MR成像原理与应用

MRI成像原理与应用满江红辽宁省肿瘤医院-磁共振一概述磁共振成像（MagneticResonanceImage简称MRI）是在磁共振波谱学的基础上发展起来的，曾经被称为：核磁共振成像，自旋体层成像，核磁共振体层成像，核磁共振CT等，为避免与核医学混淆，现在达成共识命名为：磁共振成像（简称MRI）。MRI的物理基础是利用人体内氢原子核中的质子在磁场中固有的特性，借助射频脉冲（RF）激励后，由于位能的变迁所释放出MR信号，并通过梯度磁场（magneticgradient)标记这些共振的氢质子的空间位置从而获取人体组织层面的化学信息影象。二磁共振成像的发展史磁共振的物理现象早在1946年由美国加州斯坦福大学的布劳克Bloch和麻省哈佛大学的柏塞尔Purcell教授同时发现的。因此两位科学家获得了1952年的诺贝尔物理学奖。1971年美国纽约州立大学的达曼迪恩Damadian教授在（科学）杂志上发表了题为“NMR信号可检测疾病”和“癌组织中氢的T1时间延长”等论文。1972年纽约州立大学劳特布尔Lauterbur指出应用NMR信号可以建立图象，将这种成像方法成为核磁共振影象。1973年劳特布尔又在（自然）杂志上发表了他成功将试管内物质成像的论文，为磁共振成像技术奠定了基础。1977年磁共振技术进入人体层摄影实验阶段，达曼迪恩获得了人体胸部磁共振断层像，以及英国诺丁汉大学欣肖hinshow和博顿利获得了人手腕关节的剖面图象。1978年之后开始了磁共振成像发展的新阶段。八十年代初许多厂商完成了磁共振扫描仪的商品化工作。1989年中国安科公司生产出0.15T永磁型磁共振三磁共振成像技术的优点MRI不使用任何射线，避免了人体的辐射损伤。可以直接显示人体的矢，冠，轴及任何方向的层面像，解决了CT只能做横轴和冠状扫描的不足。提高了对脊髓，椎管，颅椎结合部及后颅凹病变的观察和认识。MRI对软组织具有高超的显示能力，密度层次丰富，可以显示各关节解剖细节以及脑干中的红核和黑质由于MRI不是投射方法成像所以它不会产生诸如气体和骨骼造成的伪影四MRI的局限性和缺点与CT比较空间分辨率较低设备及检查费用昂贵，维修困难骨骼，钙化及胃肠道系统图象效果较差图象信号极易受其他因素影响，信噪比不稳定扫描时间长，病人会产生幽闭感磁场强度大于2T（TESLA）时将会引起生理功能紊乱及血流障碍，5T时可出现脑神经症状，医用磁共振系统一般为0.5T—2T较为安全。装有心脏起博器及金属假肢患者不可进行MTI检查应用技术复杂，参数和程序选择合理则可以清楚地显示病变，如果选择不当则显示准确率为63%五磁共振成像的物理基础原子核与自旋（SPIN）：氢的原子核结构最简单，原子核只有一个质子及一个轨道电子，氢原子也是我们目前磁共振成像唯一利用的原子。磁场对原子核的作用：静磁场是恒定不变的，它将无序排列的质子群产生磁化作用，进而与静磁场方向一致。组织的磁化速度受时间和物质本身的特性影响，不同组织的磁化速度在相同场强下会不相同。磁化速度又称该组织的磁化率。组织的磁化是产生MR图象的条件，也是形成MR图象的重要基础。进动和拉莫尔频率：一个沿自身轴旋转的同时又沿另外一个轴作回旋的运动称为进动（PRECESSION）它包含三种运动形式1，围绕自身轴旋转2，旋转的自身轴围绕另外一个轴作回旋3，受旋转速度影响，围绕中心轴旋转半径也相应改变。物理学将自身轴围绕中心轴的旋转速度称为进动频率，用拉莫尔频率公式表示W.=r*B.W.进动频率R磁旋比B.静磁场强度进动频率和磁旋比率以及共振频率这三个数据都是一个相同的常数。磁共振产生的条件及物理现象共振产生的三个条件：1必须有一个主动振动的频率2主动振动频率和被动振动的物体固有频率必须相同3主动振动物体应具备一定强度并与被动振动的物体保持一定距离。磁共振必须具备三种磁场才能完成1静磁场2梯度磁场3射频脉冲磁场。静磁场：磁共振设备的大小就是指静磁场的场强数值。磁共振设备的分类：1永磁型磁体一般在0.3T以下。2常导电磁体即常温电磁体场强在0.3T以下3超导电磁体，场强设计在0.35T-2T之间。静磁场除场强外最关键的技术是对它的均匀度的要求。