MRI基础ppt课件

MRI基础简述,1,定义,核磁共振成像(Nuclear Magntic Resonance Imaging,NMRI)简称MRI，是近二十余年发展起来的一种生物磁学核自旋成像技术，即利用原子核在磁场内共振所产生的信号经重建成像的技术。,2,MRI的发展,1946年美国斯坦福大学的科学家Bloch和哈佛大学的科学家Purcell分别在两地发现处于静磁场中的具有磁距的原子核在特定的电磁辐射作用下能产生特殊形式的运动并辐射出特定的电磁能量，即核磁共振现象，是MRI的基础。,3,1973年，美国纽约州立大学科学家Lauterbur在Nature上发表核磁共振成像技术，使核磁共振由物理学领域和化学领域进入了临床医学领域。,4,1976年Hinshaw首先实现了人体的手部核磁共振成像，并于1980年推出了世界上首台核磁共振成像商品机。,5,MRI的优点,不用含碘造影剂 多参数成像，软组织分辨率高 对正常人体不具已知的生物学危害 多切面、多角度成像，可作任意方向切面的图像 不用造影剂即可显示心脏及大血管腔 可作功能显像、动态显像以及频谱分析,6,7,MRI的缺点,设备及检查费用高，普及率低 扫描时间长、成像速度慢 噪声大、空间分辨率低 易产生幽闭恐惧症（claustrophobia） 肺部及肠道等运动性器官成像效果差 伪影多、金属异物的部位不能显示 组织内散在点状钙化、骨骼病灶不易显示 扫描限制多，不适于急诊和危重病人检查 体内植入物或体内磁性物体者不能进入扫描室,8,9,10,MRI成像的基本原理,11,含单数质子或中子的原子核带有一定的电荷，其绕自身的自旋轴转动形成绕核的环形电流，产生电磁效应，有如一个小磁体。 这些小磁体的自旋排列无一定规律，但当给予一个外加磁场时，小磁体的自旋轴就会趋向于平行或反平行于该磁场的方向,12,外加磁场中的小磁体以特定的方式绕外加磁场方向旋转，这种旋转称为进动（Precession）,进动的频率具有特异性，特定的原子核具有特定的进动频率（）称为Larmor频率，其大小取决于外加磁场的强度及特定原子核的性质。,13,在均匀的外加磁场中重新排列的自旋质子，在受到与其进动频率相等的外加射频脉冲RF的磁推动力作用下，产生共振现象，即吸收一定的能量脱离外加磁场的束缚跃迁到高能级中在趋于横向的相位下旋转。,14,15,在外加的射频脉冲停止后，被激发的原子核能把吸收的能量以电磁波（即MRI信号）的形式逐渐释放出来，能级和相位都恢复到激发前的状态，这一过程称为驰豫过程（Relaxation Process），而该过程所占用的时间则称为驰豫时间（Relaxation Time）。,16,原子核将吸收的能量传递到周围，从高能态恢复到低能态所用的时间称为纵向驰豫时间（Longitudinal relaxation time），又称自旋晶格驰豫时间（SpinLattice relaxation time）即T1 主要反映了分子自然活动频率与Larmor频率的关系，当两者相似或接近时，T1就短，反之T1则长,17,受激发的原子在均匀外磁场中其横向磁化相位维持的时间称为横向驰豫时间（Transverse relaxation time），又称自旋自旋驰豫时间（ SpinSpin relaxation time）即T2，是共振质子间横向磁距相互作用引起的，不涉及能量的传递。,18,人体不同器官的正常组织与病理组织的T1、T2是相对固定而又彼此差异的，通过不同的射频脉冲序列激发、收集组织发射MRI信号的频率（或相位）和幅值来计算组织间驰豫时间的差别，这是MRI成像的基础。,19,MRI与CT成像相似,但是确定灰度的参数不同于CT所用的组织密度,而是以组织的MR信号强度或驰豫时间长度T1、T2和质子密度的差别来确定图像灰度。