1、,磁共振成像原理,医学工程器材科 倪工,一、概况,磁共振的历史 磁共振成像的优越性 磁共振的局限性,什么是MRI,MRI - Magnetic Resonance Imaging 最初称为核磁共振Nuclear Magnetic Resonance Imaging,Nuclear (人体内的原子核） Magnetic Field（磁场） 在Radio Frequency pulse （射频脉冲）作用下引起共振(Resonance),并因此产生MR信号。,磁共振的历史,1946年美国斯坦福大学的BLOCK 和哈佛大学的PURCELL发现了物质的磁共振现象。1952年他们因此共同获得了诺贝尔物理奖
2、。 1978年英国的物理学家获得了第一幅人体头部的磁共振图像。,磁共振成像的优越性,1、可以在同一组织层面进行多种参数的成像，如T1,T2,质子密度等。 2、可以任意截面成像 3、很高的软组织对比度 4、很高的组织学、分子学特征，使影像诊断由形态学涉及到生理病理学 5、没有骨伪影干扰，解决了后颅凹诊断显示盲区 6、没有电离辐射 7、丰富的特殊序列成像， 8、功能成像，MRS，磁共振介入等,磁共振成像的局限性,1、容易产生各种伪影 2、对钙化和骨骼的显示不敏感 3、抢救设备不能进入现场 4、容易产生幽闭恐惧性 5、金属异物等禁忌较多,二、磁共振系统硬件介绍,磁体 梯度系统 射频系统,磁共振系统的
3、硬件组成,计算机系统,扫描控制系统射频系统,梯度系统,射频线圈,磁体,梯度线圈,扫描室硬件,磁体,磁体的作用：产生强大的静磁场，用于组织的磁化。 磁体的类型：常导、永磁、超导。 磁体的主要参数：磁场强度、均匀性、孔径大小。,常导型磁体,常导型磁体指电流在常温下通过螺线型线圈来产生磁场，一般场强小于0.4T。优点：工艺简单，造价低；磁场可关闭；重量较轻缺点：耗电量大，产热量大，需要水冷却，磁体均匀性受环境温度影响大，场强低；磁场的稳定性差，需要高精度的直流恒流电源提供稳定直流电流。,永磁型磁体,由永磁材料组成。优点：造价及维护费用低，不耗电，也无需制冷剂消耗；杂散磁场少，对周围环境的影响小；磁体
4、多为开放式，有利于消除幽闭恐惧症，便于介入的开展。缺点：场强低，一般小于0.5T；重量大；磁场稳定性差，受室温影响大；磁场无法关闭,超导磁体,利用超导材料（铌钛合金）在低温环境（8K）下的零电阻特性，在很小的截面上可以通过大电流，产生强磁场。 利用液氦提供低温环境。绝对温度0K=-273,液氦温度4.2K。 优点：场强高，磁场稳定而且均匀；紧急情况下可以关闭； 缺点：需要消耗制冷剂；制造工艺复杂，造价高。,梯度系统的作用,1、提供质子磁共振信号的三维坐标信息，有三种功能，层面选择梯度，相位编码梯度，频率编码梯度。 2、在梯度回波和其它一些快速成像序列中，梯度磁场的翻转还起着射频激发后自旋系统的
5、相位重聚作用。,梯度系统的主要性能指标,有效容积，也叫均匀容积，指梯度线圈所包容的、其梯度场能满足一定线性要求的空间区域。 梯度场的强度：梯度场能够达到的最大值，越大，层厚可以越薄，象素越小，空间分辨率越高。单位是：mT/M 爬升时间和梯度切换率：衡量单位时间内梯度场变化程度，影响扫描时间。单位是：mT/M/ms GE 1.5T 双梯度 ZOOM 40mT/m 150mT/m/msWHOLE 23mT/m 80mT/m/ms,射频系统,射频系统的作用：发射射频脉冲，使磁化的质子吸收射频能量产生磁共振。质子在驰豫的过程中释放能量，发出MR信号，被接收系统检测接收。 射频系统的组成：发射和接收，包
