有如如CTCT时时，组组织织间间吸吸收收系系数数（CTCT值值）差差别别是是CTCT成成像像基基础础的的道道理理。但但MRIMRI不不像像CTCT只只有有一一个个参参数数，即即吸吸收收系系数数，而而是是有有T T1 1、T T2 2等等几几个个参参数数。因因此此，获获得得选选定定层层面面中中各各种种组组织织的的T1T1（或或T2T2）值值，就就可可获获得得该该层层面面中中包包括括各各种种组组织织影像的图像。影像的图像。23磁共振成像原理及结构（七自由感应衰减 磁磁共共振振设设备备中中，接接收收信信号号用用的的线线圈圈平平面面与与主主磁磁场场平平行，工作频率接近拉莫频率。行，工作频率接近拉莫频率。当当质质子子磁磁化化矢矢量量只只受受主主磁磁场场作作用用时时，由由于于自自由由进进动动与主磁场方向一致，所以无法测量。与主磁场方向一致，所以无法测量。当当RFRF脉脉冲冲对对组组织织激激励励又又停停止止后后，组组织织出出现现了了弛弛豫豫过过程程，横横向向磁磁化化矢矢量量的的变变化化能能使使位位于于被被检检体体周周围围的的接接收收线线圈圈产产生生随随时时间间变变化化的的感感应应电电流流，其其大大小小与与横横向向磁磁化化矢矢量量成成正正比比，将将这这个个电电流流信信号号放放大大后后即即为为MRMR信信号号，它它是是一一个个随随时时间间周周期期性性不不断断衰衰减减的的电电流流，又又因因为为它它是是由由自自由由进进动动感应产生的，所以叫感应产生的，所以叫自由感应衰减自由感应衰减。24磁共振成像原理及结构（八MR信号的空间编码 一一幅幅MRMR影影像像由由垂垂直直方方向向的的象象素素行行和和水水平平方方向向的的象象素素列列共共同同组组成成，同同时时又又对对应应着着一一定定层层厚厚的的体体素素组组成成的的一一个个层层面面，称称为为MRMR信信号的号的空间位置空间位置。采采集集MRMR信信号号空空间间位位置置信信息息的的方方法法称称为为空空间间编编码码，拉拉莫莫方方程程，0 00 0是是空空间间编编码码技技术的基础。术的基础。25磁共振成像原理及结构（九磁共振成像原理总结 综综上上所所述述，磁磁共共振振成成像像主主要要包包括括三三方方面面的的内容：内容：1 1、激激发发产产生生磁磁共共振振现现象象并并测测量量磁磁共共振振信信号号的的RFRF脉冲序列；脉冲序列；2 2、确定信号位置的空间编码；确定信号位置的空间编码；3 3、将将所所测测量量的的磁磁共共振振信信号号及及其其位位置置信信息息重重建建成磁共振影像成磁共振影像。26磁共振成像原理及结构三、MRI系统的组成与功能MRIMRI系统主要由以下系统主要由以下五部分五部分构成：构成：1 1、主磁体系统主磁体系统2 2、梯度磁场系统梯度磁场系统3 3、射频（射频（RFRF）系统系统4 4、计算机处理系统计算机处理系统5 5、辅助设备辅助设备27磁共振成像原理及结构MRI扫描机基本结构示意图28磁共振成像原理及结构（一）主磁体系统 主磁体是主磁体是MRIMRI系统的核心部分之一，其系统的核心部分之一，其功能是提供使原子核定向所必须的静磁功能是提供使原子核定向所必须的静磁场。场。应用于临床医疗的应用于临床医疗的MRIMRI磁体强度多为磁体强度多为0.15-3.00.15-3.0T(T(特斯拉特斯拉)。