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1、第6章 医学磁共振成像（MRI）设备与应用,本章目录：,6.1 MRI成像系统简介 6.2 MRI检查的临床应用 6.3 MRI成像检查的优缺点 6.4 MRI影像设备新技术进展,6.1 MRI成像系统简介 6.1.1 MRI影像设备发展概况 6.1.2 MRI影像设备功能 6.1.3 MRI影像设备主要性能指标,6.1.1 MRI影像设备发展概况 磁共振成像技术是在磁共振波谱学的基础上发展起来的。磁共振成像自出现以来曾被称为：核磁共振成像、自旋体层成像、核磁共振体层成像、核磁共振CT等 。 1945年由美国加州斯坦福大学的布洛克（Bloch）和麻省哈佛大学的普塞尔（Purcell）教授同时发
2、现了磁共振的物理现象，即处在某一静磁场中的原子核受到相应频率的电磁波作用时，在它们的核能级之间发生共振跃迁现象。因此两位教授共同获得1952年诺贝尔物理学奖。 磁共振的物理现象被发现以后，很快形成一门新兴的医学影像学科磁共振波谱学 。,1971年纽约州立大学的达曼迪恩（Damadian）教授在科学杂志上发表了题为“核磁共振（NMR）信号可检测疾病”和“癌组织中氢的T1时间延长”等论文， 1973年曼斯菲德(Mansfields)研制出脉冲梯度法选择成像断层。 1974年英国科学家研制成功组织内磁共振光谱仪。 1975年恩斯托（Ernst）研制出相位编码成像方法。 1976年，得到了第一张人体M
3、R图像（活体手指）。 1977年磁共振成像技术进入体层摄影实验阶段。 几十年期间，有关磁共振的研究曾在三个领域（物理、化学、生理学或医学）内获得了六次诺贝尔奖。,6.1.2 MRI影像设备功能 现代磁共振成像系统大体结构都很相似，基本上由四个系统组成：即磁体系统、梯度磁场系统、射频系统和计算机系统。,1磁体系统 磁体系统是磁共振成像系统最重要、成本最高的部件，是磁共振系统中最强大的磁场，平时我们评论磁共振设备的大小就是指静磁场的场强数值，单位用特斯拉（Tesla，简称T）或高斯（Gauss）表示，1T=1万高斯。 临床上磁共振成像要求磁场强度在0.053T范围内。一般将0.3T称为低场，0.3
4、T1.0T称为中场，1.0T称为高场。磁场强度越高，信噪比越高，图像质量越好。但磁场强度过高也带来一些不利的因素。 为了获得不同场强的磁体，生产厂商制造出了不同类型的磁体，常见的磁体有永久磁体、常导磁体和超导磁体。,（1）永久磁体 永久磁体是由永久磁铁（如铁氧体或铷铁）的磁砖拼砌而成。它的结构主要有两种，即环型和轭型。 优点是：造价低，场强可以达到0.3T，能产生优质图像，需要功率极小，维护费用低，可装在一个相对小的房间里。 缺点是：磁场强度较低，磁场的均匀度和强度欠稳定，易受外界因素的影响（尤其是温度），不能满足临床波谱研究的需要。,（2）常导磁体 常导磁体是根据电流产生磁场的原理设计的。当
5、电流通过圆形线圈时，在导线的周围会产生磁场。常导磁体的线圈是由高导电性的金属导线或薄片绕制而成。它的结构主要由各种线圈组成。 优点是：造价较低，不用时可以停电，在0.2T以下可以获得较好的临床图像。 缺点是：磁场的不稳定性因素主要是受供电电源电压波动的影响，均匀度差。另外易受环境因素（如温度、线圈绕组的位置或尺寸）的影响.,（3）超导磁体 荷兰科学家昂尼斯（Kamerlingh Onnes） 在1911年首先发现某些物质的电阻在超低温下急剧下降为零的超导性质，电阻的突然消失意味着物质已转变为某种新的状态，这些物质称为超导体。科学家昂尼斯获得了1913年诺贝尔物理学奖。 优点是：场强高，稳定性和