,20,把扫描平面分为具有一定数量的小体积（即体素）的矩阵，接收器接收到的信息经数字化后输入计算机处理，获得各个体素的T值通过数模转换进行重建，形成灰度图像，即MRI图像,21,具体化定义,MRI图像是具有一定纵向驰豫时间T1、横向驰豫时间T2和质子密度差异的各种器官及组织（包括正常及病变组织），分别按其T1、T2的长短使用模拟灰度通过重建得到的组织器官在各个权重情况下的一组灰度图像，能清晰的显示人体各种解剖结构及病理改变。,22,23,MRI设备,24,临床使用的MRI机大致由 主磁体、 射频系统、 梯度系统 图像处理 显示系统 等几部分构成,25,26,27,28,29,30,MRI扫描常用的射频脉冲序列,一个短的无线电波或射频能量称为射频脉冲，一定频率、形式及规律出现的射频脉冲能够激励组织获得特定的MR信号，进而重建得到MRI图像，称为射频脉冲序列,31,自旋回波（Spin Echo.SE）序列,以90脉冲之后，发射180脉冲的形式构成的序列称为自旋回波序列,32,90脉冲后到测量到该脉冲的回波之间的时间称为回波时间（echo time.TE）；两个相邻90或者180脉冲之间的时间称为重复时间（repetition time.TR）。,33,通过调整TR和TE的长短可分别获得反映组织间T1、T2及质子密度差别的MR图像，分别称为T1加权相（T1 Weight Image.T1WI）、T2加权相（T2 Weight Image.T2WI）及质子密度加权相（Proton Weighted Image.PWI） 在MRI各加权图像中，图像的灰度值都由该加权相的权重信号强度来确定的，T1越短、T2越长，信号越强。,34,即在T1WI中，TR越短信号越强，图像也越白；T2WI中，TE越长信号越强，图像也越白。反之，T1WI中的长TR信号及T2WI中的短TE信号则显示为黑影。,35,当T1、T2信号俱弱的时候，即长T1、短T2的时候，组织的T1T2信号都被削弱，图像主要反映组织内质子的状态，则为质子加权相，即PWI。,36,37,人体正常组织在T1WI及T2WI上的信号表现,38,39,病理组织的信号强度,40,反转回复（Inversion Recovery.IR）序列,采用反复“18090180”脉冲组循环的形式获得回波信号、得到的MRI图像,41,第一个180波到90波的时间间隔称为回复时间（TI）。 通过调节TI的值我们可以得到: 当TI较长（400600ms），位于绝大多数组织的T1值水平时，可获得较纯正的T1WI图像。 当TI值较短（300ms），小于多数组织的T1值时，则与T1WI图像相反，短T1组织在图像上表现为暗区而长T1图像则表现为高亮区，有利于部分病灶的显示。,42,水和脂肪，当TI长时，T1WI中水为低信号，脂肪为高信号； 而缩短TI后，则水显示为高信号，脂肪显示为低信号，有利于疾病的鉴别,43,部分饱和（Partial Saturation.PS）序列,由一组90脉冲组成，TR长时得到PWI图像，TR短时则为T1WI图像。,44,快速成像,通过改进扫描序列来提高MRI的扫描速度，从而提高工作效率 常用的包括：小角度激励、梯度回波（Gradient Echo.GRE）序列、FSE（Fast Spine Echo）序列、EPI（Echo Planar Imaging）序列等等,45,脂肪抑制（Fat Suppression）成像,通过特定的扫描序列，特异性的抑制脂肪的高信号，达到诊断和鉴别诊断的目的，主要用于脂肪、水肿及肿瘤来源等的鉴别与诊断。