磁共振成像

医学影像成像原理医学影像成像原理医学影像成像原理第七章磁共振成像雍国富遵义医药高等专科学校韩立天津医科大学第一节磁共振成像工作流程第二节磁共振成像原理第三节磁共振成像序列第四节血流的磁共振信号特点第五节磁共振图像质量第六节磁共振成像新技术学习目标1.掌握磁共振成像的物理基础；图像信息的产生；图像的空间定位。2.熟悉磁共振成像的概念、特点；磁共振的血流信号特点。3.了解了解脉冲序列的构成及其特点；影响磁共振图像质量和信号强度的因素。第一节磁共振成像工作流程一、磁共振成像定义及特点磁共振成像定义磁共振成像是利用特定频率的射频(RF)脉冲对置于磁场中含有自旋不为零的原子核的物质进行激发，而产生核磁共振现象，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数字图像的成像方法。磁共振成像的特点①以射频脉冲作为成像的能量源，对人体安全、无创；②图像对脑和软组织分辨力极佳，解剖结构和病变形态显示清楚、逼真；③多方位成像；④多参数成像，多序列成像；⑤选择性成像，通过参数、成像序列的选择或应用特殊成像技术，可以选择或抑制人体组织的磁共振信号，进行选择性成像；⑥除了能进行形态学研究外，还能进行功能、组织化学和生物化学方面的研究。磁共振成像的局限性①空间分辨力低，细小病变不易显示，不适宜对微小病变的观察。②成像速度慢，不利于对危重患者及不合作患者检查。③禁忌证多，装有心脏起搏器、动脉瘤夹、金属假肢等患者不宜进行磁共振检查。④不能进行定量分析。⑤多种伪影因素，⑥磁共振成像设备价格相对昂贵。二、磁共振成像基本硬件主磁体梯度线圈脉冲线圈计算机系统其他辅助设备三、磁共振成像工作流程扫描前准备初使扫描选用预先设定的协议进行扫描原始数据应用专业数据处理软件处理诊断所需图像第二节磁共振成像原理一、发生MR现象的基本条件磁共振信号的产生必须满足三个条件：①具有磁矩的自旋原子核；②稳定的静磁场；③特定频率的射频脉冲。（一）原子核的自旋与磁矩1.原子核的自旋和电磁场自旋：原子核总以一定的频率绕着自己的轴进行高速旋转。带有正电荷的原子核自旋产生的磁场称为核磁。自旋运动能够产生核磁的原子核称为磁性原子核。磁性原子核需要符合以下条件：（1）中子和质子均为奇数；（2）中子为奇数，质子为偶数；（3）中子为偶数，质子为奇数。带有正电荷的质子自旋产生一个与自旋同轴的电磁场，具有大小和方向。磁场的方向可由环形电流的法拉第右手螺旋法则确定。2.原子核的磁矩•磁矩是一个矢量，有大小和方向。•只有具备磁矩不为零的原子核才能在一定的条件下发生磁共振现象。•任何存在奇数质子、中子或者质子数与中子数之和为奇数的原子核均存在磁矩。•氢（1H）原子核内只有一个质子，因而氢原子核具有磁矩。•人体含有丰富的氢原子，人体的磁共振成像又称为质子成像。（二）静磁场1.静磁场的作用把人体放入一个强大的静磁场(B0)中将会出现下述现象：①质子将沿着B0的方向排列，产生净磁化矢量；②质子在自旋的同时，以B0的磁力线为轴进行“进动”或称为“旋进”。2.静磁场的类型（1）根据磁体的设计分类①常导型磁体；②超导型磁体；③永磁型磁体（2）根据磁体的场强分类①超高场(4.0～7.OT)；②高场(1.5～3.0T)；③中场（0.5～1.4T)；④低场(0.2～0.4T)；⑤超低场(0.2T)。（三）射频脉冲射频脉冲(RF)属于电磁波谱内无线电波的频率范围，它在磁共振中仅做短暂的发射。1.射频脉冲的作用（1）翻转纵向磁化矢量（2）形成横向磁化矢量2.射频脉冲的特征（1）频率使进动频率与RF脉冲频率相同的质子发生磁共振。（2）带宽频率的范围，决定扫描时的层面厚度及预饱和。（3）强度和作用时间决定Mz的翻转角度。人体置于静磁场(B0)中，体内的氢质子将会沿B0的方向排列，且绕B0轴进行进动产生纵向磁化矢量Mz。如果向人体发射一个90°射频脉冲，Mz被翻转到XY平面，形成MXY。