磁共振成像基本原理--课件

AURORA磁共振项目培训磁共振项目培训磁共振成像基本原理磁共振成像基本原理1ppt课件MRI设备设备2ppt课件3ppt课件4ppt课件5ppt课件6ppt课件7ppt课件MRI基本原理及相关概念基本原理及相关概念MRI发展史发展史1磁共振成像的基本硬件组成磁共振成像的基本硬件组成2磁共振现象的基本原理磁共振现象的基本原理3磁共振成像原理磁共振成像原理4影响影响MR信号强度的因素信号强度的因素58ppt课件一、一、MRI发展历史发展历史v磁共振成像概述 一种生物磁自旋成像技术，利用原子核（氢核）自旋运动的特点，在外加磁场内，经射频脉冲激后产生信号，用探测器（接收线圈）检测并输入计算机，经过处理转换在屏幕上显示图像。英文简称MRI(magnetic resonance imaging)9ppt课件MRI发展历史发展历史v1930年代，物理学家伊西多拉比发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列，而施加无线电波之后，原子核的自旋方向发生翻转。v1946年两位美国科学家布洛赫和珀塞尔发现，将具有奇数个核子（包括质子和中子）的原子核置于磁场中，再施加以特定频率的射频场，就会发生原子核吸收射频场能量的现象，这就是人们最初对磁共振现象的认识。v1946年，美国哈佛大学的珀塞尔和斯坦福大学的布洛赫宣布，他们发现了磁共振NMR。两人因此获得了1952年诺贝尔奖。10ppt课件MRI发展历史发展历史v1973年Lauterbur研究出MRI所需要的空间定位方法，也就是利用梯度场。他的研究结果是获得水的模型的图像。v在以后的10年中，人们进行了大量的研究工作来制造磁共振扫描机，并产生出人体各部位的高质量图像，先后通过MR扫描，获得手、胸、头和腹部的图像。v1980年商品化MRI装置问世。11ppt课件二、磁共振成像的基本硬件组成二、磁共振成像的基本硬件组成v主磁体v梯度系统v射频系统v计算机系统v屏蔽系统v其他辅助系统12ppt课件主磁体主磁体v主磁体是MRI 仪最基本的构件，是产生磁场的装置，主要作用是产生稳定均匀的静磁场使组织产生磁化。根据磁场产生的方式可将主磁体分为永磁型和电磁型，根据导线材料不同又可将电磁型主磁体分为常导磁体和超导磁体。（一）常导型磁体（二）永磁型磁体（三）超导型磁体13ppt课件主磁体主磁体v主磁体最重要的技术指标包括场强场强、磁场均匀度磁场均匀度、磁场稳定性磁场稳定性、磁体的有效孔径磁体的有效孔径、边缘场空间范围边缘场空间范围及主磁体长度主磁体长度。场强场强：描述主磁体产生的静磁场的强度和方向，采用高斯（Gauss，G）或特斯拉（Tesla，T）作单位，特斯拉是目前磁场强度的法定单位。规定距离5 安培电流通过的直导线1cm 处检测到的磁场强度被定义为1 高 斯。特斯拉与高斯的换算关系为：1 T=10000 G。低场机低场机：磁场强度0.5T以下中场机中场机：磁场强度0.5T到1.0T高场机高场机：磁场强度1.0T到2.0 之间超高场机超高场机：磁场强度大于2.0 T 14ppt课件主磁体主磁体v磁场均匀度：磁场均匀度：指在一定的容积范围内磁场强度的均一性，也即单位面积内通过磁力线数目的一致性。作为MRI设备的一个很重要的指标，在很大程度上决定着MRI设备的图像质量好坏。1、高均匀度的场强有助于提高图像信 噪比；2、场强均匀是保证MR 信号空间定位准确性的前提；3、场强均匀可减少伪影（特别是磁化率伪影）；4、高度均匀度磁场有利于进行大视野扫描，尤其肩关节等 偏中心部位的MRI；5、只有高度均匀度磁场才能充分利用脂肪饱和技术进行脂肪抑制扫描；6、高度均匀度磁场才能有效区分MRS 的不同代谢产物。15ppt课件主磁体主磁体如何提高磁场均匀度？如何提高磁场均匀度？主动匀场主动匀场（active shimming）又称为有源匀场，是指利用匀场线圈通以电流，产生小磁场，并通过适当调整匀场线圈阵列中各线圈的电流强度，使其周围的局部磁场发生变化来调节改善静磁场的不均匀性，以提高静磁场整体均匀性的过程。被动匀场被动匀场（passive shiming）是指在磁体孔洞内壁上贴补一定形状和尺寸、专用小铁片（又称为匀场片），用以提高磁场均匀性的方法。这种方法在匀场过程中使用的是无源器件，因而也称为无源匀场。16ppt课件主磁体主磁体v磁场稳定性：磁场稳定性：受各种客观因素影响，磁场的均匀性和/或磁场强度值会发生变化，这就是磁场漂移磁场漂移。磁场稳定性就是定量评价、衡量这种漂移变化的技术指标。稳定性下降，意味着单位时间内磁场的变化率增高，如果在一次磁共振扫描检查时间段内，磁场强度值和/或磁场均匀性发生了漂移，就会影响到图像质量。v时间稳定性：时间稳定性：磁体所建立的静磁场B0随时间而变化的程度。v热稳定性热稳定性：磁场强度值随温度变化而漂移的程度。