磁共振的原理與結(jié)構(gòu)PPT課件

.,1,磁共振成像（MRI原理與磁共振機(jī)的結(jié)構(gòu),邵逸夫醫(yī)院放射科朱碧波,.,2,一、磁共振成像,磁共振成像：MagneticResonanceImaging，MRI是利用人體內(nèi)原子核在磁場(chǎng)內(nèi)與外加射頻磁場(chǎng)發(fā)生共振而產(chǎn)生影像的一種成像技術(shù),它既能顯示形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)，又能顯示原子核水平上的生化信息及某些器官的功能狀況，更有無(wú)輻射的優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展?jié)摿薮蟆?.,3,二、MRI基本原理,MRI影像形成的基本原理,.,4,(一)、原子核的自旋特性,含單數(shù)質(zhì)子的原子核，例如人體內(nèi)廣泛存在的氫原子核，其質(zhì)子有自旋運(yùn)動(dòng)，帶正電，產(chǎn)生磁矩，有如一個(gè)小磁體。,.,5,(一)原子核的自旋特性,在有自旋特性的原子核周?chē)嬖诘倪@個(gè)微觀磁場(chǎng)是磁偶極子，就是所謂的原子核的自旋磁矩。在沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)，各個(gè)質(zhì)子由于熱運(yùn)動(dòng)而處于雜亂無(wú)章的任意排列狀態(tài)，磁矩方向各不相同，相互抵消，所以在宏觀上不顯磁性。,.,6,(二)外磁場(chǎng)對(duì)原子核自旋的影響,當(dāng)外部施加一個(gè)恒定磁場(chǎng)后，則質(zhì)子沿外加磁場(chǎng)方向排列，產(chǎn)生凈磁化。,1.低能級(jí)-自旋方向與磁場(chǎng)方向一致2.高能級(jí)-自旋方向與磁場(chǎng)方向相反,.,7,(二)外磁場(chǎng)對(duì)原子核自旋的影響,在外磁場(chǎng)作用下，低能級(jí)的質(zhì)子數(shù)目要多于高能級(jí)的質(zhì)子，在大量原子分布的情況下，原子在不同能級(jí)上分布的數(shù)目與溫度與外磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。,.,8,(二)外磁場(chǎng)對(duì)原子核自旋的影響,在一定溫度和磁場(chǎng)條件下，自旋質(zhì)子就產(chǎn)生了一個(gè)沿外磁場(chǎng)方向的宏觀磁矩，這樣當(dāng)原子核圍繞自己的軸作自旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，外加磁場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋力臂作用于自旋質(zhì)子的磁矩上，使得質(zhì)子旋進(jìn)于一個(gè)錐形的磁矩軸上，稱為拉莫進(jìn)動(dòng)。,.,9,(二)外磁場(chǎng)對(duì)原子核自旋的影響,質(zhì)子進(jìn)動(dòng)的速度用進(jìn)動(dòng)頻率來(lái)衡量，也就是質(zhì)子每秒進(jìn)動(dòng)的次數(shù)，進(jìn)動(dòng)頻率與外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度成正比，場(chǎng)強(qiáng)越高，進(jìn)動(dòng)頻率越高。,.,10,(二)外磁場(chǎng)對(duì)原子核自旋的影響,00：磁旋比常數(shù)0：外加磁場(chǎng)強(qiáng)度0:質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率拉莫（Larmor)頻率原子核的共振頻率,.,11,(二)外磁場(chǎng)對(duì)原子核自旋的影響,由于有無(wú)數(shù)個(gè)質(zhì)子在進(jìn)動(dòng)，其磁矩在X和Y軸方向上的分量將相互抵消，只有沿Z軸方向的分量疊加起來(lái)形成了縱向磁化矢量，它不能被直接測(cè)量。