磁共振成像基础知识

磁共振成像概述磁共振成像的历史•1946年，美国斯坦福大学的Bloch和哈佛大学的Purcell发现了物质的核磁共振现象•1978年，英国诺丁汉大学和阿伯丁大学的物理学家获得了第一幅人体头部的核磁共振图像•后来为了区别核医学成像，不引起误解，将核磁共振成像（NMR）称为磁共振成像（MRI）MRI扫描仪的基本硬件构成一般的MRI仪由以下几部分组成–主磁体–梯度线圈–脉冲线圈–计算机系统–其他辅助设备主磁体主磁体为一种外加磁场，磁共振成像就是在这种外加磁场内进行的。按主磁体的类型不同，可将磁共振成像仪分为以下三种类型：1.永磁型2.常导型3.超导型永磁型优点：1.造价与维护费用更低，不耗电，不需冷冻剂；2.磁力线垂直于孔腔，使用螺旋管线圈，可提高信噪比。缺点：1.场强较低，0.3-0.35T；2.重量过大；3.磁场均匀性受室温的影响大，对室温要求高（波动范围＜1℃）；4.成像速度慢。常导型优点：1.造价低；2.磁体重量轻；3.磁场可关闭缺点：1.耗电量大；2.场强低0.2-0.4T；3.产热量大，需大量循环水冷却；4.磁场均匀性受磁体温度的影响大。超导型优点：1.场强高(0.5-3.0T)；2.磁场稳定均匀；3.成像速度快，图象质量好。缺点：1.造价高；2.需要补充液氦和液氮；日常维护费用高。梯度线圈•梯度线圈性能的提高磁共振成像速度加快•梯度线圈性能指标–梯度场强20mT/m–切换率50mT/m.s脉冲线圈•作用：激发人体产生共振；采集MR信号•脉冲线圈的进步显著提高了MR图像的质量计算机系统•用于数据的运算、显示图像、控制扫描。MRI的物理学基础磁共振中的基本物理学概念1、物质是由原子构成的，而原子是由核外电子和原子核组成的。2、不同物质其原子核由不同数目的质子和中子组成。3、氢核内没有中子，只有单个质子，带正电，作自旋运动，产生磁场，并具有极性。人体内含有丰富的氢质子，各自极性排列杂乱无章。目前的MRI都是利用1H核成像4、带正电荷的H质子围绕自身轴旋转,称“自旋”。该自旋轴亦围绕某一轴旋转，称“进动”。•5、人体进入均匀的磁场B0中,杂乱无章的H原子核逐渐按主磁场方向排列并继续进动（进动轴与B0一致），即“磁化”。↑B06、在常温的状态下顺静磁场B0排列的氢质子数比逆向排列者多10-6倍。故净磁化矢量M在Z轴上的分量与静磁场B0方向一致，称“纵向磁化矢量（M0）”。由于各个氢质子进动不同步，故在XY平面上的分量相互抵消，为0。（矢量是具有一定方向和大小的物理量）7、组织净磁化向量即受静磁场的作用（相当于陀螺受到重力作用），也受射频磁场的作用（相当于对陀螺顶端水平方向的弹力）。当有射频磁场（频率单一的电磁波）作用于H质子时，只要射频磁场频率与磁化矢量进动频率相同，H质子吸收其能量，磁化矢量进动角度将会越来越大。8、射频脉冲（RF）愈长，进动角度愈大，可以使进动角度增加到900的RF称900RF。在垂直于主磁场的RF作用下，氢质子同步旋转进动，逐渐从Z轴倒向XY平面旋转，形成新的磁化矢量，称“横向磁化矢量”（或虽然没有完全倒向XY平面，但由于RF的作用，使氢质子旋转进动同步，净磁化矢量在XY平面形成的分量亦称～）。9、组织的磁化矢量是由许许多多质子的成分所构成的，每个质子的进动频率也直接取决于主磁场强度。主磁场强度和磁化矢量进动频率之间遵循拉摩尔方程f=γB0/2πf是进动频率，B0是主磁场强度，γ是磁旋比，对于每一种原子核，磁旋比是一个常数，氢质子的磁旋比约为42.5810、磁化矢量在XY平面旋进，产生变化的磁场，根据法拉第定律，若在磁场内有一个线圈，则会在线圈内产生变化的电流，即MR信号，这是一个释放能量的过程。11、撤消RF后，新建立的横向磁化矢量逐步消失，称“横向弛豫”，反映横向磁化衰减、丧失的过程。其消失至最大值37%所需的时间称该组织的“T2”。13、纵向磁化矢量逐步恢复，称“纵向弛豫”。其反映自旋核把吸引的能量传递给周围晶格所需的时间。