磁共振成像的原理及临床应用课件

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?,我国初中几何数学教学一直以来都是以教材作为教学的主要内容,教师按照固定的模式将数学知识教给学生,学生也已经习惯了按照教师讲授的方法去思考,虽然有助于学生掌握基础知识以及基本技能,但不利于培养学生创新能力,也就更加不能培养学生的发散性思维了。,在初中几何数学教学中,发散性思维能够开拓学生的思路、培养学生灵活性的学习思维,让学生在解题过程中不局限于一个解题方法,鼓励他们勇于创新、发展思维,使得学生从多方面、多层次以及多角度进行思考,探索出独特、新颖、简单的解题方法。,一、一题多解,激发学生求知欲,思维循规蹈矩是学生发散思维培养的主要障碍,如果学生的思维积极性较强,则有利于发散思维的培养。激发学生积极性通常是在课堂引入部分,初中几何数学教学中,常用的引入有阻碍性、冲突性、问题性、趣味性等,如此才能更好的激发学生对新方法、新知识探究的欲望,使得学生的求知欲以及学习的动机得到有效激发。在学生解决“知”和“不知”的过程中,教师要正确引导学生逐步发现、思考以及解决问题。例如在三角形ABC中,B=2C,AD平分BAC.求证:AC=AB+BD.,分析:在AC上面截取AE=AB,连接DE.则有三角形ABD全等于三角形AED.,所以BD=DE.B=AED=DEC+C.因为:B=2C,所以C=EDC.,所以DE=CE.AC=AB+BD.,二、转换角度,拓展思维,要培养学生发散性思维,首先是要改变学生在固有的思维模式,从多角度、多方位进行思考,这也是学生思维的求异性。要训练以及培养学生抽象思维能力,就要注重培养思维的求异形,让学生从多个角度来分析问题,最终探索出一条简便、新颖的解题思路。例如教师在讲解二次函数时,通常采用数形结合以及方程组来求解,首先要对对方程进行化简,使其达到最简方程式,采用数形结合,在函数图形中寻找关键点,最后采用方程组进行验证,对于同一问题要从不同的角度出发。,三、变式引申,发散思维,思维广阔性是发散思维的一大特征,在初中几何数学教学过程中,通常有一些学生对于知识一知半解,在解决问题时往往存在一定的片面性,要改变这种狭隘性思维,教师在课堂上应该对同一类型的题目进行引申和多解,让学生分组讨论,如此不但拓宽了学生解题思路,也使得他们的发散思维得到培养。例如教师在讲解例题“求证三角形ABC为等腰三角形”,在讲解的过程中引导学生从三角形的角和边入手,当已知条件求不出两个相同的角时,换一个思路,对该问题进行引申,看看可否求出两条相等的边。,四、知果索因,培养学生发散思维能力,初中几何数学中发散思维能够扩大知识点的面积,可以扩充课本容量,教师通过训练学生的发散思维,能够弥补课本中一些不足之处。逆向反思,反其道而行,引导思维反向发展,从问题另一面入手进行深入的探索。逆向思维是创造性思维的基础,这种思维是学生在生活以及学习过程中必不可少的思维模式。初中教师在几何数学教学中应该充分认识到逆向思维对于学生的重要作用,在结合课本内容的基础上,要着重训练学生逆向思维的能力。要想培训学生的发散思维,首先要充分培养学生思维兴趣,外因和内因分别是学生思维变换的条件和依据。兴趣是学生最好的老师,因此初中教师在几何数学教学应该充分培养学生思维兴趣,最大程度的增加学生思维积极性,确立学生在课程教学中的主体地位,让学生成为学习的主人,成为学习活动的探索者、参与者以及研究者;其次要指导学生理顺几何数学课本上存在的一些逻辑关系,课本上逻辑顺序与学生心理顺序可能存在一定的差距,这些差距的存在很有可能影响他们的思维活动,所以,教师在研读课本时,一定要理顺逻辑顺序,确保学生思维活动的正常展开;第三,?哪嬗玫母拍钪屑由疃远宓睦斫猓?几何数学中许多问题,就是要求学生对概念进行互逆或再次确认。在初中几何数学教学实际中,有一些学生虽然对于书上的概念滚瓜烂熟,但在实际应用中需要对一个具体问题进行解答时,学生往往会不知所措,所以在教学过程中,教师应该着重培养学生该方面的思维能力;第四,学生要在互逆公式中寻求发散思维灵感,许多数学问题的概念、公式都可以进行互逆,逆用的概念或者公式往往会使问题变得简单,教师引导学生加强对这方面的训练,能够培养他们变通性以及灵活性的思维,使学生发生逆向思维习惯,从而为培养发散思维大家坚实基础;最后,教师应该运用直观教学的方法,培养学生发散思维。,伟人马克思说过,感性认知是理性认知的基础,理性认知主要依赖于感性认知,在初中几何数学教学中教师也应该采用多媒体、模型、教具等工具,呈现出直观教学,使学生全方面的接触到几何教学发散思维的活动,获得更多的感知,培养学生的发散思维能力。,五、结语,发展性思维主要是指在解决问题的过程中,可以根据已有条件,运用自身的经验以及知识,从不同途径、各个方面对该问题进行思考和探索,从而得出一种解决该问题的全新方法和途径。本文探讨了一题多解,激发学生求知欲、转换角度,拓展思维、变式引申,发散思维、知果索因,培养学生发散思维能力,强调了学生发散思维的重要性,学生在培养发散思维的过程中,不断提升创造思维的能力。,将创新教育融入初中语文教育,首要环节就是明确语文教学的创新教育特征。语文教学即为母语教学,从实质角度而言,语文教学是基础性学科教学和工具性学科教学。对语文教学内容进行情境创设和展示,可以在一定程度上激发学生潜在的学习兴趣,更好地调动学生学习语文的积极性,学生审美能力也可得到良好的培养。新课改之后,素质教育将学生作为学习主体,学生课堂学习参与性被列为教学重点,旨在培养学生创新能力、综合实践能力以及自主探索能力。