磁共振成像基本原理

1、,磁共振成像基本原理,楊正漢 衛(wèi)生部北京醫(yī)院放射科 北京大學第五臨床醫(yī)學院,MRI基本原理,難以理解,非常重要,非常重要,學習MRI前應該掌握的知識,電學 磁學 量子力學 高等數(shù)學,初中數(shù)學 初中物理 加減乘除 平方開方,磁共振成像基本原理,一個放射科醫(yī)生對磁共振成像的理解,一、MRI掃描儀的基本硬件構(gòu)成,一般的MRI儀由以下幾部分組成 主磁體 梯度線圈 脈沖線圈 計算機系統(tǒng) 其他輔助設(shè)備,1、主磁體,分類 磁場強度 磁場均勻度,MRI按磁場產(chǎn)生方式分類,永磁,電磁,常導,超導,主磁體,0.35T 永磁磁體,1.5T 超導磁體,按磁體的外形可分為 開放式磁體 封閉式磁體 特殊外形磁體,Open

2、Mark 3000,MR按主磁場的場強分類 MRI圖像信噪比與主磁場場強成正比 低場: 小于0.5T 中場：0.5T1.0T 高場: 1.0T2.0T（1.0T、1.5T、2.0T） 超高場強：大于2.0T（3.0T、4.7T、7T）,高斯（gauss, G）。 Gauss (1777-1855),1高斯為距離5安培電流的直導線1厘米處檢測到的磁場強度,德國著名數(shù)學家，于1832年首次測量了地球的磁場。,5安培,1厘米,1高斯,地球的磁場強度分布圖,特斯拉（Tesla,T） Nikola Tesla (1857-1943), 奧地利電器工程師，物理學家，旋轉(zhuǎn)磁場原理及其應用的先驅(qū)者之一。,1

3、T = 10000G,主磁場的均勻度 MRI要求磁場高度均勻，? 空間定位需要 頻譜分析（各種代謝物之間的共振頻率相差極小） 脂肪抑制（脂肪和水分子中的氫質(zhì)子共振頻率很接近）,50厘米球表面均勻度應該控制在3 PPM 45厘米球體均勻度可控制在1 PPM,頻率半高寬,2、梯度線圈,作用： 空間定位 產(chǎn)生信號 其他作用 梯度線圈性能的提高 磁共振成速度加快 沒有梯度磁場的進步就沒有快速、超快速成像技術(shù),梯度、梯度磁場,梯度磁場的產(chǎn)生,Z軸方向梯度磁場的產(chǎn) 生,X、Y、Z軸上梯度磁場的產(chǎn)生,梯度線圈性能指標 梯度場強 25 / 60mT/m 切換率 120 / 200mT/m.s,有效梯度場長度

4、50 cm,梯度兩端磁 場強度差值,梯度場強（mT/M）梯度場兩端的磁場強度差值/梯度場的長度,1000mT,1010mT,990mT,梯度場強（1010mT-990mT）/ 0.5 M= 40 mT/M,1000mT,梯度場強,爬升時間,切換率梯度場預定強度/爬升時間,3、脈沖線圈,脈沖線圈的作用 如同無線電波的天線 激發(fā)人體產(chǎn)生共振（廣播電臺的發(fā)射天線） 采集MR信號（收音機的天線）,脈沖線圈的分類 按作用分兩類 激發(fā)并采集MRI信號（體線圈） 僅采集MRI信號，激發(fā)采用體線圈進行（絕大多數(shù)表面線圈）,按與檢查部位的關(guān)系分 體線圈 表面線圈 第一代為線性極化表面線圈 第二代為圓形極化表面線

5、圈 第三代為圓形極化相控陣線圈 第四代為一體化全景相控陣線圈,接收線圈與MRI圖像SNR密切相關(guān) 接收線圈離身體越近，所接收到的信號越強 線圈內(nèi)體積越小，所接收到的噪聲越低,3D-FFE Matrix 512512 FOV 2.5cm,利用2.3cm顯微線圈采集的指紋MR圖像,4、計算機系統(tǒng)及譜儀,數(shù)據(jù)的運算 控制掃描 顯示圖像,5、其他輔助設(shè)備,空調(diào) 檢查臺 激光照相機 液氦及水冷卻系統(tǒng) 自動洗片機等,二、MRI的物理學原理,1、人體MR成像的物質(zhì)基礎(chǔ),原子的結(jié)構(gòu),原子核總是繞著自身的軸旋轉(zhuǎn)自旋 ( Spin ),地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁場 原子核總是不停地按一定頻率繞著自身的軸發(fā)生自旋 ( Spin

