第五章 磁共振成像(new)

第五章磁共振成像内容梗概•磁共振信号与加权图像•磁共振图像重建•快速成像序列•磁共振血管成像•磁共振图像质量评价第一节磁共振信号与加权图像MRI成像•含奇数质子的原子核均在其自旋过程中产生自旋磁动量，即磁矩以矢量描述.•核磁矩的大小是原子核的固有特性，它决定MRI信号的敏感性.•氢原子核只有单一质子具有最强的磁矩•氢质子在人体内分布广，数量多，MRI均选用氢为靶原子核.人体质子在磁场中共振现象MRI成像基本原理o外来射频脉冲停止后，由M0产生的横向磁化矢量在晶格磁场作用下由XY平面逐渐回复到Z轴。o同时以射频信号的形式放出能量。o发出的射频信号被体外线圈接受。o经计算机处理后重建成图像。MRI应用中常用概念•驰豫：指磁化矢量恢复到平衡态的过程.•磁化矢量越大，MRI探测到的信号越强.MRI应用中常用概念•T1时间：测量纵向驰豫的时间。•定义：纵向磁化矢量从最小恢复至平衡态的63%所经历的驰豫时间。•不同的组织T1时间不同，产生MR信号强度上的差别，图像上为灰阶的差别。MRI应用中常用概念•T2时间：测量横向驰豫的时间。•定义：横向磁化矢量从由最大衰减至37%所经历的驰豫时间。•不同的组织T2时间不同，产生MR信号强度上的差别，图像上为灰阶的差别。MRI成像技术采用不同的扫描序列和成像参数T1加权像、T2加权像、质子加权像自旋回波（SE）、梯度回波、平面回波等MRI图像特点主要反映组织间的信号强度。T1加权像反映组织间T1的差别，有利于观察解剖结构。T2加权像反映组织间T2的差别，显示病变组织好。自旋回波（SE）：重复时间（TR）回波时间（TE）加权成像TR（ms）TE（ms）T1WI短=500短=30T2WI长=2000长=60PdWI长=2000短=3016自旋回波序列自旋回波信号的产生过程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施加1800射频脉冲，质子进动反向,相位开始重聚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，横向磁化最大此时的线圈感应信号即为自旋回波信号磁共振检查技术术语•平扫（T1WI、T2WI、PDWI）•增强（T1WI）•动态增强（DynamicMR）•磁共振血管造影（MRA）•脂肪抑制成像（STIR)•水抑制成像（FLAIR）•水成像（MRCP、MRU、MRM）•灌注成像（Perfusion）•弥散成像（Diffusion）•功能成像（functionMR）18加权图像(imagingweighting，IW)在MRI中，当不考虑血流显像时，成像参数为ρ、T1、T2；把血流显像考虑进去时，成像参数为T1、T2、v、ρ。出于分析图像的方便，希望一帧MRI的断面图像主要由一个成像参数决定，这就是MRI中图像加权的概念。19第二节磁共振图像重建•组成灰度数字图像的基本单元是像素•像素只有两个基本信息：像素位置信息和像素灰度信息•像素位置信息表示图像中的该像素对应人体内的体素位置•像素灰度信息表示对应体素的检测信息的强度•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进行位置对应的手段不同不同成像手段的检测信息不同对磁共振而言,检测的生物体信息是磁共振信号20•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X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21人体的三面示意图横断面冠状面矢状面22空间的三维水平磁场垂直磁场B0（Z）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方向一般永磁体产生垂直磁场，垂直方向为Z方向，人体长轴一般定义为X方向YZXZXY23在Z方向叠加梯度场可以选择层面，RF的频带宽度与梯度强度共同决定层厚。选层梯度Gs层厚与梯度强度成反相关层厚与射频频宽成正相关24选层梯度Gsvvv0频率范围即频宽Δv很小，用于选层激励xxsin25选层梯度Gs－回归脉冲在层内的自旋核可以处在不同的z上，其旋进的速度不同，使自旋核进入去相位状态，使Mxy衰减，为此常常在梯度磁场脉冲之后，加入—个与其方向相反的梯度磁场脉冲，称为回归脉冲，使自旋核的相位回归，以减少信号测量的损失。26在X方向叠加一线性梯度场，可使沿X向质子所处磁场线性变化,从而共振频率线性变化,将采集信号经傅立叶变换后即可得到频率与X方向位置的线性一一对应关系.频率编码梯度Gf（读出梯度Gro）成像层面的X向位置采集信号经傅立叶变换后的频谱二者一一对应27相位编码梯度GpGp施加之前,质子沿Y向进动频率相位均相同施加GP,质子沿Y向所受磁场线性,进动频率线性,相位线性Gp结束后,Y向磁场均匀,质子进动频率一致,但线性相位保留下来,并与Y向位置一一对应28三梯度施加时序(SE序列为例,采集矩阵128*128)RF:Gs:Gp:Gro:SIG:射频激励脉冲选层梯度相位编码梯度,需要反复施加128次,且幅度线性变化频率编码梯度,又称读出梯度回波信号FID信号29体层图像重建的时间估计•在MR图像重建中，沿相位编码方向排列的体素个数决定了在一个成像周期内相位编码的重复次数，这是MRI成像速度较慢的主要原因。•在SE序列中完成一个层面的成像时间Td可估计为：Td＝TR×矩阵大小×n脉冲重复时间重复测量次数提高测量的精度30K空间与磁共振图像重建•K空间:抽象的频率空间,是一个以空间频率为坐标轴的空间坐标系所对应的空间。•时间频率：单位时间内波动的周期数(Hz)。•空间频率：沿空间某一方向单位距离内波动的周期数（Hz/cm），是一个矢量。•K空间的空间频率分布是中心频率为零，距中心频率越远，频率越高。31磁共振信号的空间频率•均匀的静磁场中，MR信号是一个具有单一旋进频率的波动信号，不含任何空间位置信息和空间频率信息。