,46,目前常用的方法有五种：STIR（Short T1 Inversion Recovery）、 Dixon、 Chemsat（Chemcial shift Selective Presaturation）、相位位移法（PhaseShift）和综合法（Hybrid Method） STIR最简单常用，是通过改进的反转回复（IR）序列，调节短TI，压制脂肪的高信号而完成的,47,液体衰减反转回复序列 （Fluid affenuated inversion recovery.Flair）,俗称水抑制序列 通过调整扫描序列，将自由水的信号抑制为0，得到重T2WI的图像，而组织内的结合水不受影响 主要用于颅脑及全身疾病的诊断与鉴别诊断，如：急性脑出血边缘脑梗死灶的显示，急性蛛网膜下腔出血与急性脑出血的鉴别，多发性硬化及脑肿瘤的早期诊断等,48,对于含液病灶有重要意义：水抑制后， 高信号：脓肿、陈旧性血肿、恶性葡萄胎； 等信号：囊肿、囊腺瘤； 低信号：囊肿、肾盂积水，单纯性卵巢囊肿。,49,组织信号异常的病理生理基础,50,水,在人体细胞内外广泛分布，对MRI的信号贡献很大。正常人体中MR信号的80来自细胞内，20源于细胞外间隙。 MRI对组织水含量及状态的轻微变化有很高的敏感性，有助于对疾病的诊断。,51,局部组织增加的水份可分为自由水和结合水。 处于游离状态的水，其振动频率明显高于Larmor频率，故可引起局部组织T1明显延长，T1WI信号减低；,52,当水分子依附于振动缓慢的大分子物质表面形成水化层时，称为结合水，其震动频率明显减低，有望接近Larmor频率，T1明显变短，T1WI信号增强。 自由水与结合水的T1差别有利于对病变进行定性诊断。,53,例如 囊性病变，单纯性囊肿囊液中蛋白含量低，故呈水样信号，T1WI低信号、T2WI高信号； 脓肿、囊性星形细胞瘤等病变囊液中富含蛋白质，结合水多，故T1时间明显缩短，T1WI信号增强。 同样，组织内水含量变化如：炎症、水肿等，也能使组织的T1、T2都延长，使T1WI信号减低、T2WI信号增强。,54,血液,人体血液每时每刻都在血管中运行，进行氧和能量的传递 不同的氧合及能量代谢情况下血液内血红蛋白中的Fe的价态及铁磁性有明显的差异 据此，MRI在判断血肿出血原因及估计出血时间的方面有独特的作用 MRI能显示含铁血黄素及具有流空效应的异常血管，故对判定血肿原因有一定的启示,55,正常血液血红蛋白中的Fe均为二价还原铁，其保证了血红蛋白运输氧及各种生理功能； 当血液从血管中溢出后，其能量及氧的来源消失，致使氧合血红蛋白不可逆的转化为去氧血红蛋白，最终变为正铁血红蛋白，其中铁价态及磁顺应性的变化使血肿的MRI信号发生改变。,56,血肿 急性血肿（02天）：红细胞完整，其内形成多量去氧血红蛋白（具有顺磁性效应），使T2WI上血肿中心出现低信号，而T1WI则不受影响。 亚急性血肿早期（35天）：细胞内大量正铁血红蛋白形成，具有强的顺磁性效应，使T1缩短，T1WI信号增强，血肿由外周开始出现高信号，而T2WI时间不受影响，T2WI图像无变化。,57,亚急性血肿中期（68天）：红细胞破裂，由于细胞外正铁血红蛋白具有延长T2时间的作用，故T2WI上的低信号消失，取代以高信号，同时，T1WI上的高信号继续向中心发展。 亚急性血肿后期（1014天）：血肿周缘的巨噬细胞吞噬大量含铁血黄素，使血肿周缘磁化不均匀，引起信号丧失，表现为血肿周缘的低信号环。,58,铁沉积过多,铁由小肠吸收后，以亚铁血红蛋白形式与蛋白质结合，以铁蛋白的形式沉着在脑细胞内。 铁作为一个重要的辅助因子，在氧化磷酸化作用、多巴胺合成和更新以及羟自由基形成之中起着重要作用。,59,一些脑部变性性病、脱髓鞘疾病及血管病中由于血脑屏障、细胞代谢及形态的改变发生铁沉积过多，致使局部顺磁性物质聚集，缩短了组织的T2时间而不影响T1时间，显示为T2WI信号减低，有助于上述疾病的诊断。 如：帕金森氏病（沉积与壳核、苍白球）、阿耳茨海默氏病（沉积于大脑皮层）、多发性硬化（沉积于斑块周围）、放疗后脑部（沉积于血管内皮细胞）、慢性出血性脑梗塞（沉积于出血部位）、颅内血肿（沉积于血肿四周）,60,实用MRI特殊检查,61,MRA,全称 Magnetic Resonance Angiography， 即MR血管造影。 