磁共振成像設(shè)備課件

磁共振成像設(shè)備第一課磁共振成像Magneticresonanceimaging,MRI磁共振成像原理：

成就一副圖像的根本原理〔要素或步驟〕有信號(hào):信號(hào)性質(zhì)、信號(hào)來(lái)源、信號(hào)產(chǎn)生及條件獲取信號(hào):如何獲取、用何物獲取處理信號(hào):如何處理、處理方法、處理過(guò)程圖像重建:重建原理、圖像參數(shù)、質(zhì)量控制MRI的特點(diǎn)與意義1、高、尖、新：高科技、邊緣科學(xué)、開(kāi)展迅速、產(chǎn)生了14位諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者3、生命意義：科技的雙刃劍作用；MRI應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的優(yōu)勢(shì)利用人體氫質(zhì)子的MR信號(hào)成像，從分子水平提供診斷信息；任意截面成像；軟組織圖象更出色；不受骨偽影的影響；無(wú)電離輻射,一定條件下可進(jìn)行介入MRI治療

主要用途特別適合于中樞神經(jīng)系統(tǒng)、頭頸部、肌肉關(guān)節(jié)系統(tǒng)以及心臟大血管系統(tǒng)的檢查，也適于縱隔、腹腔、盆腔實(shí)質(zhì)器官及乳腺的檢查。中樞神經(jīng)系統(tǒng)，MRI已成為顱頸交界區(qū)、顱底、后顱窩及椎管內(nèi)病變的最正確檢查方式。對(duì)于腦瘤、腦血管病、感染疾病、腦變性疾病和腦白質(zhì)病、顱腦先天發(fā)育異常等均具有極高的敏感性，在發(fā)現(xiàn)病變方面優(yōu)于CT；對(duì)于脊髓病變?nèi)缒[瘤、脫髓鞘疾病、脊髓空洞癥、外傷、先天畸形等，為首選方法。

主要用途

主要用途MRI的局限性成像速度慢〔相對(duì)于X-CT而言〕對(duì)鈣化灶和骨皮質(zhì)灶不敏感圖像易受多種偽影影響禁忌癥：心臟起搏器及鐵磁性植入者等定量診斷困難MRI、X-CT、ECT、US比照這不是危言聳聽(tīng)！平安性磁場(chǎng)射頻噪聲液氦防護(hù)周圍神經(jīng)刺激熱量積累聽(tīng)力氧含量絕對(duì)禁忌癥相對(duì)禁忌癥磁共振成像開(kāi)展史：1946年美國(guó)哈佛大學(xué)的E.Purcell及斯坦福大學(xué)的F.Bloch領(lǐng)導(dǎo)的兩個(gè)研究小組各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了磁共振現(xiàn)象。Purcell和Bloch共同獲得1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1968年

Jockson試制全身磁共振；1971年美國(guó)紐約州立大學(xué)的R.Damadian利用磁共振波譜儀對(duì)小鼠研究發(fā)現(xiàn)，癌變組織的T1，T2弛豫時(shí)間比正常組織長(zhǎng)；1973年美國(guó)紐約州立大學(xué)的Lauterbur利用梯度磁場(chǎng)進(jìn)行空間定位，獲得兩個(gè)充水試管的第一幅磁共振圖像；1978年英國(guó)取得了第一幅人體頭部的磁共振圖像；1980年第一副人體胸腹部MR圖像產(chǎn)生，磁共振設(shè)備商品化。1982年底