,.,12,（三電磁感應(yīng)現(xiàn)象,電流通過(guò)金屬導(dǎo)線可以產(chǎn)生磁場(chǎng)金屬導(dǎo)線切割磁力線產(chǎn)生電流變化磁場(chǎng)強(qiáng)度在金屬導(dǎo)線（線圈內(nèi)可以產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流,.,13,（四射頻脈沖,電場(chǎng)和磁場(chǎng)隨時(shí)間而變化稱為電磁輻射。射頻（RF脈沖是一種無(wú)線電波，也是電磁波的一種，它的主要作用是擾亂沿外加磁場(chǎng)方向?qū)庫(kù)o進(jìn)動(dòng)的質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)。只有RF脈沖與自旋質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)頻率相同時(shí)，才能向質(zhì)子傳遞能量。,.,14,（五核磁共振現(xiàn)象,當(dāng)RF脈沖頻率與質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率相同時(shí)，質(zhì)子就從中吸收能量，這稱為核磁共振現(xiàn)象。此時(shí)RF脈沖頻率00,.,15,（五核磁共振現(xiàn)象,施加RF脈沖后，質(zhì)子吸收了能量，能級(jí)就會(huì)提高，這會(huì)產(chǎn)生兩方面的效應(yīng)：1、質(zhì)子能級(jí)提高，使得縱向磁化矢量減小，最終為零，稱為飽和狀態(tài)。,.,16,（五核磁共振現(xiàn)象,2、進(jìn)動(dòng)的質(zhì)子相位一致，做同步同速運(yùn)動(dòng)，使得在橫軸方向上的磁化矢量得以疊加，并產(chǎn)生一個(gè)新的橫向磁化矢量，RF脈沖的強(qiáng)度越大，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，橫向進(jìn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)的角度就越大。,.,17,（六核磁共振弛豫,當(dāng)質(zhì)子系統(tǒng)達(dá)到飽和狀態(tài)后，停止RF磁場(chǎng)后，激勵(lì)過(guò)程結(jié)束。隨后，吸收能量躍遷到高能級(jí)的質(zhì)子將釋放吸收的能量，很快回到外加磁場(chǎng)原先排列的平衡位置，這一過(guò)程稱為核磁弛豫。橫向磁化矢量逐漸消失，稱為橫向弛豫縱向磁化矢量恢復(fù)原狀，稱為縱向弛豫,.,18,（六核磁共振弛豫,在磁共振領(lǐng)域中，將質(zhì)子周?chē)脑咏y(tǒng)稱為晶格?？v向弛豫就是質(zhì)子自旋磁矩將能量釋放傳遞給晶格原子的過(guò)程，所以也叫自旋-晶格弛豫。RF脈沖停止后，縱向磁化矢量恢復(fù)到原來(lái)的數(shù)值所需要的時(shí)間稱為縱向弛豫時(shí)間，簡(jiǎn)稱T1,實(shí)際中將縱向磁化矢量從0恢復(fù)到最大值的63%所需的時(shí)間定義為T(mén)1時(shí)間。T1是一個(gè)時(shí)間常數(shù)，描述組織的縱向磁化矢量恢復(fù)的快慢程度。其長(zhǎng)短依賴于組織成分、結(jié)構(gòu)和環(huán)境，如水為長(zhǎng)T1，脂肪為短T1。,.,19,（六核磁共振弛豫,.,20,（六核磁共振弛豫,RF脈沖停止后，質(zhì)子很快失去相位一致性,這是由于原子核之間的相互作用，而沒(méi)有能量從原子核向周?chē)Ц裰械霓D(zhuǎn)移，所以也成為自旋-自旋弛豫。