6、括射频功率放大器、发射线圈、接收线圈、低噪声放大器等。 射频线圈的分类：主动线圈和被动线圈、全容积线圈和表面线圈、正交和非正交、单通道和多通道等。,三、磁共振信号的产生,组织的磁化,质子,电子,1H,人体中有几百亿的氢原子 氢原子容易产生磁化,1H质子自旋,“电磁运动”,在磁场中,在正常环境中,磁性运动,+,净磁化,同向,反向,同向反向,磁场中质子磁性运动的表现,RF发射接收器,人在磁体中被磁化,发射RF前,RF发射接收器,发射RF,原子核吸收射频能量， 进入高能态,RF发射接收器,MR 信号,RF发射后,原子核将所吸收的能量释放出来，回到正常状态,该能量就是作为MR信号被接收。,原子核在静磁
7、场B0中产生磁性运动进动,Bo,净磁化,进动是一种复合运动，包含三种运动形式： 以自身轴旋转， 自身轴围绕另一个轴作回旋， 自身轴受外力的影响，回旋半径相应的改变。,进动,拉莫尔公式 w= gB,高场(1.5T) 63.89 MHz (1H),低场 (0.5T) 21.29 MHz (1H),w : 角频率， g : 磁化率，也叫磁旋比，氢质子的磁旋比约为42.58 B : 磁场强度,拉莫尔频率（在磁共振系统中称为中心频率）与磁场强度成比例。,进动频率表,质子 0.2 0.5 1.0 1.5,1H,13C,19F,31P,42.6,8.5,21.3,42.6,63.9,mHz,10.71,40
8、.04,17.24,16.1,60.1,25.9,5.35,20.03,8.62,10.73,40.1,17.26,2.14,8.01,5.05,共振吸收和释放能量的过程,例如:音叉,声波,C,D,E,F,G,A,B,C,D,E,F,G,A,B,音叉只响应特定频率,拉莫尔频率为 21.29 MHz,吸收射频能量后 自旋角度增加,射频脉冲 21.29 MHz,射频脉冲停止后,释放出能量 回到原来状态,在磁共振中，射频脉冲被吸收和释放,总结,产生磁共振的条件1、大量的粒子氢原子2、静磁场磁体3、射频脉冲磁共振就是吸收和释放能量。,四、射频脉冲,发射到射频线圈的实际脉冲是一个正旋波,射频放大器,射频
9、脉冲,射频脉冲停止后，射频线圈变为接收线圈,接收器,射频激励,怎样检测信号？,1.净磁化在横断面感应电流 (电磁学原理),2.射频线圈采集电流作为信号输出,1. 它使原子核自旋同相,21.29 MHz 射频脉冲,相同频率 不同相位,相同频率 相同相位(“同相”),- 在 0.5 T-,射频脉冲有什么用？,2. 将能量传递给原子核,射频脉冲 21.29 MHz,净磁化翻转,这种翻转运动实际上是一种螺线运动,当射频能量传递给原子核后，净磁化方向旋转到激发状态，这被称为翻转,翻转角度与脉冲宽度和幅度成正比。,90 脉冲, 180 脉冲,“90 脉冲”,“180脉冲”,射频脉冲停止后,FID 信号（自
10、由感应衰减信号） (Free Induction Decay),同相,失相,原子核进动（从上面）,横断面上感应的电流,时间,无,失相 Loss of “in phase”,相位重聚 Rephase,180脉冲使磁化矢量重新回到相同相位。,time,180脉冲,同相,重新同相,快,慢,慢,快,射频脉冲使磁化矢量翻转当射频线圈停止发射射频时，它相当于一个接收线圈。磁共振信号实际上是磁化矢量所感生的电流当射频脉冲关断后，感应的电流变弱，信号开始衰减 (FID),回顾,五、梯度系统,B,o,脉冲序列,静磁场,梯度-使磁共振成像成为可能,梯度磁场由梯度线圈产生，梯度线圈是一组带电线圈，用来产生在某方向上