,一、创新初中语文教学理念的要点分析,新课标主要提倡学生合作学习模式、学生自主学习模式以及学生探究学习模式,上述内容为当前初中教育课堂的主要突破点,同时也是实施创新教学的举措之一。从新课标教学思想和教学理念内容可以看出,初中语文教学方法需要做出改革与创新,适时转变教师的教学思想,做到学习方式和教学策略的整体变革。创新初中语文教学策略可以使学生思维能力得到稳步提升,在此基础上全面掌握语文知识。但串讲模式与解释模式仍旧禁锢着初中语文教师的教学思想,教师统领课堂,创造性教学思维受到限制,学生被动学习,创造性思维无法得到正常发挥。,要想培养学生积极的学习态度,就应该进行创新式语文教学,不断培养学生的创新精神和实践能力,给予学生充分的学习空间和学习时间,让学生在学习过程中敢于发言,形成自我学习意识,从而爱上语文这门学科。,二、创新语文课堂情境创设,激发学生的创新灵感与创新动力,广义而言,合理创设语文教学情境可以有效激发学生的灵感。在初中语文教学中,初中语文教师应该适时创设特定的语文教学情境,把学生引入其中,这样学生拥有一定的学习空间和思考空间,便会达到物我两融的学习境界,并产生创造性学习思维。初中语文课堂教学情境创设的内容主要包括生活场景展示内容、实物演示内容、表演体会内容、音乐渲染内容以及相关图像再现内容等,上述内容便是初中语文教学情境创设过程中的主要组成部分和重点操作环节。,需要注意的是,创建初中语文教学情境,语言表述情境创设环节实为重点。最为常见的例子如忆读书一文的讲解中,可让学生自主发挥想象能力,思考作者所想所感,然后相继举手发言。此种情境创设会在一定程度上激发学生的写作灵感和创造性思维。,其次,利用多媒体设备和现代化科技教学手段创设教学情境。合理利用媒体设备对课堂教学情境加以创建,对激发学生的创新灵感起到决定性作用。初中语文教师还可以播放微电影和电视短剧等,在此基础上适当停顿,要求学生发言并续补剧情。情境创设式初中语文创新教学有利于学生形成创造性思维与发散思维,学生在课堂上会表现得相当活跃,不同类型和种类的创新情境就会融入课堂。,三、初中语文教师教学观点创新,新课标在全国中学的实施,使得语文试题的主观性内容、创新性内容以及相关发展性内容出现在人们的视野中。这要求初中语文教师应该将教学活动重点放在培养学生如何学习上,将学生作为课堂主体,树立大局观,旨在完善学生人格、培养学生创新精神及格物致知理念。较为正确的做法是,适时进行思维激发式初中语文课堂教学,让学生在教师点拨与教师提示的基础上阅读文章,引导学生独立发现问题并独立解决问题,同时收集课文信息、处理课文信息、掌握语文知识、熟知语文技能。运用此种方法,激发学生自身潜在的学习能力,能使学生内心情感得以释放和表达,积极培养学生的创新精神和创新实践能力,为学生后续高中语文知识学习奠定坚实的基础。,随着科学技术的飞速发展,我国教育水平也在不断提高。新世纪,教育的核心理念为创新。初中语文是初中整体教学环节中的重要组成部分,第一点就是要明确创新教学的基础特征,在此基础上循序渐进地提高语文教学质量和语文教学效率。,第一节 MRI发展概况,在医学影像学方面,1973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。,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。,1980年商品化MRI装置问世。,第二节 MRI的基本原理,本节介绍核磁共振这一物理现象最基本的理论知识,我们应用一般物理学、力学及磁学的原理阐述。,一、,原子核及其在磁场内的特性,人体由很多分子组成,分子由原子组成;,所有原子的核心都是原子核;,带正电荷和中性粒子的集合体;,占原子质量的绝大部分;,一、,原子核及其在磁场内的特性,从理论上讲,很多元素都可以用核磁共振来成像。也就是任何一个原子核,只要其所含的质子或中子的任何一个为奇数时,就具备磁性,就可以产生磁共振信号。,一、,原子核及其在磁场内的特性,MRI主要是应用于氢核的成像,这是出于:,一是对其磁共振信号的敏感性高;的旋磁比最高,因此最敏感,即MR信号被测出的效率,随共振信号频率的增加而改善。,二是它在自然界含量丰富。氢存于水和脂肪中,因而在人体中极为丰富,每立方毫米软组织中含有约10,19,个原子,其所产生的磁共振信号要比其他原子强1000倍。,一、,原子核及其在磁场内的特性,由于,1,只有一个质子,没有中子,所以氢核的成像也称质子成像。,氢核有两个特性:,其一是它含有一个不在核中心的正电荷;,其二是它有角动量或自旋。,Pauli理论,具有奇数原子质量或奇数原子数的核均具有角动量及具有特征性的、大于零的自旋量子数。,一、,原子核及其在磁场内的特性,自旋的氢核其正电荷沿着一近似圆形路线运动,犹如电流通过环形线圈一样,从而在其周围产生一磁场。此滋场的大小与方向用磁矩 来表示,形成一个微观的磁体偶极子。,具有磁矩的快速自旋核可以看成为极小磁棒,一、,原子核及其在磁场内的特性,共振是一种常见的现象。指南针是我们最熟悉的磁体,地球是一个磁场。,指南针在地球表面作定向排列,即在静止状态下指北。,如果我们用手指轻击指南针,使之来回摆动,直到指南针从我们手指上得到的能量全部放出后,又回到原来的位置,指北。这就是共振现象。针摆动的频率为共振頻率。,一、,原子核及其在磁场内的特性,共振频率与外磁场强度成正比。地球的两极场强最强,赤道最弱。,在赤道与两极之间,磁场强度逐渐变化,称梯度磁场或简称梯度。,如果指南针在赤道摆动的频率为周/秒,越向北其摆动的频率越快。