•使用了梯度磁场之后，MR信号就具备了空间位置信息和空间频率信息。•采集到的MR信号，根据其相应的空间频率放到K空间相应的位置中，不同空间频率的MR信号放入K空间中不同的位置。32K空间的性质储存在K空间不同位置的MR信号对图像的贡献不同。中心部分对应的MR信号空间频率低，幅度大，主要形成图像对比度。外围部分对应的MR信号空间频率高，幅度小，主要形成图像的分辨力。kxkyK空间的性质•Ky＝0的中央行，MR信号是在Gy=0时获得的，不存在相位编码梯度磁场产生的散相，信号的幅度也就最大；•Kx=0的中央列，kx=0，MR信号采集时正好是每个回波的中心，因而幅度最大。34k-spaceandtheMRImagexyf(x,y)kxkyK-spaceF(kx,ky)Image-spaceduality35k-spaceandtheMRImage•eachindividualpointintheMRimageisreconstructedfromeverypointinthek-spacerepresentationoftheimage•allpointsofk-spacemustbecollectedforafaithfulreconstructionoftheimage36DiscreteFourierTransformF(kx,ky)isthe2DdiscreteFouriertransformoftheimagef(x,y)xyf(x,y)kxkyK-spaceF(kx,ky)fxyNFkkexkykkkxyjNxjNyNNyx(,)(,)12220101image-space37k-spaceandtheMRImage•Iftheimageisa256x256matrixsize,thenk-spaceisalso256x256points.•Theindividualpointsink-spacerepresentspatialfrequenciesintheimage.•Contrastisrepresentedbylowspatialfrequencies;detailisrepresentedbyhighspatialfrequencies.38lowspatialfrequencieshighspatialfrequenciesallfrequencies39WavesandFrequencies•simplestwaveisacosinewave•properties–frequency(f)–phase()–amplitude(A)fxAfx()cos()240CosineWavesofdifferentfrequencies-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8141CosineWavesofdifferentamplitudes-4-3-2-10123442CosineWavesofdifferentphases-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8143k-spaceRepresentationofWavesimagespace,f=4k-space-128-96-64-32032649612844k-spaceRepresentationofWavesimagespace,f=16k-space-128-96-64-32032649612845k-spaceRepresentationofWavesimagespace,f=64k-space-128-96-64-32032649612846ComplexWaveformSynthesisf4+1/2f16+1/4f32Complexwaveformscanbesynthesizedbyaddingsimplewavestogether.47k-spaceRepresentationofComplexWavesf4+1/2f16+1/4f32-128-96-64-320326496128imagespacek-space48k-spaceRepresentationofComplexWaves“square”waveimagespacek-space-128-96-64-32032649612849Reconstructionofsquarewavefromtruncatedk-spacetruncatedspace(16)imagespacek-space-128-96-64-320326496128reconstructedwaveform50Reconstructionofsquarewavefromtruncatedk-spacetruncatedspace(8)imagespacek-space-128-96-64-320326496128reconstructedwaveformThemostimportantsegmentofk-spaceisthemiddle.51Reconstructionofsquarewavefromtruncatedk-spacetruncatedspace(240)imagespacek-space-128-96-64-320326496128reconstructedwaveformThemostimportantsegmentofk-spaceisthemiddle.52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Amplitude53二维傅立叶变换重建54第四节磁共振血管造影(magneticresonanceangiography,MRA)应用价值•利用流动血液的MR信号与周围静止组织的MR信号差异建立图像对比度。•利用MR信号差异也可以用来测量血流速度、观察血流状态的特征。56飞越时间和流入性增强－以SE序列为例血液流动造成的MR信号改变