29磁共振成像原理及结构1、磁体主要性能指标磁场强度磁场强度：场强越高，场强越高，MRMR信号越强，影像信噪比越大信号越强，影像信噪比越大磁场均匀度磁场均匀度：决定了图像的空间分辨率和信噪比决定了图像的空间分辨率和信噪比磁场稳定性磁场稳定性：是衡量场强随时间而飘移程度的指标是衡量场强随时间而飘移程度的指标磁体孔腔磁体孔腔：孔腔大小限制了被检者的体型大小孔腔大小限制了被检者的体型大小磁场强度、磁场均匀度和磁场的稳定性磁场强度、磁场均匀度和磁场的稳定性是衡量主磁体性是衡量主磁体性能的三大要素。能的三大要素。30磁共振成像原理及结构2、磁体类型（1 1）永磁型磁体：（2 2）常导型（阻抗型）磁体：（3 3）超导型磁体：31磁共振成像原理及结构2、磁体类型（1 1）永磁型磁体：）永磁型磁体：磁磁体体由由具具有有铁铁磁磁性性的的永永磁磁材材料料构构成成，其其场强相当稳定，维护简单，线圈效率高。场强相当稳定，维护简单，线圈效率高。但但磁磁场场强强度度较较低低，最最大大仅仅0.30.3T T。磁磁体体庞庞大大、笨笨重重，磁磁场场均均匀匀度度受受室室温温影影响响较较大大，稳稳定性差。定性差。32磁共振成像原理及结构2、磁体类型国产安科公司国产安科公司OpenMark 0.2TOpenMark 0.2T第二代开放式永磁型磁共振成像系统第二代开放式永磁型磁共振成像系统 33磁共振成像原理及结构2、磁体类型（2 2）常导型（阻抗型）磁体：）常导型（阻抗型）磁体：常常导导磁磁体体即即电电磁磁体体，由由电电流流通通过过导导线线产产生生磁磁场场，其磁力线与受检人体长轴平行。其磁力线与受检人体长轴平行。安安装装容容易易，造造价价低低。但但磁磁场场均均匀匀度度和和稳稳定定性较差，受室温影响大。性较差，受室温影响大。耗耗电电量量大大，需需大大量量水水冷冷却却，运运行行维维护护费费用用高，场强一般小于高，场强一般小于0.30.3T T。34磁共振成像原理及结构2、磁体类型（3 3）超导型磁体：超导型磁体：由由电电流流通通过过导导线线产产生生磁磁场场，但但导导线线为为超超导导材材料料，置置于于液液氦氦之之中中，温温度度为为-273273，此时线圈电阻为零。，此时线圈电阻为零。在在励励磁磁以以后后，电电流流可可以以无无衰衰减减地地循循环环流流动动，产产生生稳稳定定、均均匀匀、高高场场强强的的磁磁场场，且且不不受受室室温温影影响响大大。场场强强最最高高可可达达8 8T T，医医用用一一般般小小于于3 3T T。由由于于需需液液氦氦，运运行维护费用较高。行维护费用较高。匀场线圈：匀场线圈：任任何何磁磁体体都都不不会会产产生生绝绝对对均均匀匀的的磁磁场场，所所以以还还要要加加上上一一组组匀匀场场线线圈圈，一一般般由由铌铌钛钛合合金金制制成成，置置于于磁磁体体中中心心，梯梯度度线线圈圈外外,在在安安装装时时由由工工程程师师设设定定调调整整，可可将将磁磁场场均均匀匀性提高性提高100100倍以上。倍以上。35磁共振成像原理及结构2、磁体类型GE Signa CV/i 1.5T GE Signa CV/i 1.5T 超导型超导型MRMR机机36磁共振成像原理及结构（二）梯度磁场系统 梯梯度度磁磁场场系系统统也也是是MRIMRI系系统统的的核核心心部部分分之之一一，它它利利用用梯梯度度线线圈圈产产生生相相对对主主磁磁场场来来说说较较微微弱弱的的在在空空间间位位置置上上变变化化的的磁磁场场，并并叠叠加在主磁场上。