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1、第八章 磁共振成像设备 GE公司3 0T超导磁体 常见MR机 磁 一 MRI的特点 1 以射频脉冲作为成像的能量源不使用电离辐射 X线 对人体安全 无创 2 具有较高的组织对比度和分辩力能清楚地显示脑灰质 脑白质 肌肉 肌健 脂肪等软组织以及软骨结构 解剖结构和病变形态显示清楚 逼真 3 多方位成像能对被检查部位进行轴 冠 矢状位以及任何倾斜方位的层面成像 且不必变动病人体位 便于再现体内解剖结构和病变的空间位置和相互关系 一 MRI的特点 4 多参数成像 多序列成像通过分别获取T1加权像 T1weightedimage TlWI T2加权像 T2weightedimage T2WI 质子密度
2、加权像 protondensityweighted PDWI 以及T2 WI 重T1WI 重T2WI 在影像上取得组织之间 组织与病变之间在T1 T2 T2 和PD上的信号对比 对显示解剖结构和病变敏感 5 能进行形态学研究 进行功能 组织化学和生物化学方面的研究 可以对脑脊液和血液的流动作定量分析 提供一组有关流动的非形态学信息 二 主要用途 特别适合于中枢神经系统 头颈部 肌肉关节系统以及心脏大血管系统的检查 也适于纵隔 腹腔 盆腔实质器官及乳腺的检查 中枢神经系统 MRI已成为颅颈交界区 颅底 后颅窝及椎管内病变的最佳检查方式 对于脑瘤 脑血管病 感染疾病 脑变性疾病和脑白质病 颅脑先天
3、发育异常等均具有极高的敏感性 在发现病变方面优于CT 对于脊髓病变如肿瘤 脱髓鞘疾病 脊髓空洞症 外伤 先天畸形等 为首选方法 二 主要用途 头颈部 MRI的应用大大改善了眼 鼻窦 鼻咽腔以及颈部软组织病变的检出 定位 定量与定性 磁共振血管成像 magneticresonanceangiography MRA 技术对显示头颈部血管狭窄 闭塞 畸形以及颅内动脉具有重要价值 在肌肉关节系统 已成为肌肉 肌腱 韧带 软骨病变影像检查的主要手段之一 电影MRI技术还可进行关节功能检查 心血管系统 使用心电门控和呼吸门控技术可对大血管病变如主动脉瘤 主动脉夹层 大动脉炎 肺动脉塞以及大血管发育等进行诊
4、断 也用于诊断心肌 心包 心腔等病变 纵隔 腹腔 盆腔 MRI的流动效应 能在静脉不注射对比剂情况下 直接对纵隔内 肺门区以及大血管周围实质性肿块与血管做出鉴别 对纵隔肿块 腹腔及盆腔器官 如肝 胰 脾 肾 肾上腺 前列腺病变发现 诊断与鉴别诊断具有价值 MRI软组织极佳的分辨率 成为诊断乳腺病变有价值的方法 二 主要用途 三 主要内容 MRI检查技术分为影像显示和生化代谢分析影像显示技术主要由脉冲序列 流动现象的补偿技术 伪影补偿技术和一系列特殊成像技术组成 主要的特殊成像技术 1 磁共振血管成像 magneticresonanceangiography MRA 2 磁共振水成像 magne
5、ticresonancehydrography 三 主要内容 3 磁共振脑功能成像 functionalmagneticresonance fMRI 4 化学位移成像 chemicalshiftimaging 5 生化代谢分析技术 磁共振波谱分析 magneticresonancespectroscopy MRS 用于提供组织化学成分的数据信息 四 磁共振成像的局限性 空间分辩力较低 对带有心脏起搏器或体内带有铁磁性物质的病人不能进行检查 危重症病人不能进行检查 对钙化的显示远不如CT 难以对病理性钙化为特征的病变作诊断 常规扫描信号采集时间较长 使胸 腹检查受到限制 对质子密度低的结构 如肺
6、 皮质骨显示不佳 设备昂贵 磁共振成像原理 原子核自旋 有角动量 由于核带电荷 它们的自旋就产生磁矩 当原子核置于静磁场中 本来是随机取向的双极磁体受磁场力的作用 与磁场作同一取向 以质子即氢的主要同位素为例 它只能有两种基本状态 取向 平行 和 反向平行 他们分别对应于低能和高能状态 精确分析证明 自旋并不完全与磁场趋向一致 而是倾斜一个角度 这样 双极磁体开始环绕磁场进动 进动的频率取决于磁场强度 也与原子核类型有关 它们之间的关系满足拉莫尔关系 0 B0 即进动角频率 0是磁场强度B0与磁旋比 的积 是每种核素的一个基本物理常数 氢的主要同位素 质子 在人体中丰度大 而且它的磁矩便于检测