此過(guò)程中，橫向磁化矢量逐步抵消而變小直至為零。實(shí)際中把橫向磁化矢量衰減至其最大值的37%的時(shí)間定義為橫向弛豫時(shí)間，簡(jiǎn)稱T2。T2與人體組織的固有小磁場(chǎng)有關(guān),如大分子比小分子快,結(jié)合水比游離水快。,.,21,（六核磁共振弛豫,.,22,（六核磁共振弛豫,.,23,（六核磁共振弛豫,小結(jié)：這種組織間弛豫時(shí)間上的差別，是MRI的成像基礎(chǔ)。有如CT時(shí)，組織間吸收系數(shù)（CT值）差別是CT成像基礎(chǔ)的道理。但MRI不像CT只有一個(gè)參數(shù)，即吸收系數(shù)，而是有T1、T2等幾個(gè)參數(shù)。因此，獲得選定層面中各種組織的T1（或T2）值，就可獲得該層面中包括各種組織影像的圖像。,.,24,（七自由感應(yīng)衰減,磁共振設(shè)備中，接收信號(hào)用的線圈平面與主磁場(chǎng)平行，工作頻率接近拉莫頻率。當(dāng)質(zhì)子磁化矢量只受主磁場(chǎng)作用時(shí)，由于自由進(jìn)動(dòng)與主磁場(chǎng)方向一致，所以無(wú)法測(cè)量。而當(dāng)RF脈沖對(duì)組織激勵(lì)又停止后，組織出現(xiàn)了弛豫過(guò)程，橫向磁化矢量的變化能使位于被檢體周?chē)慕邮站€圈產(chǎn)生隨時(shí)間變化的感應(yīng)電流，其大小與橫向磁化矢量成正比，將這個(gè)電流信號(hào)放大后即為MR信號(hào)，它是一個(gè)隨時(shí)間周期性不斷衰減的電流，又因?yàn)樗怯勺杂蛇M(jìn)動(dòng)感應(yīng)產(chǎn)生的，所以叫自由感應(yīng)衰減。,.,25,（七自由感應(yīng)衰減,.,26,（八MR信號(hào)的空間編碼,一幅MR影像由垂直方向的象素行和水平方向的象素列共同組成，同時(shí)又對(duì)應(yīng)著一定層厚的體素組成的一個(gè)層面，稱為MR信號(hào)的空間位置。,采集MR信號(hào)空間位置信息的方法稱為空間編碼，拉莫方程，00是空間編碼技術(shù)的基礎(chǔ)。,.,27,（九原理總結(jié),綜上所述，磁共振成像主要包括三方面的內(nèi)容：1、激發(fā)產(chǎn)生磁共振現(xiàn)象并測(cè)量磁共振信號(hào)的RF脈沖序列；2、確定信號(hào)位置的空間編碼；3、將所測(cè)量的磁共振信號(hào)及其位置信息重建成磁共振影像。,.,28,三、MRI系統(tǒng)的組成與功能,MRI系統(tǒng)主要由以下五部分構(gòu)成：1、主磁體系統(tǒng)2、梯度磁場(chǎng)系統(tǒng)3、射頻（RF）系統(tǒng)4、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)5、輔助設(shè)備,.,29,MRI掃描機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖,.,30,（一）主磁體系統(tǒng),主磁體是MRI系統(tǒng)的核心部分之一，其功能是提供使原子核定向所必須的靜磁場(chǎng)。應(yīng)用于臨床醫(yī)療的MRI磁體強(qiáng)度多為0.15-2.0T(特斯拉)。,.,31,1、磁體主要性能指標(biāo),磁場(chǎng)強(qiáng)度：場(chǎng)強(qiáng)越高，MR信號(hào)越強(qiáng)，影像信噪比越大磁場(chǎng)均勻度：決定了圖像的空間分辨率和信噪比磁場(chǎng)穩(wěn)定性：是衡量場(chǎng)強(qiáng)隨時(shí)間而飄移程度的指標(biāo)磁體孔腔：孔腔大小限制了被檢者的體型大小,.,32,2、磁體類型,（1）永磁型磁體：磁體由具有鐵磁性的永磁材料構(gòu)成，其場(chǎng)強(qiáng)相當(dāng)穩(wěn)定，維護(hù)簡(jiǎn)單，線圈效率高。