由于血液的流动性，当对某个层面施加脉冲时，受激发的血液质子在收集检测信号时已经流出检测层面，故在检测层上该处接受不到信号，形成MRI图像上的图像缺失黑影，该现象称为流空效应。,62,63,由于血在血管中的流动方式包括层流和湍流，所以血管在MRI中信号表现复杂，可以是高信号、低信号，也可以是等信号。,64,65,66,MRA是利用血液流动对MR信号的影响，通过脉冲序列和成像参数的选择抑制相对静止组织的信号，突出流动组织的信号，通过计算机后处理软件的处理，获得血管信号高、周围组织信号低、信噪比大的显示局部血流情况的检查方法。其图像接近X线血管造影，易于被临床医生接受。 MRA的特点是无创性、经济实用及患者痛苦少等，易于被病人接受。,67,68,69,70,71,72,73,MRV,74,MRA最有效的常用方法为时间飞跃法（Time of flight.TOF），它主要与血液流动有关，对动脉系统特别有效，血管与周围组织对比度好，重建出的血管图像清晰。 其他常用的方法还有相位对比法（PC法），以及注入造影剂，利用扰相快速梯度回波序列（SPGR）扫描追踪血管内造影剂流动情况进行显影的造影剂增强超快速MRA（CEMRA）。,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,85,86,87,88,89,90,MRS,即磁共振波谱分析，利用MR扫描中的化学位移来测定分子组成及空间结构的一种检测方法。 在化合物中，化学环境不同的各原子核由于构成化合物的其他原子核及电子云在外加磁场的作用下形成感应磁场的影响，减少了外加磁场对原子核的影响（即进动）。 故即使是同一种原子核，由于不同化合物中核的化学环境不同，其感应磁场的强度不尽相同，收集到的MR信号显示的共振峰的位置就不同，该现象称为化学位移，是MRS成像的基础。,91,目前原子领域中MRS检测常用的原子核有：1H、31P、23Na、13C、19F，他们广泛分布于生物体内各种生物分子及微量代谢物中，如肌酸（Cr）、胆碱（Cho）、氨基丁酸（GABA）、三磷酸腺苷（ATP）等 通过MRS产生的特异性波的峰值及峰下面积，我们可以对组织内的这些化合物进行定性和定量检测，进而分析组织的代谢状态，为临床诊断提供重要的依据。,92,93,94,95,96,NAA下降、Cho升高、Cr略下降或变化不明显,97,目前主要用于辅助诊断伴机体全身或局部代谢异常的病变，如肌强直性营养不良、脊髓灰质炎、脑肿瘤、脑梗死及癫痫等病。 在放射治疗中，利用MRS对组织代谢改变监控对观察细胞的放射反应以及早期的放射病的发生有一定的作用。,98,弥散成像,Diffusion Weighted Magnetic Resonance Imaging.简称Diffusion，是以图像来显示组织分子微观的不规则运动即弥散运动（布朗运动）的检查技术。 弥散运动受分子结构和温度的影响，分子越松散、温度越高，弥散运动就越强。 在人体组织中，自由水就较结合水分子的弥散强。弥散成像通过组织间弥散系数的差别，能敏感的反映机体组织分子的扩散运动及生理活动。,99,100,101,Spin Echo EPI 128 x 64 FOV 3.5 cm 8 Averages 4 Segments 2 mm slice 6 Diffusion weights:B = 1700 mm/s2 ( 150 mT/m),102,上图是普通MRI 显示脑肿瘤的图像 ， 脑肿瘤经过治疗后1年复发 ； 下图是通过diffusion 显示的MRI图像， 能清楚的显示肿瘤对治疗的反应 。,103,目前多用于早期诊断脑缺血、脑梗死（特别是急性脑梗死）等。 