6、均匀度好，因此可开发更多的临床应用功能。 缺点是：技术复杂和成本高。,2梯度磁场系统 梯度磁场简称梯度场，梯度是指磁场强度按其磁场的位置（距离）的变化而改变，它的产生是由梯度线圈完成的，一般在主磁体空间沿着X、Y、Z三个方向放置。梯度线圈有三组即GX、GY、GZ，叠加在静磁场的磁体内，当线圈通电时可在静磁场中形成梯度改变。,3射频系统 射频脉冲磁场简称射频脉冲（radio frequency，RF）是一种以正弦波震荡的射频电波。磁共振系统中应用的频率较低，相当于调频广播FM波段，根据静磁场的强度不同其RF频率也不同。 射频系统作用：用来发射射频磁场，激发样品的磁化强度产生磁共振，同时，接收样品
7、磁共振发射出来的信号，通过一系列的处理，得到数字化原始数据，送给计算机进行图像重建。它是由发射射频磁场部分和接收射频信号部分组成。,4计算机系统 在MRI设备中，计算机系统包括各种规模的计算机、单片机、微处理器等，构成了MRI设备的控制网络。信号处理系统可采用高档次微型机负责信号预处理、快速傅立叶变换和卷积反投影运算。微机系统负责信息调度（如人机交互等）与系统控制（如控制梯度磁场、射频脉冲）。,（1）主计算机系统及其功能 功能：主要是控制用户与磁共振各系统之间的通信，负责对整个系统各部分的运行进行控制，使整个成像过程各部分的动作协调一致，产生所需的高质量图像。并通过运行扫描软件来满足用户的所有
8、应用要求，如扫描控制（控制梯度磁场、射频脉冲）、病人数据管理、归档图像、控制图像的重建和显示等、评价图像以及机器检测（包括自检）等。 组成：主机、磁盘存储器、光盘存储器、控制台、主图像显示器（主诊断台）、辅助图像显示器（辅诊断台或工作站）、图像硬拷贝输出设备（多幅相机、激光相机）、网络适配器、测量系统的接口部件等。主图像显示器又是控制台的一部分，用于监视扫描和机器的运行状况。,（2）主计算机系统中运行的软件 整个MRI系统从物理的观点来看可分为用户层、计算机层、接口层和测量系统等四层。从控制的观点来看，又可分为软件和硬件两层。应用软件通过操作系统等系统软件与主计算机发生联系，从而控制整个MRI
9、设备的运行。如图所示。,1）系统软件 系统软件用于计算机自身的管理、维护、控制和运行，以及计算机程序的翻译、装载和维护的程序组。系统软件分为操作系统（系统软件的核心）、语言处理系统和常用例行服务程序等三个模块。 2）应用软件 应用软件是指为某一应用目的而特殊设计的程序组。在MRI系统中，运行的应用软件就是磁共振成像的软件包。软件包中的模块通常有病人信息管理、图像管理、扫描及扫描控制(应用软件的核心)、系统维护、网络管理、主控程序等。 3）应用软件的信息交换 应用软件从用户那里直接得到需求信息，将用户的请求转变为控制数据发往测量、控制设备，获得测量数据，根据用户的需求输出图像。,（3）图像重建
10、图像的重建是一个极其复杂的信号处理过程，必须在复杂且严格的程序软件控制下进行。图像重建的本质是对原始数据的高速数学运算（包括累加平均去噪声、相位校正、傅立叶变换等）。图像重建既可用软件完成也可用硬件完成，软件重建的速度要慢于硬件。,（4）图像显示 图像重建结束后，得到的是表示图像各点不同亮度的一组数据，这些图像数据立即被送入主计算机系统的海量存储器或硬盘中，并以图像的形式输出才能让人眼看到。最成熟、最受欢迎的显示方法是电子视频显示系统，目前比较流行的是液晶显示器。图像的显示不仅限于当前的病人，在会诊或进行回顾性研究时还需要调出以往病人的图像。,6.1.3 MRI影像设备主要性能指标,本节介绍了
11、MRI影像设备的主要性能指标，包括主磁体、梯度磁场、射频线圈的主要性能指标。,（1）磁场强度 磁共振设备磁场强度的大小就是指静磁场的场强数值大小，单位用特斯拉（Tesla，简称T）或高斯（Gauss）来表示，1T=1万高斯。 （2）磁场均匀度 所谓磁场均匀度是指在特定容积（常取球形空间）限度内磁场的同一性程度，即穿过单位面积的磁感应线是否相同。,（3）磁场稳定度 磁场的稳定度分时间稳定度和热稳定度两种。 时间稳定度是指磁场随时间而变化的程度。磁场随时间变化会产生相位差，导致图像伪影。 热稳定度是指磁场值随环境温度变化而漂移的程度。永磁体和常导磁体的热稳定度较差，超导磁体的时间稳定度和热稳定度都