17ppt课件主磁体主磁体v磁体有效孔径磁体有效孔径是指梯度线圈、匀场线圈、射频体线圈、衬垫、内护板、隔音腔、和外壳等部件均在磁体检查孔道内安装完毕后，所剩余柱形空间的有效内径。孔径大小限制着被检查者的体型尺寸大小，延伸到磁体外部的磁场的范围亦与孔径大小及磁场强度有关。以足够容纳受检者人体或受检部位为宜以足够容纳受检者人体或受检部位为宜幽闭恐惧症磁场均匀性的破坏和失衡18ppt课件主磁体主磁体v边缘场：边缘场：磁体产生的静磁场向空间各个方向散布，发散到磁体周围的空间中，称为边缘场。它的强弱与空间位置有关，随着空间点与磁体距离的增大，边缘场的场强逐渐降低。v边缘场会对候诊的受检者、工作人员、路过附近的人员、分布在磁体周围空间的电子设备造成可能的伤害和损坏。因此需要采取措施抑制、屏蔽磁体的边缘场，缩小边缘场的空间范围，保证周围环境的安全。无源屏蔽法无源屏蔽法给磁体披上非常厚的软铁特种硅钢材料特种硅钢材料包绕覆盖磁屏蔽法，将边缘场空间范围强制压缩在磁屏蔽空间之内有源屏蔽法有源屏蔽法使用一组或者几组有源线圈，仔细计算和测量边缘场的分布后，设计成与边缘场大小相等、方向相反的电磁场分布，从而抵消和反射磁体引起的向外发散的磁力线，以此达到缩小边缘场空间范围的目的。19ppt课件梯度系统梯度系统v梯度系统是指与梯度磁场相关的电路单元和相关系统，由梯度线圈、梯度控制器、数模转换器（DAC）、梯度放大器（梯度电源）和梯度冷却系统等部分组成。v梯度系统主要作用包括：（1）对MRI 信号进行空间编 码，以确定成像层面的位置和厚度；（2）产生MR 回波（梯度回波）；（3）施加扩散加权梯度场；（4）进行流动补偿；（5）进行流动液体的流速相位编码。20ppt课件梯度系统梯度系统v梯度线圈与梯度磁场的组成梯度线圈与梯度磁场的组成梯度线圈绕在主磁体和匀场补偿线圈内，它由三组线圈组成，梯度场的方向按三个基本轴线X、Y、Z轴方向设计。Z向梯度线圈（向梯度线圈（Gz）：产生Z向梯度磁场。X向和向和Y向梯度线圈（向梯度线圈（Gx和和Gy）：产生与Z向梯度场正交垂直的X向、Y向梯度磁场，形成与Z轴方向垂直的XY平面。梯度放大器梯度放大器：在梯度控制器的计算机控制下随时开关，精确调节供应给梯度线圈的电源，以便获得精确的梯度磁场。三个相互正交（X、Y、Z方向）的梯度磁场作为图像重建的空间定位和层面选择的依据，三个场中的任何一个均可提供层面选择梯度、相位编码梯度、频率编码梯度三项作用之一，而这三个方向的梯度场的联合使用可获得任意斜面的MR图像。21ppt课件梯度系统梯度系统v梯度磁场性能指标梯度磁场性能指标有效容积有效容积梯度场线性梯度场线性梯度场强度梯度场强度梯度场切换率和梯度上升时间梯度场切换率和梯度上升时间22ppt课件梯度系统梯度系统v有效容积是指梯度线圈所包容的、其梯度场能够满足一定线有效容积是指梯度线圈所包容的、其梯度场能够满足一定线性要求的空间区域性要求的空间区域，又叫均匀容积，也可称为有效作用范围。只有有效容积这一区域能够稳定用于MR成像，它一般位于磁体中心，并与主磁场的有效容积同心，因此该参数通常以磁体中心为原点，以X、Y、Z三轴方向的数值来表示梯度场的有效作用范围。v梯度线圈通常采用鞍形线圈鞍形线圈设计，其有效容积仅能达到总容积的60%左右，因此如何提高梯度线圈均匀容积范围及其工如何提高梯度线圈均匀容积范围及其工作效率作效率是梯度线圈设计中追求的目标。因为梯度线圈的均匀容积越大，则其在、三轴方向上不失真成像区的视野范围（Field Of View，FOV）相应地就越大。23ppt课件梯度系统梯度系统v梯度场线性梯度场线性是衡量梯度场动态地、依次平稳递增性能的指标。线性越好，表明梯度场越精确，空间定位、选层、翻转激发也就越精确，图像的质量就越好。一般来说，梯度场的非线性不能超过2%。24ppt课件梯度系统梯度系统v梯度场强度梯度场强度是指梯度磁场强度能够达到的最大值，一般采用单位长度内梯度磁场强度的最大差别来表示，即使用每米长度内梯度磁场强度差别的毫特斯拉量（mT/M）来表示，如下公式：梯度场强（梯度场强（mT/M）梯度场两端的磁场强度差值）梯度场两端的磁场强度差值/梯度场的有效作用长度梯度场的有效作用长度在线圈确定时，梯度场强度由梯度电流强度所决定，而梯度电流强度又受梯度放大器的最高输出功率限制。改变梯度场强和射频脉冲的带宽，就可选择层面厚度层面厚度。梯度场强度越高，就可以选择越薄的扫描层厚，体素就越小，影像的空间分辨率就越高。25ppt课件梯度系统梯度系统vv梯度场切换率梯度场切换率梯度场切换率梯度场切换率是指单位时间及单位长度内的梯度磁场强度变化量，常用每秒每米长度内梯度磁场强度变化的毫特斯拉量（mT/m/s）来表示。vv梯度上升时间梯度上升时间梯度上升时间梯度上升时间也称梯度爬升时间，是指梯度线圈通电接通电流后梯度磁场达到预设值所需时间。