这是因为北极滋场强度较赤道大2.3倍。,一、,原子核及其在磁场内的特性,这个简单的例子可以帮助我们了解磁共振成像中的基本要点:,指南针置于磁场中与外磁场的方向作定向排列;,指南针的共振频率与外磁场强度成正比;,当有梯度磁场时,根据指针摆动频率的变化可以推断其在磁场中所处的位置。,众多的氢核(质子)就是许多微观的磁偶极子,在没有外加磁场影响下,它们的磁矩是任意指向,杂乱无章地排列着。,在这种情况的组织标本中,净磁量为零。,一、,原子核及其在磁场内的特性,将这些指向杂乱无章的质于置于强大的静磁场(B,0,) 中时,质于群的磁矩将会沿静磁场的方向作定向排列。,略超过半数的质子与静磁场B,0,平行排列,略少于半数的质子则指向相反(与静磁场呈反平行方向排列)。,一、,原子核及其在磁场内的特性,当有两种可能的排列状态时,耗能少的、,处于低能态的排列状态占优势。,一、,原子核及其在磁场内的特性,一、,原子核及其在磁场内的特性,低能量级的、平行于静磁场方向的质子与高能量级的、反平行于静磁场方向的质子来回翻转,相互抵消,而产生平衡的磁化量,0,,也就是在一定量的组织中,所有氢核的磁化量的总和。,这一净平衡磁化量的指向与外加静磁场是一致的。要使置于外加静磁场内的组织标本达到磁化,需要足够的时间(约为:510秒)。,二、磁共振是怎样发生的,每个质子为细小的自旋磁体,当受到外加静磁场的作用时,静磁场对质子的磁矩产生扭转作用,这样就使质子顺着外加静磁场的中轴旋转,称为进动;,它如同旋转的陀螺受地心引力一样。,二、磁共振是怎样发生的,以坐标系来表示每个质子受到外加静磁场的作用时的磁力的方向大小。,平衡状态中,净磁化矢量并不在接受线圈中产生感应电流,要获得自旋信息,净磁化矢量必须被搅乱或激励,可用射频脉冲,一种短促的无线电波,,与感兴趣核的拉莫尔频率一致,净磁化从平衡方向产生不同程度的偏转角度,射频脉冲激励时,净磁化以拉莫尔频率或共振频率沿主磁场方向进动,二、磁共振是怎样发生的,射频脉冲激励时,净磁化以拉莫尔频率或共振频率沿主磁场方向进动,二、磁共振是怎样发生的,射频激励脉冲实际上是另一个磁场(B,1,),B,1,方向垂直于B,o,及作用非常短的时间,B,1,磁场的作用是使磁化沿其进动,从垂直方向转向M,xy,平面,二、磁共振是怎样发生的,净磁化(M) 有两个矢量成分:横向面的M,xy,和纵向面的M,z,只有在XY平面的成分能被探测到,调整射频脉冲强度和时间,使磁化从平衡状态翻转90度时,可获得最大磁共振信号,二、磁共振是怎样发生的,二、磁共振是怎样发生的,场强与进动频率的关系以Larmor公式表示:,0,质子的共振频率(MHz)(进动频率),0,外加静磁场场强,单位是Tesla,简称,旋磁比,是一个常数,氢核的旋磁比为42.58MHz/T,从上述公式可知,场强为1T时,那么进动频率(,0,)即等于值(旋磁比)。,二、磁共振是怎样发生的,频率(,0,)非常重要,其原因如下:,在病人作MRI检查时,必须用这样频率的电磁波(RF脉冲),方可激励原子核;,MR仪的接收器必须调谐至此频率,以便接收来自病人的信号。,二、磁共振是怎样发生的,当给一定磁场中含氢的标本以一个与Larmor频率相匹配的射频脉冲激发时,质子吸收能量,又将吸收的能量以相同频率的无线电波形式释放出来。这一吸收能量的过程称激励。,二、磁共振是怎样发生的,在Larmor频率条件下,质子吸收及释放能量的过程称为核磁共振。,二、磁共振是怎样发生的,核即原子核,磁有两种含义:,外加静磁场B,0,;,由射频脉冲产生的激励磁场B,1,。,B,0,与B,1,有以下方面的不同:首先,B,0,的场强大约是B,1,的10000倍;其次,B,0,是恒定的,方向与磁体扫描膛平行,B,1,磁场迅速转动,方向总是与B,0,垂直。,二、磁共振是怎样发生的,用射频线圈做天线接收器,将释放出来的能量转化为信号。,在进行人体磁共振成像时,信号的强度取决于质于的数量,也即质子的密度。,脂肪、肌肉、血液以及骨胳中质子含量的不同,决定磁共振图像中各种组织信号的强弱和对比,这种图像即称为质于密度像。,二、磁共振是怎样发生的,除了组织中质于含量的不同对成像起作用以外,还有其他的组织特性对磁共振图像的信号有更为重要的影响,这就是组织磁化的弛豫时间。,三、弛豫时间,与X线和CT成像的原理不同,MRI没有X线辐射,而主要利用质子密度与质子的弛豫时间(T,1,与T,2,)的差异成像,尤其是弛豫时间更为重要。,因为质子在人体中的差异仅10,但弛豫时间可相差百分之数百。,三、弛豫时间,弛豫时间可反映分子水平上的差别,从而发现人体生物化学与生理学的早期改变。,这样就不同于过去仅从病理解剖学的基础上来表达疾病的传统概念,而是能更早期发现人体内生理、生化的改变。,三、弛豫时间,若要充分认识一幅MRI图像中强弱信号的意义,必须对射频脉冲以及射频脉冲去除后,在静磁场作用下,从高能状态(与磁场垂直的位置)到低能状态(与磁场平行的位置)的恢复过程,即弛豫过程,有所认识。,(一)质子(氢核)的T,1,弛豫,质于在受到射频脉冲激励后,吸收能量;,当射频脉冲一停止,纵向磁化开始恢复,质子释放能量;,此时,将在接收线圈中产生RF信号;,(一)质子(氢核)的T,1,弛豫,纵向磁化的恢复率是以纵向弛豫时间(T,1,)来表示的;,T,1,就是沿静磁场方向的纵向磁化恢复约2/3(63)所需的时间。,(一)质子(氢核)的T,1,弛豫,T,1,是时间常数,生物组织的T,1,值从大约50毫秒到几秒不等,不同的组织具有不同的T,1,值:脂肪为150250ms。而脑脊液则为23s。