MRI的基本原理和概念精讲课件

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,磁共振基础知识,MRI =,M,agnetic,R,esonance,I,maging,MRI =,磁,-,共振,-,成像,(装置),旧称,N,MRI(,核,磁共振成像装置),其中,N=Nuclear(,核),MRI,的历史,1946,年由美国斯坦福大学的,Felix Bloch,和哈佛大学的,Edward Purcell,发现核磁共振现象，为此获得,1952,年诺贝尔奖。,1971,年,Raymond Damadian,发现人体不同组织及肿瘤的驰豫时间相互存在差异，开始了磁共振对临床疾病的研究。,1977,年英国诺丁汉大学获得第一幅人体头部的磁共振图像。,1980,年,MRI,装备商品化。,1984,年中国第一台,MRI,装机。,R. Damadian, L. Minkoff,M. Goldsmith,0.5T supercon 1977,first MR image of a human brain,the pioneers in MR imaging,最早的磁共振成像,MRI,基本原理,难以理解,非常重要,学习,MRI,前应该掌握的知识,电学,磁学,量子力学,高等数学,初中数学,初中物理,加减乘除,平方开方,磁共振成像基本原理,一个放射科医生对磁共振成像的理解,第一节,MRI,扫描仪的基本硬件,磁 体,梯 度 系 统,射 频 系 统,计 算 机,外 围 设 备,磁共振系统基本组成,1.,磁体,磁共振最基本的构建,产生磁场的装置,最重要的指标为磁场强度和均匀度,MRI,按磁场产生方式分类,永磁,电磁,常导,超导,磁体,0.35T,永磁磁体,1.5T,超导磁体,磁体类型,现在为,0.2-1.0T,按磁体的外形可分为,开放式磁体,封闭式磁体,特殊外形磁体,MR,按主磁场的场强分类,MRI,图像信噪比与主磁场场强成正比,低场,:,小于,0.5T,中场：,0.5T,1.0T,高场,:,1.0,T,2.0T,（,1.0T,、,1.5T,、,2.0T,）,超高场强：大于,2.0T,（,3.0T,、,4.7T,、,7T,）,OPER-0.35T,高斯（,gauss, G,）,。,Gauss (1777-1855),1,高斯为距离,5,安培电流的直导线,1,厘米处检测到的磁场强度,德国著名数学家，于,1832,年首次测量了地球的磁场。,5,安培,1,厘米,1,高斯,地球的磁场强度分布图,特斯拉（,Tesla,T,）,Nikola Tesla (1857-1943),奥地利电器工程师，物理学家，旋转磁场原理及其应用的先驱者之一。,1 T = 10000G,主磁场的均匀度,MRI,要求磁场高度均匀，,?,提高图像信噪比,空间定位准确的需要,减少伪影（磁化率伪影）,大视野扫描,脂肪抑制技术,有效区分,MRS,的不同代谢产物,匀场,是通过使用金属片（匀场片）或电磁体（匀场线圈）来提高磁场均匀度的过程。,被动匀场,-,被动匀场磁体系统有一套装有小铁片的多个托盘，用来修正磁场形状，达到一定的磁场均匀度。这些匀场片放置的位置非常重要。测量磁场的均匀度，计算机计算匀场片放置的位置，匀场托盘被拉出，匀场片被放入托盘中托盘重新插入磁体，反复进行此过程。,优 点,：一旦完成匀场，维持匀场将不耗费电能。,主动匀场,-,主动匀场磁体系统在磁体孔径中置有,30,个独立的线圈，分别调整各个线圈中的微弱电流，可以修正磁场形状。电流的调整在计算机的控制下即可完成，匀场十分简便。,缺 点：,在于制作困难，价格昂贵。,磁体的匀场,2.,梯度系统,作用：,空间定位,产生回波（梯度回波）,施加扩散加权梯度场,进行流动补偿,梯度线圈性能的提高,磁共振成像速度加快,没有梯度磁场的进步就没有快速、超快速成像技术,加快信号采集速度,提高图像的,SNR,梯度、梯度磁场,梯度磁场的产生,Z,轴方向梯度磁场的产 生,X,、,Y,、,Z,轴上梯度磁场的产生,梯度线圈性能指标,梯度场强,25-60mT/m,切换率,120-200mT/m.s,有效梯度场长度,50 cm,梯度两端磁,场强度差值,梯度场中点,梯度场强（,mT,/M,）梯度场两端的磁场强度差值,/,梯度场的长度,1000mT,1010mT,990mT,梯度场强（,1010mT-990mT,）,/ 