6、 ) 原子核的質(zhì)子帶正電荷，其自旋產(chǎn)生的磁場稱為核磁，因而以前把磁共振成像稱為核磁共振成像（NMRI）。,自旋與核磁,地磁、磁鐵、核磁示意圖,原子核自旋產(chǎn)生核磁,核磁就是原子核自旋產(chǎn)生的磁場,非常重要,所有的原子核都可產(chǎn)生核磁嗎？,質(zhì)子為偶數(shù)，中子為偶數(shù),質(zhì)子為奇數(shù)，中子為奇數(shù) 質(zhì)子為奇數(shù)，中子為偶數(shù) 質(zhì)子為偶數(shù)，中子為奇數(shù),產(chǎn)生核磁,不產(chǎn)生核磁,用于人體MRI的為1H（氫質(zhì)子），原因有： 1、1H的磁化率很高； 2、1H占人體原子的絕大多數(shù)。 通常所指的MRI為氫質(zhì)子的MR圖像。,何種原子核用于人體MR成像？,人體元素 1H 14N 31P 13C 23Na 39K 17O 2H 19F,摩

7、爾濃度 99.0 1.6 0.35 0.1 0.078 0.045 0.031 0.015 0.0066,相對磁化率 1.0 0.083 0.066 0.016 0.093 0.0005 0.029 0.096 0.83,人體內(nèi)有無數(shù)個氫質(zhì)子（每毫升水含氫質(zhì)子31022） 每個氫質(zhì)子都自旋產(chǎn)生核磁現(xiàn)象 人體象一塊大磁鐵嗎？,矢量的合成與分解,通常情況下人體內(nèi)氫質(zhì)子的核磁狀態(tài),通常情況下，盡管每個質(zhì)子自旋均產(chǎn)生一個小的磁場，但呈隨機無序排列，磁化矢量相互抵消，人體并不表現(xiàn)出宏觀磁化矢量。,把人體放進大磁場,2、人體進入主磁體發(fā)生了什么？,沒有外加磁場的情況下，質(zhì)子自旋產(chǎn)生核磁，每個氫質(zhì)子都是一個

8、“小磁鐵”，但由于排列雜亂無章，磁場相互抵消，人體并不表現(xiàn)出宏觀的磁場，宏觀磁化矢量為0。,指南針與地磁、小磁鐵與大磁場,進入主磁場前后人體組織質(zhì)子的核磁狀態(tài),處于高能狀態(tài)太費勁，并非人人都能做到,處于低能狀態(tài)的略多一點，007,進入主磁場后磁化矢量的影響因素,溫度、主磁場強度、質(zhì)子含量,溫度 溫度升高，磁化率降低 主磁場場強 場強越高，磁化率越高，場強幾乎與磁化率成正比 質(zhì)子含量 質(zhì)子含量越高，與主磁場同向的質(zhì)子總數(shù)增加（磁化率不變）,處于低能狀態(tài)的質(zhì)子到底比處于高能狀態(tài)的質(zhì)子多多少？,室溫下（300k）,0.2T：1.3 PPM 0.5T：4.1 PPM 1.0T：7.0 PPM 1.5T

9、：9.6 PPM,PPM為百萬分之一,處于低能狀態(tài)的氫質(zhì)子僅略多于處于高能狀態(tài)的質(zhì)子,在主磁場中質(zhì)子的磁化矢量方向是絕對同向平行或逆向平行嗎？,Precessing (進動),進動是核磁（小磁場）與主磁場相互作用的結(jié)果 進動的頻率明顯低于質(zhì)子的自旋頻率，但比后者更為重要。,非常重要, = .B,：進動頻率 Larmor 頻率,：磁旋比 42.5兆赫 / T,B：主磁場場強,高能與低能狀態(tài)質(zhì)子的進動,由于在主磁場中質(zhì)子進動，每個氫質(zhì)子均產(chǎn)生縱向和橫向磁化分矢量，那么人體進入主磁場后到底處于何種核磁狀態(tài)？,處于低能狀態(tài)的質(zhì)子略多于處于高能狀態(tài)的質(zhì)子，因而產(chǎn)生縱向宏觀磁化矢量,盡管每個質(zhì)子的進動產(chǎn)生

