磁共振成像原理.

磁共振成像原理李焕杰生物医学工程系[e-mail]目标•为什么讲磁共振成像(Why)•什么是磁共振成像(What)•磁共振成像的数据处理方法Why•大脑是最重要的中枢神经系统•2%的体积，20%的能量消耗•21世界“脑科学”被提上了重要日程，世界各国已启动多项脑研究计划，目前的影像技术•PET：使用对比剂，放射性同位素•CT：对人体有辐射•脑电图EEG：高时间分辨率，低空间分辨率•脑磁图MEG：高时间分辨率，低空间分辨率，贵•MRI：最流行成像方法磁共振优缺点优点•软组织对比度好•多参数成像•任意方位断层•时空分辨率较高•安全无辐射•不使用对比剂•全身成像•提供结构、代谢信息缺点•运动敏感•对水的浓度要求高•有禁忌症多参数成像任意方位成像高对比成像，详尽解剖信息全身成像多模态成像StructureimageDTIBOLDfMRIMRSCerebrovascular产业状态•三大跨国公司GE,Siemens,Philipus•国内公司上海“联影”苏州“朗润”…•人才需求高校公司医院国家医疗器械检测单位出国磁共振历史•1946年，美国加州斯坦福大学的Bloch和麻省哈佛大学的Purcell分别发现了物质的核磁共振现象。应用于化学分析，共享1952年诺贝尔物理奖。•1973年，纽约州立大学Lauterbur首先提出了利用磁共振成像技术。•1977年，Mansfield提出了快速成像方法。（Lauterbur和Mansfield因上述贡献分享了2003年度Nobel生理医学奖）•1992年，BELL实验室的Ogawa提出了BOLDfMRI技术，开启了功能磁共振研究领域FelixBlochEdwardPurcellPaulC.LauterburPeter.MansfieldWhat？定义：磁共振成像是利用射频（radiofrequency，RF）电磁波对置于磁场中的含有自旋不为零的原子核的物质进行激发，发生核磁共振，用感应线圈采集磁共振信号，按一定数学方法进行处理而建立的一种数字图像。磁共振成像过程•人体未进入静磁场，体内氢质子群磁矩自然无规律排列；•进入静磁场，所有自旋的氢质子重新排列定向，磁矩指向N或S极；•通过射频线圈与静磁场垂直方向施加射频脉冲，受检部位氢质子吸收能量并向一个方向偏转和自旋；•射频脉冲停止，核磁弛豫开始，氢质子释放吸收的能量重新回到原来自旋的方向；•释放的电磁能转化为磁共振信号；•经梯度磁场做层面选择和相位编码及频率编码；•经傅立叶转换和计算机处理形成图像。原子核自旋自旋条件•质子数+中子数≠偶数•最常用原子为1H无外加磁场B0有外加磁场B0低能态，数目多高能态，数目少方向随机无磁化矢量氢质子的磁矩是如何变化的处于强磁场内的质子并非静止地向两个方向平行排列，进行陀螺式的摇摆样运动，质子磁矩这种旋转运动称为进动（Precession），其旋转频率称共振频率（larmor频率）。磁化矢量MDirectionofnuclearmagneticmomentDirectionofappliedmagneticfieldB0Larmor频率氢原子核在不同场强中的共振频率静磁场强度（T）共振频率（MHz）0.156.40.28.50.312.80.521.30.625.51.042.61.563.92.085.33.0127.8磁共振•人体组织在强磁场内会产生净磁化，组织磁化的程度取决于磁场强度，与磁场强度成正比。组织磁化的方向与主磁场方向相同，是纵向磁化。•组织磁化是产生MR信号，形成图像的前提。磁共振共振条件人体进入磁体，组织被磁化，氢质子磁矩有规律排列时，在主磁场垂直方向施加射频脉冲，当RF脉冲等于质子的进动频率时，质子能吸收RF脉冲，发生质子能态跃迁，产生核磁共振，使组织磁化向量位置移动，围绕主磁场方向的进动角度发生改变。翻转角FA•射频脉冲时间的长短、强度的大小决定了进动角度的大小。•FA=γB1t•射频脉冲强度越大，翻转角度改变越快。•射频脉冲施加时间越长，翻转角度越大。