核磁共振原理(经典由简入深)

1第一章核磁共振成像原理本章主要讲述内容：磁共振信号的产生磁共振信号的获取与傅立叶变换像素位置信息的确定（梯度）像素灰度信息（信号幅度）的确定序列参数对图像权重的影响磁共振成像序列2简述磁共振成像过程1.345第一节磁共振信号的产生•发电；•磁带、录像带；•磁盘；•音响；•MRI的核心。671、人体MR成像的物质基础•原子的结构电子：负电荷中子：无电荷质子：正电荷8•他想：既然通电的线圈类似一只磁铁，反过来，一个天然磁体不是也像一只通电线圈吗？那么，天然磁铁上的电流在哪里？安培注意到这样一个事实，那就是把一条形磁体折为两段，结果变成了两个独立的磁体，照此分下去，天然磁体的每一颗粉末也都是独立的磁体，都有N极和S极；•安培想：在原子、分子或分子团等物质微粒内部，存在着一种环形电流--分子电流(后人也叫它“安培电流”)，分子电流使每个物质微粒都形成了一个微小的磁体，环性的分子电流的磁场使它的两侧相当于两个磁极。这两个磁极是跟分子电流不可分割地联系在一起的。未磁化的物体分子电流的方向非常紊乱，对外不显示磁性。磁化后，分子电流的方向变得大致相同，于是对外显示出磁作用。安培是电学领域里的牛顿9原子核总是绕着自身的轴旋转－－自旋(Spin)10•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11•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？12•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？13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。14把人体放进大磁场15进入主磁场前后人体组织质子的核磁状态16•进动(Precession)•质子在静磁场中以进动方式运动•这种运动类似于陀螺的运动质子进动陀螺运动17•进动频率(PrecessionFrequency)00B拉莫尔方程其中：ω0：进动的频率（Hz或MHz）B0：外磁场强度(单位T，特斯拉)。γ：旋磁比；质子的为42.5MHz/T。1819•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20•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21MR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22MR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23如何才能产生横向宏观磁化矢量？243、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。25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。2690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2790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。氢质子多氢质子少28•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度脉冲后偏转横向的磁场越强，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29•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304、射频线圈关闭后发生了什么？31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)32•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33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。90度脉冲34•不同的组织横向弛豫速度不同•不同的组织T2值不同35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。90度脉冲36•不同组织有不同的纵向弛豫速度•不同组织T1值不同37•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38•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395、磁共振“加权成像”T1WIT2WIPD40•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？？？41T2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T2值约为100毫秒MR信号低反映组织横向弛豫的快慢！42T2WI平衡状态90度激发后采集信号时刻脑水43T1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）•反映组织纵向弛豫的快慢！44T1WI脂水平衡状态90纵向弛豫45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”。