加在主磁场上。功功能能是是对对MRIMRI信信号号进进行行空空间间编编码码，以以确确定成像层面的位置和厚度。定成像层面的位置和厚度。37磁共振成像原理及结构（二）梯度磁场系统 梯梯度度磁磁场场包包括括梯梯度度线线圈圈和和梯梯度度电电源源两两部部分分。梯梯度度线线圈圈有有三三组组，分分别别按按相相互互垂垂直直的的X X、Y Y、Z Z三三个个方方向向设设计计，任任何何一一组组梯梯度度场场都都可可起起到到层层面面选选择择、相相位位编编码码、频频率率编编码码三三项项作作用用之之一一，因因此此可可对对人人体体的的横横断断位位、冠冠状状位位、矢矢状状位位甚甚至任意斜位进行成像。至任意斜位进行成像。38磁共振成像原理及结构39磁共振成像原理及结构（二）梯度磁场系统梯度磁场三维方向示意图梯度磁场三维方向示意图 40磁共振成像原理及结构成像层面选择 梯梯度度磁磁场场叠叠加加在在主主磁磁场场上上，使使得得场场强强随随着着位位置置呈呈线线形形分分布布，即即每每一一层层面面的的场场强强都都是是不不相相同的。同的。RFRF脉脉冲冲并并非非只只包包含含一一种种频频率率，而而是是有有一一定定频频率率范范围围（带带宽宽）的的脉脉冲冲，所所以以它它能能激激励励的的质质子子的的拉拉莫莫频频率率也也是是一一个个范范围围，这这样样产产生生共共振振的的质子的层面就可以确定了。质子的层面就可以确定了。41磁共振成像原理及结构成像层面选择 当当磁磁场场梯梯度度一一定定时时，RFRF脉脉冲冲的的频频带带越越宽宽，则层面越厚；则层面越厚；当当频频带带宽宽一一定定时时，磁磁场场梯梯度度越越大大，则则层层面面厚度越薄。厚度越薄。一一般般是是将将RFRF脉脉冲冲的的中中心心频频率率固固定定，通通过过改改变变磁磁场场的的强强度度和和梯梯度度的的大大小小来来实实现现成成像像层层面面的的选择选择的。的。42磁共振成像原理及结构频率编码 在在已已确确定定的的成成像像层层面面的的水水平平轴轴（X X轴轴）方方向向上上，施施加加频频率率编编码码梯梯度度磁磁场场，使使得得沿沿X X轴轴不不同同位位置置的的每每一一列列质质子子都都具具有有不不同同的的进进动动频频率率，同同一一列列上上的的质质子子则则进进动动频频率相同。率相同。43磁共振成像原理及结构相位编码 要要确确定定Y Y轴轴每每一一列列上上平平行行于于X X轴轴方方向向上上的的每每一一行行质质子子的的位位置置，就就需需进行进行相位编码相位编码。在在Y Y轴轴方方向向上上施施加加另另一一梯梯度度场场，使使得得不不同同位位置置的的质质子子处处于于不不同同相相位位，即即进进动动角角度度不不同同，并并由由此进行识别。此进行识别。44磁共振成像原理及结构MR图像的重建 f(t)=Af(t)=A0 0+Asin(+Asin(t+t+)在在进进行行频频率率编编码码和和相相位位编编码码后后，利利用用傅傅立立叶叶变变换换就就可可将将检检测测到到的的数数据据信信号号分分离离，确确定定每每一一个个体体素素的的MRMR信信号号的的值值，形形成图像。成图像。45磁共振成像原理及结构（三）射频系统 射射频频系系统统的的作作用用是是发发射射射射频频(RF)RF)脉脉冲冲,使使磁磁化化的的质质子子吸吸收收能能量量产产生生共共振振,并接收质子在弛豫过程中释放的能量而产生并接收质子在弛豫过程中释放的能量而产生MRMR信号，其频率在拉莫频率附近。