MR成像基本原理

磁共振成像基本原理磁共振成像基本原理•原理及基本概念•常用扫描序列•临床基本应用WhatisMRI?磁共振成像（MagneticResonanceImaging,MRI)又称核磁共振成像（NuclearMagneticResonanceImaging,NMRI）是一种新的、非创伤性的成像方法，它不用电离辐射而可以显示出人体内部解剖结构。是利用一定频率的射频信号在一外加静磁场内，对人体的任何平面，产生高质量的切面图像。核磁共振成像技术发展简史•核磁共振现象发现Purcell等,Bloch等（1945）;PhysicalReview:•核磁共振现象引入医学界Damadian（1971）;Science,171:1151-1153•核磁共振成像Lauterbur（1973）;Nature,242:190-191•世界上第一台MRI（1977）RaymondDamadian与第一台MRI装置（1977）磁共振成像仪的基本硬件•主磁体•梯度线圈•脉冲线圈•计算机系统•其他辅助设备主磁体主磁体是MRI仪最基本的构件，是产生磁场的装置。根据磁场产生的方式可将主磁体分为永磁型和电磁型。永磁型主磁体（大块磁铁）磁场持续存在，低场强开放式MRI仪采用永磁型主磁体。电磁型主磁体是利用导线绕成的线圈，通电后即产生磁场，根据导线材料不同又可分为常导磁体和超导磁体。常导磁体导线采用普通导电性材料，需要持续通电（目前已经逐渐淘汰）超导磁体导线采用超导材料制成，置于液氦的超低温环境中，导线内的电阻为0，一旦通电后在无需继续供电情况下导线内的电流一直存在，并产生稳定的磁场（目前中高场强的MRI仪均采用超导磁体）主磁场的场强用特斯拉（Tesla，T）来表示0.5T以下的MRI仪称为低场机0.5T到1.0T之间的称为中场机1.0T到2.0之间的称为高场机大于2.0T的称为超高场机•高场强MRI仪的主要优势表现为：（1）提高质子的磁化率，增加图像的信噪比（2）缩短MRI信号采集时间（3）磁共振频谱对代谢产物的分辨力得到提高（4）增加化学位移使脂肪饱和技术更加容易实现（5）磁敏感效应增强，使脑功能成像的信号变化更为明显•当然MRI仪场强增高也带来以下问题：价格高、噪音增加、射频特殊吸收率（SAR）能量累积、各种伪影增加梯度线圈是MRI仪最重要的硬件之一，主要作用（1）进行MRI信号的空间定位编码（2）产生MR回波（梯度回波）（3）施加扩散加权梯度场（4）进行流动补偿（5）进行流动液体的流速相位编码梯度线圈由X、Y、Z轴三个线圈构成。脉冲线圈•脉冲线圈也是MRI仪的关键部件，脉冲线圈有发射线圈和接收线圈之分。•有的线圈可同时作为发射线圈和接受线圈，如装在扫描架内的体线圈和头颅正交线圈。大部分表面线圈只能作为接受线圈，而由体线圈来承担发射线圈的功能。•计算机系统计算机系统属于MRI仪的大脑，控制着MRI仪的脉冲激发、信号采集、数据运算和图像显示等功能。•其他辅助设备检查床、液氦及水冷却系统、空调、胶片处理系统等。人体内各种不同组织是如何通过MRI显示在计算机屏幕上？•人体是由许多原子组成，原子是由原子核及电子构成的。原子核由中子和质子构成，中子不带电荷，质子带有正电荷，电子带负电荷。任何原子核都有一个特性，就是总以一定的频率绕着自己的轴进行高速旋转，原子核的这一特性称为自旋（spin）。由于原子核带有正电荷，原子核的自旋就形成电流环路，从而产生具有一定大小和方向的磁化矢量。我们把这种由带有正电荷的原子核自旋产生的磁场称为核磁。质子带正电荷，它们象地球一样在不停地绕轴自转，并有自身的磁场。•并非所有原子核的自旋运动均能产生核磁，根据原子核内中子和质子的数目不同，分为非磁性原子核原子核内的质子数和中子数均为偶数，自旋并不产生核磁。磁性原子核自旋能够产生核磁的原子核。•磁性原子核需要符合以下条件之一：（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。