磁共振成像基本知识

磁共振成像基本知识首字母缩写:NMRI为了和原子核及射线的放射性危害区分开来，临床医生建议去掉N，简称为磁共振成像NuclearMagneticResonanceImagingMRI发展历史1946年美国斯坦福大学的F.Bloch和哈佛大学E.M.Purcell领导的两个研究组首次独立观察到磁共振信号，由于该重要的科学发现，他们两人共同荣获1952年诺贝尔物理奖。其发展最初阶段的应用局限于物理学领域，主要用于测定原子核的磁矩等物理常数。在20世纪70年代初，美国科学家PaulLauterbur发现了在磁场中引入梯度的方法来创造二维图像的可能性。通过分析发射的无线电波的特性，他可以确定它们的来源。这使得用其他方法无法可视化的结构的二维图片成为可能。英国的科学家PeterMansfield，进一步发展了梯度磁场的运用。他展示了如何对信号进行数学分析，并展示了极快成像的可行性。他们利用磁共振技术观察不同结构方面的重大发现促进了现代磁共振成像(MRI)的发展和在医学影像中的应用，代表了医学诊断和研究的突破。并共同荣获2003年的诺贝尔生理学-医学奖。MRI扫描仪的基本硬件构成主磁体梯度线圈脉冲线圈计算机系统其他辅助设备1、主磁体按磁场产生方式分类永磁电磁常导超导主磁体开放式磁体封闭式磁体特殊外形磁体按磁体的外形分类0.35T永磁磁体1.5T超导磁体MRI图像信噪比与主磁场场强成正比按主磁场的场强分类低场:小于0.5T中场：0.5T－1.0T高场:1.0T－2.0T（1.0T、1.5T、2.0T）超高场强：大于2.0T（3.0T、4.7T、7T）MRI要求主磁场高度均匀空间定位需要频谱分析（各种代谢物之间的共振频率相差极小）脂肪抑制（脂肪和水分子中的氢质子共振频率很接近）T（特斯拉，目前磁场强度的法定单位）G（高斯，1T=10000G）2、梯度线圈作用空间定位产生信号其他作用梯度线圈性能的提高磁共振成像速度加快梯度线圈性能指标梯度场强（mT/M）梯度场两端的磁场强度差值/梯度场的长度切换率(mT/m.s)梯度场预定强度/爬升时间3、脉冲线圈作用如同无线电波的天线激发人体产生共振（广播电台的发射天线）采集MR信号（收音机的天线）接收线圈与MRI图像SNR密切相关接收线圈离身体越近，所接收到的信号越强线圈内体积越小，所接收到的噪声越低3D-FFEMatrix512×512FOV2.5cm利用2.3cm显微线圈采集的指纹MR图像4、计算机系统及谱仪数据的运算控制扫描显示图像5、其他辅助设备空调检查台液氮及水冷却系统图像存储系统自动洗片机等MRI基本原理原子的结构1、人体MR成像的物质基础电子：负电荷中子：无电荷原子核总是绕着自身的轴旋转－－自旋(Spin)地球自转产生磁场原子核总是不停地按一定频率绕着自身的轴发生自旋(Spin)原子核的质子带正电荷，其自旋产生的磁场称为核磁，因而以前把磁共振成像称为核磁共振成像（NMRI）。自旋与核磁核磁就是原子核自旋产生的磁场所有的原子核都可产生核磁吗？