《基础医学MRI》PPT课件.ppt

第五章磁共振成像与功能磁共振成像原理 核磁共振成像技术发展简史核磁共振现象发现Purcell等 Bloch等 1945 PhysicalReview 核磁共振现象引入医学界Damadian 1971 Science 171 1151 1153核磁共振成像Lauterbur 1973 Nature 242 190 191是利用原子核在磁场内所产生的信号经重建成像的一种影像技术1974 Mansfield Gradientoptimization 磁共振成像特点 MRI的软组织对比分辨率最高MRI具有任意方向直接切层的能力MRI属无创伤 无射线检查MRI成像参数多 成像潜力十分巨大 MRI具有较高的空间分辨率MRI和检查费较昂贵 MRI对钙化不敏感速度慢 运动伪影 纲要 MRI原理fMRI原理fMRI数据的基本处理 MRI原理 预备知识电磁波质子的运动磁体类型线圈 波长10 1310 1210 1110 1010 910 810 710 610 510 410 310 210 1110 m 频率1022102110201019101810171016101510141013101210111010109108 hz AutoradiographySPECTPET CT X Ray MRI BioluminescenceFluorescence 电磁波 成像波段 MRI原理 预备知识电磁波质子的运动磁体类型线圈 核磁共振成像 MRI 原理 将人体置入一个强磁场中 对人体施加一个一定频率的交变射频场 使被探测的质子共振并向外辐射能量 在人体周围的接收线圈中就会有感应电势产生 接收信号经计算机处理后 得到人体的断层图像 图像灰度代表磁共振信号的强度及弛豫时间T1和T2 进入主磁场后人体被磁化了不同的组织由于氢质子含量的不同 磁化程度也不同 磁场 物理基础 具有自旋的原子核象地球一样会绕着某条轴线作自旋转动 如果某种原子核中的质子数或中子数两者之一为奇数 或两者均为奇数 那么此原子核便具有自旋的特性 带正电荷的质子也绕同一轴线作转动 电荷的运动即是电流 即原子核在自旋时便产生环形电流 有电流便会产生磁场 常用磁矩来表示自旋特性 包括磁场大小和旋转速度 S N Magnetization 在常规条件下 宏观物质中的原子核磁矩是无规则排列的 从而相互抵消 所以一般的宏观物质并不表现有磁性 一般来说 宏观物质中均含有巨量的原子核数目 如在1立方厘米的水中约含有原子核的数目为个 质子的运动 自旋产生磁场 带电粒子自旋 磁场 磁偶极矩 具有自旋的原子核的磁性与一个小磁棒的磁性相似 S N 不同原子的核磁共振特性 含奇数质子的原子核均在自旋过程中产生自旋磁动量 即磁矩以矢量描述氢原子核只有单一质子具有最强的磁矩 旋磁比高 信号灵敏度高氢质子在人体内分布广 数量多 MRI均选用氢为靶原子核 单个原子核自旋在磁场中的运动 N S 如果把一个小磁棒放入一个均匀的外磁场中 那么它们南北极相吸 保持不动 对于具有自旋的原子核 虽然它的磁性与小磁棒相似 但是由于它本身的自旋运动 所以它在磁场中的表现就与小磁棒不一样产生进动 陀螺 如果陀螺没有自旋 那么它几乎无法立起来 但是如果陀螺在旋转 那么即使陀螺的重心偏离支点 它也不会倒下去而会绕重力线作进动 质子的运动 外加磁场B0 外加B0产生净磁场 在B0中质子进动 B0为主磁场强度 单位Telsa1Telsa 10 000Gauss约为地球磁场20 000倍 进动频率 拉莫 Lamor 公式 Magnetization Larmor频率 在外磁场作用下 自旋的质子产生进动进动频率称为Larmor频率 B0 为旋磁比 是质子的固有特性B0 1T 42 58MHzLarmor频率在射频 RF 范围 多个原子核自旋在磁场中的运动 多个原子核自旋在磁场中呈现为两种状态 即量子力学说中的两种能级 原子核的量子数不同 呈现的状态数也不同 顺主磁场方向的为低能态 逆主磁场方向的为高能态 两种能态的原子核绕主磁场方向进动的角速度相同 S