4690180回波回波90180TETRTE：回波时间TR：重复时间6、如何区分T1WI、T2WI47如何区分T1WI、T2WI•1、看TR、TE•T2WI：•长TR（2000毫秒）、•长TE（50毫秒）•T1WI：•短TR（400-800毫秒）•短TE（10-15毫秒）T2WIT1WIAC=扫的图像的第几层，这是第2层图像。TA=扫这层的当时的时间。48如何区分T1WI、T2WI•2、看水和脂肪•T1WI：•水（如脑脊液、胃液、肠液、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）•脂肪信号有所降低（灰白）T2WIT1WI49•3、看其他结构•脑组织：•T1WI:白质比灰质信号高•T2WI:白质比灰质信号低•腹部：•T1WI:肝脏比脾脏信号高•T2WI:肝脏比脾脏信号低如何区分T1WI、T2WIT2WIT1WIT1WIT2WI50•名词解释•1、T1WI、T2WI、PDWI•2、何为加权•3、何为弛豫51MRI的成像基本过程1)氢质子群的平时状态---杂乱无章、相互抵消2)外加磁场B0的氢质子状态---纵向磁化、进动3)施加射频磁场的氢质子状态---激励共振、横向磁化4)中断RF后的氢质子状态----弛豫、散发能量(无电信号的电磁能)5)接收无电信号转化为MR信号6)用MR信号重建图像5290°射频脉冲RF脉冲的作用是在共振条件下激发质子使磁化强度矢量旋转，当磁化强度矢量绕射频场B1旋转90°时，该RF脉冲称为90°脉冲。旋转180°时，称180°脉冲。53脉冲序列：施加90度脉冲，等待一定时间，再施加一个90度或180度脉冲，这种连续施加脉过程为脉冲序列。重复时间：两个激励脉冲间的间隔时间。回波时间：90度脉开始之时到回波完成之间的时间间隔。脉冲序列5490脉冲后，产生横向磁化，中止脉冲，质子产生弛豫，横向磁化开始消失，质子失去相位一致性，在质子未弛豫完成的某一时间内(TE)，D在XY平面上再施加180脉冲，使质子改变向相反的方向进动，停止脉冲后的TE时间时，质子再次聚集横向磁化的同向位方向上，产生较强的MR信号，叫回波回波的概念5590180回波回波90180TETRTE：回波时间TR：重复时间56第二节基本磁共振成像序列简述自由感应衰减信号(FID)自旋回波信号(SE)梯度回波信号（GrE）一般不用FID信号来重建图像，原因是：1，信号的较大幅度部分被掩盖在900射频之内；2，线圈发射和接受通路之间来不及切换；较为常用的也是最早用以进行磁共振图像重建的信号，只是需要多施加一次1800RF脉冲，回波时间较长较新的可大大缩短磁共振扫描时间的用以重建图像的信号，又称场回波可获取的三种磁共振信号57一、自由感应衰减信号自由进动：是指射频场作用停止后磁化强度矢量M的进动。自由衰减信号（freeinductiondecaysignal,FIR）指的是在探测线圈中感应出的自由进动，又叫自由进动衰减。FID是NMR的信号源。自由感应衰减(FID):信号随着时间而消失（类似于阻尼震荡信号），但频率不变。585960自旋回波序列简述900射频结束瞬间，磁化翻转到横向，开始横向弛豫，即散相静止磁场中，宏观磁化与场强方向一致，纵向宏观磁化最大施加900射频脉冲，纵向磁化翻转到横向，横向磁化最大施加1800射频脉冲，质子进动反向,相位开始重聚经过与散相相同的时间后,相位重聚完全,横向磁化再次达到最大值此时的线圈感应信号即为自旋回波信号自旋回波信号的产生过程6162基本SE序列的序列结构重复时间回波时间63梯度回波(GRE)序列梯度回波序列缩短扫描时间分析图使用α脉冲而非900脉冲,使得纵向磁化弛豫加快,从而极大的减少TR时间,使用翻转梯度产生回波而非1800脉冲,从而允许最短的TE时间,给缩短TR带来空间梯度回波(GradientEcho)64第三节磁共振图像重建基本概念：像素：组成灰度数字图像的基本单元。体素：像素对应人体内的位置。像素灰度信息：对应体素的检测信息的强度。不同成像手段进行位置对应的手段不同对磁共振而言,实现像素与体素对应的手段是施加三个维度上的梯度磁场。不同成像手段的检测信息不同651、磁共振信号的获取与傅立叶变换如果在垂直于XY平面，加一个接收线圈，会接收到什么信号？自由感应衰减(FID):信号随着时间而消失（类似于阻尼震荡信号），但频率不变。66一、傅立叶变换一维傅里叶变换：()(),iwtFftedt利用傅里叶变换可对不同函数的频率进行分解。在MRI中，为了对一定共振频率范围内的质子都进行激发，必须使用时域内的矩形脉冲作为激励的能量。1()()2itftFed傅里叶反变换：67MRI中常用的傅立叶变换越短，它覆盖的频率范围就越宽。1.矩形脉冲68矩形脉冲宽度无限窄2.δ脉冲69傅立叶变换的作用复杂的时间域信号简单的频率域信号傅立叶变换Amplitude70二、梯度场的模型梯度斜率越大，系统性能越好711.梯度磁场的产生拉莫尔方程（Larmorequation）：00B改变磁场就可改变共振频率。00BB又叫梯度磁场，是指沿直角坐标系某坐标方向呈线性变化的磁场。空间定位：在主磁场上叠加一个变化的小磁场，从而使成像层面上各处的磁场得以改变。0BB72在Z方向叠加的强度随Z变化的磁场，叫Z方向梯度场；在X方向叠加的强度随X变化的磁场，叫X方向梯度场;在Y方向叠加的强度随Y变化的磁场，叫Y方向梯度场;NSB0B0ZB0+B(z)0NSB0B0XB0+B(x)0NSB0B0YB0+B(Y)0三个基本梯度场73人体的三面示意图横断面冠状面矢状面74空间的三维水平磁场垂直磁场B0(Z)一般常导和超导磁体产生水平磁场，水平方向（人体长轴）为Z方向一般永