梯度场切换率（mT/m/s）梯度磁场预定强度/t切换率越高表明梯度磁场变化越快，爬升越快，所需梯度上升时间越短，这样就可以进一步提高扫描时间。26ppt课件梯度系统梯度系统 梯度系统作为MRI设备的核心和关键部件，其性能高低直接决定着MRI设备的扫描速度（时间分辨率）扫描速度（时间分辨率）、最小最小扫描层厚（空间分辨率）扫描层厚（空间分辨率）、XYZ三轴有效扫描范围三轴有效扫描范围、影像的几何保真度影像的几何保真度。同时，它的性能还同扫描脉冲序列中梯度脉冲波形的设计有关，即一些复杂序列还要依赖梯度系统来实现。MRI设备对梯度系统的要求就是梯度场强高、梯度场强高、梯度上升速度快、梯度切换率高、梯度线性度、梯度输出波梯度上升速度快、梯度切换率高、梯度线性度、梯度输出波形的准确度高及其可重复性好、梯度效率和利用率高形的准确度高及其可重复性好、梯度效率和利用率高。27ppt课件射频系统射频系统v组成：组成：主要由射频脉冲发射单元射频脉冲发射单元和射频脉冲接收单元射频脉冲接收单元两部分组成，其中包括射频发射器、射频功率放大器、射频发射线圈、射频接收线圈、以及低噪声射频信号放大器等关键部件。v作用：作用：负责实施射频（Radio Frequency，RF）激励并接收和处理射频信号，即MR信号。28ppt课件射频系统射频系统v射频线圈既是激励源，又是探测器。按功能功能分类 发射/接收两用线圈、接收线圈按适用范围适用范围分类 全容积线圈、部分容积线圈、表面线圈、体腔内线圈、相控阵线圈按极化方式极化方式分类 线（性）极化、圆（形）极化按主磁场方向主磁场方向分类 螺线管线圈、鞍形线圈按绕组形式绕组形式分类 亥姆霍兹线圈、螺线管线圈、四线结构线圈、STR（管状谐振器）线圈、鸟笼式线圈29ppt课件射频系统射频系统v均匀发射射频脉冲，提高成像质量。v采用高功率射频放大器供能，射频脉冲强度增大，射频持续时间缩短，加快采集速度。v接收线圈尽可能接近检查部位，信号增强，线圈内体积减小，噪声降低，信噪比提高。v利用相控阵线圈可明显提高MR图像的信噪比，有助于改善薄层扫描、高分辨扫描及低场机的图像质量。相控阵线圈与平行采集技术相配合，可以进一步提高MRI的信号采集速度。30ppt课件计算机系统计算机系统 计算机系统控制着MRI 仪的脉冲激发、信号采集以及实现图像处理、显示、传输、存储等功能。31ppt课件屏蔽系统屏蔽系统干扰 磁屏蔽 磁屏蔽不仅可防止外部铁磁性物质对磁体内部磁场均匀性的影响，还能大大削减磁体外部杂散磁场的空间分布范围。有源屏蔽：外线圈通以反向电流无源屏蔽：铁磁性屏蔽体32ppt课件其他辅助系统其他辅助系统检查床液氦及水冷却系统空调系统胶片处理系统33ppt课件三、磁共振现象的基本原理三、磁共振现象的基本原理v磁共振成像的物质基础v进入主磁场前后质子核磁状态对比v磁共振现象34ppt课件磁共振现象的物质基础磁共振现象的物质基础原子结构：原子结构：原子由原子核和绕核运动的电子组成，原子核由质子和中子组成。电子带负电荷，质子带正电荷，中子不带电。u质子和中子如果不成对不成对，将使质子在旋转中产生角角动量动量，磁共振就是要利用这个角动量的物理特性来实现激发、信号采集和成像的。35ppt课件磁共振现象的物质基础磁共振现象的物质基础自旋：质子以一定的频率绕轴高速旋转。高速旋转带正电荷的质子电流环路核磁v并非所有原子核的自旋运动都能产生核磁根据原子核内中子中子和质子的数目和质子的数目不同，不同的原子核产生不同的核磁效应。非磁性原子核：质子数和中子数均为偶数磁性原子核：中子数和质子数至少一个为奇数36ppt课件磁共振现象的物质基础磁共振现象的物质基础v用于人体磁共振成像的原子核为质（H1），选择（H1）的理由有：u（H1）是人体中最多的原子核，约占人体中总原子核数的2/3 以上；u（H1）的磁化率在人体磁性原子核中是最高的。37ppt课件进入主磁场前后质子核磁状态对比进入主磁场前后质子核磁状态对比一、进入主磁场前质子核磁状态一、进入主磁场前质子核磁状态人体的质子不计其数，产生无数个小磁场，尽管每个质子均能产生一个小磁场，这种小磁场的排列是随机无序（即杂乱 无章）的，使每个质子产生的磁化矢量相互抵消。因此，人体自然状态下并无磁性，即没有宏观磁化矢量的产生。38ppt课件进入主磁场前后质子核磁状态对比进入主磁场前后质子核磁状态对比二、进入主磁场后质子核磁状态二、进入主磁场后质子核磁状态进入主磁场后，人体内的质子产生的小磁场不再是杂乱无章，呈有规律排列规律排列。一种是与主磁场方向平行且方向相同方向平行且方向相同，另一种是与主磁场平行但方向相反平行但方向相反，处于平行同向的质子略多于处于平行反向的质子。从量子物理学的角度来说，这两种核磁状态代表质子的能量能量差别差别。平行同向的质子处于低能级，因此受主磁场的束缚，其磁化矢量的方向与主磁场的方向一致；平行反向的质子处于高能级，因此能够对抗主磁场的作用，其磁化矢量尽管与主磁场平行但方向相反。