N B0 顺 逆 进动 Spin 与极化 Polarization 无外界作用时 质子自旋 磁矢量朝向随机有外界磁场B0作用时 质子会绕着磁场方向进动 极化 进动的相位存在两种情况 平行 与B0同向 低能量 原子数目多反平行 与B0同向 高能量 原子数目少对齐后产生净磁矩M 两种状态为对应高 低能级常温下 低能量的粒子数多于处于高能量的粒子数 两个方向的净自旋产生的磁场称为净磁化 或磁化矢量 所以磁化矢量是十分微弱 M0为稳定状态的磁化矢量强度 正向多 反向少M0与B0方向一致 由于检测的是一定体积范围内所有质子在磁场中的表现 所以测量总的磁矩 磁化矢量强度M 反向少 正向多 Magnetization X Y Z X Y M0 再进一步作矢量相加 在X Y 平面上由于大量的磁矩均匀分布从而全部相互抵消 在Z轴上则有一个分量M0 称之为宏观磁化矢量 Magnetization 把这些磁矩作矢量相加 即方向相反的互相抵消 那么可以得到只剩下低能态的磁矩均匀分布在锥面上 X Y Z X Y Z 宏观磁化矢量M0的大小与低能态和高能态的原子核数目差成正比 即与主磁场强度和原子核密度成正比 M0的大小在一定程度上决定了磁共振信号的大小 也即是决定了图像信噪比的好坏 所以一般地说 主磁场强度越高 图像越好 另外 图像中某种组织的信号高低与这种组织的原子核密度有直接关系 质子的运动 外加磁场B0 在Z方向产生净磁化矢量M0 在XY平面内没有产生净磁化矢量 磁化矢量M0不会发生进动 磁矩分解 不同原子的自旋方向是不同的 故不同原子的磁化方向也不同将M分解为Mz和Mxy不同原子磁矩的平均值称为净磁矩若Mxy相互抵消 净磁矩由Mz给出若Mz 0 净磁矩为Mxy MRI原理 预备知识电磁波质子的运动磁体类型线圈 磁体类型 超高场 4 0 7 0T 高场 1 5 3 0T 中场 0 5 1 4T 低场 0 2 0 4T 超低场 0 2T 磁体类型 永磁型磁体磁场通常持续存在 不能被关闭 成本低 维护费用低 一般用于低场的MRI HitachiAIRIS0 3T 磁体类型 常导型磁体磁场由线圈内的环形电流产生 磁体可以被关闭和开启 一般用于中低场 PhilipsPanorama0 23T 磁体类型 超导型利用制冷剂 液氦或液氮 使磁体在 270 条件下工作 因而导线内几乎没有电阻 GESignaEXCITE3 0T MAGNETOMAllegra3 0T MRI原理 预备知识电磁波质子的运动磁体类型线圈 线圈 发射 接收线圈发出或接收射频脉冲梯度线圈产生线性磁场变动层面选择梯度相位选择梯度频率编码梯度 纲要 MRI原理预备知识MRI成像原理fMRI原理fMRI数据的基本处理 MRI成像原理 层面选择射频脉冲弛豫时间 T1 T2和T2 信号接收 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 而后者与前者具有相同的频率震动 层面选择 层面选择梯度导致不同层面的质子进动频率发生线性变化 可以利用对应频率的射频脉冲实现层面的选择 不同B0 不同进动频率 不同层面 选片梯度 Sliceselection 加梯度磁场后 不同层面将处于不同的磁场强度处 共振频率也不同 通过施加相对单一频率的射频脉冲就可激发特定层面 从而达到选片的目的 Gradientfieldandit sfunction 层厚与梯度场强及带宽的关系 选层梯度 2 RF频率 Z 选层梯度 1 层厚 1 层厚 2 带宽 MRI成像原理 层面选择射频脉冲弛豫时间 T1 T2和T2 信号接收 核磁共振现象 原子核自旋体系放在一个均匀的主磁场中被分裂成两种能级 在热平衡状态时形成一个宏观磁化矢量M0 如果此时在垂直于主磁场方向上加一个频率满足拉莫尔公式的射频场 那么原子核自旋体系会发生两种变化 破坏热平衡状态 1 处于低能态的原子核随机地吸收射频场能量跳到高能态 2 原子核自旋体系有随射频场同相位化趋势 在主磁场作用的基础上 在XOY平面内的OX轴射出一个射频场B1 为了使核系统能吸收射频场发出的能量 