但磁場(chǎng)強(qiáng)度較低，最大僅0.3T。磁體龐大、笨重，磁場(chǎng)均勻度受室溫影響較大，穩(wěn)定性差。,.,33,2、磁體類型,國(guó)產(chǎn)安科公司OpenMark0.2T第二代開(kāi)放式永磁型磁共振成像系統(tǒng),.,34,2、磁體類型,（2）常導(dǎo)型（阻抗型）磁體：由電流通過(guò)導(dǎo)線產(chǎn)生磁場(chǎng)，其磁力線與受檢人體長(zhǎng)軸平行。安裝容易，造價(jià)低。但磁場(chǎng)均勻度和穩(wěn)定性較差，受室溫影響大。耗電量大，需大量水冷卻，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高，場(chǎng)強(qiáng)一般小于0.3T。,.,35,2、磁體類型,（3）超導(dǎo)型磁體：由電流通過(guò)導(dǎo)線產(chǎn)生磁場(chǎng)，但導(dǎo)線為超導(dǎo)材料，置于液氦之中，溫度為-273，此時(shí)線圈電阻為零。在勵(lì)磁以后，電流可以無(wú)衰減地循環(huán)流動(dòng)，產(chǎn)生穩(wěn)定、均勻、高場(chǎng)強(qiáng)的磁場(chǎng)，且不受室溫影響大。場(chǎng)強(qiáng)最高可達(dá)8T，醫(yī)用一般小于2T。由于需液氦，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高。,.,36,2、磁體類型,GESignaCV/i1.5T超導(dǎo)型MR機(jī),.,37,2、磁體類型,勻場(chǎng)線圈：任何磁體都不會(huì)產(chǎn)生絕對(duì)均勻的磁場(chǎng)，所以還要加上一組勻場(chǎng)線圈，一般由鈮鈦合金制成，置于磁體中心，梯度線圈外,在安裝時(shí)由工程師設(shè)定調(diào)整，可將磁場(chǎng)均勻性提高100倍以上。,.,38,MRI掃描機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖,.,39,MRI掃描機(jī),.,40,（二）梯度磁場(chǎng)系統(tǒng),梯度磁場(chǎng)系統(tǒng)也是MRI系統(tǒng)的核心部分之一，它利用梯度線圈產(chǎn)生相對(duì)主磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)較微弱的在空間位置上變化的磁場(chǎng)，并疊加在主磁場(chǎng)上，其功能是對(duì)MRI信號(hào)進(jìn)行空間編碼，以確定成像層面的位置和厚度。,.,41,（二）梯度磁場(chǎng)系統(tǒng),梯度磁場(chǎng)包括梯度線圈和梯度電源兩部分。梯度線圈有三組，分別按相互垂直的X、Y、Z三個(gè)方向設(shè)計(jì)，任何一組梯度場(chǎng)都可起到層面選擇、相位編碼、頻率編碼三項(xiàng)作用之一，因此可對(duì)人體的橫斷位、冠狀位、矢狀位甚至任意斜位進(jìn)行成像。,.,42,.,43,（二）梯度磁場(chǎng)系統(tǒng),梯度磁場(chǎng)三維方向示意圖,.,44,成像層面選擇,梯度磁場(chǎng)疊加在主磁場(chǎng)上，使得場(chǎng)強(qiáng)隨著位置呈線形分布，即每一層面的場(chǎng)強(qiáng)都是不相同的。RF脈沖并非只包含一種頻率，而是有一定頻率范圍（帶寬）的脈沖，所以它能激勵(lì)的質(zhì)子的拉莫頻率也是一個(gè)范圍，這樣產(chǎn)生共振的質(zhì)子的層面就可以確定了。