质子为偶数，中子为偶数质子为奇数，中子为奇数质子为奇数，中子为偶数质子为偶数，中子为奇数产生核磁（磁性原子核）不产生核磁（非磁性原子核）原因有：1.1H的磁化率很高2.1H占人体原子的绝大多数用于人体MRI的为1H（氢质子）通常所指的MRI为氢质子的MR图像人体元素1H14N31P13C23Na39K17O2H19F摩尔浓度99.01.60.350.10.0780.0450.0310.0150.0066相对磁化率1.00.0830.0660.0160.0930.00050.0290.0960.83通常情况下人体内氢质子的核磁状态通常情况下，尽管每个质子自旋均产生一个小的磁场，但呈随机无序排列，磁化矢量相互抵消，人体并不表现出宏观磁场，宏观磁化矢量为0。大磁铁？把人体放进大磁场YZX进入主磁场前后人体组织质子的核磁状态进入主磁场后磁化矢量的影响因素温度温度升高，磁化率降低主磁场场强场强越高，磁化率越高，场强几乎与磁化率成正比质子含量质子含量越高，与主磁场同向的质子总数增加（磁化率不变）在主磁场中质子的磁化矢量方向与主磁场方向不平行——进动进动核磁（小磁场）与主磁场相互作用进动使每个质子的核磁存在方向稳定的纵向磁化分矢量和旋转的横向磁化分矢量进动的频率明显低于质子的自旋频率，但比后者更为重要。陀螺=.B：进动频率Larmor频率：磁旋比（常数）B：主磁场场强Lamor方程尽管每个质子的进动产生了纵向和横向磁化矢量，但由于相位不同，因而只有宏观纵向磁化矢量产生，并无宏观横向磁化矢量产生磁共振不能检测出纵向磁化矢量MR能检测到怎样的磁化矢量呢？MR不能检测到纵向磁化矢量，但能检测到旋转的宏观横向磁化矢量NS如何才能产生横向宏观磁化矢量？？？？共振：能量从一个震动着的物体传递到另一个物体，而后者以前者相同的频率震动。共振条件频率一致实质能量传递磁共振现象磁共振现象是射频线圈对处于主磁场中的人体组织发射一个射频脉冲，此脉冲频率与质子的进动频率相同，射频脉冲的能量传递给处于低能级的质子，处于低能级的质子获得能量后跃迁到高能级。微观—低能级的质子获得能量跃迁到高能级宏观—宏观纵向磁化矢量发生偏转90度脉冲激发后产生的宏观和微观效应1.低能的超出部分的氢质子有一半获得能量进入高能状态，高能和低能质子数相等，纵向磁化矢量相互抵消而等于零——微观2.使质子处于同相位，质子的微观横向磁化矢量相加，产生旋转宏观横向磁化矢量——宏观主磁场方向YZX90度脉冲激发使质子发生共振，产生最大的旋转横向磁化矢量，这种旋转的横向磁化矢量切割接收线圈，MR仪可以检测到。此时的MR图像仅仅区分氢质子密度不同的两种组织，所以要在射频脉冲关闭后等待一定时间并对信号进行干预和采集氢质子多氢质子少无线电波激发使磁场偏转90度，射频脉冲停止后，在主磁场的作用下，横向宏观磁化矢量逐渐缩小到零，纵向宏观磁化矢量从零逐渐回到平衡状态，这个过程称为核磁弛豫。横向弛豫纵向弛豫横向弛豫也称为T2弛豫，就是横向磁化矢量减少的过程，能量衰减2/3所需要的时间即T2弛豫时间。横向弛豫过程使质子群由相位一致变为互异，所以又称自旋—自旋弛豫。T2弛豫是由于进动质子的失相位用T2值来描述组织T2弛豫的快慢不同的组织横向弛豫速度不同（T2值不同）纵向弛豫也称为T1弛豫，是指90度脉冲关闭后，在主磁场的作用下，纵向磁化矢量开始恢复，直至恢复到平衡状态的过程，纵向磁化矢量恢复到原能量2/3时所需时间即T1弛豫时间。在纵向弛豫过程中高能态的质子将其能量扩散到周围环境，所以又称为自旋—晶格弛豫。