磁共振成像设备

1本章学习提示(direction)•[目的要求]•了解磁共振现象及其发展过程与未来技术的进展趋势•掌握磁共振的物理原理及空间定位的主要基本原理•掌握磁共振设备的主要构成部件及其成像工作原理•掌握磁共振各部件的性能参数对成像质量的影响•掌握磁共振各成像参数的优化原则和提高磁共振检查速度的方法•了解MRI的成像序列及其诊断特点•熟悉磁共振成像质量控制的主要方法及原理2本章学习提示(direction)•参考书(references):–《医学影像设备》–《磁共振原理》–《磁共振成像系统的原理及其应用》–《现代生物医学工程》–《医学诊断数字影像技术》–《数字成像技术》–《磁共振成像入门》–《医学影像物理学》3思考题(problem)•1共振的本质是什么？•2MR医学成像的依据是什么？为什么？•3射频的作用是什么？如何发生作用？4引言•磁共振成像技术是根据生物体磁性核(氢核)在磁场中的表现特性成像的高新技术。•磁共振成像设备是磁体技术、超导技术、低温技术、电子技术和计算机等相关技术发展的综合体现。5引言•磁共振原理最初主要用于测量物质的物理和化学特性，确定分子结构，进行生化和代谢过程的研究。•目前，磁共振成像以其丰富的影像信息、任意的几何参数、灵活的技术参数来满足不同的诊断需要而成为重要的影像检查手段。6先驱者•1905年，爱因斯坦的质能联系定律(E=mc2)说明了质量和能量的同一性。•1911年，卢瑟福在粒子散射实验基础上提出核型结构：原子核集中全部正电荷及大部分质量。汤普森证实了核外电子的存在。•1913年，玻尔把量子概念应用于原子系统。斯特恩建立测量磁偶极子运动的装置。7先驱者•1924年，泡利认为原子核中存在着角动量和核磁矩，可能是原子核和核外电子相互耦合的结果，提出核磁共振一词，拉比设计和完成世界上第一个核磁共振实验。•1920年，斯特恩和盖拉赫发现，当原子束通过不均匀磁场时，相对于磁场的取向而偏转•1930年，该二人观测到十分微弱的核磁矩。•1937年，拉瑟里尤和舒伯尼科用传统的方法测出氢的核磁矩值，被认为的最早发现核磁现象的人。8先驱者•Bloch及Purcell分别同时（1946年）检测到大块物质内核磁共振吸收，更清楚地阐述了原子核自旋(Spin)的存在，为此，他们共同获得了1952年诺贝尔物理学奖。•FelixBlochandEdwardPurcell,bothofwhomwereawardedtheNobelPrizein1952,discoveredthemagneticresonancephenomenonindependentlyin1946.•1946年，布洛赫及其合作者在斯坦福大学做了水的核磁共振实验。9•1946年，珀塞尔及其同事在哈佛大学进行了石腊的核磁共振实验。•美国纽约州立大学的一位富有想象力的物理学家和内科医生。1988年获里根颁赠的国家技术勋章。•1971年，达马迪安(RaymondDamadian)发现正常组织与恶性组织的NMR信号明显不同。•In1971RaymondDamadianshowedthatthenuclearmagneticrelaxationtimesoftissuesandtumorsdiffered,thusmotivatingscientiststoconsidermagneticresonanceforthedetectionofdisease.10•美国伊利诺大学的物理学家，1988年和达马迪安一起获里根颁赠的国家技术勋章。•1973年，Lauterbur改良了频谱仪，在磁场内形成线性变化的梯度，提供空间编码信号。首次进行了不均匀物体（两试管水）的磁共振成像。•MagneticresonanceimagingwasfirstdemonstratedonsmalltesttubesamplesthatsameyearbyPaulLauterbur•1973年，与劳特伯几乎同时、但又分别独立地发表磁共振成像论文的还有英国诺丁汉(Nottingham)大学的曼斯菲尔德(PeterMansfield)等学者，均认识到线性梯度场获取核磁共振的空间分辨率是一种有效的解决方案。11•In1975RichardErnstproposedmagneticresonanceimagingusingphaseandfrequencyencoding,andtheFourierTransform.•In1991,RichardErnstwasrewardedforhisachievementsinpulsedFourierTransformNMRandMRIwiththeNobelPrizeinChemistry.12发展及趋势•1976年PeterMansfield首次报导了活人体图像；•1977年描述了手与胸部图像。13发展及趋势•1978年报导了头和腹部图像•超导全身成像仪发明后，迅速认识到MR系统能够产生好的软组织对比，优于其它成像技术14发展及趋势•1983年，MR的硬件及软件的改进，已经可以获得全身成像系统产生小于1mm的空间分辨率，总成像时间仅数分钟的高对比图像15发展及趋势•磁共振显微成像（MRM）–磁共振显微成像是利用磁共振现象以产生显微镜观察水平上的MR信号图像的一种专门技术。–活体MRM，可用于对小动物的基础生理学、病理生理学及药物的筛检和毒理学研究，MRM在植物生理、病理以及材料科学中的应用也较广泛。通过与组织标本的对照，磁共振组织学成像的一些应用新领域正在不断拓展。16发展及趋势•磁共振实时成像–MR实时成像是在MR快速和超快速成像技术基础上发展而来的其发展适应了当今微创外科和要求，便利MR介入成为可能。•GE公司开发的双子星结构，其磁体纵向平行排列，中间“裂隙”方便介入操作17发展及趋势•磁共振功能成像–磁共振功能成像是随着快速成像技术的发展而兴趣的成像新领域，是相对于形态学诊断而言的。包括弥散、灌注加权成像、皮质功能定位及MR波谱成像等。