磁共振成像基本原理-卫生部北京医院杨正汉.ppt

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 35T永磁磁体 1 5T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 OpenMark3000 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 0T 2 0T 1 0T 1 5T 2 0T 超高场强 大于2 0T 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 NikolaTesla 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 1T 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 3PPM45厘米球体均匀度可控制在 1PPM 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 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50cm 梯度两端磁场强度差值 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 5M 40mT 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 FFEMatrix512 512FOV2 5cm 利用2 3cm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 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1H 氢质子 原因有 1 1H的磁化率很高 2 1H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1H14N31P13C23Na39K17O2H19F 摩尔浓度99 01 60 350 10 0780 0450 0310 0150 0066 相对磁化率1 00 0830 0660 0160 0930 00050 0290 0960 83 人体内有无数个氢质子 每毫升水含氢质子3 1022 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 300k 0 2T 1 3PPM0 5T 4 1PPM1 0T 7 0PPM1 5T 9 6PPM 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 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 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 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 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 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 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 T1 T2 重要提示 不同组织有着不同质子密度横向 T2 弛豫速度纵向 T1 弛豫速度这是MRI显示解剖结构和病变的基础 5 磁共振 加权成像 T1WI T2WI PD 所谓的加权就是 重点突出 的意思T1加权成像 T1WI 突出组织T1弛豫 纵向弛豫 差别T2加权成像 T2WI 突出组织T2弛豫 横向弛豫 差别质子密度加权成像 PD 突出组织氢质子含量差别 何为加权 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 MR只能采集旋转的横向磁化矢量 在任何序列图像上 信号采集时刻旋转横向的磁化矢量越大 MR信号越强 T2加权成像 T2WI T2值小 横向磁化矢量减少快 残留的横向磁化矢量小 MR信号低 黑 T2值大 横向磁化矢量减少慢 残留的横向磁化矢量大 MR信号高 白 水T2值约为1600毫秒 MR信号高脑T2值约为100毫秒 MR信号低 反映组织横向弛豫的快慢 T2WI T1加权成像 T1WI T1值越小 纵向磁化矢量恢复越快 已经恢复的纵向磁化矢量大 MR信号强度越高 白 T1值越大 纵向磁化矢量恢复越慢 已经恢复的纵向磁化矢量小MR信号强度越低 黑 脂肪的T1值约为250毫秒 MR信号高 白 水的T1值约为3000毫秒 MR信号低 黑 反映组织纵向弛豫的快慢 T1WI 重要提示 人体大多数病变的T1值 T2值均较相应的正常组织大 因而在T1WI上比正常组织 黑 在T2WI上比正常组织 白 6 MRI的空间定位 MRI空间定位X轴 Y轴 Z轴三维空间定位层面层厚选择频率编码相位编码 由于地球磁场存在从赤道到南北极逐渐减弱的梯度在地球上可根据所处位置的磁场强度来确定其位置 MRI的三维空间定位也通过三个梯度场强来实现 层面层厚选择 发射的射频脉冲不可能是单一频率 我们可以控制和调整射频脉冲的带宽 射频脉冲有一定的频率范围 带宽 CT的层面选择和层厚控制靠床位和准直器 层面层厚选择 第一个梯度场 梯度场强不变射频带宽越宽层厚越厚射频带宽不变梯度场强越高层厚越薄 决定层厚的因素梯度场强射频带宽 调整射频脉冲的带宽 梯度场强的强度和位置 即可随意选择层面的位置和层厚 层面内的空间定位体素 Voxel 像素 Pixel MR MR采集到的每一个信号均含有全层信息必须进行层面内的空间定位编码才能把整个信息分配到各个像素空间定位编码包括频率编码和相位编码 频率编码 频率编码依靠梯度磁场 带有不同频率的MR信号 通过付立叶转换可以区分 第二个梯度场 相位编码 相位编码还是依靠梯度磁场 第三个梯度场 相位编码 付立叶转换可区分不同相位的MR信号 付立叶转换只能区分相位相差180度的MR信号 付立叶转换只能区分相位相差180度的MR信号 矩阵为256 256的图像需要进行256次相位编码 也即采集256条相位编码线 K空间 7 K空间及其特性 K空间为MR图像原始数据的填充储存空间格式 填充后的资料经傅立叶转换 重建出MR图像 SE序列 常规K空间的填充形式 对称 循序填充 K空间的特性 矩阵为256 256的图像需要采集256条相位编码线来完成K空间的填充 K空间的数据点阵与图像的点阵不是一一对应的 K空间中每一个点具有全层信息 K空间的特性 K空间具有对称性相位编码方向的镜像对称频率编码方向的对称 K空间特性 填充K空间中央区域的相位编码线决定图像的对比填充K空间周边区域的相位编码线决定图像的解剖细节 K空间的其他填充方式 激发编码 信号采集 K空间填充 付立叶转换 图像显示 8 自旋回波序列 自旋回波 spinecho SE 序列结构图 90度脉冲激发组织产生横向磁化矢量 SE序列图 180度脉冲的作用 90度激发脉冲关闭后 所产生的横向磁化矢量很快衰减 自由感应衰减 FID 横向磁化矢量的衰减是由于质子失相位 质子失相位的原因质子小磁场的相互作用造成磁场不均匀 随机 真正的T2弛豫主磁场的不均匀 恒定 后者是造成质子失相位的主要原因 1 2产生的横向磁化矢量衰减实际上为T2 弛豫 180度复相脉冲可以抵消主磁场恒定不均匀造成的信号衰减 从而获得真正的T2弛豫图像 180度脉冲可使因主磁场恒定不均匀造成失相质子的相位重聚 产生自旋回波 复相脉冲的作用模拟 T2 与T2的差别 用180度复相脉冲采集回波 MR信号 的序列称为自旋回波序列 SE序列 90 180 回波 TE TR TE 回波时间TR 重复时间 SE序列结构 TR决定图像的T1成分TE决定图像的T2成分 很长的TR 所有的组织T1完全弛豫 剔除图像的T1弛豫差别 很短的TE可基本剔除图像的T2成分 长TR 2000ms 长TE 50ms T2WI Mxy 100 时间 ms 选择合适长的TE获得最好的T2对比 T2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 20ms T1WI T1对比 选择合适短的TR获得最好的T1对比 一般TR选择两种组织生物T1值附近可获得最好的T1对比 长TR 2000ms 短TE 20ms PD 短TR 200 500ms 短TE 20ms 长TR 2000ms 长TE 50ms 长TR 2000ms 短TE 20ms T1WI T2WI 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