纵向弛豫的机理90度激发低能的质子获能进入高能状态纵向弛豫高能的质子释放能量T1弛豫是由于高能质子的能量释放回到低能状态用T1值来描述组织T1弛豫的快慢晶格震动频率低于质子进动频率能量传递慢－－含高浓度大分子蛋白晶格震动频率接近于质子进动频率能量传递快－－脂肪，含中小分子蛋白质高能的质子把能量释放给周围的晶格（分子）晶格震动频率高于质子进动频率能量传递慢－－纯水不同组织有不同的T1弛豫时间人体各种组织的T2弛豫要比T1弛豫快得多T2<<<T1重要提示不同组织有着不同质子密度横向(T2)弛豫速度纵向(T1)弛豫速度这是MRI显示解剖结构和病变的基础磁共振加权成像所谓的加权就是“重点突出”的意思T1加权成像（T1WI）----突出组织T1弛豫（纵向弛豫）差别T2加权成像（T2WI）----突出组织T2弛豫（横向弛豫）差别质子密度加权成像（PD）－突出组织氢质子含量差别在任何序列图像上，信号采集时刻旋转横向的磁化矢量越大，MR信号越强T2加权成像(T2WI)T2值小横向磁化矢量减少快残留的横向磁化矢量小MR信号低（黑）T2值大横向磁化矢量减少慢残留的横向磁化矢量大MR信号高（白）水T2值约为1600毫秒MR信号高脑T2值约为100毫秒MR信号低反映组织横向弛豫的快慢！T1加权成像(T1WI)T1值越小纵向磁化矢量恢复越快已经恢复的纵向磁化矢量大MR信号强度越高（白）T1值越大纵向磁化矢量恢复越慢已经恢复的纵向磁化矢量小MR信号强度越低（黑）脂肪的T1值约为250毫秒MR信号高（白）水的T1值约为3000毫秒MR信号低（黑）反映组织纵向弛豫的快慢！人体大多数病变的T1值、T2值均较相应的正常组织大，因而在T1WI上比正常组织“黑”，在T2WI上比正常组织“白”。MRI空间定位X轴、Y轴、Z轴三维空间定位层面层厚选择频率编码相位编码地球磁场存在从赤道到南北极逐渐减弱的梯度,在地球上可根据所处位置的磁场强度来确定其位置MRI的三维空间定位通过三个梯度场强来实现层面层厚选择第一个梯度场1MHZ/cm64－65MHZ层厚1cm1MHZ/cm64－64.5MHZ层厚0.5cm2MHZ/cm64－65MHZ层厚0.5cm梯度场强不变射频带宽越宽层厚越厚射频带宽不变梯度场强越高层厚越薄决定层厚的因素梯度场强射频带宽调整射频脉冲的带宽、梯度场强的强度和位置，即可随意选择层面的位置和层厚层面内的空间定位体素（Voxel）－像素（Pixel）MR？MR采集到的每一个信号均含有全层信息必须进行层面内的空间定位编码才能把整个信息分配到各个像素空间定位编码包括频率编码和相位编码频率编码依靠梯度磁场带有不同频率的MR信号，通过付立叶转换可以区分第二个梯度场64mHZ64mHZ64mHZ相位编码相位编码还是依靠梯度磁场第三个梯度场7、K空间及其特性K空间为MR图像原始数据的填充储存空间格式，填充后的资料经傅立叶转换，重建出MR图像。激发编码信号采集K空间填充付立叶转换图像显示MRI脉冲序列及其临床应用脉冲序列的作用脉冲序列可以是90°或180°TR可长可短可组成多种脉冲序列脉冲序列决定获得组织的何种信号自旋回波（spinecho，SE）序列结构图激发脉冲层面选择梯度频率编码梯度相位编码梯度MR信号90度脉冲激发组织产生横向磁化矢量SE序列图180度脉冲的作用？？？