由于处于低能级的质子略多于处于高能级的质子，因此进入主磁场后，人体内产生了一个与主磁场方向一致的宏观纵向与主磁场方向一致的宏观纵向磁化矢量磁化矢量。39ppt课件进入主磁场前后质子核磁状态对比进入主磁场前后质子核磁状态对比图图a 为进入主磁场前，尽管每为进入主磁场前，尽管每个质子自旋都产生一个小磁场，个质子自旋都产生一个小磁场，但排列杂乱无章，磁化矢量相但排列杂乱无章，磁化矢量相互抵消，因此没有宏观磁化矢互抵消，因此没有宏观磁化矢量产生。量产生。图图b 示进入主磁场后，质子自旋示进入主磁场后，质子自旋产生的小磁场与主磁场平行排列，产生的小磁场与主磁场平行排列，平行同向者略多于平行反向者，平行同向者略多于平行反向者，最后产生一个与主磁场方向一致最后产生一个与主磁场方向一致的宏观纵向磁化矢量。的宏观纵向磁化矢量。40ppt课件进入主磁场前后质子核磁状态对比进入主磁场前后质子核磁状态对比三、进动和进动频率三、进动和进动频率进入主磁场后，无论是处于高能级还是处于低能级的质子，其磁化矢量并非完全与主磁场方向平行，而总是与主磁场有与主磁场有一定的角度一定的角度。质子除了自旋运动外，还绕着主磁场轴进行旋转摆动，我们把质子的这种旋转摆动旋转摆动称为进动。进动是磁性原子核自旋产生的小磁场与主磁场相互作用的结果。41ppt课件进入主磁场前后质子核磁状态对比进入主磁场前后质子核磁状态对比进动频率进动频率也称Larmor 频率，其计算公式为：B式中为Larmor 频率，为磁旋比（对于某一种磁性原子核来说是个常数，质子的约为42.5 mHz/T），B 为主磁场的场强，单位为特斯拉（T）。从式中可以看出，质子的进动频率与主磁场场强成正比。进动频率明显低于自旋频率，但对于磁共振成像的来说，进进动频率比自旋频率重要。质子动频率比自旋频率重要。质子的进动频率与主磁场场强成正的进动频率与主磁场场强成正比。比。42ppt课件进入主磁场前后质子核磁状态对比进入主磁场前后质子核磁状态对比由于进动的存在，质子自旋产生小磁场可以分解成两个部分：（1）方向恒定的纵向磁化分矢量（沿主磁场方向）；（2）以主磁场方向即Z轴为轴心，在X、Y平面旋转的横向磁化分矢量。v纵向磁化分矢量产生一个与主磁场同向的宏观纵向磁化矢量。v横向磁化分矢量相互抵消，因而没有宏观横向磁化矢量产生。43ppt课件进入主磁场前后质子核磁状态对比进入主磁场前后质子核磁状态对比44ppt课件磁共振现象磁共振现象v磁共振现象：磁共振现象：给处于主磁场中的人体组织一个射频脉冲，射频脉冲的频率与质子的进动频率相同，射频脉冲的能量将传递给处于低能级的质子，处于低能级的质子获得能量后将跃迁到高能级。从微观角度来说，磁共振现象是低能级的质子获得能量跃迁到高能级。从宏观的角度来说，磁共振现象的结果是使宏观纵向磁化矢量发生偏转。偏转的角度与射频脉冲的能量有关，能量越大偏转角度越大；而射频脉冲能量的大小与脉冲强度及持续时间有关共振：共振：能量从一个振动着的物体传递到另一个物体，后者以与前者相同的频率振动。共振的条件是相同的频率，实质是能量的传递。45ppt课件磁共振现象磁共振现象90射频脉冲射频脉冲当射频脉冲的能量正好使宏观纵向磁化矢量偏转90，即完全偏转到X、Y 平面，我们称这种脉冲为90脉冲，其产生的横向宏观磁化矢量在各种角度的射频脉冲中是最大的。46ppt课件磁共振现象磁共振现象从微观上讲，90脉冲的效应可以分解成两个部分来理解：（1）90脉冲使处于低能级多出处于高能级的那部分质子，有一半获得能量进入高能级状态，这就使处于低能级和高能级的质子数目完全相同，两个方向的纵向磁化分矢量相互抵消，因此宏观纵向磁化矢量等于零。（2）90脉冲前，质子的横向磁化分矢量相位不同，90脉冲可使质子的横向磁化分矢量处于同一相位，因而产生了一个最大旋转宏观横向磁化矢量。47ppt课件磁共振现象磁共振现象48ppt课件四、磁共振成像原理四、磁共振成像原理v核磁驰豫v磁共振加权成像v磁共振信号的空间定位vK空间的基本概念49ppt课件核磁驰豫核磁驰豫核磁弛豫：核磁弛豫：90脉冲关闭后，组织的宏观磁化矢量逐渐恢复到平衡状态的过程。核磁弛豫又可分解成两个相对独立的部分：（1）横向磁化矢量逐渐减小直至消失，称为横向弛豫横向弛豫；（2）纵向磁化矢量逐渐恢复直至最大（平衡状态），称为纵向弛豫纵向弛豫。50ppt课件核磁驰豫核磁驰豫v90脉冲关闭后，处于同相位的质子发生了相位的离散（失相位失相位），其横向磁化分矢量逐渐相互抵消，因此宏观横向磁化矢量衰减直至到零。致使质子失相位的原因有两个：（1）质子周围磁环境随机波动（2）主磁场的不均匀51ppt课件核磁驰豫核磁驰豫52ppt课件核磁驰豫核磁驰豫v90脉冲关闭后，宏观横向磁化矢量将呈指数式衰减，我们把宏观横向磁化矢量的这种衰减称为自由感应自由感应衰减衰减（free induction decay，FID），也称T2*弛豫弛豫。