此外弥散成像还可以针对肌酸（Cr）、肌醇（MI）、N天门冬氨酸（NAA）等进行成像，即弥散波谱检查。,104,105,106,背景信号抑制全身弥散加权成像 diffusion weighted whole body imaging with background body signal suppression，DWIBS,利用射频脉冲技术进行背景脂肪信号的抑制来进行全身横断面平扫，再利用三维图像后处理技术进行重组，并采用黑白图像翻转技术，得到的图像类似于PET(正电子发射体层摄影)成像，其临床意义也与之相似，由此简称 MR“类PET”技术。 单次激发平面回波成像(echo planar imaging，EPI)、短T1反转回复时间成像(short T1 inversion recovery ，STIR)和敏感编码技术(sensitivity encoding，SENSE)是DWIBS的核心技术。,107,MR “类PET技术”,108,109,110,限制及未来的发展,由于视野较小或呼吸不均匀，有可能遗漏一些较小病变 DWIBS的敏感性虽高，但由于空间分辨率低，不能准确定位，其特异度也低 由于机器工作时间过长，会导致梯度系统不稳定，造成图像变形或信号不均匀，影像ADC值测量的准确性 由于可能存在的T1和(或)T2穿透效应，发现肿瘤的特异性会受限，不能提供病变准确的解剖位置,111,灌注成像,（Perfusion Weighted Magnetic Resonance Imaging.简称Perfusion）是用来反映组织微循环分布及其血流灌注情况，评估局部组织活力和功能的磁共振检查技术。,112,113,114,115,根据成像原理可以分为： 对比剂首过灌注成像 又称磁敏感性对比剂动态首过团注示踪法。 通过超快速的扫描序列，追踪扫描弹丸注射的顺磁性造影剂，来观察组织微循环T1、T2的变化，得到强度时间曲线，以计算相对脑血容量（relative cerebral blood volume. rCBV）等 反应脑血管微循环的供血情况。,116,动脉血质子自旋标记法 通过流空效应原理来获得灌注血管与周围组织的脉冲差异信息，反应局部血供情况。如血流量图、通过时间剂估计饱和程度。,117,血氧水平依赖对比增强技术 （Blood Oxygen Level Dependent.BOLD）是以脱氧血红蛋白的磁敏感性为基础，通过MRI检测局部血流氧合血红蛋白的浓度变化来侧面反应局部组织的代谢及功能状态，辅助疾病早期诊断的检查技术。 目前主要用于脑梗塞的早期诊断，检测心脏、肝脏、肾脏等脏器的功能灌注以及良恶性肿瘤的鉴别。,118,119,120,121,扩散张量成像(diffusion tension imaging,DTI),扩散张量成像技术自1994年Basser等引入MRI领域后，已逐渐成为临床神经影像学研究的一项重要工具，是目前唯一能在活体人脑组织显示白质纤维束的走行,反映白质纤维束的病理状态及其邻近病变的解剖关系等信息的非侵入性手段,122,在活体组织内，水分子的运动受到多种水平的限制，以及在许多组织结构中的相互作用的影响，如在细胞膜、大分子物质、髓鞘及纤维束中，水分子的活动度在垂直于纤维束的方向上受到限制(这种受限制的扩散过程被称为各向异性扩散；没有受到限制的水分子扩散，如脑脊液，被称为各向同性扩散)。,123,DTI能够测量到三维空间方向上水分子扩散的方向和扩散程度，通过采集技术如单次激发扩散加权平面回波序列（EPI）或线扫描扩散成像(LSDI)对扫描进行图像采集，通过后处理，能够精确显示神经纤维走行方向，,124,因此，临床上广泛应用于脑神经纤维走行的研究，白质束的观察，追踪，脑发育和脑认知功能的研究，脑疾病的病理改变以及脑部手术术前计划和术后评估。