MRI是以人体内H质子(1H)为基础成像？？•原子核内仅有一个质子-磁性原子核•是人体中最多的原子核，约占人体中总原子核数的2/3以上•磁化率在人体磁性原子核中是最高的•氢原子核在人体中的摩尔浓度最高如果外加一个外磁场，其质子的排列就会发生改变。通常情况下，质子处于杂乱无章的排列状态，所产生的磁力亦无意义。通常情况下，耗能少的、处于低能态的质子占多数。在主磁场内的H质子除了自旋外，还在不停地，绕着主磁场轴进行旋转摆动，我们把质子的这种旋转摆动称为进动（precession）。进动是磁性原子核自旋产生的小磁场与主磁场相互作用的结果。处于平行或反平行两个方向的质子所产生的磁力可相互抵消。但通常情况下，处于低能态、耗能少的质子占多数。剩余质子所产生的磁力形成一个总磁矢量，称之为纵向磁化矢量（黄箭头）。而垂直于主磁场方向的横向磁化矢量为0因此，人体进入主磁场后被磁化了，但没有宏观横向磁化矢量产生，仅产生了宏观的纵向磁化矢量。某一组织（或体素）产生的宏观矢量的大小与其含有的质子数有关，质子含量越高则产生宏观纵向磁化矢量越大。我们可否认为：MRI已经可以区分质子含量不同的组织了遗憾的是：MRI仪的接收线圈并不能检测到宏观纵向磁化矢量，也就不能区分人体内不同组织。接收线圈如何检测到宏观磁化矢量呢？接收线圈能够检测到的是旋转的宏观横向磁化矢量，因为旋转的宏观横向磁化矢量可以切割接收线圈产生电信号。那么如何才能产生接收线圈能够探测到的旋转宏观横向磁化矢量呢？----施加外力，把纵向磁化矢量的按倒，让其切割接收线圈，产生电流。只有频率相同的两个物体之间才有可能发生共振现象，实质是能量的传递。共振的概念进动频率和单个质子在主磁场中的进动频率一样，这个频率称为“拉莫频率”，正比于主磁场大小w=gB0进动频率（mHz）旋磁比（氢质子为42.6mHz/T）外磁场强度（T）Larmor公式是磁共振成像基础Larmor公式RF脉冲纵向磁化矢量横向磁化矢量外加一个与主磁场成一定角度（90度）的短暂射频脉冲。该脉冲的频率与质子的进动频率相同，产生“共振”。•处于“低能态”的质子共振接受到能量后即成为不稳定的“高能态”质子。其纵向磁化消退，横向磁化形成。•射频脉冲停止，接受到能量后的“高能态”质子以电磁波的形式将所吸收的能量散发出来。其横向磁化消退，纵向磁化恢复。螺旋式过程，横向磁化矢量衰减，纵向磁化矢量恢复弛豫的概念•射频脉冲停止后，被激励的质子回复到原来平衡状态的过程为弛豫过程，所需时间为弛豫时间(relaxationtime)。•弛豫时间有纵向弛豫(T1)和横向弛豫时间(T2)。纵向弛豫(T1)和横向弛豫(T2)纵向弛豫(T1)：射频脉冲停止后，原纵向磁化矢量回复到63%所需的时间。用T1值表示组织纵向弛豫的快慢。63%T1300~2000ms横向弛豫(T2)：原横向磁化矢量衰减到37%所需的时间。用T1值表示组织纵向弛豫的快慢。T237%30~150ms纵向磁化矢量横向磁化矢量•纵向弛豫(T1)：自旋-晶格弛豫高能级的质子释放能量的过程，速度与其周围分子的自由运动频率有关。不同的组织由于质子周围的分子自由运动频率不同，其纵向弛豫速度存在差别，即T1值不同。•横向弛豫(T2)：自旋-自旋弛豫质子周围其它磁性原子核的随机运动引起的宏观横向磁化矢量的衰减。不同的组织由于质子周围微观磁环境不同，T2弛豫速度存在差别，即T2值存在差别。1.5T场强下正常人体组织的T1、T2参考值组织名称T1值T2值脑白质350-500ms90-100ms脑灰质400-600ms100-120ms脑脊液3000-4000ms1200-2000ms肝脏350-400ms45-55ms脾脏400-450ms100-160ms肾皮质350-420ms80-100ms肾髓质450-650ms120-150ms骨骼肌500-600ms70-90ms皮下脂肪220-250ms90-130msT1T2T1远大于T2•不同的组织存在质子含量（质子密度）的差别、T1值差别及T2值的差别，这正是常规MRI能够显示正常解剖结构及病变的基础。