12、能满足要求。,（4）有效孔径 有效孔径是指梯度线圈、匀场线圈、射频体线圈和内护板等部件均安装完毕后所得到的空间）。全身MRI设备，磁体有效孔径须足以容纳人体为宜，一般来说，内径应大于65厘米。孔径较小可使病人产生幽闭恐惧感。 年来出现的开放式磁体使病人躺在半敞开的检查床上，不会产生幽闭恐惧感，并能开展磁共振介入治疗项目。,（5）磁场的逸散度 强大的主磁体周围形成的逸散磁场，其逸散程度称为逸散度。它的危害是对附近的铁磁性物体产生很强的吸引力，对人体健康、医疗仪器设备受到不同程度的损害、干扰和破坏。逸散程度的措施是对磁体采取各种有效的屏蔽。,2梯度磁场的性能指标 （1）有效容积（梯度场的均匀容积）
13、 有效容积是指线圈所包容的、其梯度场能够满足一定线性要求的空间区域。 （2）梯度场的线性 梯度场的线性是衡量梯度场平稳度的指标。线性越好，表明梯度场越精确，图像的质量就越好。,（3）梯度场的强度 梯度场强度是指梯度场能够达到的最大值。与主磁场相比梯度磁场是相当微弱的。梯度场强度大，磁场梯度就可以更大些，可进行超薄层面的扫描。 （4）梯度场变化率和梯度上升时间 梯度场变化率是指单位时间内梯度场变化的程度，即最大梯度与上升时间的比率，亦称梯度切换率。梯度上升时间是指梯度场达到某一预定值所需的时间。梯度上升性能的提高，可开发更快速的成像序列.,（5）梯度场工作周期 梯度场工作周期是指在一个成像周期的
14、时间内梯度场工作时间所占的百分数。成像周期是指MRI设备采集一次数据所需的时间，即一个脉冲序列执行一遍所需的时间。梯度场工作周期与成像层数有关，成像层数越多，梯度场的工作周期百分数越高。,6.2 MRI检查的临床应用,6.2.1 中枢神经系统检查 6.2.2 颈部检查 6.2.3 胸部检查 6.2.4 腹部检查 6.2.5 盆腔检查 6.2.6 骨骼肌肉与关节检查,T1和T2： T1和T2是组织在一定时间间隔内接受一系列脉冲后的物理变化特性，不同组织有不同的T1和T2，它取决于组织内氢质子对磁场施加的射频脉冲的反应。 TR和TE： TR是重复时间即射频脉冲的间隔时间,TE是回波时间即从施加射频
15、脉冲到接受到信号问的时间，TR和TE的单位均为毫秒（ms），可以做出分别代表组织Tl或T2特性的图像（T1加权像或T2加权像;通过成像参数的设定也可以做出既有Tl特性又有T2特性的图像，称为质子密度加权像。,T1加权像和T2加权像： 观察图像的TE和TR值可区分，TE短可为20ms，长可为80ms，TR短可为600ms，长可为3000ms。短TE短TR为T1加权像，而TE、TR均长的为T2加权像，短TE长TR者为质子密度加权像。 观察液体结构如脑室、膀胱或脑脊液，若液体是亮的，很可能为T2加权像，若液体是暗的，则可能为T1加权像。,磁共振成像检查常用的成像序列和检查方法： 磁共振图象是通过采用
16、特定的成像序列扫描而获得的。目前，临床上最常用的是自旋回波序列（SE序列）。通过改变序列中的TR（射频重复时间）和TE（回波时间）两个参数，可分别获得质子密度、T1和T2的加权图像，三种不同成像参数的加权图像，各分别代表了组织的三种不同的磁共振特性，借以分辨正常组织并识别病变。,MRI造影剂的种类及适应症： （一）、种类： 1、顺磁性阳性造影剂。常用的有Gd-DTPA（马根维显；磁显葡胺）等。其作用主要使T1缩短，在T1加权像上呈高信号。 2、超顺磁性物质。常用的有纳米氧化铁颗粒（SPIO）等。其作用主要使T2缩短，在T2加权像上是低信号。 （二）、适应症： 1、某些肿瘤的鉴别诊断。 2、确定血脑屏障是否被破坏。 3、提高病变的发现率。,对病人进行磁共振成像检查时： 要避免带有含铁等顺磁性物质的物品，如手表、金属项链、假牙、金属钮扣、金属避孕环等进入检查室，因为这些带有顺磁性物质的物品，可使图像中产生大片的无信号伪影，不利于病灶的显示。带有心脏起搏器的病人，严禁做磁共振成像检查。对体内有金属弹片存留、术后有银夹残留，金属性内固定板、假关