其恢复到原来大小的63%所用时间称该组织的“T1”。•提示•不同组织有着不同横向(T2)弛豫或/和纵向(T1)弛豫速度，是MRI显示解剖结构和病变的基础。14、氢质子的上述吸收和释放能量的过程称“共振”，共振的条件是射频脉冲的频率和氢质子的拉莫尔频率一致。MRI形成的基本理论根据拉莫尔方程，质子的进动频率与场强成正比，若（利用梯度磁场）令病人体内空间各点的场强不同，不同空间位置的质子将以不同的频率进动,则产生的MR信号频率也不同，藉之就能确定MR信号产生的部位。梯度磁场由主磁体提供的静磁场，在成像空间内其磁场是均匀的，而梯度磁场却是在静磁场中放入通电线圈，产生新的磁场，使磁场中的一点的磁场比另一点强，从而获得MR成像的位置信息。目前设计的梯度磁场有三种：层面选择梯度磁场，频率编码梯度磁场和相位编码梯度磁场。这三种梯度磁场由三个梯度磁场来完成，这三个梯度磁场的方向均按3个基本轴线（X、Y、Z轴）的方向，联合使用梯度磁场亦可获得任意斜面的图像。通常GZ指人体自头至脚的梯度磁场，GX指左右梯度磁场，GY指前后梯度磁场。层面选择•在固定的主磁场上附加一个线性的梯度磁场，就会在受检体上形成不同共振频率的空间坐标。如右图，在1.0T的磁场中，加入一个梯度磁场，则一端场强高，氢质子共振频率也高，另一端场强低，氢质子共振频率也低。选用不同频率的RF去激励相应位置的质子，就可以达到选择层面的目的。成像平面信号的定位•在平面内是采用频率梯度磁场改变氢质子的进动频率，运用相位梯度磁场短时间作用于氢质子来改变其相位，从而确定各自位置的。傅里叶变换•傅里叶变换的功能是将信号从时间阈值转换为频率阈值，用于“翻译”频率与相位编码的信号成份。通过傅里叶变换每个复合信号都被分解成一系列具体与体素相应的频率成分。•就象一个乐队演出的乐曲，是一个多频率的复合信号，我们的耳朵能够分辨出每一个声调和频率，能区分出钢琴、小提琴及其它乐器，是因为我们的听神经具有傅里叶变换的能力。图像重建如前所述，傅里叶变换可将复合信号的频率和相位成分区分开。故沿着一个平面的两个垂直方向行相位（行）和频率（列）编码，便可得到该层面每个体素的信息。就象电影院座位按排、行编号那样，各个体素由不同的频率和相位组合，在矩阵中有其特有的位置,再由计算机计算出每个体素的灰阶值，就得出一幅MR图像。脉冲序列：是一具有特定时序和幅度的射频脉冲。重要性：控制着系统施加RF脉冲、梯度和数据采集方式，并决定图像的加权、图像质量及对病变显示的敏感性。分类：分三类：SE、IR、GRE脉冲序列SE(Spinecho)脉冲序列1、常规SE序列：是一个以900-1800为序列的脉冲序列，先施加一个900脉冲，继而施加一个1800复相位脉冲使质子相位重聚，产生自旋回波信号。90脉冲间隔时间——TR(TimeofRepetition，重复时间)；90至获取回波的时间——TE(TimeofEcho，回波时间)。•所谓的加权就是“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。在任何序列图像上，信号采集时刻横向的磁化矢量越大，MR信号越强。T1加权成像、T2加权成像短TR、短TE——T1加权像，T1像特点：组织的T1越短，恢复越快，信号就越强；组织的T1越长，恢复越慢，信号就越弱。T1加权像T2加权像长TR、长TE——T2加权像，T2像特点：组织的T2越长，恢复越慢，信号就越强；组织的T2越短，恢复越快，信号就越弱。长TR、短TE——质子密度加权像，图像特点：组织的H越大，信号就越强；H越小，信号就越弱。脑白质：65%脑灰质：75%CSF：97%质子密度加权像常规SE序列的特点•最基本、最常用的脉冲序列。•得到标准T1WI、T2WI图像。•T1WI观察解剖好。•T2WI有利于观察病变，对出血较敏感。•伪影相对少（但由于成像时间长，病人易产生运动）。•成像速度慢。