全世界有2000名病例接受MRI檢查；1984年

美國(guó)FDA批準(zhǔn)核磁共振使用于臨床；1986年

中國(guó)成立安科公司；1998年

世界磁共振成像年；磁共振成像的開(kāi)展1946核磁共振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)USA,物理學(xué)家Bloch,Purcell,1952諾貝爾物理獎(jiǎng)1971正常與癌變組織磁共振特性有很大差別USA,科學(xué)家Damadian1973利用圖像重建技術(shù)獲得充水試管的磁共振圖像USA,美國(guó)物理學(xué)家Lauterbur1974活鼠NMR圖像Lauterbur等1976人體胸部NMR圖像Damadian1977初期的NMR全身圖像Mallard1980MRI裝備的商品化1989國(guó)產(chǎn)永磁MRI的商品化中科院安科公司2003諾貝爾獎(jiǎng)Lauterbur&MansfieldMRI的開(kāi)展目的、方向及熱點(diǎn)開(kāi)展目的：縮短成像時(shí)間提高圖像質(zhì)量降低成像費(fèi)用更舒適、人性化的受檢環(huán)境開(kāi)展熱點(diǎn)：fMRI:功能磁共振成像，主要指腦功能磁共振成像MRS:磁共振波譜分析，化學(xué)位移、核磁矩、元素確定、體內(nèi)化學(xué)成分分析新的成像核素的開(kāi)發(fā)，如31P專用小型磁共振的開(kāi)發(fā)，如關(guān)節(jié)磁共振站立式磁共振〔STAND-UPMRI〕主要MRI廠家國(guó)際:PHILIPSG.ESIEMENSHITACHIMARCONI(原PICHER)TOSHIBA國(guó)內(nèi):東大阿爾派(沈陽(yáng))安科(深圳)麥迪特(深圳)鑫高益(寧波)萬(wàn)東(北京)威達(dá)〔廣東〕在磁共振方面，廣東威達(dá)公司可能不大為人所知，但據(jù)行業(yè)人士信息，上世紀(jì)九十年代國(guó)內(nèi)醫(yī)院共裝配了一百多臺(tái)威達(dá)公司的400高斯磁共振至今仍在使用，而且?guī)缀跛胁考际亲约貉兄粕a(chǎn)的。2002年南京的醫(yī)療器械展覽會(huì)上還有模型展出。因該說(shuō)是在開(kāi)展國(guó)內(nèi)磁共振事業(yè)還是做出了奉獻(xiàn)的。故特此提出3TMRI已經(jīng)廣泛用于臨床，7TMRI在全球陸續(xù)裝機(jī)，最高的由GE研發(fā)的9．4TMRI就安裝在RSNA舉辦地芝加哥。作為超高場(chǎng)MRI的主力軍，3Tt以迅猛的速度在世界各地廣泛安裝投入臨床使用。

2021年中國(guó)第一臺(tái)〔亞洲第二臺(tái)〕7T西門子中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物物理研究所中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)中心建成大型超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)是亞太地區(qū)第一臺(tái)磁體強(qiáng)度為9.4T、磁體口徑為400mm的大型哺乳動(dòng)物高場(chǎng)磁共振成像系統(tǒng)核磁共振成像磁體可分為：超導(dǎo)磁體、永磁磁體和電磁體三種。從磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)分，磁體可分為中低場(chǎng)(B<0.5T)、中高場(chǎng)(B≈0.5～1.5T)、高場(chǎng)(B>1.5T)和超高磁場(chǎng)(B>3T)。根據(jù)所用磁體的不同，核磁共振成像分為超導(dǎo)型、永磁型和電磁型MRI系統(tǒng)。場(chǎng)強(qiáng)為1.5T和3.0T水平溫孔MRI系統(tǒng)已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)成像診斷設(shè)備，并被醫(yī)院普遍使用，尤其是磁場(chǎng)到達(dá)3～4T的超短腔磁體系統(tǒng)。而7.0T、9.4T和11.75T的核磁共振系統(tǒng)也已在多個(gè)國(guó)家安裝或立項(xiàng)研發(fā)樣機(jī)。MRI系統(tǒng)的場(chǎng)強(qiáng)越高，其所成圖像的分辨率越清晰，可觀測(cè)到低場(chǎng)MRI系統(tǒng)無(wú)法發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，高場(chǎng)MRI系統(tǒng)可對(duì)人類的大腦開(kāi)展記憶、注意力、決定等認(rèn)知層次的研究，甚至能夠鑒別謊話這類復(fù)雜狀態(tài)，MRI對(duì)人類的健康和科技開(kāi)展發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。未來(lái)，隨著醫(yī)學(xué)診斷需求的增加7T全身成像可能會(huì)同3T核磁共振系統(tǒng)一樣成為主流產(chǎn)品。MR現(xiàn)象的物理學(xué)根底產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象的根本條件靜磁場(chǎng)中物質(zhì)的原子核受到一定頻率的電磁波作用，它們的能級(jí)之間發(fā)生共振躍遷，就是磁共振現(xiàn)象。物質(zhì)吸收電磁波能量而躍遷后，又會(huì)釋放電磁能量恢復(fù)到初始狀態(tài)，如果用特殊裝置接受這局部能量信號(hào)，就采集到MR信號(hào)。MR現(xiàn)象的物理學(xué)根底產(chǎn)生MR信號(hào)三個(gè)根本條件：能夠產(chǎn)生共振躍遷的原子核；恒定的靜磁場(chǎng)〔外磁場(chǎng)、主磁場(chǎng)〕；產(chǎn)生一定頻率電磁波的交變磁場(chǎng)。因產(chǎn)生MR的電磁波在電磁波譜中位于長(zhǎng)波的射頻無(wú)線電波波段，這個(gè)交變磁場(chǎng)稱為射頻磁場(chǎng)?！昂舜殴舱瘿暤摹昂栓暿侵腹舱褴S遷的原子核，“磁〞是指主磁場(chǎng)和射頻磁場(chǎng)，“共振〞是指當(dāng)射頻磁場(chǎng)的頻率與原子核進(jìn)動(dòng)的頻率一致時(shí)原子核吸收能量，發(fā)生能級(jí)間的共振躍遷。原子核的特性〔一〕原子核自旋和磁矩1.原子核和電子云物質(zhì)由分子組成的，分子由原子組成。原子由一個(gè)原子核及數(shù)目不同的電子組成。原子核又由帶有正電荷的質(zhì)子〔proton〕和不顯電性的中子組成，其中質(zhì)子與MRI有關(guān)。構(gòu)成水、脂肪、肌肉等生命物質(zhì)的原子(氫、鈉或磷等)，原子的外層為原子殼，由不停運(yùn)動(dòng)著的許多電子構(gòu)成(電子云)。中央是原子核，核上有電荷，圍繞原子核的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為“自旋〞〔spin〕。