,T,1,弛豫又称纵向弛豫、热弛豫,自旋-晶格弛豫。,它是纵向磁化恢复的过程,在这过程中有能量传递,是以热的形式逸散。它又反映了分子运动频率与Larmor频率之间的关系,如果二者相同,T,1,弛豫有效,并且迅速,如果不相同,T,1,弛豫无效。,(二)质子的T,2,弛豫,当射频脉冲的激励刚一停止,所有质于的进动频率一致,即相位一致,此时信号最强。,由于外加静磁场强度的不均匀以及存在空间定位的梯度场,从而使质子的进动频率发生变化,而失去其相位一致性,称失相位。,第三种因素则反映人体组织的固有特性,那就是磁化的质子间的相互作用,以及与由于分子和巨分子所建立的磁环境的相互作用,而引起的相位不一致,这样产生的相位不一致是不可逆的。,(二)质子的T,2,弛豫,相位不一致,一些质子进动快,一些则进动慢,这是受局部磁环境的影响所致,其结果是净横向磁化衰减(decay)。,此时,在接收器线圈中所得到的信号减少,以至完全丧失。,衰减63的横向磁化所需的时问,亦即横向磁化衰减至其原有值的37所需时间,即为T,2,弛豫时间。,(二)质子的T,2,弛豫,a紧接施加90RF脉冲后,原子核的磁化偶极子均相位一致地进动,横向磁向量Mxy为最大值。b随时间进展,磁化偶极子失相位,有些进动较快,有些则进动较慢,这是由于局部磁环境所致。这种失相位导致了净横向磁化量衰减。c接收线圈中所记录的信号逐渐衰减,T,2,为横向,磁化衰减至原有值的37所需的时间。,(二)质子的T,2,弛豫,T,2,弛豫时间又称横向弛豫时间,又称自旋-自旋弛豫时间。自旋一词取自核的自旋;,T,2,总是比T,短约为T,的1020。,三、弛豫时间,应用一空间坐标系X-,Y-,Z-轴加以叙述,磁矢量,代表一个小范围组织内也即一个体积元(体素)内所有质子的磁化强度及方向。,横向及纵向成分的弛豫过程,a 90脉冲; b 90脉冲刚停止,横向成分最大;,c,d 弛豫过程:横向成分迅速衰减,纵向成分缓慢增长,;e,纵向成分,最大。,三、弛豫时间,当人体被置于一外加静磁场中,磁矢量沿Z轴取向,与静磁场方一致.以箭头为标志,箭头长短与体素内所含氢质子数成正比。,加一个90脉冲,就偏离Z,转90至与静磁场垂直的位置,在X-平面遂产生一个横向磁矢量。,此时在接收线圈内产生感应,因而可以用电流表测得此信号。,当90脉冲停止后,在弛豫过程中,磁矢量分离成纵向成分z,与横向成分xy。,由于静磁场并非均匀一致,而且分子间、分子与原子间又存在的内磁场,因此横向成分xy从最强很快衰减至零,即T,2,弛豫。,三、弛豫时间,控制射频脉冲的强度与时间,可得到90或180等不同的脉冲,从而可控制磁矢量偏离Z轴的夹角。,使磁矢量偏离90与180的射频脉冲分别称90与180脉冲,180脉冲使磁矢量转180,从正Z轴转到负Z轴,它不产生横向磁矢量,因此不能产生信号。,同样360脉冲也不能产生信号。只是有了横向磁矢量,才能产生信号。,四、自由感应衰减,自由感应衰减是表示90脉冲激励以后立即产生的信号。,当90脉冲终止后,横向磁矢量开始消失,纵向磁矢量重新出现,由于质子失去相位一致性,横向磁矢量这一信号很快衰减,在MRI不能被直接利用,因为必须有足够的时间来使梯度场起作用,以获取空间定位的信号。,四、自由感应衰减,为了要取得MR成像中有用的信号,必须在一定间隔时间再给一个 180RF脉冲,以取得一个自由感应衰减的回波信号,即自旋回波信号。,四、自由感应衰减,这个可以用浅显的比喻来理解:此180RF脉冲的作用,就像一堵墙和一座山那样将信号碰回,如同在回音壁或山谷中听到的回声一样。,这就是我们为什么称由此所形成的更强一些的信号为回波或自旋回波的道理。,四、自由感应衰减,假设一只兔于与一只乌龟从同一起跑线上赛跑,在某一时间(TE/2)后,兔子跑在乌龟的前面。当让它们在同一时间向相反方向跑来,则两者会同时回到起点(假设速度不变)。,四、自由感应衰减,在得到信号自旋回波后,质子再次失去相位一致性。正如前面所说的,较快的质子位于前面。可以用另一个180脉冲再行实验,并且再一个、再一个如果绘制时间与信号强度曲线,就会得到一条曲线。,休息,五、伪 影,MR与CT比较其优点之一是伪影少。,骨骼、大的钙化、高密度造影物质MR都不形成伪影。,人体内非铁磁性金属物体仅导致图像轻微变形。按伪影形成的原因,伪影可分为三类。,(一)人体体内因素形成的伪影,运动形成的伪影,MR信号采集时间比人体内某些器官的生理运动,如心脏搏动、呼吸动和肠蠕动周期长,因而胸部和上腹部的图像易受这些器官运动的影响。心脏和呼吸运动产生的伪影可以用心电图门控及呼吸门控减少。,(一)人体体内因素形成的伪影,运动形成的伪影,(一)人体体内因素形成的伪影,血液和脑脊液流动伪影,动静脉内的血流均可产生伪影,前者为血管搏动引起;后者因血流缓慢形成。脑脊液在不同部位流速不同,产生不同信号的伪影。脑脊液的流动可造成相位编码方向上的运动伪影。,(二)体外因素形成的伪影,金属物体,非铁磁性金属物体产生和其形态相似的周围绕以高信号的低信号区。铁磁性物质引起局部低信号区和图像变形,伪影和正常图像分界不清。此种伪影是金属物质受射频磁场作用产生涡旋电流所致。,(二)体外因素形成的伪影,静电,静电产生的伪影为互相交错的带状高低信号带,影响全部图像。多见于为了保暖给病人盖毛毯和尼龙类织物引起。为此,病人用的床单、衣服、保暖物品等必须用棉织品。,(三)MRI系统形成的伪影,化学位移伪影,此种伪影出现于脂肪和非脂肪(主要是含水的)器官之间。,产生原因为水分子的质子进动频率比脂肪质子进动频率快。,梯度磁场使这两种物质产生不同的进动频率,并且编码使邻近两种像素信号重叠。