11、线性变化的磁场梯度。,通过轻微改变磁场强度来加快或减慢质子的进动频率。 用来选择扫描范围和对接收到的信号进行空间编码定位。,记住: 磁场强度改变导致进动频率改变。,梯度在磁共振成像中的空间定位作用,1.进行层面选定-确定成像平面 2、通过相位梯度磁场确定在这个平面内行的位置 3、经过频率编码，梯度磁场再确定每个MR信号的方位。梯度磁场实现对层面内的像素进行空间标记-实现像素与相应组织体素间点对点对应,无论是选层还是对层面内像素进行空间标记，其理论基础均是基于Larmor公式！,不加梯度时,腔内 所有质子以 21.29 MHz进动,0.5 T,z 轴梯度打开时,0.5 T,21.29 MHz,层
12、面选择激励,静磁场,z 轴梯度开启,0.5 T,静磁场 Bo (0.5T),线性梯度场 (z axis),通过轻微改变磁场强度来加快或减慢质子的进动频率,相位编码前,相位编码,相位编码后,相位编码,当射频停止，质子几乎在同一相位,施加的相位梯度改变了磁场强度，进而改变了进动的频率，质子以不同频率进动。,如果梯度关断，质子又会以相同频率进动。,同相,梯度开启,梯度关断,90 pulse,a,a,b,c,d,c,d,a,b,c,d,a,b,c,d,a,b,c,d,a,b,c,d,b,“相位记忆”,time,相位记忆,频率编码和相位编码,在相位梯度和频率梯度后，所选层面上每一象素有不同的频率和相位。
13、从而实现了空间的编码。,21.29 MHz,不同象素不同信号,相位偏移 shifted,改变频率,Z,Y,X,Z,Y,X,x轴梯度开启,y 轴梯度开启,磁场方向相同，只是强度不同。,梯度场的效果,质子的共振频率随着梯度轴的位置变化而不同,z,y,x,z,y,x,time,time,两种频率的合成,单一频率FID,傅立叶变换,幅度 /时间转换为幅度 /频率，即时域变为频域,时间,频率,单个频率,单峰,两种频率,两个峰,原始数据,原始数据是成像区域收集到的数据， 2D-FFT用来重建图象,总结,梯度场用来确定成像部位的空间位置质子的共振频率随磁场的强度而变化磁共振信号是不同频率在时域上的合成.傅立
14、叶变换将信号从时域改变为频域，进行图像重建。,六、脉冲序列,什么是脉冲序列?,脉冲：射频脉冲、梯度脉冲序列：脉冲的幅度、宽度、间隔时间以及施加顺序脉冲序列：即通过对射频脉冲和梯度脉冲的适当编排来影响MR信号的产生和空间编码,脉冲序列的作用,获得不同的组织对比：SE(T1)、FSE(T2 ) 、 T1FLAIR(重T1 ) 、 SSFSE (重T2 )、FIESTA(T2/T1 ) 、TOF(流动)、MRS(化学组成) 抑制某些物质的信号：STIR（压脂）、 T2FLAIR（压自由水） 缩短扫描时间：SE FSE SSFSE 减少伪影：FSE(磁敏感伪影)、EPI(运动伪影),脉冲序列的构成,9
15、0,180,90,射频脉冲RF,选层梯度Gs,信号S,相位梯度Gp,读出梯度Gr,TE/2,TE/2,TR,FID,Echo,射频脉冲和选层梯度,射频脉冲与选层梯度一起施加到要激励的单一层面。梯度脉冲的高度代表梯度的幅度，宽度代表持续时间。脉冲序列的角度与射频激发时间的长短有关，也叫翻转角。,相位梯度,脉冲序列被多次施加，信号被独立存储。 通过改变相位梯度的幅度（次数由矩阵的相位编码大小决定），获得整个数据。 这些数据频率相同，但相位不同。,for 1st view,for 2nd view,for 3rd view,扫描参数 TE,TR,TR (重复时间)指一个脉冲序列开始到下一个脉冲序列开