90度激发脉冲关闭后，所产生的宏观横向磁化矢量很快衰减－－自由感应衰减（FID）横向磁化矢量的衰减是由于质子失相位质子失相位的原因质子小磁场的相互作用造成磁场不均匀（随机）－－真正的T2弛豫主磁场的不均匀（恒定），后者是造成质子失相位的主要原因1+2产生的横向磁化矢量衰减实际上为T2*弛豫180度复相脉冲可以抵消主磁场恒定不均匀造成的信号衰减，从而获得真正的T2弛豫图像180度脉冲可使因主磁场恒定不均匀造成失相质子的相位重聚，产生自旋回波SE序列结构用180度复相脉冲采集回波（MR信号）的序列称为自旋回波序列（SE序列）90180回波TETRTE：回波时间TR：重复时间TR决定图像的T1成分TE决定图像的T2成分很长的TR－－所有的组织T1完全弛豫－剔除图像的T1弛豫差别很短的TE可基本剔除图像的T2成分长TR（>2000ms）长TE（>50ms）T2WI短TR（200-500ms）短TE（<20ms）T1WI长TR（>2000ms）短TE（<20ms）PD如何区分T1WI、T2WI1、看TR,TE2、看水和脂肪T1WI：水（如脑脊液、胃液、肠液、尿液）呈低信号（黑）脂肪呈很高信号（很白）T2WI：水呈很高信号（很白）脂肪信号有所降低（灰白）T2WIT1WI3、看其他结构脑组织：T1WI:白质比灰质信号高T2WI:白质比灰质信号低腹部：T1WI:肝脏比脾脏信号高T2WI:肝脏比脾脏信号低T2WIT1WIT1WIT2WI正常组织的MR信号组织T1WIT2WI水黑白气体黑黑血液黑，白白，黑脂肪白白铁黑黑肌肉灰灰肌腱，韧带黑黑软骨灰灰密骨质黑黑病理组织的MR信号组织T1WIT2WI水肿黑白空气黑黑钙化黑黑脂肪白白结石黑，灰黑，灰出血黑，灰，白白，灰，黑肿瘤黑，灰，白白，黑，灰气体脂肪（脂肪瘤）水（水肿）正常组织与病理组织T1WIT2WI肌腱、韧带软骨肌肉密质骨松质骨T1WIT2WI肿瘤T1WIT2WI恶性胶质瘤脑内多发结节样长T1，长T2异常信号T1WIT2WI肝脓肿胆囊癌肝转移特殊功能脑功能成像(fMRI)血氧水平依赖成像BOLD灌注成像PWI弥散成像DWI波谱成像MRS血管成像（MRA）常规MRA增强MRA水成像胰胆管成像MRCP尿路成像MRU脊髓成像MRM迷路成像MRL抑制成像脂肪抑制成像STIR水抑制成像FLAIR扩散张量成像DTIDWI急性脑梗塞正常脑MRA大脑中动脉狭窄磁共振血管成像（MRA）头颈部CE-MRA磁共振胰胆管（MRCP）显示胆囊、胆管结石MRI的优势高软组织对比度，无骨伪影多参数成像—T1WI,T2WI,PWI多方位断层—冠，矢，轴心血管血流成像分子水平诊断—MRS对比增强效果好显示病灶敏感性高MRI的不足成像时间长运动伪影显示钙化灶不敏感病变的特异性和准确性不高禁忌证较多检查费用高MRI的禁忌症手术植入物：心脏起搏器、神经刺激器、人工金属心脏瓣膜、动脉瘤夹（非顺磁性如钛合金外）、金属避孕环、人工关节等疑有铁磁性植入者，如弹片及眼内铁磁性金属异物妊娠三个月内的早期妊娠者体内有微量输液泵（胰岛素泵等）患有幽闭恐惧症的病人危重病人（如重度高热、意识障碍、需生命支持系统者）总结一下MR成像的过程把病人放进磁场人体被磁化产生纵向磁化矢量发射射频脉冲人体内氢质子发生共振从而产生横向磁化矢量（相位一致）关掉射频脉冲质子发生T1、T2弛豫（同时进行空间定位编码）线圈采集人体发出的MR信号计算机处理（付立叶转换）显示图像