,结果在一侧脂肪-水界面出现高信号带,而另一侧水-脂肪界面出现低信号带。,常见于肾-脂肪,膀胱-脂肪交界面。,(三)MRI系统形成的伪影,化学位移伪影,A肾横轴位,T2加权像,肾和周围脂肪组织分界虽然清楚,但在梯度磁场,的高、低侧分别,可见白色和黑色,的条状伪影。,为化学位移和梯,度磁场关系的线,条图。,C,膀胱周,围的,化学位移伪,影。,(三)MRI系统形成的伪影,折叠伪影,此种伪影为被检物体的一部分处于成像范围外的时候。伪影的特点为伪影重叠于其图像的对侧,其解剖方位和信号强度完全同真正扫描物体影像相似,并和相位编码方向一致。,(三)MRI系统形成的伪影,低信号伪影,伪影和真正的物体图像相同,只是信号低和图像方向相反,出现于扫描物体图像的一侧。产生原因为质子共振频率的正负端被错误采集或者是X、轴磁化矢量错误放大。,七、MRI对比剂,(一)概述,MRI具有很强的组织分辨能力。故在投入临床应用初期曾被认为是一种不需要使用对比剂的“非创伤性”检查方法。,未经增强的MRI平扫尚有一些缺陷。,在某些情况下,不能满足人们对诊断疾病高敏感性和特异性的要求。,七、MRI对比剂,(一)概述,MRI平扫在检查组织功能活动方面亦有一定局限性。,利用对比剂来获得更完整的诊断信息开始受到重视。,临床常用的是以GD-DTPA为代表的钆(gadolinum, Gd)类顺磁性对比剂。,此类对比剂在中枢神经系统疾病的发现和定性诊断方面显示出重要价值。,七、MRI对比剂,MR对比剂的功用与传统X线对比剂,如碘制剂类似;,其作用机制原理却不同。X线对比剂直接影响X线的吸收和穿透,增强效应与局部对比剂的浓度成线性关系。,绝大多数MR对比剂所选的元素就是根据它们所具有的缩短组织T,1,和T,2,时间的能力。,一般说来,MR对比剂总是同时影响T,1,和T,2,,但程度却不一定相同。在某一特定剂量范围内往往以一种影响占主导地位。,七、MRI对比剂,(二)MR对比剂的分类和作用机制,MR对比剂有几种分类方法,其中较常用的有按MR图像信号的改变划分为阳性、阴性对比剂;,根据MR特性区分为顺磁性、铁磁性和超顺磁性对比剂;,还有依据对比剂主要影响T,1,或T,2,,简单分为T,1,增强剂和T,2,增强剂。,七、MRI对比剂,1阳性对比剂构成及作用原理,阳性对比剂又可称为顺磁性或T,1,对比剂。由一些金属元素,如锰(Mn),铁(Fe)和钆(Gd)所组成。,Gd含有个不成对的核外电子。由于不成对核外电子的存在,使这些元素具有很强的顺磁性。,在外加磁场中,这些元素将干扰邻近质子的弛豫,导致T,1,和T,2,时间缩短。,在顺磁性物质浓度较低时,T,1,缩短的效应占主导地位,引起MR信号增加。,七、MRI对比剂,1阳性对比剂,Gd类细胞外对比剂最主要应用在中枢神经系统的MR成像。,在正常情况下,颅内无血脑屏障的结构,如垂体、静脉窦及其它颅内血管显示增强。,在病理情况下,例如肿瘤、梗塞、感染、以及急性脱髓鞘病变等,血脑屏障遭到破坏。,此时,对比剂即可穿过不完整的血脑屏障进入细胞外间隙,引起局部增强效应。,七、MRI对比剂,阳性对比剂,脑膜瘤注射GD-DTPA前后对照,七、MRI对比剂,1阳性对比剂,椎管内肿瘤及腰椎结核注射GD-DTPA前后对照,七、MRI对比剂,1阳性对比剂,Gd类对比剂引起的不良反应很少,发生率约1。此类药物无绝对禁忌证,但严重肾功能不良者应慎用。,七、MRI对比剂,阴性对比剂,包括口服对比剂、单核巨噬细胞系统对比剂等。阴性对比剂又称为铁磁性超顺磁性对比剂。,用于口服对比剂的主要是氧化亚铁,用来区分胃肠道和与其邻近的腹腔或盆腔脏器的解剖结构或病变。对于胃肠道本身的病变,使用口服对比剂还利于显示胃肠道壁的情况。,七、MRI对比剂,阴性对比剂,单核巨噬细胞系统对比剂主要集中在肝、脾、骨髓和淋巴系统。,主要用于肝脏成像。,MR成像选用T,2,加权序列,在图像上正常肝组织的信号显著降低,肿瘤组织则由于缺乏单核巨噬细胞(Kupffer细胞)而不受对比剂影响,呈相对高信号。,单核巨噬细胞系统对比剂突出的优点是易于鉴别肝脏肿块的良恶性。,七、MRI对比剂,阴性对比剂,男性,55岁,结肠癌肝转移A、平扫时,病灶很难识别 B、超顺磁氧化铁增强后,正常肝组织信号明显下降,病灶显示清楚。,第五节 MRI的设备,磁共振成像系统主要由磁体、梯度系统、射频系统及计算机系统组成见。,一、磁 体,磁共振的磁体(Magnet)的主要作用是产生稳定均匀的静磁场使组织产生磁化。磁体有三种类型,(一)常导型磁体,(二)永磁型磁体,(三)超导型磁体,一、磁 体,(一)常导型磁体(Resistive Magnet),常导型磁体的线圈由铜或铝线绕制的线圈组成,按线圈有无铁芯可分为铁芯常导型和空心常导型。,常导型磁体制造工艺简单且成本低,可以做成开放式磁体,磁场可以关闭。,但磁场稳定性差,电力消耗大,对电源稳定性要求高,运行维护费用高。,一、磁 体,(二)永磁型磁体(Permanent Magnet),永磁型磁体由铁氧体或钕铁硼等铁磁性物质及合金组成。,该磁体对周围环境影响小,屏蔽简单,可做成开放式磁体,安装及维护费用低,但场强较低,磁场的稳定性和均匀性差,受环境温度变化影响大,磁场不能关闭。,一、磁 体,(二)永磁型磁体,一、磁 体,(三)超导型磁体,(Superconducting Magnet),超导型磁体由某些特殊合金如铌钛合金导线(超导温度8K)绕制成的超导线圈,当放置于超导磁体的液氦(温度4.2K,-269)当中时,其导线的电阻降为0,线圈呈超导状态,此时线圈导线中可通过强大的电流而不产生任何能量损耗。