53ppt课件核磁驰豫核磁驰豫v自由感应衰减（自由感应衰减（FID）和）和T2弛豫的差别弛豫的差别受横向弛豫和主磁场不均匀的双重影响，横向磁化矢量很快衰减，称为FID；剔除主磁场不均匀造成的质子失相位，得到的横向磁化矢量衰减为真正的横向弛豫，即T2弛豫；同一组织的T2弛豫要远远慢于FID；T2值：横向磁化矢量衰减到最大值的37%所用的时间；不同组织由于质子受周围微观磁环境影响不同，T2值不同，即T2弛豫速度不一样；不同的场强下，T2值也会发生变化。54ppt课件核磁驰豫核磁驰豫纵向弛豫纵向弛豫射频脉冲关闭后，在主磁场的作用下，宏观纵向磁化矢量将逐渐恢复到平衡状态，这一过程称为纵向弛豫，即T1 弛豫。nT1值：宏观纵向磁化矢量恢复到最大值的63%所用的时间。n不同的组织由于质子周围的分子自由运动频率不同，其纵向弛豫速度存在差别，即T1 值不同。人体组织的T1 值受主磁场场强的影响较大，一般随场强的增高，组织的T1 值延长。55ppt课件磁共振加权成像磁共振加权成像v加权 突出重点一般的成像过程中，组织的各方面特性（例如：质子密度、T1 值、T2 值）均对MR 信号有贡献，几乎不可能得到仅纯粹反映组织一个特性的MR图像，我们可以利用成像参数的调整，使图像主要反映组织某方面特性主要反映组织某方面特性，而尽量抑制组织其他特性对MR 信号的影响，这就是“加权”。56ppt课件磁共振加权成像磁共振加权成像T1 加权成像（加权成像（T1WI）：重点突出组织纵向弛豫差别；T2 加权成像（加权成像（T2WI）：重点突出组织横向弛豫差别；质子密度图像（质子密度图像（PD）：主要反映组织质子含量差别。57ppt课件质子密度加权成像的实现质子密度加权成像的实现 以甲、乙两种组织为例，甲组织质子含量高于乙质子：以甲、乙两种组织为例，甲组织质子含量高于乙质子：（1）进入主磁场后，甲组织产生的宏观纵向磁化矢量大于乙组织；）进入主磁场后，甲组织产生的宏观纵向磁化矢量大于乙组织；（2）90脉冲后甲组织产生的旋转宏观横向磁化矢量就大于乙组织；脉冲后甲组织产生的旋转宏观横向磁化矢量就大于乙组织；（3）马上检测）马上检测MR 信号，甲组织产生的信号，甲组织产生的MR 信号将高于乙组织。信号将高于乙组织。质子密度越高，质子密度越高，MR 信号强度越大，这就是质子密度加权成像。信号强度越大，这就是质子密度加权成像。58ppt课件T2加权成像的实现加权成像的实现假设甲、乙两种组织质子密度相同，但甲组织的横向弛豫比乙组织慢（即甲组假设甲、乙两种组织质子密度相同，但甲组织的横向弛豫比乙组织慢（即甲组织的织的T2 值长于乙组织）：值长于乙组织）：（1）进入主磁场后由于质子密度一样，甲乙两种组织产生的宏观纵向磁化矢）进入主磁场后由于质子密度一样，甲乙两种组织产生的宏观纵向磁化矢量大小相同（图量大小相同（图a）；（2）90脉冲后产生的宏观横向磁化矢量的大小也相同（图脉冲后产生的宏观横向磁化矢量的大小也相同（图b）：）：（3）由于甲组织横向弛豫比乙组织慢，到一定时刻，甲组织衰减掉的宏观横）由于甲组织横向弛豫比乙组织慢，到一定时刻，甲组织衰减掉的宏观横向磁化矢量少于乙组织，其向磁化矢量少于乙组织，其残留的宏观横向磁化矢量残留的宏观横向磁化矢量将大于乙组织（图将大于乙组织（图 c）；）；（4）这时检测）这时检测MR 信号，甲组织的信号，甲组织的MR 信号强度将高于乙组织（图信号强度将高于乙组织（图d），这样），这样就实现了就实现了T2WI。在在T2WI 上，组织的上，组织的T2 值越大，其值越大，其MR 信号强度越大。信号强度越大。59ppt课件T1加权成像的实现加权成像的实现假设甲、乙两种组织质子密度相同，但甲组织的纵向弛豫比乙组织快（即甲组织的假设甲、乙两种组织质子密度相同，但甲组织的纵向弛豫比乙组织快（即甲组织的T1 值短于乙组织）：值短于乙组织）：（1）进入主磁场后由于质子密度一样，甲乙两种组织产生的纵向磁化矢量大小相同；）进入主磁场后由于质子密度一样，甲乙两种组织产生的纵向磁化矢量大小相同；（2）90脉冲后产生的宏观横向磁化矢量的大小也相同；脉冲后产生的宏观横向磁化矢量的大小也相同；（3）射频脉冲关闭后，甲乙两种组织将发生纵向弛豫，由于甲组织的纵向弛豫比乙组）射频脉冲关闭后，甲乙两种组织将发生纵向弛豫，由于甲组织的纵向弛豫比乙组织快，过一定时间以后，甲组织已经恢复的宏观纵向磁化矢量将大于乙组织；织快，过一定时间以后，甲组织已经恢复的宏观纵向磁化矢量将大于乙组织；（4）由于接收线圈不能检测到这种纵向磁化矢量的差别，必须使用第二个）由于接收线圈不能检测到这种纵向磁化矢量的差别，必须使用第二个90脉冲。第脉冲。