,125,126,127,128,129,130,131,MRI增强扫描,132,MRI组织分辨率很高，但是由于正常组织与病变组织在驰豫时间上的重叠现象，故常需注射造影剂，利用不同组织在造影剂吸收上的差异增加组织间驰豫时间的差别，提高MRI的敏感性和特异性。,133,使用造影剂的主要指征为： 鉴别肿瘤及水肿组织。 鉴别肿瘤与其他病变，帮助肿瘤的定性诊断。 脱髓鞘病变的早期诊断。 微小病灶的显示，如管内听神经瘤、垂体微腺瘤等。 显示多发病变中平扫时的阴性病变。 直接显示某些脑内血管病变。,134,135,136,137,MRI造影剂一般可分为抗磁性物质、顺磁性物质、超顺磁性物质及铁磁性物质，具有远高于人体组织的磁距和磁化率，当其进入体内后，形成局部的不均匀磁场，影响了周围水分子的分布，从而改变临近质子的运动相位，产生T1及T2的改变，起到了局部增强的作用。,138,目前常用的顺磁性造影剂有 钆剂：钆喷酸葡氨（GdDTPA.钆剂.商品名：马根维显）；钆双氨注射液（GdDTPABMA.商品名：欧乃影）等。 锰剂：MnDPDP（锰福地匹三钠.商品名：泰乐影）。 铁剂：氧化铁微粒混悬液 （商品名：菲立磁）等。,139,与含碘的CT扫描造影剂对比，MRI增强所用的造影剂无过敏反应，造影剂物理属性造成的副作用也明显减少，仅有极少数病人出现头晕、头痛、恶心以及心前区不适，使用相对安全可靠。,140,MRI在放射治疗中的应用,141,在放射治疗过程中，随着3DCRT、IMRT等治疗手段的广泛应用，放射治疗的精度越来越高，对GTV、CTV及靶区设置的精确度要求也越来越高。 MRI的软组织分辨率明显高于CT，能够准确的区分肿瘤与正常组织，发现被软组织包围的嵌入肿瘤，有利于医生准确的定义GTV及CTV，制定更精确的放疗计划。,142,Comparison of MRI definition of tumor with that from CT for a sarcoma in the thigh. gives a much brighter unambiguous outline of the tumor compared to the poorer contrast on CT.,143,144,145,目前MRI图像不仅能够同CT图像相融合，利用TPS进行计划设计及计量分析，还能利用自己的MRI SIM（磁共振肿瘤模拟定位系统）支持进行病人治疗计划的设计，使更多的正常组织受到保护（比CT SIM约增加30），大大减少了病人的不良反应，使其可以尽快痊愈出院。,146,MRIsim面临的问题,缺乏常用于剂量计算的电子密度值，难于进行射野及临近组织的剂量学分析 图像受到主磁场、梯度磁场以及外部磁场的综合影响，故图像相对于CT容易发生几何变形，从而引起空间定位及计量学上的治疗误差 骨与软组织缺乏天然明显的对比度，目前DRR图的重建方式费时、难于应用于临床，故难于利用DRR图用于病人体位验证,147,148,149,MRI的软组织分辨率高，并能从代谢、血供等各方面反应局部软组织情况，准确的反应放疗中肿物的治疗效果及周围组织的反应，对放射治疗的进行有重要的指导意义。 与CT相比，MRI能够准确的区分放射治疗后局部的纤维化与复发的肿瘤组织，使治疗更有针对性，在复发的病人放疗计划制定中尤为重要。,150,151,152,由于MRS能够对局部组织内代谢产物进行定性和定量分析，对放射治疗后发生的放射性脑病及腺体功能失常等，在产生器质性变化前有较好的提示及辅助诊断作用。,153,磁共振阅片指引：,核对姓名，时间 扫描范围 扫描序列（按顺序排列：如T2 T1 T1+C） 病变特征（位置大小 信号 均匀度 强化特征 边缘信号） 临近器官、组织、腔隙的影响（推移？腔隙变窄？受侵？信号改变？强化特征改变？） 区域淋巴结（肿大、强化、坏死、包膜外侵、融合） 重要的阴性体征,154,谢谢！,155,