10、了縱向和橫向磁化矢量，但由于相位不同，因而只有宏觀縱向磁化矢量產(chǎn)生，并無宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生,由于相位不同，每個質(zhì)子的橫向磁化分矢量相抵消，因而并無宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生,進入主磁場后，質(zhì)子自旋產(chǎn)生的核磁與主磁場相互作用發(fā)生進動,非常重要,進動使每個質(zhì)子的核磁存在方向穩(wěn)定的縱向磁化分矢量和旋轉(zhuǎn)的橫向磁化分矢量,由于相位不同，只有宏觀縱向磁化矢量產(chǎn)生，并無宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生,進入主磁場后人體被磁化了，產(chǎn)生縱向宏觀磁化矢量 不同的組織由于氫質(zhì)子含量的不同，宏觀磁化矢量也不同 磁共振不能檢測出縱向磁化矢量,？,MR能檢測到怎樣的磁化矢量呢？,MR不能檢測到縱向磁化矢量，但能檢測到旋轉(zhuǎn)的橫向磁化矢量,

11、如何才能產(chǎn)生橫向宏觀磁化矢量？,？,？,？,3、什么叫共振，怎樣產(chǎn)生磁共振？,共振：能量從一個震動著的物體傳遞到另一個物體，而后者以前者相同的頻率震動。,共 振,條件 頻率一致 實質(zhì) 能量傳遞,體內(nèi)進動的氫質(zhì)子怎樣才能發(fā)生共振呢？,給低能的氫質(zhì)子能量，氫質(zhì)子獲得能量進入高能狀態(tài)，即核磁共振。,？,怎樣才能使低能氫質(zhì)子獲得能量，產(chǎn)生共振，進入高能狀態(tài)？,磁共振現(xiàn)象是靠射頻線圈發(fā)射無線電波（射頻脈沖）激發(fā)人體內(nèi)的氫質(zhì)子來引發(fā)的，這種射頻脈沖的頻率必須與氫質(zhì)子進動頻率相同，低能的質(zhì)子獲能進入高能狀態(tài),微觀效應,射頻脈沖激發(fā)后的效應是使宏觀磁化矢量發(fā)生偏轉(zhuǎn) 射頻脈沖的強度和持續(xù)時間決定射頻脈沖激發(fā)后的

12、效應,低能量,中等能量,高能量,宏觀效應,90度脈沖繼發(fā)后產(chǎn)生的宏觀和微觀效應,低能的超出部分的氫質(zhì)子有一半獲得能量進入高能狀態(tài)，高能和低能質(zhì)子數(shù)相等，縱向磁化矢量相互抵消而等于零,使質(zhì)子處于同相位，質(zhì)子的微觀橫向磁化矢量相加，產(chǎn)生宏觀橫向磁化矢量,90度脈沖激發(fā)使質(zhì)子發(fā)生共振，產(chǎn)生最大的旋轉(zhuǎn)橫向磁化矢量，這種旋轉(zhuǎn)的橫向磁化矢量切割接收線圈，MR儀可以檢測到。,無線電波激發(fā)后，人體內(nèi)宏觀磁場偏轉(zhuǎn)了90度，MRI可以檢測到人體發(fā)出的信號 氫質(zhì)子含量高的組織縱向磁化矢量大，90度脈沖后磁化矢量偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)的宏觀橫向矢量越大，MR信號強度越高。 此時的MR圖像可區(qū)分質(zhì)子密度不同的兩種組織,非常重