原子核自旋

原子核結(jié)構(gòu)和自旋質(zhì)子(氫質(zhì)子)

原子核是由不同數(shù)量的質(zhì)子和中子構(gòu)成，其大小與質(zhì)量都不相同，如氫的同位素氕(1H)、氘(2H)、氚(3H)。它們的核都有一個(gè)質(zhì)子，不同的是氘還有一個(gè)中子，氚有兩個(gè)中子。因?yàn)殡暮酥挥幸粋€(gè)質(zhì)子，將它稱為氫質(zhì)子或質(zhì)子，質(zhì)子帶正電，并不停的旋轉(zhuǎn)著，又稱自旋質(zhì)子，是目前MR成像應(yīng)用最廣泛的原子核。自旋動(dòng)畫

帶電的自旋質(zhì)子群

一群自旋著的質(zhì)子，顯示每個(gè)核內(nèi)周邊的電荷形成一個(gè)環(huán)形電流。這些環(huán)形電流的方向是雜亂無(wú)章的，這是自然狀態(tài)下的自旋核質(zhì)子群。每一個(gè)環(huán)形電流周圍將產(chǎn)生電磁效應(yīng)，就是磁場(chǎng)。一個(gè)環(huán)形電流就好似一個(gè)小磁棒。理論上任何原子核所含質(zhì)子或中子的為奇數(shù)時(shí)，具有磁性。自旋動(dòng)畫帶電的自旋質(zhì)子群通電的環(huán)形線圈周圍都有磁場(chǎng)存在，相當(dāng)于一塊磁鐵。所以轉(zhuǎn)動(dòng)的質(zhì)子也相當(dāng)于一個(gè)小磁體，具有自身的南、北極及磁力，質(zhì)子自身具有磁性，在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，并具有自身磁矩。磁矩是矢量，具有方向和大小，磁矩的方向可有環(huán)形電流的法拉第右手定那么確定，與自旋軸一致。環(huán)形電流的磁矩μ：μ=IS自然狀態(tài)下，人體存在大量帶電、有磁性的自旋核，但它們的磁矩互相抵消，組織并未顯示出磁性。磁場(chǎng)強(qiáng)度及方向

磁場(chǎng)有力和能的性質(zhì)，力有強(qiáng)度和方向靜磁場(chǎng)強(qiáng)度以字母B表示，單位是特斯拉(Tesla)或高斯(Gauss)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱在圖中用平行線的密疏來(lái)表示密度大，場(chǎng)強(qiáng)大，用箭頭的長(zhǎng)短來(lái)表示，箭頭的方向就是磁場(chǎng)的方向。TeslaORGauseTesla是一個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度單位,中文譯為特斯拉，一個(gè)單位Tesla＝10000GauseGause

中文譯為高斯,地球的自然磁場(chǎng)強(qiáng)度為高斯,南北極有所不同.