0.5 M=,40,mT,/M,1000mT,梯度场强,爬升时间,切换率梯度场预定强度,/,爬升时间,3.,射频系统,射频（发射和接受）系统的作用如同无线电波的天线,激发人体产生共振（广播电台的发射天线）,采集,MR,信号（收音机的天线）,射频,线圈的分类,敏感区的形状：体线圈或表面线圈,线圈的极性：线性或正交,独立接收通道的数目：相控阵线圈,4.,计算机系统,控制扫描,数据的运算,图像显示,5.,其他辅助设备,空调,检查台,激光照相机,液氦及水冷却系统,第二节 磁共振成像的物理基础,一、原子的结构,电子：负电荷,中子：无电荷,质子：正电荷,原子核总是绕着自身的轴旋转,自旋,( Spin ),地球自转产生磁场,原子核总是不停地按一定频率绕着自身的轴发生,自旋,( Spin ),原子核的质子带正电荷，其自旋产生的磁场称为,核磁,，因而以前把磁共振成像称为,核磁共振成像,（,NMRI,）。,二、自旋与核磁,地磁、,磁铁,、,核磁,示意图,原子核自旋产生核磁,核磁就是原子核自旋产生的磁场,非常重要,三、所有的原子核都可产生核磁吗？,质子为偶数,，中子为偶数,质子为奇数,，中子为奇数,质子为奇数,，中子为偶数,质子为偶数,，中子为奇数,产生核磁,不产生核磁,用于人体,MRI,的为,1,H,（,氢质子），原因有：,1.,1,H,的磁化率很高；,2.,1,H,占人体原子的绝大多数。,通常所指的,MRI,为氢质子的,MR,图像。,四、何种原子核用于人体,MR,成像？,人体元素,1,H,14,N,31,P,13,C,23,Na,39,K,17,O,2,H,19,F,摩尔浓度,99.0,1.6,0.35,0.1,0.078,0.045,0.031,0.015,0.0066,相对磁化率,1.0,0.083,0.066,0.016,0.093,0.0005,0.029,0.096,0.83,人体内常见的磁性原子核,人体内有无数个氢质子（每毫升水含氢质子,310,22,）,每个氢质子都自旋产生核磁现象,人体象一块大磁铁吗？,第三节 进入主磁体前后人体内质子核 磁状态的变化,没有外加磁场的情况下，质子自旋产生核磁，每个氢质子都是一个,“,小磁铁,”,，但由于排列杂乱无章，磁场相互抵消，人体并不表现出宏观的磁场，宏观磁化矢量为,0,。,通常情况下人体内氢质子的核磁状态,通常情况下，尽管每个质子自旋均产生一个小的磁场，但呈,随机无序,排列，磁化矢量相互抵消，人体,并不表现出宏观磁化矢量,。,把人体放进大磁场,指南针与地磁、,小磁铁与大磁场,矢量的合成与分解,进入主磁场前后人体组织质子的核磁状态,处于高能状态太费劲，并非人人都能做到,处于低能状态的略多一点，,007,进入主磁场后磁化矢量的影响因素,温度、,主磁场强度,、质子含量,温度,温度升高，磁化率降低,主磁场场强,场强越高，磁化率越高，场强几乎与磁化率成正比,质子含量,质子含量越高，与主磁场同向的质子总数增加（磁化率不变）,处于低能状态的质子到底比处于高能状态的质子多,多少,？,室温下,（,300k,）,0.2T,：,1.3 PPM,0.5T,：,4.1 PPM,1.0T,：,7.0 PPM,1.5T,：,9.6 PPM,PPM,为百万分之一,处于低能状态的氢质子,仅略多于,处于高能状态的质子,在主磁场中质子的磁化矢量方向是绝对同向平行或逆向平行吗？,Precessing,(,进动,),进动是核磁（小磁场）与主磁场相互作用的结果,进动的频率明显低于质子的自旋频率，但比后者更为重要。,非常重要,=,.,B,：,进动频率,Larmor,频率,：,磁旋比,42.5,兆赫,/ T,B,：,主磁场场强,高能与低能状态质子的进动,由于在主磁场中质子进动，每个氢质子均产生纵向和横向磁化矢量，那么人体进入主磁场后到底处于何种核磁状态？,处于低能状态的质子略多于处于高能状态的质子，因而产生纵向宏观磁化矢量,尽管每个质子的进动产生了纵向和横向磁化矢量，但由于,相位不同,，因而,只有宏观纵向磁化矢量,产生，并,无宏观横向磁化矢量,产生,由于,相位不同,，每个质子的横向磁化分矢量相抵消，因而并,无宏观横向磁化矢量,产生,进入主磁场后，质子自旋产生的核磁与主磁场相互作用发生,进动,非常重要,进动使每个质子的核磁存在,方向稳定,的,纵向磁化分矢量,和,旋转,的,横向磁化分矢量,由于,相位不同,，只有,宏观纵向磁化矢量,产生，并无,宏观横向磁化矢量,产生,进入主磁场后人体被磁化了，产生纵向宏观磁化矢量,不同的组织由于氢质子含量的不同，宏观磁化矢量也不同,磁共振不能检测出纵向磁化矢量,纵向磁化,Longitudinal magnetization,把病人置入强外磁场中，可诱发一个新的磁矢量，这个磁矢量与外磁场平行。