MRI基本原理精讲

单击以编辑,母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,磁共振成像基本原理,杨正汉,卫生部北京医院放射科,北京大学第五临床医学院,MRI,基本原理,难以理解,非常重要,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,一、,MRI,扫描仪的基本硬件构成,一般的,MRI,仪由以下几部分组成,主磁体,梯度线圈,脉冲线圈,计算机系统,其他辅助设备,1,、主磁体,分类,磁场强度,磁场均匀度,MRI,按磁场产生方式分类,永磁,电磁,常导,超导,主磁体,0.35,T,永磁磁体,1.5,T,超导磁体,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,OpenMark,3000,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0.5,T,中场：0.5,T1.0T,高场:,1.0,T2.0T（1.0T、1.5T、2.0T）,超高场强：大于2.0,T（3.0T、,4.7T、7T,）,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，?,空间定位需要,频谱分析（各种代谢物之间的共振频率相差极小）,脂肪抑制（脂肪和水分子中的氢质子共振频率很接近）,50,厘米球表面均匀度应该控制在,3 PPM,45,厘米球体均匀度可控制在,1 PPM,频率半高宽,2,、梯度线圈,作用：,空间定位,产生信号,其他作用,梯度线圈性能的提高,磁共振成速度加快,没有梯度磁场的进步就没有快速、超快速成像技术,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 / 60,mT,/m,切换率 120 / 200,mT,/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,、脉冲线圈,脉冲线圈的作用,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）,脉冲线圈的分类,按作用分两类,激发并采集,MRI,信号（体线圈）,仅采集,MRI,信号，激发采用体线圈进行,（,绝大多数表面线圈,）,按与检查部位的关系分,体线圈,表面线圈,第一代为线性极化表面线圈,第二代为圆形极化表面线圈,第三代为圆形极化相控阵线圈,第四代为一体化全景相控阵线圈,接收线圈与,MRI,图像,SNR,密切相关,接收线圈离身体越近，所接收到的信号越强,线圈内体积越小，所接收到的噪声越低,3D-FFE,Matrix 512512,FOV 2.5cm,利用2.3,cm,显微线圈采集的指纹,MR,图像,4,、计算机系统及谱仪,数据的运算,控制扫描,显示图像,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,自动洗片机等,二、,MRI,的,物理学原理,1,、人体,MR,成像的物质基础,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）。,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,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。,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？,矢量的合成与分解,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,2,、人体进入主磁体发生了什么,？,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,。,指南针与地磁、,小磁铁与大磁场,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（300,k）,0.2,T：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分矢量，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,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,N,S,如何才能产生横向宏观磁化矢量？,3,、什么叫共振，怎样产生磁共振？,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。,共 振,条件,频率一致,实质,能量传递,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,90度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,度，,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,度脉冲后磁化矢量偏转，产生的旋转的宏观横向矢量越大，,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度脉冲关闭后过一定时间才进行,MR,信号采集。,非常重要,4,、射频线圈关闭后发生了什么,？,无线电波激发使磁场偏转90度，,关闭无线电波后，磁场又慢慢回到平衡状态,（纵向),Relaxation,弛豫,放松、休息,4,、射频线圈关闭后发生了什么,？,无线电波激发使磁场偏转,90,度，,关闭无线电波后，磁场又慢慢回到平衡状态,（纵向,),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度脉冲,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,度脉冲关闭后，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度脉冲,纵向弛豫的机理,90度激发,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,T,1,弛豫是由于高能质子的能量释放回到低能状态,用,T,1,值,来描述组织,T,1,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,Mxy,100,%,时间（,ms,）,选择合适长的,TE,获得最好的,T2,对比,合适长的,TE,T,2,对比,一般,TE,选择两种组织生物,T2,值附近可获得最好的,T2,对比,短TR（200-500ms）,短TE（2000ms）,短TE（20ms）,PD,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,关掉射频脉冲,质子发生,T1,、,T2,弛豫,（,同时进行空间定位编码,）,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,谢谢！,回波平面成像（,echo planar,imaging,，,EPI,）,是目前最快的,MRI,信号采集方式，单层图像的信号采集时间可缩短到,100,毫秒以内,梯度回波的一次激发采集多个回波的形式。,普通梯度回波为一次脉冲激发后利用梯度线圈反向切换一次采集一个梯度回波；,EPI,是在一次脉冲激发后依靠梯度线圈的连续反向切换，采集一连串梯度回波信号,GRE,EPI,EPI,可分为,多次激发（,Multi shot）EPI,单次激发（,Single shot）EPI,MSEPI,是在一次脉冲激发后利用读出梯度线圈的连续反向切换采集多个梯度回波信号，填充部分,K,空间。通过多次如此重复激发和采集完成整个,K,空间的填充。,SS-EPI,是在一次脉冲激发后利用读出梯度线圈的连续反向切换，采集填充整个,K,空间所需的全部梯度回波信号。,MS-EPI,与,RARE,一次激发后利用读出梯度线圈的反复切换采集多个梯度回波信号，填充部分,K,空间,与自旋回波类的,RARE,技术相对应,不同点是多次激发,EPI,采集的为梯度回波，,RARE,采集的为自旋回波,RARE,MS-EPI,