NSB0接動(dòng)畫靜磁場(chǎng)的作用〔一〕外加靜磁場(chǎng)中的磁化MRI中外加靜磁場(chǎng)的強(qiáng)度B0是恒定的。用X、Y、Z坐標(biāo)系來(lái)描述磁場(chǎng)的位置，Z代表B0方向，即磁力線方向，X-Y平面代表垂直于磁場(chǎng)方向的平面。外加靜磁場(chǎng)中的磁化垂直座標(biāo)系

Z軸是B0方向，通常與體軸一致XY平面垂直于體軸，叫橫斷面X軸是水平軸，Y軸是垂直軸，三個(gè)軸互相垂直接動(dòng)畫

靜磁場(chǎng)的作用〔一〕外加靜磁場(chǎng)中的磁化將一個(gè)小磁矩放在外磁場(chǎng)B0中，兩磁場(chǎng)方向的夾角為θ，小磁矩發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，停在順B0方向(θ減小到零)。這時(shí)的小磁矩處于穩(wěn)定狀態(tài)，能級(jí)最低，是磁場(chǎng)B0的扭力效應(yīng)。假設(shè)θ等于180°，即磁矩與B0方向相反，磁矩最不穩(wěn)定，勢(shì)能最大。磁矩在B0中有順B0或反B0兩個(gè)方向，一群磁矩動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果是順B0的磁矩多于逆B0的磁矩，剩余的是平行B0的低能態(tài)質(zhì)子，因此，凈磁向量M與B0同方向。接動(dòng)畫靜磁場(chǎng)的作用靜磁場(chǎng)中人體組織獲得磁化

人體進(jìn)入靜磁場(chǎng)后，經(jīng)過(guò)質(zhì)子有序化排列，組織宏觀上產(chǎn)生了一個(gè)縱向磁化矢量Mz

，組織有了磁性?？v向磁化矢量Mz不是振蕩磁場(chǎng)，無(wú)法測(cè)定。振蕩磁場(chǎng)是一種隨時(shí)間而變化的磁場(chǎng)，它的磁場(chǎng)變化可在天線內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生電壓，用電流表可以測(cè)定?？v向磁化Mz不移動(dòng)也不旋轉(zhuǎn)，因此無(wú)法記錄。

射頻磁場(chǎng)的作用MZ不是振蕩磁場(chǎng)，無(wú)法單獨(dú)檢測(cè)出來(lái)，不能直接用于成像。如果要檢測(cè)質(zhì)子的自旋、收集信號(hào)，只有在垂直于靜磁場(chǎng)B0方向的橫向平面有凈磁化矢量。為了設(shè)法檢測(cè)到特定質(zhì)子群的凈磁化矢量，并用于成像，需使凈磁化矢量偏離B0方向。為了到達(dá)這個(gè)目的，在MRI中采用了射頻〔radiofrequency，RF〕脈沖作為激發(fā)源。自旋(spin):

是原子核具有繞其特定軸旋轉(zhuǎn)的特性自旋角動(dòng)量：原子核自旋具有方向性磁矩：原子核自旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的微觀磁場(chǎng),隨機(jī)分布的根本概念進(jìn)動(dòng)〔precession〕：氫原子繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí),其轉(zhuǎn)動(dòng)軸線又繞重力方向回轉(zhuǎn)核磁共振NMR的條件