,励磁后可将电源断开,超导线圈内的电流恒定不变。,超导磁体的磁场强度高,目前临床应用可达到1.9,磁场的稳定性和均匀性好,磁场可以关闭。,一、磁 体,(三)超导型磁体示意图,线圈位于铝制作圆筒外面的沟内, 圆筒两端的线圈转入,保持磁场均匀,铝制圆筒线圈鈮钛合金线圈,一、磁 体,(三)超导型磁体,超导磁体设计制造工艺复杂、成本高、维护费用高,消耗一定量的液氦,消耗的液氦要及时补充,否则达到一定程度时能引起”失超,“,,消耗大量液氦而造成更大的损失。,二、梯度系统,梯度系统(gradient system)的作用是产生线性变化的梯度磁场,用于组织的空间定位。梯度系统主要由X、Y、Z三组梯度功率放大器及对应的X、Y、Z三个方向的梯度线圈组成。,二、梯度系统,梯度功率放大器对MRI控制器发出的梯度给定信号进行功率放大后,输出给梯度系统的X、Y、Z线圈,在主磁场内形成X、Y、Z三个方向相互垂直的线性梯度磁场。在磁共振成像中分别用于层面选择、相位编码及频率编码,。,三、射频系统,射频系统(RF system)用于发射射频脉冲和接收MR信号,射频系统主要由三部分组成。,(一)射频发射机,(二)射频接收机,(三)射频线圈,四、计算机系统,磁共振的计算机系统(computer system)可分为硬件和软件二大部分。,(一)硬件部分,由主计算机及阵列处理机、MR控制器等组成。其作用是进行系统控制,产生脉冲序列,完成磁共振系统的扫描,图像采集、重建、显示和存贮。,四、计算机系统,(二),软件系统,磁共振计算机软件可分为以下几个部分。,计算机操作系统软件由计算机公司编制,用于计算机运行管理。,磁共振应用软件,用于MR系统的运行控制、病人数据的录入、扫描序列的选择和参数设定,病人扫描数据采集,存贮和图像重建,以及各种图像和数据的后处理等。,五、射频屏蔽和磁屏蔽,(一)射频屏蔽,由于射频脉冲的高频信号可能对周围的精密仪器产生干扰,影响其正常工作同时又要避免周围的射频信号对十分微弱的MR信号的干扰,以获得良好图像,所以安装射频屏蔽是非常必要的;,射频屏蔽一般安装在扫描室内,由薄铜板焊接成为整体,四壁及屋顶、地面均需密封。观察窗应安装铜网,。,五、射频屏蔽和磁屏蔽,(二)磁屏蔽,由于磁体有强磁场,一方面可以对附近的精密仪器产生磁化,同时会对心脏起搏器和急救仪器磁化造成严重后果。另一方面为了防止扫描室外的大的铁磁性物体如汽车等对磁场的干扰,影响图像质量,所以应对磁体进行屏蔽。,绝对禁止把铁磁性物体带人室内,以免被磁体吸住破坏磁体,或者落人扫描室内影响磁场均匀性。,休息!,五、影响T,1,、T,2,的物理因素,人体组织中水分子之间是在经常不停地运动着,间互相碰撞,每次碰撞都使水分子运动速度及方向有所变化。,每个氢核的小磁场每秒钟也要经历无数次的波动。因此其共振频率也在经常不停地变化。,五、影响T,1,、T,2,的物理因素,所以组织内由于水分子的剧烈运动,局部的内磁场是极其复杂的,氢核对这种复杂的波动的内磁场的反应决定了在90脉冲停止后其能量丧失的速度,以及相位失去一致性的速度。,五、影响T,1,、T,2,的物理因素,(一),温度的影响,正常体温情况下,水分子的运动频率极快,远远超出一定场强下质子的Larmor频率。,如果将温度减低,水分子的运动频率减慢,接近于共振的Larmor频率,使T,1,弛豫更有效,T,1,缩短了。,五、影响T,1,、T,2,的物理因素,(二)大分子的影响,水的分子小、运动快,频,率也高。,大分子如蛋白质运动很,慢,在其表面可以吸附,很多水分子,组成水化,层。,五、影响T,1,、T,2,的物理因素,(二)大分子的影响,由于体积及重量的原因,大分子的运动是很缓慢的,远远低于共振频率,而小的水分子的运动又极快,远远超过共振频率,但靠近大分子表面水化层内的水分子其运动速度大大减慢了,当大分子表面水分子的运动频率接近于Larmor频率时,T,1,弛豫有效,T,1,缩短。如果不一致时,T,1,延长。,五、影响T,1,、T,2,的物理因素,(二)大分子的影响,纯净的水分子很小,运动太快,不符合共振频率,因此T,1,长;,脑脊液犹如纯净的水,其T,1,长;,但当有梗阻性脑积水时,脑压增高,脑积液透过室管膜渗透到脑室周围的组织间隙,使水肿区质子所处的环境与脑室内的脑脊液不同,脑室旁组织间隙内的水处在水化层,水分子围绕髓鞘内的蛋白分子运动,T,1,缩短。,五、影响T,1,、T,2,的物理因素,(二)大分子的影响,胆固醇是一个中等大小的分子,其共振频率接近于磁共振扫描机场强下质子的共振频率,故其T,1,短。,五、影响T,1,、T,2,的物理因素,(三)顺磁性物质的影响,一个元素其外层电子数决定其原子价与化学特性,外层电子数为双数者,该原子即不是顺磁性的,在外层中任何一层的电子数为奇数时即为顺磁性原子;,例如Fe,2+,,为非顺磁性的,而Fe,3+,则为顺磁性原子;,钆在原子核的外层轨道上有7个不成对的电子,因此顺磁性很强。,五、影响T,1,、T,2,的物理因素,(三)顺磁性物质的影响,在正常体温的溶液中,顺磁性的原子或分子与其他原子及分子一起进行任意的运动,由于它们磁性很强,很低的浓度对邻近磁性较弱的原子即有较大的影响。,它们对各种不同频率的波动均起强化作用,包括共振的Larmor频率在内。,五、影响T,1,、T,2,的物理因素,(三)顺磁性物质的影响,在此频率条件下促使更多的氢核释放能量,使T,1,缩短,如前面所提到的任何频率的波动均可使氢核的进动频率失去相位一致性。,由于顺磁性原子,对邻近原子的磁场引起了波动,从而使更快地失去相位一致性,T,2,缩短。