射频场的能量E必须与质子系统的能级差 E完全相等 E E MagneticResonance Transmit 共振吸收现象 外加磁场频率 共振高低状态能量差与磁场有关 射频脉冲 发射射频脉冲频率为 1方向为垂直于磁化矢量导致的结果产生一个微弱磁场B1频率为 1的层面发生共振 射频脉冲 共振导致的微观结果 共振 射频脉冲 共振导致对应层面的质子运动改变质子绕Z轴以 0转动 0 B0质子趋向于沿新磁场方向排列 相位趋于一致质子绕X轴以 1转动 1 B1因为B0 B1 所以 0 1 1很慢 可以对 1 1 1 t 的大小进行控制 射频脉冲 共振导致的宏观结果 射频脉冲 90 射频脉冲 微观变化 如果我们在旋转坐标系里看 横向磁化矢量是不动的 而在物理坐标系里看 横向磁化矢量与单个的原子核磁矩一样是在不停地绕着Z轴以拉莫尔频率转动的 如果放置一个场方向在XY平面内的接收线圈 那么Mxy在转动过程中便会切割接收线圈 从而在接收线圈内便会感应到一个大小与Mxy成正比 周期以拉莫尔频率变化的信号 此信号就是核磁共振信号 射频脉冲 90 射频脉冲 宏观变化 MagneticResonance Transmit 这两种变化使得一方面自旋体系在Z轴上的分量不断减小 另一方面在X Y 平面上的分量不断增加 合成的结果就是宏观磁化矢量绕施加射频场的方向作转动 X Y X Y X Y 横向磁化矢量Mxy 红色箭头 不断增大 MagneticResonance Transmit Z X Y M0 Z X Y M0 Z X Y M0 Z X Y M0 Mz Mxy Mz为纵向磁化矢量 Mxy为横向磁化矢量 宏观磁化矢量绕施加射频场的方向作转动的速度取决于射频场的强度 即 其中H为射频场强度 为旋磁比 MagneticResonance Transmit Z X Y M0 Z X Y M0 90度脉冲 180度脉冲 在磁共振成像系统中用于激发原子核自旋体系的通常为一个射频脉冲 射频脉冲作用的结果是使宏观磁化矢量偏离Z轴一个角度 t为射频脉冲作用时间 一般就用此角度来表征此射频脉冲 常用的射频脉冲有90度脉冲和180度脉冲 即分别使磁化矢量偏到X Y 平面和负Z轴 MagneticResonance Transmit 横向磁化矢量 90o脉冲 MagneticResonance Transmit 射频脉冲的作用总结 在自旋体系中加射频场 也称B1场 当射频场的频率等于拉摩频率时 会发生共振吸收 射频脉冲可控制能量的大小 等效成翻转角的概念 加射频脉冲后可产生横向磁化矢量 只有横向磁化矢量才能被接收线圈探测到 在旋转坐标系中考察磁共振现象更直观 MRI成像原理 层面选择射频脉冲 90 弛豫时间 T1 T2和T2 信号接收 弛豫 原子核自旋体系受到射频脉冲激发后 宏观磁化矢量偏离Z轴 这种状态称为非热平衡态 这是一种非稳定状态 它要向热平衡态转换 在射频脉冲结束后 这种转换并不是立刻完成的 而是需要一定的时间 即有一个过程 这种转换的过程就叫做弛豫 物质结构不同 驰豫过程便不同 这可以说是MRI具有强大生命力的最主要原因之一 弛豫时间 关闭90 脉冲后 横向的B1消失 只有B0作用自旋质子恢复状态 Mz增加 自旋质子横向失相位 Mxy减小 两个过程是相互独立的 Relaxation 一般把驰豫分为两种 详细介绍如下 随着脉冲作用时间长 高能态质子多 纵向磁矩小 同相质子多 水平磁矩增大 反之 亦然 纵向磁矩恢复横向磁矩减小 弛豫时间 T1弛豫时间Mz恢复时间T2弛豫时间Mxy衰减时间T2 弛豫时间 T2的衰减速度要比T1的恢复速度快5 10倍 纵向弛豫指的是纵向磁化Mz矢量Mz从非热平衡态向热平衡态转换的过程 在热平衡态时Mz M0 而在90度脉冲之后Mz等于零 它最终要恢复到M0 恢复的过程可以表示为式中T1为常数 被称为纵向弛豫时间 即Mz从0恢复到M0的约63 时所需要的时间 有点像电容充电常数 Relaxation 纵向驰豫 又名T1驰豫或自旋 晶格驰豫 M0 63 T1 物质结构或人体组织不同 