第二个二个90脉冲后，甲、乙两组织的宏观纵向磁化矢量将发生偏转，产生宏观横向磁化矢量，脉冲后，甲、乙两组织的宏观纵向磁化矢量将发生偏转，产生宏观横向磁化矢量，因为这时甲组织的纵向磁化矢量大于乙组织，其产生的横向磁化矢量将大于乙组织，马因为这时甲组织的纵向磁化矢量大于乙组织，其产生的横向磁化矢量将大于乙组织，马上检测上检测MR 信号，甲组织产生的信号，甲组织产生的MR 信号将高于乙组织，这样就实现了信号将高于乙组织，这样就实现了T1WI。在T1WI 上，组织的T1 值越小，其MR 信号强度越大。60ppt课件磁共振信号的空间定位磁共振信号的空间定位（一）、层面的选择与层厚的决定v以1.5T磁共振仪为例，在1.5 T的场强下，质子的进动频率约为64MHZ。如图 所示为人头正面像，我们将进行横断面扫描，要进行层面的选择，必须在上下方向（即Z轴方向）上施加一个梯度场，Z轴梯度线圈中点位置（G0）由于磁场强度仍为1.5 T，因而该水平质子的进动频率保持在64MHZ。从G0向头侧磁场强度逐渐降低，因而质子进动频率逐渐变慢，头顶部组织内质子的进动频率最低；从G0 向足侧磁场强度逐渐增高，则质子进动频率逐渐加快，下颌部最高。61ppt课件磁共振信号的空间定位磁共振信号的空间定位单位长度内质子进动频率差别的大小与施加的梯度场强度有关，施加梯度场强越大，单位长度内质子进动频率的差别越大。如果我们施加的梯度场造成质子进动频率的差别为1MHZ/cm，而我们所用的射频脉冲的频率为63.5 64.5MHZ，那么被激发的层面的位置（层中心）就在Z轴梯度线圈中点（G0），层厚为1cm，即层厚范围包括了Z轴梯度线圈中点上下各0.5cm的范围（图a）62ppt课件磁共振信号的空间定位磁共振信号的空间定位63ppt课件磁共振信号的空间定位磁共振信号的空间定位图中横实线表示层中心位置；两条虚横线之间距离表示层厚。图a示梯度场强造成的质子进动频率差别1 MHZ/cm，射频脉冲的频率范围为63.4-64.5 MHZ，则层中心在梯度场中点（G0），层厚1cm；图b示梯度场保持不变，射频脉冲的频率范围为64.5-65.5 MHZ，则层厚保持1cm，层中心向足侧移1cm；图c示梯度场保持不变，射频脉冲的频率范围改为63.75-64.25 MHZ，则层中心位置不变，层厚变成0.5 cm；图d示射频脉冲的频率范围保持不变，梯度场强增加一倍，即造成的质子进动频率差别为2 MHZ/cm，则层中心保持不变，层厚变成0.5 cm。64ppt课件磁共振信号的空间定位磁共振信号的空间定位在检查部位与层面选择梯度线圈的相对位置保持不变的情况下，层面和层厚受梯度场和射频脉冲影响的规律如下：（1）梯度场不变，射频脉冲的频率增加，则层面的位置向梯度场高的一侧移动；（2）梯度场不变，射频脉冲的带宽加宽，层厚增厚；（3）射频脉冲的带宽不变，梯度场的场强增加，层厚变薄。65ppt课件磁共振信号的空间定位磁共振信号的空间定位v层面选择仅仅确定了被激发和采集的层面和层厚，而采集到的MR信号包含有全层的信息，我们必须把采集的MR 信号分配层面内不同的空间位置上（即各个像素中）分配层面内不同的空间位置上（即各个像素中），才能显示层面内的不同结构。因此在完成了层面选择后还必须进行层面内的空间定位编码，包括频率编码和相位编码。66ppt课件磁共振信号的空间定位磁共振信号的空间定位二、频率编码二、频率编码v傅里叶变换可以区分出不同频率的MR信号，但首先必须让来自不同位置的不同位置的MR 信号包含有不同的频率信号包含有不同的频率，采集到混杂有不同频率的MR 信号后，通过傅里叶变换才能解码出不同频率的MR 信号，而不同的频率代表不同的位置不同的频率代表不同的位置。67ppt课件磁共振信号的空间定位磁共振信号的空间定位以头颅的横断面为例，一般以前后方向为频率编码方向，在MR信号采集的时刻在前后方向上施加一个前高后低的梯度场（图 a），这样在前后方向上质子所感受到的磁场强度就不同，其进动频率即存在差别，前部的质子进动频率高，而后部的质子进动频率低（图b）。这样采集的MR 信号中就包含有不同频率的空间信息，经傅里叶转换后不同频率的MR 信号就被区分出来，分配到前后方向各自的位置上。68ppt课件磁共振信号的空间定位磁共振信号的空间定位（1）图）图a示颅脑一横断面，施加了一前高后低的梯度场，示颅脑一横断面，施加了一前高后低的梯度场，G0代表梯度场中点；代表梯度场中点；（2）图）图b仅以三行三列仅以三行三列9个体素作为示意，中间一行由于位于梯度场中点（个体素作为示意，中间一行由于位于梯度场中点（G0），），质子进动频率保持质子进动频率保持64MHZ，最前面一行由于磁场强度升高，质子进动频率加快到，最前面一行由于磁场强度升高，质子进动频率加快到65MHZ，最后面一行由于磁场强度降低，质子进动频率减慢为，最后面一行由于磁场强度降低，质子进动频率减慢为63MHZ；（3）MR信号采集后经傅里叶转换即可解码出不同频率的信号采集后经傅里叶转换即可解码出不同频率的MR信号，而不同频率信号，而不同频率代表前后方向上的不同位置。