,五、影响T,1,、T,2,的物理因素,(三)顺磁性物质的影响,急性脑出血时,新鲜血液中所含的血红蛋白中的铁是Fe,2+,,所产生的信号与周围脑组织不易区分;,数日后,在正常体温下,血红蛋白还原成正血红蛋白,其中的铁为Fe,3+,,为顺磁性的,故使T,1,缩短,在T,1,加权的磁共振图像上为高信号。,第三节 MRI成像技术,一、空间编码与梯度磁场,在磁共振成像中怎样选定层面,又怎样确定一个层面中各个体素内氢质子的密度以及其位置,这就需要在静磁场内沿,X-Y-Z-,轴三个互相垂直的方向各附加一个梯度磁场来完成,我们称之为,Gx,,,Gy,,,Gz,。,一、空间编码与梯度磁场,这就像将三角钢琴的88个键盘看成是从长到短排列成梯形的88根琴弦,琴弦的长度与声音波长的关系和磁场强度与质子共振频率的关系相似,于静磁场内叠加这样的梯形磁场或梯度磁场,其强度远远低于静磁场的强度。,它启动的时间必须与射频脉冲相配合。,(一),层面的选择,在磁共振成像中有两种方法进行层面选择;,一是二维成像(2-D),又称选择性激励,是最常见的选层方法;,一种是三维成像(3-D),又称体积成像,即在给射频脉冲激励时,不施加梯度磁场。因此整个解剖部位受到激励,层面的形成是在图像重建过程中进行的。,(一),层面的选择,做横断层成像是沿人体长轴(Z-轴)在静磁场内加一梯度磁场,称Z轴梯度(Gz),使磁场强度从足侧向头侧逐渐增强。梯度磁场的场强很弱,每1cm场强改变只为0.0001。在1.0的扫描系统中,每cm的改变只是0.01。,(一),层面的选择,有了这样的梯度磁场,就可以对人体内的氢质了做空间编码。,质于的共振频率与它们在梯度磁场内的位置有关。,(一),层面的选择,例如将受检部位头,置于1.0的静磁场的中央,由于靠足侧磁场弱,靠头侧磁场强,如果射频脉冲频率为42.6MHz,那么只有在1.0处的一个层面内的质子能受激励,邻近层面内的质于不受激励。这样就可将组织内各层面分开。,(一),层面的选择,根据Larmor公式,质子进动频率与磁场强度成正比(,);,在实际应用中允许,有一个偏差范围,即带宽;,在射频脉冲作用时只有符合,范围内的质子才受激励,产生磁共振的信号;,(一),层面的选择,每个层面厚度取决于梯度磁场的强度与射频脉冲的带宽。不难理解,当不变,梯度磁场越强,层面的厚度越薄,反之层面越厚。当梯度磁场恒定,越大,层面厚度越厚,越小,层面越薄。,在图a与c,使用了同一带宽的RF脉冲,其频率64一65mHz,然而,c的梯度场较大,因此,层面较a薄。,(一),层面的选择,(一),层面的选择,如果只有Gz,只能做层面的选择,收到的是整个一层内所有质子的信号,但尚不能确定该层面内某一信号来自此层的哪一处,要解决这个问题就需要叠加新的梯度,作质子的频率编码及相位编码。,(二)频率编码,频率编码是沿X-轴叠加一个梯度磁场,即X-轴梯度(简称Gx),磁场强度从人体的右端至左端逐渐增强。,(二)频率编码,当人体一层面已经受射频脉冲激励后X轴梯度开始启动,在第一个梯度磁场Gz关闭后,质子按同一频率共振,不用第二次激励。,启动Gx,质子根据其在第二个梯度磁场内的不同位置,按新的共振频率进行共振,发出信号。,在场强较弱的一端,共振频率低,在场强高的一端,其共振频率较高,从而将一个横断面内的组织分成若干个行,每一行内的质子其共振频率相同。,(三)相位编码,在静磁场内沿轴叠加一梯度,即y轴梯度(简称Gy),从人体的前方向后方场强逐渐减弱。,(三)相位编码,例如在一个44阵列的组织层面中,当Gy=0,即没有梯度时,每个体积元内,氢质子进动频率一致,磁矩指向同一方向,即相位一致,所有体积元均发出同一射频信号。,(三)相位编码,当Gy短暂作用时,磁场强度从前向后逐渐减弱。,上排体积元比下排体积元处于较强的场强,质子进动速率比下排者快,相位不同。,当Gy关闭时,所有体积元均处于同一场强中,质子的磁矢量按相同速率进动,然而相位仍保持Gy关闭时的位置,所有体积元发出的信号是同一频率,但每一横排内的体积元其信号的相位与其余横排内的体积元所发出的信号相位不一致。,(三)相位编码,(,a,),短暂地打开梯度场。,(b),进动频率从顶部到底部依次减低,这一进动频率的差别持续时间很短。当关掉梯度场时,所有的质子再次经历相同的场强,并再次具有相同的频率。,(c),这些质子略微失去相位一致性,结果,它们以不同的相位,相同的频率发出各自的信号,因此可加以鉴别,相应的梯度称为相位编码梯度。,二、脉冲序列与扫描参数,磁共振成像需要进一步了解组织特性,包括局部T,1,、T,2,弛豫时间、质子密度以及血流对成像的作用。,单个RF脉冲不能解决这些问题,需要采用所谓脉冲序列对病人进行扫描。,脉冲序列是由一系列不同强度的射频脉冲的组合,例如90和/或180脉冲。,磁共振的信号不但取决于这些脉冲的强度,而且取决于各脉冲间的时间间隔和组成方式。,二、脉冲序列与扫描参数,从一个脉冲序列到下一个脉冲序列的重复,其间的时间间隔称为重复时间(TR)。这些参数称为扫描参数。,改变这些参数可以改变组织T,1,、T,2,弛豫时间或质子密度对图像亮度的响以及组织间的信号对比。,二、脉冲序列与扫描参数,目前临床上应用的脉冲序列有部分饱和(partial saturation, PS),反转恢复(inversion recovery, IR),自旋回波(spin echo, SE)以及快扫描或梯度回波(gradient echo, GE)等序列。,二、脉冲序列与扫描参数,自旋回波脉冲序列,自旋回波脉冲序列(SE序列) 这是最常用的磁共振扫描技术,它是由一个90脉冲与若干个180脉冲组成。