梯度磁场：是指磁场强度按其磁场位置（距离）的变化而改变，呈有规律的线形改变。是由电磁线圈完成的。共有三组可以产生三维空间XYZ方向的梯度磁场。作用：层面选择，质子的空间频率编码（频率编码，相位编码）。梯度磁场的线形改变每厘米约1.0高斯。射频脉冲磁场：也称为射频脉冲RF，是一种以正弦波振荡的射频电波相当于广播FM波段。常用的有90度RF和180度RF。磁共振信号的产生过程：磁共振信号的产生是质子在静磁场取向被磁化后，在RF的作用下，吸收RF的能量，当RF停止时在弛豫过程中释放出能量的信号。横向弛豫：指质子在XY平面向B。靠近的时间过程，XY平面代表横向。横向弛豫时间又称自旋—自旋弛豫时间；简称T2它的时间限定在横向磁化矢量由最大值衰减到37%也就是自由衰减信号振幅的37%水平，T2像反映了组织内氢质子之间的相互作用，它的强度代表了质子数量。纵向弛豫：指纵向磁化矢量由零恢复到63%时的时间称为纵向弛豫时间。纵向弛豫时间也称为自旋—晶格弛豫时间；简称T1T2的弛豫过程：T2的弛豫自RF停止后即发生，弛豫时间受温度静磁场强度氢质子含量和分子运动的影响。T2弛豫的时间标准：横向磁化矢量强度衰减达37%所需的时间T2弛豫的时间特性：T2的弛豫时间比T1要短许多。T1弛豫过程：纵向弛豫，自旋-晶格驰豫，热驰豫。在Z轴方向上的驰豫，与T2的区别还有释放能量的形式不同，在T1驰豫时间内质子的纵向磁化矢量由零增至最大。T1弛豫的特点T1弛豫的时间标准：Z轴的磁化矢量由0增至63%的时间加权：突出重点的影象称为加权像（weightedimage)如（氢）质子加权像也称为质子密度像，T2加权像，T1加权像六磁共振的能量—RF生物体在静磁场中组织被磁化，氢质子由原来的无序状态变为按磁场方向排列取向，在这个过程中虽然氢质子在围绕纵轴进动也会发出微弱的信号，但是由于太微弱无法利用。因此在磁共振系统中必须给质子施加一个另外的能量，这就是射频脉冲。RF是高频无线电脉冲，即正弦的交变磁场。它的频率是以磁场中的质子进动频率为中心频率，由频谱仪控制以通断脉冲方式工作。RF的强度加强或作用时间增加都会影响进动质子偏离Z轴的角度，常用的RF序列的角度为90度和180度。通过射频脉冲的角度和回波时间TE及脉冲重复时间编排组合，可以形成多种脉冲序列，磁共振检查中最常见的RF有自旋回波脉冲序列（spin-echo)简称SE序列反转恢复脉冲序列（Inversionrecovery）简称IR序列部分饱和脉冲序列（partialsaturationrecovery)简称SR序列和梯度回波脉冲序列（Gradientecho)简称GE序列等自旋回波脉冲序列在SE序列中应用一系列有规律的90度及180度RF，去间歇性的激励组织中的氢质子在静磁场中的磁化向量，改变质子的磁极方向，当RF停止时，质子在弛豫过程中发出MR信号，接受线圈感应出信号电压，最后重建成磁共振图像。特点是先施加一个90度RF，过10-100MS的间隔时间，再发射一个180度RF然后测量回波信号的强度。TE：自90度RF开始至回波的出现来测量回波时间（echotime)TR:施加一个90度RF到施加第二个90度RF的间隔时间，也就是90度RF的重复时间（Repetitiontime)部分饱和脉冲序列部分饱和脉冲序列（Partialsaturationrecovery)简称SR又称饱和恢复脉冲序列，它是二个90度RF组成的等间隔的脉冲序列。在每个90度RF给出后即开始采集信号，从而形成多次的重复的FID信号。增加90RF的次数可以改善SNR，但是延长了扫描时间。反转恢复脉冲序列IR脉冲的特点是从扫描信号中删去T2信号，更有利的突出T1，它可以显示更细致的解剖结构。先施加180度脉冲，随后间隔500ms（相当组织的T1时间）再给一个90度脉冲。随后出现FID信号。IR序列的图象对比取决于质子密度，组织的T1及90度RF的间隔时间。短的间隔时间，信号强度差别不大，它只反映质子密度。选用长的间隔时间信号幅度大，对比较强，所以延长TR可以获得高对比度（限定1500ms)七磁共振信号的空间定位