16、始之间的时间间隔 TE (回波时间)指脉冲序列的第一个脉冲到回波中心点之间的时间间隔。,自旋回波序列Spin Echo(SE),以90度射频脉冲作为激发脉冲，180度射频脉冲作为重聚脉冲，获得自旋回波信号。,O,O,90,180,90,RF,Gs,S,Gp,Gr,TE/2,TE/2,TR,FID,Echo,自旋回波序列的特点及临床应用,SE由于180度重聚脉冲的作用而与 GRE相比对磁场不均匀不敏感。 SE 一个TR内只进行一次相位编码，因此对长TR扫描（T2加权），耗时较长。SE序列在临床上较适合应用于对图像质量要求较高而对时间要求不高的T1加权像。,双回波,time,s i g n a l
17、,1 7,3 4,5 1,6 8,8 5,1 0 2,1 1 9,1 3 6,1 5 3,1 7 0,1 8 7,2 0 4,2 2 1,2 3 8,2 5 5,2 7 2,TE:,time,s i g n a l,1 7,3 4,5 1,6 8,8 5,1 0 2,1 1 9,1 3 6,1 5 3,1 7 0,1 8 7,2 0 4,2 2 1,2 3 8,2 5 5,2 7 2,TE:,TE1,TE2,加权,通过改变脉冲序列的重复时间TR、回波时间TE,所得到的某个组织特征参数的图像，称为加权图像。在梯度回波中，加权与翻转角有关，翻转角大时得到T1加权，翻转角小时得到T2加权。,扫描时间
18、参数表,TR (T1),TE (T2),脑组织信号,白质/灰质= 灰 CSF随TE增加越来越亮 脂肪 = 黑/白,白质 = 浅灰 灰质 = 灰 CSF = 黑 脂肪 = 亮,灰质 = 浅灰 白质 = 灰 CSF = 黑 脂肪 = 亮,10-15ms 最小 (部分回波),最小 (部分回波),2000 ,2000 ,80-90,T2,T1,PD,300-700: 1.5T 300-600: 1.0T 300-500: 0.5T 300-350: 0.2T,对比度,对比度依赖于组织与组织间成像强度的变化,质子密度加权成像,T2 加权成像,T1 加权成像,多层采集,TE 比 TR短得多 TR时间内大部
19、分为闲置时间 在每一个TR间隔内可以进行多层的激励和采集,TE,TE,TE,TE,TE,TE,TR,层面1,层面2,层面3,三层双回波序列,快速自旋回波序列FSE,90,180,90,RF,Gs,S,Gp,Gr,FID,Echo1,180,180,Echo2,Echo3,快速自旋回波,900,T2 衰减曲线,T2* 衰减曲线,ESP,ETL：回波链长度 ESP：回波间隔,FSE的成像参数,回波链长度回波间隔回波链时间。回波链时间越长，T2衰减越厉害，信号越弱，则图像的对比度和分辨率越差。T1加权像ETL23；T2加权像ETL8ETL影响扫描的层面数，可以通过增减TR来达到一次采集完所有层面。,
20、SE的K空间填充,SE序列一个TR时间内只产生一个回波充填于K-空间内,扫描时间=TR x NEX x Phase Encoding， NEX为重复次数，增加延长扫描时间，但提高信噪比。,FSE的K空间填充,扫描时间=TR x NEX x Phase Encoding/ETL， 增加ETL（回波链长度），可以缩短时间。,FSE序列一个TR时间内产生多个回波充填于K-空间内,FSE的图像特点及临床应用,1、临床上可以用来获得T2加权像而缩短扫描时间。2、FSE有多个180度重聚脉冲，因而对磁化效应较SE更不敏感，表现为含铁质组织信号下降。,GRE,RF,Gs,S,Gp,Gr,TE,TR,FID,