弛豫•射频脉冲一停止，组织磁化恢复原来的状态，即发生弛豫（Relaxation）。•磁共振成像时受检脏器的每一个质子都要经过反复的RF激发和弛豫过程。•弛豫有纵向弛豫和横向弛豫。纵向弛豫纵向弛豫纵向弛豫•射频脉冲停止，纵向弛豫恢复到原来大小平衡的状态，纵向弛豫是能量变化的过程。•纵向弛豫是一个从零状态恢复到最大值的过程。•纵向磁化向量恢复原来数值所经历的时间过程称纵向弛豫时间（T1）。•纵向弛豫过程表现为一种指数递增曲线。•T1值被定义为从零恢复到原来纵向磁化向量63%的时间。4-5倍的T1值时间才能达到完全恢复。•人体各种组织因组成成份不同而具有不同的T1值。影响T1的因素•不同组织分子结构T1弛豫时间不同，由它们本身进动频率不同所决定。大部分组织T1值在200-300msec之间，（如：脂肪质子的弛豫比水分子要快，T1时间就短，脂肪T1为100-200ms。纯水为3000ms，组织含水越多，T1时间越长。•磁场强度影响。磁场强度增大使共振频率增大，T1弛豫时间随之延长。横向弛豫横向弛豫•射频脉冲停止，横向磁化向量开始逐渐消失的过程。横向弛豫不是能量变化的过程，是进动相位失去的过程。•横向磁化向量逐渐消失的过程称横向弛豫时间（T2）。•其衰减过程也表现为一个指数曲线，与T1不同的是递减曲线。•T2值被定义为横向磁化向量从最大到其原来37%的时间。4-5倍T2值时间完全消失。•T2弛豫时间内氢质子将吸收的RF能量以电磁波形式的信号释放出来（FID）。横向弛豫影响T2因素•主磁场T2弛豫时间比T1要短许多。人体组织中T2值的范围大约在50-100ms之间。（脑脊液较为特殊，具有2000ms的T2值）。在含水多的组织中也有较长的T2弛豫时间（如：炎症，水肿，恶性肿瘤等）。•与T1相比，T2对主磁场强度不敏感，但是对磁场均匀度敏感。•磁场不均匀时，1/T2*=1/T2+γ△BT1、T2对磁共振信号的影响磁共振信号与T1、T2关系kTMMTjMiM)B(MtM10z2yx1采集数据脉冲序列RFGsSGpGrTE/2TE/2TRFIDEcho9009001800MRI数据采集方法•激励———射频脉冲激励做Gz层面选择。•相位编码—在Y轴增加梯度磁场Gy，使Y坐标上质子处于不同相位。•频率编码—Gy关闭后，立即加上Gx频率编码梯度，自旋质子进动，含有频率和相位编码的混合MR信号经二维傅立叶转换，分出每个体素在矩阵中的位置和信号强度，最后重建成图像。•层面选择梯度Gz•相位编码梯度Gy•频率编码梯度Gx增加梯度磁场的目的•从接受线圈接收人体质子群发出的磁共振信号是成千上万的杂乱无章的信息，这些信号群只有强度和频率，无空间和方位的信息。应用梯度磁场的目的，是提供磁共振成像的空间定位信息，解决图像重建和层面选择及空间定位的难题。•磁共振的拉莫尔（Larmor）定律，人体组织在不同的磁场强度下，其共振频率就会不同，这就形成了根据梯度磁场的变化达到空间定位的理论和实际应用基础。选层Gz层厚•ω=γ（B0+Gz▪Z）•△ω=γGz▪△Z•频率越宽，层面越厚•梯度越大，层面越薄平面信号空间编码•梯度场应用解决了从一个层面采集信号和选择层面厚度问题。但不能分辨该层面内信号来自什么位置。为确定层面内信号的坐标，进行另外的空间编码技术即选用两种不同梯度磁场进行编码：•频率编码梯度•相位编码梯度空间编码前相位编码频率编码K空间•按相位和频率两种坐标组成了另一种虚拟的空间位置排列矩阵，这个位置不是实际的空间位置，只是计算机根据相位和频率不同而给予的暂时识别定位，这就是“K空间”。•K空间每一点包含了所有体素的信号，但不能区分各个体素的信号。•K空间所有点通过傅立叶变换，可以求出各个体素信号的大小。K空间和图像域关系FFTK-空间对图像的影响K--空间特点：远离中心线的上下方为高空间频率，其决定图像的空间分辨率；在中心线的低空间频率则决定图像的对比度。K空间中心部决定图像的对比和总体质量！K空间边缘部决定图像的分辨率和细节！