T1值也各不相同 T1值还与主磁场强度有关 对同一种物质结构来说 主磁场越强 T1值越大 脂肪 白质 灰质 脑积液 这种弛豫之所以叫纵向弛豫和T1弛豫是显而易见的 为什么又叫做自旋 晶格弛豫呢 因为在射频脉冲结束后 处于高能态的原子核向周围的晶格 晶格会以各种不同的频率振动 有的振动频率正好是拉莫尔频率 则会与原子核自旋交换能量 释放能量而跳回低能态 随着低能态原子核数目的不断增多 而高能态原子核数目的不断减少 纵向磁化矢量Mz便不断扩大 最终达到M0 大多数能量转移到分子运动T1 纵向弛豫的特征时间T1在很大程度上与粒子大小有关T1的典型值从100ms到2000msT1与主磁场强度有关 Relaxation 横向驰豫指的是横向磁化矢量Mxy从非热平衡态向热平衡态转换的过程 在热平衡态时Mxy 0 而90度脉冲后Mxy M0 最终要恢复到零 恢复的过程可以表示为 式中T2为常数 被称为横向弛豫时间 即Mxy从M0衰减到M0的约37 时所需要的时间 Relaxation 不同的物质结构或人体组织 其T2值也各不相同 对同一种物质来说 其T2值与主磁场强度的关系不大 Mxy 脑积液 白质 脂肪 灰质 Relaxation 从物理机制上来说 横向弛豫之所以会发生是因为原子核自旋与自旋间相互影响而造成的 假如主磁场是完全均匀的 那么各个自旋的进动频率就一样 如果没有别的原因 Mxy是不会减小的 可是由于每个自旋体相当于一个微小的磁体 从而影响其它自旋体所处的磁场强度 反过来其它自旋也会影响这个自旋体所处的磁场强度 这样相互影响的结果就使得各个自旋所处的场强互不相同 Relaxation 各个自旋所处的场强不同 即是它们的进动频率各不相同 从而使得各自旋磁矩的方向 又称相位 会慢慢散开 即Mxy慢慢变小 最终均匀分布时Mxy便等于零 X Y X Y Mxy X Y 弛豫时间 T2衰减根本原因 横向失相位自旋间的相互作用T2 衰减根本原因 横向失相位自旋间的相互作用外磁场的不均匀性 T2 衰减要快于T2衰减 一般说来 一种组织的T2值小于其T1值 T1值较大的组织 其T2值一般也较大 即T1值与T2值有某种程度上的相关性 组织T1 1 5T T1 0 5T T2肝49032343肾65044958脾78055462脂肪26021584脑灰质920656101脑白质79053992脑脊液 4000 4000 2000骨骼肌87060047 弛豫时间 T2衰减 t0t1t2t3t4 MRI成像原理 层面选择射频脉冲 90 弛豫时间 T1 T2和T2 信号接收 信号的接收 线圈接收 信号检测 A 磁化强度矢量 Larmor频率B RF脉冲 脉冲功率 探头 电击放电C 磁化强度矢量进动 旋转坐标系 接收器 前置放大器D 接收器增益值 弛预时间 T1 T2 E 傅立叶转换 正交检测 频率扫描宽度 折反峰folding B0 M B0 M RFpulse Receiver FT S t S w A E C B D NMR信号被称为自由衰减信号 FreeInductionDecay或FID 此信号并不能象COS涵数一样保持同样的振辐持续下去 而是以指数的方式衰减为零 此一现象是由所谓的自旋 自旋弛预造成 T2relaxation 自由衰减信号 FreeInductionDecay MagneticResonancePhenomenon Withrelaxation 扫描参数 重复时间 RepetitionTime TR 为两次RF激发间隔的时间 多次测量 提高信号噪声比回波时间 EchoTime TE 为激发后到测量回波的时间 翻转角 FlipAngle FA RF的角度 自旋回波SESpinecho 最基本的序列 90 180 信号90 RF激发产生横向磁化Mxy 由于磁场不均匀 致同步的质子群变为异步 相位分散180 RF使质子群离散的相位重聚 使Mxy在TE时间达到最大值 并产生回波对T2敏感 TE大了 MagneticResonancePhenomenon 90度脉冲后 自旋会逐渐散相 