原子核在進(jìn)動(dòng)中吸收外界能量產(chǎn)生能級(jí)躍遷現(xiàn)象外界能量：短射頻脈沖激發(fā)源射頻磁場(chǎng)RF自旋磁矩在主磁場(chǎng)中進(jìn)動(dòng)外磁場(chǎng)方向核磁矩方向根本概念沿著主磁場(chǎng)方向?yàn)閆軸〔縱軸〕；垂直于主磁場(chǎng)方向的平面為XY平面〔水平面);左右方向?yàn)閅軸；前前方向?yàn)閄軸。宏觀磁化向量：全部磁矩重新定向所產(chǎn)生的磁化向量，單位體積中全部原子核的磁矩磁化向量〔M〕與磁場(chǎng)的三維坐標(biāo)XZB1MY根本概念射頻脈沖〔RadioFrequencypulse,RF)：一定頻率的無(wú)線電波或射頻能量,使磁化向量以90°的傾斜角旋轉(zhuǎn)的射頻脈沖稱為90°脈沖.核磁共振(NuclearMagneticResonance,NMR):利用射頻脈沖(RadioFrequencypulse)對(duì)平衡態(tài)的自旋系統(tǒng)做功,使其吸收能量,射頻停止,系統(tǒng)能量釋放能量.根本概念弛豫過(guò)程(relaxation):是指自旋系統(tǒng)吸收能量后由激發(fā)態(tài)恢復(fù)至其平衡態(tài)的過(guò)程.這一過(guò)程所用時(shí)間為弛豫時(shí)間(縱向磁化恢復(fù)和橫向磁化衰減的過(guò)程)

弛豫過(guò)程是一個(gè)能量轉(zhuǎn)變過(guò)程,磁距恢復(fù)狀態(tài)過(guò)程隨時(shí)間延長(zhǎng)而改變,是磁共振成像的關(guān)鍵.根本概念縱向馳豫T1縱向馳豫(T1馳豫):是指90°射頻脈沖激發(fā)停止后縱向磁化分量(Mz)將緩慢增大到最初值,成指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng).恢復(fù)至平衡態(tài)的過(guò)程.1*T15*T12*T13*T14*T1MZ

0Time100%63%根本概念T1Relaxation1*T15*T12*T13*T14*T1Mo0.5*Mo

063%ofM0MzTime脂肪白質(zhì)灰質(zhì)腦脊液MZ橫向馳豫橫向弛豫(T2馳豫)：射頻脈沖停止后,橫向磁化分量Mxy很快衰減到零,并且呈指數(shù)規(guī)律衰減到RF作用前的零狀態(tài).橫向弛豫是一個(gè)從最大值恢復(fù)至零狀態(tài)的過(guò)程.根本概念T2Relaxation

MXYt(ms)37%84921011400腦脊液灰質(zhì)白質(zhì)脂肪T1&T2Time63%37%100%T1T2MZMR信號(hào)的形成

RFPulse停止后，縱向磁化矢量轉(zhuǎn)向橫向并在XY平面內(nèi)繞Z軸進(jìn)動(dòng)。XY平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)磁體可以在接收線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，這個(gè)隨時(shí)間波動(dòng)的電壓即為MR信號(hào)。ZM0M1YXMXYRF線圈信號(hào)檢測(cè)YZM(t)O橫向磁化的產(chǎn)生拉莫進(jìn)動(dòng)O(一)電磁感應(yīng)與FID信號(hào)(磁場(chǎng))Electromagnetism根據(jù)法拉第定率產(chǎn)生電流。Bo(電流)currentXY自由感應(yīng)衰減信號(hào)(freeinductiondecayFID):以頻率在XY平面內(nèi)自由旋進(jìn)的橫向磁化矢量在線圈感應(yīng)出頻率相同,幅度按指數(shù)方式快速衰減的MR信號(hào)0tFITV幅度MR成像3個(gè)根本軸：Z,X,YZ：人體從頭到足，沿著這個(gè)軸選擇人體橫斷面X：人體從左到右，沿著這個(gè)軸選擇人體矢狀面Y：人體從前到后，沿著這個(gè)軸選擇人體冠狀面〔三〕梯度磁場(chǎng)與定位梯度磁場(chǎng)(G):人體的軸分為Gz、Gx、Gy。梯度磁場(chǎng)是在主磁場(chǎng)根底上再外加的一種磁場(chǎng)，使成像時(shí)感興趣人體段塊受到的磁場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)微小的差異w0