信号，其频率在拉莫频率附近。包括射频线圈和射频放大器。包括射频线圈和射频放大器。发发射射器器功功率率放放大大器器发发射射线线圈圈人人体体组组织织接接收收 线线圈圈接接收收器器RFRFMRMR 射频线圈的作用是发射射频线圈的作用是发射RFRF脉冲脉冲,对被检体质子进行激励，并检测被检体的对被检体质子进行激励，并检测被检体的MRMR信号。信号。用用于于发发射射射射频频建建立立射射频频磁磁场场的的射射频频线线圈圈叫叫发发射射线线圈圈，用用于于检检测测MRMR信信号号的的射射频频线线圈叫圈叫接收线圈接收线圈。有有的的线线圈圈可可在在不不同同的的时时期期分分别别完完成成发发射射和和接接收收任任务务，如如体体线线圈圈；而而有有的的只只能能用用于接收信号，如大部分于接收信号，如大部分表面线圈表面线圈。46磁共振成像原理及结构射频（RF）线圈 射频线圈的射频线圈的敏感容积越小敏感容积越小，则信噪比越高，则信噪比越高；线线圈圈与与人人体体检检查查部部位位的的距距离离越越近近，则则信信号号越越强强，信信噪比越高噪比越高。这两者直接决定着图像的质量，所以需根据人体各这两者直接决定着图像的质量，所以需根据人体各个部位的不同形状、大小，制成不同尺寸和类型的线圈，个部位的不同形状、大小，制成不同尺寸和类型的线圈，以取得最佳图像质量。以取得最佳图像质量。射频线圈主要有两类：射频线圈主要有两类：1 1、体积线圈体积线圈：大容积，如头线圈、体线圈：大容积，如头线圈、体线圈2 2、表面线圈表面线圈：小容积，如乳腺线圈等：小容积，如乳腺线圈等47磁共振成像原理及结构射频（RF）线圈头颅线圈（鸟笼状）头颅线圈（鸟笼状）48磁共振成像原理及结构射频（RF）线圈颈椎线圈颈椎线圈 50磁共振成像原理及结构射频（RF）线圈胸腰椎线圈胸腰椎线圈 51磁共振成像原理及结构射频（RF）线圈躯体线圈躯体线圈52磁共振成像原理及结构射频（RF）线圈乳腺线圈乳腺线圈 53磁共振成像原理及结构射频（RF）线圈通用柔软线圈通用柔软线圈 54磁共振成像原理及结构（四）计算机处理系统1 1、主机、主机2 2、存储器、存储器3 3、输入、输出设备、输入、输出设备4 4、系统软件、系统软件5 5、应用软件、应用软件55磁共振成像原理及结构（五）辅助设备1 1、磁屏蔽、磁屏蔽2 2、射频屏蔽、射频屏蔽3 3、操作控制台、操作控制台4 4、检查床、检查床5 5、高压注射器、高压注射器56磁共振成像原理及结构四、磁共振图像腹主动脉腹主动脉MRAMRA三维重建图像三维重建图像 57磁共振成像原理及结构四、磁共振图像动静脉畸形（动静脉畸形（AVMAVM）MRAMRA三维重建图像三维重建图像 58磁共振成像原理及结构四、磁共振图像磁共振脑功能成像磁共振脑功能成像 59磁共振成像原理及结构四、磁共振图像磁共振脑功能成像磁共振脑功能成像 60磁共振成像原理及结构四、磁共振图像冠状位心脏冠状位心脏MRMR图像图像 61磁共振成像原理及结构四、磁共振图像心脏心脏MRMR图像图像 62磁共振成像原理及结构四、磁共振图像下肢血管造影下肢血管造影MRAMRA三维重建图像三维重建图像 63磁共振成像原理及结构四、磁共振图像椎、基底动脉椎、基底动脉MRAMRA三维重建图像三维重建图像 64磁共振成像原理及结构