2、FSE脉冲序列原理：FSE脉冲序列，在一次900脉冲后施加多次1800复相位脉冲，取得多次回波并进行多次相位编码，即在一个TR间期内完成多条K空间线的数据采集，使扫描时间大大缩短。在一次成像中得到同一层面的不同加权性质的图像。FSE序列时序图•扫描参数：T1WI--短TE，20msTR,300～600msETL—2～6T2WI--长TE，100长TR，4000ETL—8～12•优点：时间短，显示病变。•缺点：对出血不敏感，伪影多等。FSE序列T1WI和T2WI反转恢复序列(InverseRecovery,IR)IR序列是用来得到最佳T1像的成像序列。IR序列是由一个180°反转脉冲使Mz0反转，此后脉冲同SE序列。180-90-{180-Echo}n180°脉冲反转脉冲结束后，无MXY的存在，MZ开始恢复，等MZ过了0点后，在时刻t=TI(TimeofInversion反转时间)，再施加一个90°脉冲(此后的脉冲方式同SE)，再施加180°脉冲，就可以得到回波信号。IR序列的TR一般为1800～2500ms，而TI=400～600ms。IR序列M的变化过程IR序列特点IR序列具有强T1对比特性；•可设定TI，饱和特定组织产生具有特征性对比图像(STIR、FLAIR)；•短TI对比常用于新生儿脑部成像；•采集时间长，层面相对较少。STIR序列(ShortTIInversionRecovery)在IR恢复过程中，组织的MZ都要过0点，但时间不同。利用这一特点，对某一组织进行抑制。如脂肪，由于其T1时间比其他组织短，取TI=0.69T1(T1为脂肪弛豫时间)，脂肪的信号好过0点，接收不到它的信号。突出其他组织。STIR应用于膝关节膝盖矢状像（脂肪抑制）常规FLAIR序列当T1非常长时，几乎所有组织的MZ都已恢复，只有T1非常长的组织的MZ接近于0，如水，液体信号被抑制，从而特出其他组织。FLAIR(FluidAttenuationIR)常用于对CSF抑制。FLAIR序列SET2加权FLAIR，脑室水被抑制，白质信号更清楚IR序列的运用脑部IR的T1加权可使灰白质的对比度更大。眼眶部STIR能抑制脂肪信号，增加T2对比，使眼球后球及视神经能更好显示。脊髓采用FLAIR技术能抑制脑脊液搏动产生的伪影，以利于显示颈、胸段脊髓病变。肝部微小病变，使用IR能处到较好显示。关节使用IR能同时提高水及软骨的敏感性。梯度回波(GradientEcho,GRE)GRE不采用180脉冲对相位聚合，而用一对极性相反去相位梯度场与相位聚合梯度场，采用小角度翻转角便纵向磁化快速恢复，缩短了TR时间，提高成像速度。GRE有两个基本序列：FLASH(FastLowAngleShot)消除残余横向磁化矢量FISP(Fastimagingwithsteadstateprecession)增强残余横向磁化矢量FLASH采用“破坏(扰相)”残余横向磁化矢量。在数据采集结合后，在沿层面选择梯度方向施加“破坏”梯度，使用残存的横向磁化矢量加速去相位，从而消除上一周期残存的横向磁化。颈5椎体陈旧性骨折伴颈髓外伤后软化。(2)FLASH(600/35/25)颈髓内病灶中长T2改变。FISPFISP(稳态FLASH)利用残余MXY，使其参与MR成像。数据采集结束后，在频率与相位编码方向施加极性相反的梯度，消除梯度磁场对残存的MXY去相位作用，使上一周期残存的MXY也保持相对幅度(稳态)。GRE序列图像特性与序列参数关系磁共振血管造影MRAngiography(MRA)MRA方法TOF——TimeofFlight时间飞越法PC——PhaseContrast相位对比法“黑血”法——预饱和技术MRA成像方法是基于GRE梯度回波序列时间飞越效应TOF流动质子若在成像层内受激励，但在相位重聚(回波)前流出成像层未经复相位过程;或质子在激励后流入成像层内而未受激励但经历复相位过程,这两种状态均无信号产生。•预先对成像层面内的静止组织使用额外的RF，使