T2 TE 2时 180度脉冲使横向磁化矢量沿作用轴翻转TE时刻所有自旋的相位又重新回聚 产生回波该回波可以被接收线圈接收到 TE 优点 回波出现时间滞后 且时间长 易于采样 加权像 调节TR和TE 得到突出某个参数的图像 为加权像 质子密度 Protondensity PD 加权像 主要反映组织质子密度的差别 T2加权像 T2WI 主要反映组织T2的差别 T1加权像 T1WI 主要反映组织T1的差别 在某些特殊序列中还可以有其它种类的加权像 以自旋回波法分析得到P T1 T2图像的条件 加权像 WeightedImage WI TRTEWI长短PD WI长长T2 WI短短T1 WI短长无加权因素 MRI主要以T1 T2为成像基础 对比度高于质子密度 T1加权成像 T1WI T1值越小 纵向磁化矢量恢复越快 MR信号强度越高 白 T1值越大 纵向磁化矢量恢复越慢 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 T2加权成像 T2WI T2值小 横向磁化矢量减少快 MR信号低 黑 T2值大 横向磁化矢量减少慢 MR信号高 白 水T2值约为3000毫秒 MR信号高脑白质T2值约为100毫秒 MR信号低 人体大多数病变的T1值 T2值均较相应的正常组织大 在T1WI上比正常组织 黑 在T2WI上比正常组织 白 疾病组织的T1 T2大于正常组织 图像特点如何 正常人体组织的T1T2值 ms 组织T1 1 5T T1 0 5T T2肝49032343肾65044958脾78055462脂肪26021584脑灰质920656101脑白质79053992脑脊液 4000 4000 2000骨骼肌87060047 如何区分T1WI T2WI 看水和脂肪T1WI 水 如脑脊液 尿液 呈低信号 黑 脂肪呈很高信号 很白 T2WI 水呈很高信号 很白 脂肪信号降低 灰白 Gradientfieldandit sfunction 频率编码梯度 解决如何对一个平面内定位 X Y 关Z梯度 开X梯度 相位编码梯度 1 为了得到二维图像 在每次激发后 数据采集前需要在片层内与频率编码方向垂直的方向上加相位编码梯度每次激发后加载的相位编码梯度都不同 一般从正的最大每次改变一个固定的小量 直到负的最大为止 相位编码梯度 2 加相位编码后 采集到的数据变为二维矩阵 matrix 二维矩阵的每行数据相位编码相同但频率编码不同 每列数据频率编码相同但相位编码不同 每列数据的相临采样点的相位差为 ky相位编码坐标 区分Y方向信息 不同t Gp对应不同的Y r Gp y 相位编码 每次用不同的磁场梯度增益或时间变化 对应不同垂直空间 进行垂直方向编码 频率编码方向 成像序列在数据采集时加有频率编码梯度在频率编码方向相临采样点间的相位差为 kx频率编码坐标 相当于对时间编码 位置 或梯度场编码x方向的梯度大小不变 不同位置对应不同频率 Gradientfieldandit sfunction 片层的初始状态 Gradientfieldandit sfunction 加相位编码梯度之后的状态 磁场大相位大 Gradientfieldandit sfunction 加频率编码梯度 频率和相位编码后 每个位置对应不同的相位和频率 因此 采集数据后 在k空间形成数据集 K空间 K空间与真实空间的关系 采集到的二维矩阵是二维K空间通过二维傅立叶变换得到二维真实空间的数据 图像K空间理解为真实空间的傅立叶变换镜像空间 纲要 MRI原理fMRI原理fMRI数据的基本处理 纲要 MRI原理fMRI原理神经元BOLD信号fMRI数据的基本处理 fMRI原理 功能MRI成像广义的功能MRI成像 FMRI 狭义的功能MRI成像 fMRI fMRI特指BOLD fMRI 神经元 大脑皮层皮层表面积2500cm3 厚2 4cm 人脑中共有1000亿个神经细胞 皮层中含有140亿个 神经元 神经细胞神经元通过轴突 树突 以神经递质作为媒介进行信息传递 神经元 