13、要,檢測到的僅僅是不同組織氫質(zhì)子含量的差別，對于臨床診斷來說是遠遠不夠的。 我們總是在90度脈沖關(guān)閉后過一定時間才進行MR信號采集。,非常重要,？,4、射頻線圈關(guān)閉后發(fā)生了什么？,無線電波激發(fā)使磁場偏轉(zhuǎn)90度，關(guān)閉無線電波后，磁場又慢慢回到平衡狀態(tài)（縱向),Relaxation,弛豫,放松、休息,4、射頻線圈關(guān)閉后發(fā)生了什么？,無線電波激發(fā)使磁場偏轉(zhuǎn)90度，關(guān)閉無線電波后，磁場又慢慢回到平衡狀態(tài)（縱向),射頻脈沖停止后，在主磁場的作用下，橫向宏觀磁化矢量逐漸縮小到零，縱向宏觀磁化矢量從零逐漸回到平衡狀態(tài)，這個過程稱為核磁弛豫。 核磁弛豫又可分解為兩個部分： 橫向弛豫 縱向弛豫,橫向弛豫,也稱為

14、T2弛豫，簡單地說，T2弛豫就是橫向磁化矢量減少的過程。,T2弛豫的原因 自旋質(zhì)子磁場暴露在大磁場與臨近自旋質(zhì)子的小磁場中 由于分子的運動，質(zhì)子周圍的小磁場不斷波動 每個質(zhì)子感受的磁場不均勻,磁場高質(zhì)子進動快,場強低質(zhì)子進動慢,同相位進動的質(zhì)子失相位,根據(jù)Lamor定律,T2弛豫是由于進動質(zhì)子的失相位 用T2值來描述組織T2弛豫的快慢,不同的組織橫向弛豫速度不同（T2值不同）,縱向弛豫,也稱為T1弛豫，是指90度脈沖關(guān)閉后，在主磁場的作用下，縱向磁化矢量開始恢復，直至恢復到平衡狀態(tài)的過程。,縱向弛豫的機理,90度激發(fā),低能的質(zhì)子獲能進入高能狀態(tài),縱向弛豫,高能的質(zhì)子釋放能量,晶格震動頻率低于質(zhì)

15、子進動頻率 能量傳遞慢含高濃度大分子蛋白,晶格震動頻率接近于質(zhì)子進動頻率 能量傳遞快脂肪，含中小分子蛋白質(zhì),高能的質(zhì)子把能量釋放給周圍的晶格（分子）,晶格震動頻率高于質(zhì)子進動頻率 能量傳遞慢純水,T1弛豫是由于高能質(zhì)子的能量釋放回到低能狀態(tài) 用T1值來描述組織T1弛豫的快慢,不同組織有不同的T1弛豫時間,人體各種組織的T2弛豫要比T1弛豫快得多,T2 T1,重要提示,不同組織有著不同 質(zhì)子密度 橫向(T2)弛豫速度 縱向(T1)弛豫速度 這是MRI顯示解剖結(jié)構(gòu)和病變的基礎(chǔ),？,5、磁共振“加權(quán)成像”,T1WI,T2WI,PD,所謂的加權(quán)就是“重點突出”的意思 T1加權(quán)成像（T1WI）-突出組織

16、T1弛豫（縱向弛豫）差別 T2加權(quán)成像（T2WI）-突出組織T2弛豫（橫向弛豫）差別 質(zhì)子密度加權(quán)成像（PD）突出組織氫質(zhì)子含量差別,何為加權(quán)？,MR不能檢測到縱向磁化矢量，但能檢測到旋轉(zhuǎn)的橫向磁化矢量,MR只能采集旋轉(zhuǎn)的橫向磁化矢量,在任何序列圖像上，信號采集時刻旋轉(zhuǎn)橫向的磁化矢量越大，MR信號越強,T2加權(quán)成像（T2WI),T2值小 橫向磁化矢量減少快 殘留的橫向磁化矢量小 MR信號低（黑） T2值大 橫向磁化矢量減少慢 殘留的橫向磁化矢量大 MR信號高（白） 水T2值約為1600毫秒 MR信號高 腦T2值約為100毫秒 MR信號低,反映組織橫向弛豫的快慢！,T2WI,T1加權(quán)成像(T1W