如果我们在XY平面内设置一个线圈，进动的MXY将在线圈内产生电流，这就是磁共振信号二、磁共振信号的产生（一）相位的概念1.相位：平面内旋转的矢量与某一参照轴的夹角称为相位。多个矢量在空间的方向一致时称同相位；多个矢量在空间的方向不一致时称离相位；由不同相位达到同相位的过程称聚相位；由同相位变成不同相位的过程称失相位2.磁场中自旋之间的相位自旋质子的磁矩在Z轴的矢量将始终指向同一方向（即同相位）。自旋质子的磁矩在XY平面内的矢量随机分布处于不同的方向（即离相位）。（二）自旋质子弛豫1.弛豫的概念指自旋质子的能级由激发态恢复到它们稳定态（平衡态，平衡态定义为可能达到的最低状态）的过程。弛豫过程：①纵向弛豫，即纵向磁化矢量Mz逐步恢复的过程；②横向弛豫，即横向磁化矢量MXY逐步消失的过程。2.纵向弛豫（1）纵向弛豫机制（2）纵向弛豫时间T1＝纵向磁化矢量从最小恢复到平衡态磁化矢量63％的时间不同组织的T1值是不同的。静磁场(B0)强度不同，同一组织的T1值也不同。B0场强越大，组织的T1值越大。3.横向弛豫（1）横向弛豫机制（2）横向弛豫时间T2＝横向磁化矢量衰减至最大值37%的时间（3）T2＊弛豫：T2＊称为准T2或有效弛豫时间。指在不均匀的B0中的横向弛豫称为T2＊弛豫。（三）自由感应衰减信号三、磁共振信号的空间定位（一）梯度磁场的概念梯度磁场是个随位置并以线性方式变化的磁场，与静磁场(B0)叠加后，可以暂时造成磁场的不均匀，使沿梯度方向的自旋质子具有不同的磁场强度，产生不同的共振频率，因此获得关于位置的信息。梯度磁场是由置于磁体内的额外线圈所产生的，这种线圈叫做梯度线圈。位于磁体内的梯度线圈一般为成对线圈。每对线圈内的电流大小相等，但极性相反。一对线圈在一个方向上产生一个强度呈线性变化的梯度磁场。在X、Y、Z方向上分别施加一个梯度称为：①层面选择梯度(GZ)；②频率编码或读出梯度(GX)；③相位编码梯度(GY)。习惯上取层面选择方向为Z，频率编码方向为X，相位编码方向为Y。对于不同的成像平面，X、Y、Z的取向是不同的。（二）层面选择1.层面位置选择通过改变射频脉冲的中心频率，可以按需要的顺序激发不同的层面。2.层面厚度选择改变射频脉冲的带宽或梯度磁场的斜率，可以选择不同层面的厚度。（三）空间编码1.频率编码频率编码的目的就是为了区分信号来自于扫描矩阵中的那一列。使沿X轴的空间位置信号具有频率特征而被编码，最终产生与空间位置相关的不同频率的信号。2.相位编码在Y方向上施加一个梯度，对信号进行编码，以确定信号来自二维空间的行的位置。这个梯度称为相位编码梯度。相位编码梯度应用于层面激发之后，频率编码读出信号之前。由于对二维空间的信号进行了相位编码和频率编码，在信号读出时，每个像素产生的信号就具有唯一的一个相位和频率的组合。MR系统对相位的识别有限，每次激发只能识别一种相位，所以要完成多行的数据采集，必须对同一个层面重复进行多次激发和相位编码，这就是MR成像需要较长时间的原因。相位编码和频率编码的方向是可以变换的，一般取图像矩阵中数值小的方向作为相位编码方向。四、磁共振的加权成像（一）“加权”的含义加权是指重点突出某方面特性，通过调整成像参数，使图像主要反映组织某方面特性，而尽量抑制组织其他特性对磁共振信号的影响。T1加权成像（T1WI）重点突出组织纵向弛豫差别；T2加权成像（T2WI）重点突出组织的横向弛豫差别；质子密度加权成像（PDWI）则主要反映组织的质子密度的差异。（二）T1加权成像在T1WI上，组织的T1值越小，其磁共振信号强度越大。（三）T2加权成像在T2WI上，组织的T2值越大，其磁共振信号强度越大。（四）质子密度加权成像质子密度越高，磁共振信号强度越大。五、K空间的基本概念（一）K空间的基本概念K空间也称傅里叶空间，是带有空间定位编码信息的磁共振信号原始数据的填充空间。每一幅磁共振图像都有其相应的K空间数据。