,.,45,成像層面選擇,當(dāng)磁場(chǎng)梯度一定時(shí)，RF脈沖的頻帶越寬，則層面越厚；當(dāng)頻帶寬一定時(shí)，磁場(chǎng)梯度越大，則層面厚度越薄。一般是將RF脈沖的中心頻率固定，通過(guò)改變磁場(chǎng)的強(qiáng)度和梯度的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)成像層面的選擇的。,.,46,頻率編碼,在已確定的成像層面的水平軸（X軸）方向上，施加頻率編碼梯度磁場(chǎng)，使得沿X軸不同位置的每一列質(zhì)子都具有不同的進(jìn)動(dòng)頻率，同一列上的質(zhì)子則進(jìn)動(dòng)頻率相同。,.,47,相位編碼,要確定Y軸每一列上平行于X軸方向上的每一行質(zhì)子的位置，就需進(jìn)行相位編碼。在Y軸方向上施加另一梯度場(chǎng)，使得不同位置的質(zhì)子處于不同相位，即進(jìn)動(dòng)角度不同，并由此進(jìn)行識(shí)別。,.,48,進(jìn)動(dòng)的質(zhì)子相位一致，做同步同速運(yùn)動(dòng)，使得在橫軸方向上的磁化矢量得以疊加，并產(chǎn)生一個(gè)新的橫向磁化矢量，RF脈沖的強(qiáng)度越大，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，橫向進(jìn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)的角度就越大。,.,49,MR圖像的重建,f(t)=A0+Asin(t+)在進(jìn)行頻率編碼和相位編碼后，利用傅立葉變換就可將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信號(hào)分離，確定每一個(gè)體素的MR信號(hào)的值，形成圖像。,.,50,（三）射頻系統(tǒng),射頻系統(tǒng)的作用是發(fā)射射頻(RF)脈沖,使磁化的質(zhì)子吸收能量產(chǎn)生共振,并接收質(zhì)子在弛豫過(guò)程中釋放的能量而產(chǎn)生MR信號(hào)，其頻率在拉莫頻率附近。,.,51,射頻（RF）線圈,射頻線圈的作用是發(fā)射RF脈沖,對(duì)被檢體質(zhì)子進(jìn)行激勵(lì)，并檢測(cè)被檢體的MR信號(hào)。用于發(fā)射射頻建立射頻磁場(chǎng)的射頻線圈叫發(fā)射線圈，用于檢測(cè)MR信號(hào)的射頻線圈叫接收線圈。有的線圈可在不同的時(shí)期分別完成發(fā)射和接收任務(wù)，如體線圈；而有的只能用于接收信號(hào)，如大部分表面線圈。,.,52,射頻（RF）線圈,射頻線圈的敏感容積越小，則信噪比越高；線圈與人體檢查部位的距離越近，則信號(hào)越強(qiáng)，信噪比越高。這兩者直接決定著圖像的質(zhì)量，所以需根據(jù)人體各個(gè)部位的不同形狀、大小，制成不同尺寸和類型的線圈，以取得最佳圖像質(zhì)量。射頻線圈主要有兩類：1、體積線圈：大容積，如頭線圈、體線圈2、表面線圈：小容積，如乳腺線圈等,.,53,射頻（RF）線圈,頭顱線圈（鳥(niǎo)籠狀）,.,54,射頻（RF）線圈,神經(jīng)血管線圈,.,55,射頻（RF）線圈,頸椎線圈,.,56,射頻（RF）線圈,胸腰椎線圈,.,57,射頻（RF）線圈,軀體線圈,.,58,射頻（RF）線圈,乳腺線圈,.,59,射頻（RF）線圈,通用柔軟線圈,.,60,（四）計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng),1、主機(jī)2、存儲(chǔ)器3、輸入、輸出設(shè)備4、系統(tǒng)軟件5、應(yīng)用軟件,.,61,（五）輔助設(shè)備,1、磁屏蔽2、射頻屏蔽3、操作控制臺(tái)4、檢查床5、高壓注射器,.,62,四、磁共振圖像,腹主動(dòng)脈MRA三維重建圖像,.,63