代表前后方向上的不同位置。69ppt课件磁共振信号的空间定位磁共振信号的空间定位三、相位编码三、相位编码v相位编码也使用梯度场：相位编码也使用梯度场：（1）梯度场施加方向与频率编码不同，应该施加在频率编码的垂直方向上，还以颅脑横断面为例，如果频率编码梯度场施加在前后方向，则相位编码梯度场施加在左右方向上（图b）；（2）施加的时刻不同，频率编码必须在MR 信号采集的同时施加，而相位编码梯度场必须在信号采集前施加，在施加相位梯度场期间，相位编码方向上（以左右方向为例）的质子将感受到不同强度的磁场（如左高右低），因而将出现左快右慢的进动频率，由于进动频率的不同，左右方向各个位置上的质子进动的相位将出现差别（图b）；（3）关闭左右方向的相位编码梯度场，左右方向的磁场强度的差别消失，各个位置的质子进动频率也恢复一致，但前面曾施加过一段时间梯度场造成的质子进动的相位差别被保留下来（图c），这时采集到的MR 信号中就带有相位编码信息，通过傅里叶转换可区分出不同相位的MR信号，而不同的相位则代表左右方向上的不同位置。70ppt课件磁共振信号的空间定位磁共振信号的空间定位（1）图）图a示在施加相位编码梯度前，左右方向上各体素中质子的进动频率均为示在施加相位编码梯度前，左右方向上各体素中质子的进动频率均为64MHZ，相位也一致（空箭所示）；，相位也一致（空箭所示）；（2）图）图b示在左右方向上施加一个左高右低的梯度场，位于相位编码梯度场中点示在左右方向上施加一个左高右低的梯度场，位于相位编码梯度场中点（G0）的体素内的质子进动频率仍为）的体素内的质子进动频率仍为64MHZ，而最左边体素内的质子进动频率增加，而最左边体素内的质子进动频率增加到到65MHZ，最右边体素内的质子进动频率减低到，最右边体素内的质子进动频率减低到63MHZ。这个梯度场施加一段时间。这个梯度场施加一段时间后，左右方向上各体素内的质子由于进动频率不同出现相位差异（空箭所示）。后，左右方向上各体素内的质子由于进动频率不同出现相位差异（空箭所示）。（3）图）图c示在示在MR信号采集前，把相位编码梯度场关闭，左右方向上体素内的质子进信号采集前，把相位编码梯度场关闭，左右方向上体素内的质子进动频率又回到动频率又回到64MHZ，即左右方向的进动频率差别消失，但由于相位编码梯度场造成，即左右方向的进动频率差别消失，但由于相位编码梯度场造成的左右方向上各体素内质子的相位差别（空箭所示）被保留下来。的左右方向上各体素内质子的相位差别（空箭所示）被保留下来。71ppt课件磁共振信号的空间定位磁共振信号的空间定位v由于傅里叶转换的特性，它区分不同频率的MR信号能力很强，但区分区分MR信号相位差别的能力较差信号相位差别的能力较差，只能区分相位相差180的MR信号，所以MR信号的相位编码需要多次重复进多次重复进行行。例如矩阵为256256的MR 图像需进行256次相位编码方能完成，也就是说需要用不同的相位编码梯度场重复采集256个MR信号，不同的相位编码梯度场得到的MR信号也称相位编码线，填充在K空间相位编码方向上的不同位置上，经过傅里叶转换，才能重建出空间分辨力合乎要求的图像。这256 种不同的相位编码梯度场一般情况下是先施加强度最大的梯度场，方向为一侧高另一侧低（如左高右低），保持梯度场方向不变，梯度场强度逐渐变小一直到零，然后改变梯度场方向（即改成左低高），梯度场强度则从小开始，逐渐变大，其梯度场强度变化的步级与刚才左高右低时一样。72ppt课件磁共振信号的空间定位磁共振信号的空间定位四、三维采集的空间编码四、三维采集的空间编码v三维MRI的激发和采集不是针对层面，而是针对整个成像容积进行的，与二维MRI有所区别。v由于三维MRI脉冲的激发和采集是针对整个容积范围进行的，为了获得薄层的图像，必须在层面方向上进行空间定位编码在层面方向上进行空间定位编码。三维采集技术的层面方向空间编码也采用相位编码，一个容积需要分为几层，就必须进行几个步级的相位编码。73ppt课件K空间的基本概念空间的基本概念 一、一、K空间的基本概念空间的基本概念 K空间也称傅里叶空间，是带有空间定位编码信息的MR信号原始数据的填充空间。n每一幅MR图像都有其相应的K空间数据，对K空间的数据进行傅里叶转换，就能对原始数据中的空间定位编码信息进行解码，得到MR 的图像数据，即把不同信号强度的MR 信息分配到相应的空间位置上（即分配到各自的像素中），即可重建出MR 图像了。74ppt课件K空间的基本概念空间的基本概念二、二、K空间的基本特性空间的基本特性二维K空间的两个坐标Kx 和Ky 分别代表MR 信号的频率编码和相位编码方向。在二维图像的MR 信号采集过程中，每个MR 信号的频率编码梯度场的大小和方向保持不变，而相位编码梯度场的方向和场强则以一定的步级发生变化（图b），每个MR 信号的相位编码变化一次，采集到的MR 信号填充K 空间Ky 方向的一条线（图a），因此把带有空间信息的MR 信号称为相位编码线，也称K 空间线或傅里叶线。