（二）K空间的基本特性（1）K空间中的点阵与图像的点阵不是一一对应的，K空间中每一点包含有扫描层面的全层信息；（2）K空间在Kx和Ky方向上都呈现镜像对称的特性；（3）填充K空间中央区域的磁共振信号（K空间线）主要决定图像的对比，填充K空间周边区域的磁共振信号（K空间线）主要决定图像的解剖细节。（三）K空间的填充方式常规磁共振成像序列中，K空间最常采用的填充方式为循序对称填充。第三节磁共振成像序列一、脉冲序列脉冲序列：指具有一定带宽、一定幅度的射频脉冲与梯度脉冲组成的脉冲程序。一般脉冲序列由五个部分构成，即射频脉冲、层面选择梯度场、相位编码梯度场、频率编码梯度场及磁共振信号。（一）时间相关的概念1.重复时间两个激发脉冲间的间隔时间。2.回波时间激发脉冲与产生回波（即读出信号）之间的间隔时间。3.有效回波时间900脉冲中点到填充K空间中央的那个回波中点的时间间隔。4.回波链长度指一次900脉冲激发后所产生和采集的回波数目。5.回波间隙指回波链中相邻两个回波中点间的时间间隙。6.反转时间把1800反转预脉冲中点到900脉冲中点的时间间隔称为TI。7.信号激励次数信号激励次数(NEX)也称平均次数(NSA)。通过增加采集次数，可对噪声进行平均，降低噪声对图像质量的影响。8.采集时间指整个脉冲序列完成信号采集所需要时间。（二）空间分辨力相关的概念1.层厚层面越厚，产生的信号越多，信噪比越高，垂直于层面方向的空间分辨力越低2.层间距指层面之间的间隔。3.矩阵指磁共振图像层面内行和列的数目，也就是频率编码和相位编码方向上的像素数目。4.视野由跨越图像的水平和垂直两个方向的距离确定的。5.矩形视野前后径短左右径长的矩形视野（三）翻转角翻转角是指在射频脉冲的作用下，组织的宏观磁化矢量M0偏离平衡状态（B0方向）的角度。二、自旋回波脉冲序列自旋回波序列简称SE序列，是目前磁共振成像最基本的脉冲序列。SE序列采用90°激发脉冲和180°复相脉冲进行成像。SE序列是磁共振成像的经典序列，在临床上得到广泛应用，具有以下优点：①序列结构比较简单，信号变化容易解释；②图像具有良好的信噪比；③图像的组织对比良好；④对磁场的不均匀敏感性低，因而磁化率伪影很轻微；⑤利用SE序列进行T1WI，采集时间一般仅需要2～5分钟。SE序列也存在着一些缺点：①900脉冲能量较大，纵向弛豫需要的时间较长，需采用较长的TR（特别是T2WI），且一次激发仅采集一个回波，因而序列采集时间较长，T2WI常需要十几分钟以上；②由于采集时间长，体部磁共振成像时容易产生伪影；③采集时间长，因而难以进行动态增强扫描；④为减少伪影，NEX常需要2以上，进一步增加了采集时间。三、快速自旋回波脉冲序列快速自旋回波（FSE或TSE）序列是对多回波SE序列的改良。FSE序列中，每个TR时间内获得多个彼此独立的不同的相位编码数据，即形成每个回波所要求的相位梯度大小不同，采集的数据可填充K-空间的几行，最终一组回波结合形成一幅图像，从而缩短了扫描时间。FSE序列减少了运动伪影和磁敏感性伪影，能提供比较典型的PDWI和重T2WI。FSE序列影像的主要缺点是，T2WI的脂肪信号高于普通SE序列的T2WI。四、反转恢复脉冲序列反转恢复（IR）序列是最早应用的脉冲序列。目前IR序列除用于重T1WI外，主要用于两种特殊的磁共振成像，即脂肪抑制和水抑制序列。IR序列中，每一种组织处于特定的TI时（称为转折点），该种组织的信号为零。组织的转折点所处的TI值依赖于该组织的T1值，组织的T1越长，该TI值就越大，即TI的选择要满足在90°脉冲发射时，该组织在负Z轴的磁化矢量恰好恢复到０值，因此也没有横向磁化矢量，图像中该组织的信号完全被抑制。五、梯度回波脉冲序列梯度回波（GRE）序列也称为场回波序列（FE）。GRE序列是目前磁共振快速扫描序列中最为成熟的方法，不仅可缩短扫描时间，而且图像的空间分辨力和SNR均无明显下降。六、回波平面成像序列回波平面成像（EPI）序列是一种快速成像序列，它代表了目前临床上扫描速度最快的磁共振成像技术，它可以在大约30～100ms内读出并收集一幅磁共振图像所需要的所有数据。第四节血流的M