,二、脉冲序列与扫描参数,自旋回波脉冲序列,由于人体的内在磁场的不均衡,一个回波比前一个回波信号低。,在用自旋回波技术时,组织间信号的对比取决于所选用的时间参数,即TR与TE。,还取决于组织的T,1,及T,2,弛豫时间。,质子密度对信号强度及组织间信号的对比也有影响。,自旋回波序列T,1,与T,2,弛豫时间与组织对比的关系,组织A的T,2,比组织B长,在时间2时组织间的对比要比在时间1大。,.,如果组织A的T,2,较短,对比就会根据信号采集时间而变化,在时间3时组织A的信号较B大,在时间4时二者信号相等,在时间5时,组织A的信号低于组织B,二、脉冲序列与扫描参数,二、脉冲序列与扫描参数,短/长TR或TE实际是什么?,请记住:T,1,为一时间常数,并非一种组织获得其纵向磁化所需要的时间。,长TR大约是短TR的3倍。小于600msec的TR被认为是短TR,长于1500msec的TR则为长TR(仅为一个粗略的概)。,短TE是尽可能短的TE,长TE大约也是短TE的3倍。少于30msec为短TE,大于80msec为长TE。,二、脉冲序列与扫描参数,使用自旋回波序列时,通过连接某一组织的T,1,与T,2,曲线,就有可能测定该组织的信号强度。,在时间TR后的纵向磁化量等於开始时的横向磁化量,因为它被倾斜了90。,这一横向磁化立即开始消失,,其速率由横向弛豫时间决定,,因而也由T,2,曲线决定。,在时间TE后的组织信号强度,可以从TE处(开始於TR后),的T,2,曲线上推断出。,二、脉冲序列与扫描参数,选择长TR会发生什么呢?,使用长TR,纵向磁化时间T,1,的差别不再重要了,因为所有组织的纵向磁化都己宪全恢复。,当我们只等待一个非常短的TE时,由T,2,不同所致的信号强度差别还未显示出来。,因此,所得图象既非T,1,加权,,也非T,2,加权,而主要由组织,的质子密度决定,称为质子,密度像。,二、脉冲序列与扫描参数,使用长TR、长TE又会发生什么呢?,使用长TR ,T,1,差别不明显。然而,使用长TE, T,2,差别将突出地显示出来。因此,图象是T,2,加权象。,二、脉冲序列与扫描参数,使用短TR、短TE又会发生什么呢?,使用短TR,组织的纵向磁化还未完全恢复,因此,T,1,(它决定纵向磁化恢复的速度)差别将以信号强度的差别显示出来。短TE时,T,2,差别不能真正地显示出来。因此,图象是T,1,加权象。,第四节,MRI,图像的特点,一、组织的MR特性,决定MR图像的组织参数有三个,即被检组织的质子密度、T,1,弛豫时间、T,2,弛豫时间。,它们代表被检组织的组织特征,非人为所能控制和选择的。对MR图像的影响可从下列公式中看出:,IKM,0,f,1,(T,1,)f,2,(T,2,),I为信号强度,为常数,,0,为被检组织的磁化矢量,f,1,为T,1,的函数,f,2,为T,2,的函数,质子密度的信息包括在,0,内,即单位体积内质子越多,,0,越大。,一、组织的,MR,特性,(一)质子密度(N(H)),氢原子核是由单一质子组成,所以单位体积内质子数目越多,产生的MR信号也就越强,而含质子少的组织或区域(如含气腔),不产生MR信号,或信号很弱。,但是一般组织间,质于密度相差不,很多,所以产生的MR信号差别在,图像上形成的灰阶很难用肉眼区,别,因而质子密度成像和T,1,、T,2,成像比较,其意义相对小。,一、组织的,MR,特性,(二)T,1,弛豫时间,T,1,弛豫时间短的组织,纵向磁比恢复得快;T,1,弛豫时间长的组织,纵向磁化恢复得慢。,纵向磁化恢复得多及快的组织产生的MR信号强;反之,则弱。,一、组织的,MR,特性,(二)T,1,弛豫时间,如脂肪和脑脊液相比,主磁场强度为0.3时,脂肪和脑脊液的T,1,弛豫时间分别为240ms和1150ms。二者产生的MR信号可代入公式进行比较,故在单纯T,1,成像中,脂肪呈白色(高信号),脑脊液呈黑色(低信号)。,一、组织的,MR,特性,(三)T,2,弛豫时间,T,2,弛豫时间长的组织,横向磁化强度衰减得慢,信号就强。反之,T,2,弛时间短的组织,横向磁化强度衰减得快,信号就弱。,仍以主磁场强度0.3为例,取脂肪组,织和脑脊液T,2,弛豫时间和信号的关系,进行比较,可代入公式,所以在单纯,T,2,加权图像中(SE序列的T,2,加权图像),,脑脊液的信号强于脂肪组织呈白,色,而脂肪组织较暗,在多回波图像,更为明显。,一、组织的,MR,特性,质子密度像、 T,1,加权象及T,2,加权象的信号差异。,二、流动效应,流动效应亦称流空效应,正常流速(10cm/s)的血流不产生或只产生很低的信号,所以和另外一些组织间有非常好的对比。,其原因非常复杂,但可简单地解释为快速流动的垂直于扫描层面的血流,因其中的氢质子在选定的扫描层面内停留的时间太短,一个完整的射频脉冲尚未结束,还未激发出MR信号,氢质子已流出了该层面,因而收不到MR信号。,另外,涡流也是流动效应产生的原因之一,由于水分子不规则运动,特定平面内氢原子核相位一致性丧失,不能产生较强的MR信号。,二、流动效应,正常流速(10cm/s)的血流不产生或只产生很低,的信号,所以和另外一些组织间有非常好的对比。,二、流动效应,流动慢的血流产生的信号比静止血流产生的信号高,此现象称为反常增强或流动相关增强,MR信号的增强是由于在成像平面内未被磁化的质子被进入该层面的充分磁化的质子代替,当它被激发时,产生较强的MR信号。,此现象常见于血
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