突出连接神经递质释放是由动作电位到达轴突末梢所触发的 神经元 动作电位 神经元 电流注入 低于阈值 超过阈值 继续增加 神经元 神经反应 纲要 MRI原理fMRI原理神经元BOLD信号测量fMRI数据的基本处理 BOLD信号测量 局部脑区的激活局部脑组织耗氧量增加 需氧 血流速度增加血流量增加含氧量的增加 供氧 氧合血红蛋白浓度的增加 BOLD信号测量 供氧量 需氧量 氧合血红蛋白浓度的增加 OxyhemoglobinDeoxyhemoglobin Rest Activation Normalbloodflow Highbloodflow BOLD信号测量 怎么测量BOLD信号的强度 氧合血红蛋白具有逆磁性延长T2 的时间采用T2 成像时 信号增强 BOLD信号测量 信号对比 BOLD信号测量 BOLD的时间过程 BOLD信号测量 实际的EPI成像 纲要 MRI原理fMRI原理fMRI数据的基本处理 fMRIDataAnalysis Preprocessing SPMs Functionaldata Templates Smoothednormaliseddata Designmatrix Variancecomponents Contrasts Thresholding Parameterestimates Generalisedlinearmodel 纲要 MRI原理fMRI原理fMRI数据的基本处理实验设计预处理功能区提取 实验设计 a 实验刺激 b Session c Trial 图像的获取 利用3 0T的磁共振扫描仪 GESignaExciteSystem American 功能像的获取 被试任务期间获得180幅全脑T2 加权的轴向图像 扫描序列为标准的EPI序列 36contiguousaxialslices slicethickness4mm TR 3000ms TE 30ms FOV 240mm flipangle 90 matrixsize64 64 结构像的获取 3DT1加权轴向图 voxelsize 1mm 1mm 1mm matrixsize 256 256 156 纲要 MRI原理fMRI原理fMRI数据的基本处理实验设计预处理功能区提取 预处理 时间校准 SliceTiming 空间配准 Alignment 空间归一化 Normalization 空间滤波 Smoothing 预处理 SliceTiming 0100200300400500600700800ms 通过slicetiming 使每个slice好像在同一个时间点上获得 400ms 纲要 MRI原理fMRI原理fMRI数据的基本处理实验设计预处理功能区提取 Facevs NoisePicture Eachepoch10scanswith3secTR 在Face和Noise任务之间存在BOLD信号强度的变化吗 BOLD信号时间过程 Onesession fMRIexample Intensity Time Regressionmodel b1 b2 error x1 x2 e e N 0 s2I errorisnormalandindependentlyandidenticallydistributed Hypothesistest b1 0 usingt statistic Generalcase 在Face和Noise任务之间存在BOLD信号强度的变化吗 Regressionmodel Generalcase Y b1 X1 b2 X2 e O Y1x11b1e1Y2 x21 e2Y3x31b2e3 DATA Y1 Y2 Y3 Y designspace Geometricalperspective RawfMRItimeseries Residuals highpassfiltered andscaled fittedhigh passfilter Adjusteddata fittedbox car Fitted adjusteddata 本次课结束 谢谢大家 激活区提取 脑激活区的定位 40 58 12