,因为它平行于外磁场，与外磁场处于同一方向，故不能测量。,MR,能检测到怎样的磁化矢量呢？,MR,不能检测到纵向磁化矢量，但能检测到,旋转的横向磁化矢量,横向磁化,沿着外磁场的磁化不能测量，因此，需要一个横向于外磁场的磁化。,如何才能产生横向宏观磁化矢量？,第四节 磁共振现象,共振,：能量从一个震动着的物体传递到另一个物体，而后者以前者相同的频率震动。,射频脉冲,radio,frequency(RF,) pulse,一个短促的电磁波，称为射频脉冲。,当质子频率与射频脉冲频率相同时，就能进行能量交换。,体内进动的氢质子怎样才能发生共振呢？,给,低能的氢质子能量，氢质子获得能量进入高能状态，即,核磁共振,。,怎样才能使低能氢质子获得能量，产生共振，进入高能状态？,磁共振现象,是靠射频线圈发射,无线电波（,射频脉冲,）,激发人体内的氢质子来引发的，这种射频脉冲的频率必须与氢质子进动频率相同，低能的质子获能进入高能状态,微观效应,射频脉冲激发后的效应,是使宏观磁化矢量发生偏转,射频脉冲的,强度,和,持续时间,决定,射频脉冲激发后的效应,低能量,中等能量,高能量,宏观效应,90,度脉冲继发后产生的,宏观,和,微观,效应,低能的超出部分的氢质子有一半获得能量进入高能状态，高能和低能质子数相等，纵向磁化矢量相互抵消而等于零,使质子处于同相位，质子的微观横向磁化矢量相加，产生宏观横向磁化矢量,当施加,RF,脉冲后,质子会发生什么变化？,正常情况下，无线电波的图形类似一根鞭子，,MRI,的无线电波也起着一根鞭子样的作用。它使进动的质子同步化。,同向进动的质子产生一个新的横向磁化,90,脉冲激发使质子发生共振，产生最大的旋转横向磁化矢量，这种旋转的横向磁化矢量切割接收线圈，,MR,仪可以检测到。,氢质子多,氢质子少,无线电波激发后，人体内宏观磁场偏转了,90,，,MRI,可以检测到人体发出的信号。,氢质子含量高的组织纵向磁化矢量大，,90,脉冲后偏转到横向的磁场越强，,MR,信号强度越高。,此时的,MR,图像可区分质子密度不同的两种组织。,非常重要,检测到的,仅仅是不同组织氢质子含量的差别,，对于临床诊断来说是远远不够的。,我们总是,在,90,脉冲关闭后过一定时间才进行,MR,信号采集。,非常重要,射频线圈关闭后发生了什么,？,无线电波激发使磁场偏转,90,，,关闭无线电波后，磁场又慢慢回到平衡状态,（纵向,),第五节 核磁驰豫,Relaxation,弛豫,放松、休息,射频脉冲停止后，在主磁场的作用下，,横向宏观磁化矢量逐渐缩小到零，纵向宏观磁化矢量从零逐渐回到平衡状态，,这个过程称为,核磁弛豫,。,核磁弛豫又可分解为两个部分：,横向弛豫,纵向弛豫,横向弛豫,也称为,T2,弛豫,，简单地说，,T2,弛豫就是横向磁化矢量减少的过程,。,90,脉冲,T2,弛豫的原因,自旋质子磁场暴露在大磁场与临近自旋质子的小磁场中,由于分子的运动，质子周围的小磁场不断波动,每个质子感受的磁场不均匀,磁场高质子进动快,场强低质子进动慢,同相位进动的质子失相位,根据,Lamor,定律,T2,弛豫是由于进动质子的失相位,用,T2,值,来描述组织,T2,弛豫的快慢,不同的组织横向弛豫速度不同,（,T2,值不同,）,纵向弛豫,也称为,T1,弛豫,，是指,90,脉冲关闭后，在主磁场的作用下，,纵向磁化矢量开始恢复，直至恢复到平衡状态的过程,。,90,脉冲,纵向弛豫的机理,90,激发,低能的质子获能进入高能状态,纵向弛豫,高能的质子释放能量,晶格震动频率低于质子进动频率,能量传递慢,含高浓度大分子蛋白,晶格震动频率接近于质子进动频率,能量传递快,脂肪,，,含中小分子蛋白质,高能的质子把能量释放给周围的晶格（分子）,晶格震动频率高于质子进动频率,能量传递慢,纯水,T1,弛豫是由于高能质子的能量释放回到低能状态,用,T1,值,来描述组织,T1,弛豫的快慢,不同组织有不同的,T1,弛豫时间,人体各种组织的,T2,弛豫要比,T1,弛豫快得多,T2 2000ms,）,长,TE,（,50ms,）,T,2,WI,长,TR,、,长,TE,T2,加权像,使用长,TR,、长,TE,时，,T2,差别就有足够的时间显示出来，所得图像是,T2,加权像。