•下面我们看看如何利用不同组织间的这些差别来显示解剖和病变。“加权”的含义•所谓加权即“突出重点”的意思，也即重点突出某方面特性。之所以要加权是因为在一般的成像过程中，组织的各方面特性（例如质子密度、T1值、T2值）均对MR信号有贡献，几乎不可能得到仅纯粹反映组织一个特性的MR图像，我们可以利用成像参数的调整，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MR信号的影响，这就是“加权”。三种主要加权成像•T1加权成像（T1-weightedimaging，T1WI）是指重点突出组织纵向弛豫差别，而尽量减少组织其他特性（如横向弛豫等）对图像的影响。-分析组织的T1值。T1值越小，其MR信号强度越大。•T2加权成像（T2-weightedimaging，T2WI）重点突出组织的横向弛豫差别。-分析组织的T2值。组织的T2值越大，其MR信号强度越大。•质子加权成像（protondensityweightedimaging，PDWI）主要反映组织的质子含量差别。质子密度越高，MR信号强度越大。T1WIT2WIPDWI以常见的成像序列自旋回波（SE）序列为例，各种加权成像是由调整重复时间（TR）和回波时间（TE）来实现的。加权成像TR（ms）TE（ms）T1WI短=500短=30T2WI长=2000长=60PdWI长=2000短=30自旋回波序列TE（echotime）90°脉冲中点到回波中点的时间间隔TR（repetitiontime）两次相邻的90°脉冲中点的时间间隔TR和TE控制着组织T1和T2成分在图像对比中的作用脑组织和脑脊液的纵向弛豫（T1）曲线脑组织T1值350-600ms脑脊液T1值3000-4000msTR控制着组织T1成分A组织和B组织的横向弛豫（T2）曲线B组织的T2值大于A组织TE控制着组织T2成分63%37%选择足够长的TR，消除T1影响，选择足够短的TE，消除T2影响，得到的是质子加权成像（PDWI）选择足够长的TR，消除T1影响，选择足够长的TE，保留T2影响，得到的是T2加权成像（T2WI）选择足够短的TR，保留T1影响，选择足够短的TE，消除T2影响，得到的是T1加权成像（T1WI）因此，在自旋回波序列中，定义：加权成像TR（ms）TE（ms）T1WI短=500短=30T2WI长=2000长=60PdWI长=2000短=30理解了加权成像的原理后，新的问题来了：某种加权成像通过接收线圈采集得到的信息是混合在一起的，如何区别将这些组织的空间位置一一区别开来？•对MR信号进行空间定位编码，让采集到MR信号中带有空间定位信息，通过数学转换解码，就可以将MR信号分配到各个像素中。•MR信号的空间定位编码是由梯度场来完成的。梯度磁场的概念•梯度线圈是一组带电线圈，用来产生在某个方向上变化的磁场•线性梯度磁场---在一定方向上场强与位置呈比例梯度磁场有三种•横断位（Gz）自上而下场强不同的梯度磁场•矢状位（Gx）自左至右的梯度磁场•冠状位（Gy）自后至前的梯度磁场空间定位•层面的选择和层厚的决定•频率编码•相位编码层面的选择和层厚的决定层面位置的确定：在均匀的磁场中叠加梯度磁场，使选定层面对应共振频率层面厚度的选择：选用具有一定频率带宽的射频脉冲•通过层面选择，我们可以将该层面所有质子的与其它平面质子区别开来，接下来的任务是将该平面各个质子的不同位置加以区别经过层面选择后该层面所有质子进动频率一致ＸＹ使用频率编码梯度磁场，使质子在Y轴上进动频率各不相同，产生不同信号ＹＸ垂直于频率方向，施加相位编码梯度磁场，在X轴产生以不同进动频率进动，使其失相位，可测得信号ＸＹ通过计算机以傅立叶转换（一种数学方法），可以得到每一层面中不同频率及相位的质子密度、信号强度；以及不同层面的各点的信号强度，通过灰阶技术，得至MR图像。常用扫描序列序列（Sequence）MR成像过程中，RF脉冲、梯度、信