17、I),T1值越小 縱向磁化矢量恢復越快 已經(jīng)恢復的縱向磁化矢量大 MR信號強度越高（白） T1值越大 縱向磁化矢量恢復越慢 已經(jīng)恢復的縱向磁化矢量小MR信號強度越低（黑） 脂肪的T1值約為250毫秒 MR信號高（白） 水的T1值約為3000毫秒 MR信號低（黑）,反映組織縱向弛豫的快慢！,？,T1WI,重要提示!,人體大多數(shù)病變的T1值、T2值均較相應的正常組織大，因而在T1WI上比正常組織“黑”，在T2WI上比正常組織“白”。,6、MRI的空間定位,MRI空間定位 X軸、Y軸、Z軸三維空間定位 層面層厚選擇 頻率編碼 相位編碼,由于地球磁場存在從赤道到南北極逐漸減弱的梯度 在地球上可根據(jù)所處

18、位置的磁場強度來確定其位置,MRI的三維空間定位也通過三個梯度場強來實現(xiàn),層面層厚選擇,發(fā)射的射頻脈沖不可能是單一頻率,我們可以控制和調(diào)整射頻脈沖的帶寬,射頻脈沖有一定的頻率范圍（帶寬）,CT的層面選擇和層厚控制靠床位和準直器,層面層厚選擇,第一個梯度場,梯度場強不變 射頻帶寬越寬層厚越厚 射頻帶寬不變 梯度場強越高層厚越薄,決定層厚的因素 梯度場強 射頻帶寬,調(diào)整射頻脈沖的帶寬、梯度場強的強度和位置，即可隨意選擇層面的位置和層厚,層面內(nèi)的空間定位 體素（Voxel）像素（Pixel）,MR？,MR采集到的每一個信號均含有全層信息 必須進行層面內(nèi)的空間定位編碼才能把整個信息分配到各個像素 空間

19、定位編碼包括頻率編碼和相位編碼,頻率編碼,頻率編碼依靠梯度磁場,帶有不同頻率的MR信號，通過付立葉轉(zhuǎn)換可以區(qū)分,第二個梯度場,相位編碼,相位編碼還是依靠梯度磁場,第三個梯度場,相位編碼,付立葉轉(zhuǎn)換可區(qū)分不同相位的MR信號,付立葉轉(zhuǎn)換只能區(qū)分相位相差180度的MR信號,付立葉轉(zhuǎn)換只能區(qū)分相位相差180度的MR信號,矩陣為256*256的圖像需要進行256次相位編碼，也即采集256條相位編碼線,K空間,7、K空間及其特性,K空間為MR圖像原始數(shù)據(jù)的填充儲存空間格式，填充后的資料經(jīng)傅立葉轉(zhuǎn)換，重建出MR圖像。,SE序列,常規(guī)K空間的填充形式（對稱、循序填充）,K空間的特性,矩陣為256*256的圖像

20、需要采集256條相位編碼線來完成K空間的填充， K空間的數(shù)據(jù)點陣與圖像的點陣不是一一對應的, K空間中每一個點具有全層信息,K空間的特性,K空間具有對稱性 相位編碼方向的鏡像對稱 頻率編碼方向的對稱,K空間特性,填充K空間中央?yún)^(qū)域的相位編碼線決定圖像的對比 填充K空間周邊區(qū)域的相位編碼線決定圖像的解剖細節(jié),K空間的其他填充方式,激發(fā)編碼,信號采集,K空間填充,付立葉轉(zhuǎn)換,圖像顯示,8、自旋回波序列,自旋回波（spin echo，SE）序列結(jié)構(gòu)圖,90度脈沖激發(fā)組織產(chǎn)生橫向磁化矢量,SE序列圖,180度脈沖的作用？,90度激發(fā)脈沖關(guān)閉后，所產(chǎn)生的橫向磁化矢量很快衰減自由感應衰減（FID）,橫向磁化矢量的衰減是由于質(zhì)子失相位,質(zhì)子失相位的原因 質(zhì)子小磁場的相互作用造成磁場不均勻（隨機）真正的T2弛豫 主磁場的不均勻（恒定），后者是造成質(zhì)子失相位的主要原因,1+2產(chǎn)生的橫向磁化矢量衰減實際上為T