,短,TR,（,200-500ms,）,短,TE,（,2000ms,）,短,TE,（,20ms,）,PD,长,TR,、,短,TE,质子密度加权像,选择长,TR,，,纵向磁化时间,T1,的差别不再重要了，因为所有组织的纵向磁化都已完全恢复。,非常短,的,TE,，由,T2,不同所致的信号强度差别还未显示出来,。,短,TR,（,200-500ms,）、短,TE,（,2000ms,）、长,TE,（,50ms,）,长,TR,（,2000ms,） 、短,TE,（,20ms,）,T,1,WI,T,2,WI,PD,T1WI,T2WI,PD,总结一下,MR,成像的过程,把病人放进磁场,人体被磁化产生纵向磁化矢量,发射射频脉冲,人体内氢质子发生共振从而产生横向磁化矢量,（,同时进行空间定位编码,）,关掉射频脉冲,质子发生,T1,、,T2,弛豫,线圈采集人体发出的,MR,信号,计算机处理（,付立叶转换,）,显示图像,磁共振成像过程,射频,发射器,射频脉冲,射频,接收器,磁共振信号,发射射频,接收射频,第十节 影响,MR,信号强度的因素,影响,MR,信号强度的因素,组织本身的特性,：质子密度、,T1,值、,T2,值等；,设备和成像技术参数：,主磁场场强、所用的序列、成像参数（如,TR,、,TE,、激发角度）等。,流动液体,静止组织,MR,信号强度的影响因素,组织的,MR,信号强度（,signal intensity,）：,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。,SI = K.N(H).e,(-TE/T2),. 1- e,(-TR/T1),质子密度,越大，组织的信号越强；,T1,值越短，组织的信号越强；,T2,值越长，组织的信号越强；,TE,越短，组织的信号越强；,TR,越长，组织的信号越强；,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；为,T2WI,或,PD,；,如果,TR,很长,（,T1,），同时,TE,很短,（,T2,），则组织信号强度既不受,T1,值影响，也不受,T2,值影响，而仅与,N(H),有关，为,PD,。,第十一节 血流的,MR,信号特点,一、常见的血流形式,二、表现为低信号的血流,三、表现为高信号的血流,一、常见的血流形式,层流是指血流质点的运动方向都与血管长轴平行，但运动速度存在差别，呈抛物线分布。,湍流是指除沿着血管长轴方向流动外，血流质点还在其他方向进行迅速不规则的运动，形成大小不一的漩涡。,血管里的血流通常是层流和湍流同时存在或交替出现,。,血流方向,血流方向,血管狭窄,二、表现为低信号的血流,流空效应。,扫描层面内质子群位置移动造成的信号衰减。,层流流速差别造成的失相位。,层流引起的分子旋转造成的失相位。,湍流的存在,。,9 0,血流,方向,180,血流,方向,层选梯度,层选梯度,流空现象,flow-void,phenomnon,当施加第一个,90,脉冲时，该层面上的所以质子都受到无线电波的影响。终止,RF,脉冲后，记录该层面的信号。此时，原来血管内的血液已离开了受检层面，因此，没有来自血管的信号，在图上呈黑色。,三、表现为高信号的血流,流入增强效应,。,舒张期假门控现象。,非常缓慢的血流。,偶回波效应。,血流在梯度回波序列上表现为高信号。利用超短,TR,和,TE,的稳态进动梯度回波序列，,利用对比剂和超短,TR,和,TE,的梯度回波,T1WI,序列可使血液呈现高信号。,30,脉冲,血流方向,层面选择梯度,血流,方向,读出梯度场切换,流动相关增强现象,flow-related enhancement,施加,90,脉冲前的情形。,施加,90,脉冲后即刻的情形。,如果在施加第二个,90,脉冲前等待较长时间，质子将产生一些驰豫，恢复一些纵向磁化。然而血管内的质子已离开层面，并由具有全部纵向磁化的质子所取代，此时，施加第二个,90,脉冲，则来自血管的信号将高于周围组织，因为此时有较多的纵向磁化。,谢谢！,