21、Echo,用小于90 的射频脉冲激发，并采用较短TR。 使用翻转梯度取代180 相位重聚脉冲。,梯度回波,time,T2 衰减曲线,T2* 衰减曲线,回波,Gx,实际信号衰减曲线,梯度回波机理：先用一个梯度场使质子失相， 然后再用一个相反的梯度场使其聚相产生回波。 翻转角的大小决定T1或T2加权，大角度（接近90度）得T1，小角度得T2。,GRE的图像特点及临床应用,由于TR短，成像速度较SE、FSE都快。因而适用于快速扫描和定位像。 对磁场不均匀和磁化效应很敏感，因而在铁质沉积部（如基底节、亚急性出血部位）和磁敏感系数差异较大的部位（如空气/组织、骨/组织交界面）信号低。 小翻转角和T2*驰
22、豫使信号较弱且衰减很快，因而SNR较低。,七、安全因素,1、强磁场的安全性 2、射频能量相关的安全性 3、梯度磁场的安全性 4、超导的低温系统的安全性,强磁场的安全性,1、铁磁性投射物及其安全投射效应指在强磁场作用下铁磁性物质从磁场以外的地方以一定速度飞向磁体的现象。主要有手术器械、氧气钢瓶、轮椅、担架、医疗仪器如监护仪等，病人随身携带的物品如硬币、发卡、锁匙、剪刀等。这是磁共振最大的安全问题，容易造成人员和设备的。 2、体内植入物体内植入物及其安全性MRI受检者体内的各种铁磁性物体也会在磁力和磁扭矩的作用下发生移位或倾斜。此外，MRI的射频电磁波还有可能使植入体内的某些电子设备失灵。梯度切换
23、所感应的电流会导致局部温度上升，使人体灼伤。 3、孕妇的安全虽然没有证据表明MRI检查对胎儿有致畸作用，但它还是有争议的话题。建议三个月之内的孕妇慎作磁共振检查。,射频安全,SAR值：Specific Absorption Rate 特别吸收率用来衡量人体对射频脉冲的能量吸收，与场强的平方成正比。 避免人体组织直接接触射频电缆，防止射频烧伤。,梯度磁场相关的安全性,1、激励域值限制磁场随时间的变化率，以特斯拉/秒来计。一般不大于20T/S 2、外周神经刺激梯度的快速切换会导致外周神经刺激，尤其在快速成像序列，注意受检者是否有不适。 3、噪声梯度快速切换带来的强大噪声有时高达一百多分贝，可能对听
24、力造成不可逆的损害，注意用棉球等尽量保护。,超导及制冷系统的安全性,制冷剂的安全预防冻伤失超时预防窒息，马上撤离到通风处注意检测液氦面读数，压力、温度等，发现异常及时报告，以防失超。,八、常见伪影,1、运动伪影 2、卷折伪影 3、截断伪影 4、磁化率伪影 5、化学位移伪影 6、设备故障引起的伪影,运动伪影产生的原因及克服,产生原因：人体的生理运动如呼吸、血流、 心脏搏动、眼球活动等都会产生运动伪影。 特点：只出现在相位编码方向。 克服方法：改变相位编码方向使用呼吸、心电门控快速扫描序列，屏气扫描设置饱和带使用脂肪抑制序列,卷摺伪影,原因：FOV小成像部位解决方法：1、过采样2、改变编码方向3、加大FOV,设备故障导致的伪影,射频泄漏造成的伪影，常表现为图像中心的一条亮线。梯度系统故障造成的伪影并行处理器造成的伪影,磁共振发展的趋势,磁体的发展特点 梯度系统的发展特点 射频系统的发展特点 脉冲序列及软件的发展特点,磁体的发展特点,高场强，1.5成为主流，3T已成熟 短磁体，克服幽闭恐惧症 开放，便于开展介入， 低损耗,梯度的发展,高性能的双梯度 降低涡流 各种降噪技术,射频系统的发展特点,全数字化、多通道 并行采集技术 靶技术线圈针对不同部位而专门设计的线圈,谢谢,