75ppt课件K空间的基本概念空间的基本概念K 空间填充示意图空间填充示意图相位编码梯度场变化示意图相位编码梯度场变化示意图76ppt课件K空间的基本概念空间的基本概念v一般的K 空间是循序对称填充的。填充Ky 128 的MR 信号的相位编码梯度场为左高右低，梯度场强最大。填充Ky 127 的MR 信号的相位编码梯度场仍为左高右低，但梯度场强有所降低。保持梯度场方向不变，但梯度场强逐渐降低。到填充Ky 0 的MR 信号时，相位编码梯度场等于零。此后相位编码梯度场方向变为右高左低，梯度场强逐渐升高，到采集填充Ky 128 的MR 信号时，相位编码梯度场强达到最高。vK 空间相位编码方向上Ky 0 的两侧的各MR 信号是镜像对称的，即Ky 128与Ky 128 的相位编码梯度场强一样，但方向相反，Ky 127 与Ky 127 的关系也是如此，以此类推。77ppt课件K空间的基本概念空间的基本概念从Ky 方向看，填充在K 空间中心的MR 信号的相位编码梯度场为零，这时MR 信号强度最大，主要决定图像的对比主要决定图像的对比，而不能提供相位编码方向上的空间信息，我们把这一条K空间线称为零傅里叶线零傅里叶线（Ky0）（图a）。填充K 空间最周边的MR 信号的相位编码梯度场强度最大（Ky128 和Ky128），得到的MR 信号中各体素的相位差别最大，能提供相位编码方向的空间信息（图a），而由于施加的梯度场强度大，MR 信号的幅度很小，因而其MR 信号主要反映图像的解剖细节主要反映图像的解剖细节，对图像的对比贡献较小。从K 空间中心（Ky0）到K 空间的最周边（Ky128 或Ky128），其间各条K 空间线的相位编码梯度场是逐渐递增的，越靠近Ky0 的MR 信号幅度越大，越决定图像的对比，但能提供的空间信息越少；越靠近K 空间周边的MR 信号所含的空间信息越多，越决定图像的解剖细节，但MR信号的幅度越小，能提供的对比信息越少。简单的说，就是填充填充K 空间中空间中央区域的相位编码线主要决定图像的对比，而填充央区域的相位编码线主要决定图像的对比，而填充K 空间周边区域的相位空间周边区域的相位编码线主要决定图像的解剖细节。编码线主要决定图像的解剖细节。78ppt课件K空间的基本概念空间的基本概念K空间特性总结：空间特性总结：（1）K 空间中的点阵与图像的点阵不是一一对应的，K 空间中每一点包含有扫描层面的全层信息；（2）K 空间在Kx 和Ky 方向上都呈现镜像对称的特性；（3）填充K 空间中央区域的MR 信号（K 空间线）主要决定图像的对比，填充K 空间周边区域的MR 信号（K 空间线）主要决定图像的解剖细节。79ppt课件K空间的基本概念空间的基本概念 三、三、K 空间的填充方式空间的填充方式v常规MRI 序列中，K 空间最常采用的填充方式为循序对称填充循序对称填充，即在图18a 中是先填充Ky128，然后是Ky127，Ky0，Ky127，最后为Ky128。v实际上，K 空间中相位编码线的填充顺序是可以改变的，我们可以采用K 空间中央优先采集技术中央优先采集技术，即扫描一开始先编码和采集填充Ky0附近的一部分相位编码线，决定图像的对比，然后再采集决定图像解剖细节的K 空间周边的相位编码线。v此外还有迂回轨迹迂回轨迹、放射状轨迹放射状轨迹和螺旋状轨迹螺旋状轨迹等其他多种填充方式。80ppt课件五、影响五、影响MR信号强度的因素信号强度的因素（1）组织本身的特性，包括质子密度、T1 值、T2 值等；（2）设备和成像技术参数，包括主磁场场强、所用的序列、成像参数（如TR、TE、激发角度）等。81ppt课件五、影响五、影响MR信号强度的因素信号强度的因素组织的MR 信号强度（signal intensity，SI）可用下式来表示：SI=K.N(H).e(-TE/T2).1-e(-TR/T1)上式中 SI为信号强度；K为常数；N(H)是质子密度；e为自然常数，等于2.71828182845904；TE 为回波时间；TR 为重复时间；T2 为组织的T2 值；T1 为组织的T1值。82ppt课件五、影响五、影响MR信号强度的因素信号强度的因素（1）质子密度越大，组织的信号越强；（2）T1 值越短，组织的信号越强；（3）T2 值越长，组织的信号越强；（4）TE 越短，组织的信号越强；（5）TR 越长，组织的信号越强；83ppt课件五、影响五、影响MR信号强度的因素信号强度的因素（6）当TE很短（T1），则e(-TR/T1)0，1-e(-TR/T1)1，这时组织信号强度几乎不受T1值的影响，即基本剔除了T1 效应；到的将是T2WI或PD；（8）如果TR 很长（T1），同时很短（T2），则组织信号强度既不受T1 值影响，也不受T2 值影像，而仅与N(H)有关，得到将只能是PD。84ppt课件