3DFMRIofAuditoryCortex18发展及趋势•脑磁图–脑磁图是通过测定脑血流所产生的磁场变化用以标测皮质脑功能状态的新技术。•磁共振淋巴造影–磁共振淋巴造影是通过皮下注射超顺磁性造影剂，以产生阴性对比的新技术。19发展及趋势•磁共振氧测量技术–磁共振氧测量是运用MRI方法测定氧张力和与氧合作用相关参数的新技术。–对脱氧血红蛋白所致磁场不均进行测定，以获得脱氧血红蛋白浓度，从而推算出其氧合状态。20•心脏和血管成像–MR血管成像最初是应用流动血液的内在对比，近年提出造影剂增强三维扫描成像技术，目前已能在屏气时完成感兴趣区血管成像，成像时间与造影剂到达感兴趣的血循环时间相吻合。•磁共振弹性成像–采用相位对比MR成像序列，运用环状运动编码梯度对某物体内不断传播的听力内剪波的空间分布进行成像的技术，可用来评价人体骨骼肌的机械特性及人脑灰、白质的弹性系数。21发展及趋势•超极化气体MR成像–是指通过吸入碱性金属粉末与惰性气体的混合物如铷和3He或129Xe以显著地增强磁化，即达到超极化，然后进行MRI检查的新技术。–单一的超极化气体3He的密度图像对显示慢性阻塞性肺部疾患特别有效。22发展及趋势•预极化MR成像–通常情况下低场阻抗MR能提供的图像信噪比很差，如果自旋极化在瞬间可达到较高值，则可在低场磁体上实现高场磁体所具备的图像信噪比，这种概念命题预极化MRI。–由于磁体不需要很均匀，因而可采用便宜的电磁体。23MRITimeline•1946MRphenomenon-Bloch&Purcell•1952NobelPrize-Bloch&Purcell•1960NMRdevelopedasanalyticaltool•1972ComputerizedTomography•1973BackprojectionMRI-Lauterbur•1975FourierImaging-Ernst•1980MRIdemonstrated-Edelstein•1986GradientEchoImaging、NMRMicroscope•1988Angiography-Dumoulin•1989Echo-PlanarImaging•1991NobelPrize-Ernst•1994Hyperpolarized129XeImaging24磁共振物理基础•核的磁性（nuclearmagnetsm)–带有不对称电荷（electriccharge)分布的粒子的自旋(spin)，感应(interaction)产生符合右手螺旋定则的磁场(megneticfield)，25具有磁矩的快速自旋核可以看成为极小磁棒,图中磁矩(magneticvector,μ)表示其大小及方向•Thinkofthespinofthisprotonasamagneticmomentvector,causingtheprotontobehavelikeatinymagnetwithanorthandsouthpole.磁共振物理基础26磁共振物理基础27PropertiesofSpin•WhenplacedinamagneticfieldofstrengthB,aparticlewithanetspincanabsorbaphotonoffrequencyƒ.Thefrequencydependsonthegyromagneticratio,oftheparticle.•ƒ=B•Forhydrogen,=42.58MHz/T.磁共振物理基础28磁共振物理基础磁化（magnetization)前后的原子核核的磁矩按照布郎运动原理随机取向29磁共振物理基础静止磁场内，这些磁偶极子倾向于与使用的磁场顺向平行或逆向平行取向排列30磁共振物理基础•低能级(energylevel)方向排列较高能级方向略占优势，产生沿外磁场方向排列的净磁化。•ThereisalowenergyconfigurationorstatewherethepolesarealignedN-S-N-S•andahighenergystateN-N-S-S.31磁共振物理基础32Transitions•Thisparticlecanundergoatransitionbetweenthetwoenergystatesbytheabsorptionofaphoton.Theenergyofthisphotonmustexactlymatchtheenergydifferencebetweenthetwostates.Theenergy,E,ofaphotonisrelatedtoitsfrequency,ƒ,byPlank'sconstant(h=6.626x10-34Js).•E=hƒ•InNMRandMRI,thequantityƒiscalledtheresonancefrequencyandtheLarmorfrequency.磁共振物理基础33磁共振物理基础净(net)磁矩的矢量描述：磁矢量的合成：宏观磁化矢量。34•AdaptingtheconventionalNMRcoordinatesystem,theexternalmagneticfieldandthenetmagnetizationvectoratequilibriumarebothalongtheZaxis.35磁共振物理基础•磁矩的分解36磁共振物理基础静磁场中质子(proton)的状态37磁共振物理基础38磁共振物理基础磁矩与外磁场(Bo)方向不完全一致•在外加磁场中，核自旋矢量经历转矩作用，又称作耦合,引起自旋以一定频率围绕外磁场轴旋转。类似地球引力场内的一个旋转陀螺运动，称为拉莫尔进动（Larmorprocess)，ω=γBo39磁共振物理基础40磁共振物理基础41磁共振物理基础射频(radiationfrequency)脉冲形成射频场B1一种短促的无线电波，与感兴趣核的拉莫尔频率一致42磁共振物理基础共振的本