7、 因此最适宇从它得到核磁共振图像 以随机相位作进动的自旋集合 多个磁距排列形成的宏观磁化向量 从宏观上看 作进动的磁矩集合中 相位是随机的 它们的合成取向就形成宏观磁化 以磁矩M表示 就是这个宏观磁矩在接收线圈中产生核磁共振信号 在大量氢核中 约有一半略多一点处于低等状态 可以证明 处于两种基本能量状态核子之间存在动态平衡 平衡状态由磁场和温度决定 当从较低能量状态向较高能量状态跃迁的核子数等于从较高能量状态到较低能量状态的核子数时 就达到 热平衡 如果向磁矩施加符合拉莫尔频率的射频能量 而这个能量等于较高和较低两种基本能量状态间磁场能量的差值 就能使磁矩从能量较低的 平行 状态跳到能量较高
8、反向平行 状态 就发生共振 由于向磁矩施加拉莫频率的能量能使磁矩发生共振 那么使用一个振幅为B1 而且与作进动的自旋同步 共振 的射频场 当射频磁场B1的作用方向与主磁场B0垂直 可使磁化向量M偏离静止位置作螺旋运动 或称章动 即经射频场的力迫使宏观磁化向量环绕它作进动 如果各持续时间能使宏观磁化向量旋转90 角 他就落在与静磁场垂直的平面内 可产生横向磁化向量Mxy 如果在这横向平面内放置一个接收线圈 该线圈就能切割磁力线产生感生电压 当射频磁场B1撤除后 宏观磁化向量经受静磁场作用 就环绕它进动 称为 自由进动 因进动的频率是拉莫尔频率 所感生的电压也具有相同频率 由于横向磁化向量是不恒定
9、 它以特征时间常数衰减至零为此 它感生的电压幅度也随时间衰减 表现为阻尼振荡 这种信号就称为自由感应衰减信号 FID FreeInductionDecay 信号的初始幅度与横向磁化成正比 而横向磁化与特定体元的组织中受激励的核子数目成正比 于是 在磁共振图像中可辨别氢原子密度的差异 同步旋转的RF场B1可诱发横向磁化 B1的持续时间足够长 使整个磁化向量落在横向平面内 RF脉冲后 横向磁化Mxy绕外磁场轴进动使横向平面内的线圈感生交流信号 FID信号 因为拉莫尔频率与磁场强度成比例 如果磁场沿X轴成梯度改变 得到的共振频率也显然与体元在X轴的位置有关 而要得到同时投影在二个坐标轴X Y上的信号
10、 可以先加上梯度磁场GX 收集和变换得到的信号 再用磁场GY代替GX 重复这一过程 在实际情况下 信号是从大量空间位置点收集的 信号由许多频率复合组成 利用数学分析方法 如富里叶变换 就不但能求出各个共振频率 即相应的空间位置 还能求出相应的信号振幅 而信号振幅与特定空间位置的自旋密度成比例 所有核磁共振成像方法都以这原理为基础 第一节概述 一 基本知识回顾1 原子核的自旋 磁矩和进动一群自旋着的质子 显示每个核内周边的电荷形成一个环形电流 这些环形电流的方向是杂乱无章的 这是自然状态下的自旋核质子群 每一个环形电流周围将产生电磁效应 就是磁场 一个环形电流就好似一个小磁棒 理论上任何原子核所
11、含质子或中子的为奇数时 具有磁性 原子核自旋 2 产生磁共振的原子核只有奇数质子或奇数中子数的原子核产生的自旋磁矩泡利不相容原理 原子核内成对质子或中子的自旋相互抵消 在主磁场中 1H原子核在绕自身轴旋转时 又沿主磁场方向做圆周运动 将质子磁矩的这种运动称为进动或旋进 宏观磁矩也做进动 其频率w 可用Larmor公式表示 B0为主磁场强度 r为磁旋比42 5兆赫 T w gBo 共振 进动频率 二 氢原子磁矩进动学说1 质子带正电荷 具有自旋性 就像旋转中的地球 并有自己的磁场 自然状态下 各个质子的磁场方向 自旋轴方向 处于杂乱无章的排列状态 宏观磁矩M 0 磁共振现象 分子 原子或原子核能
12、级在外磁场中劈裂后 当外界电磁场 电磁波 的频率适当 光子能量适当 时 处于低能态的分子 原子或原子核等吸收电磁波的能量跃迁至高能态 这种现象称为磁共振现象 无外加磁场时自旋的运动 2 氢原子置于磁场的状态当质子进入强磁场 质子将重新排列 大多数质子 低能态 自旋轴方向平行于磁场方向 少数质子 高能态 反向 宏观磁矩为Mz 磁场对自旋的量子化作用 N S 当质子进入强磁场 质子将重新排列 大多数质子 低能态 自旋轴方向平行于磁场方向 少数质子 高能态 反向 宏观磁矩为Mz 共振 宏观磁矩 由于Mxy 0 平衡态时M Mz平衡态时在B0中的质子群 Mxy 0M Mz 3 施加射频脉冲原子核自旋系
13、统吸收相同频率的射频磁场能量而从平衡态变为激发态系统激发后特征 MZ M0 MXY 0 射频脉冲 90 脉冲 90 RF的特点 Mxy衰减快 信号难以采集 自由感应衰减 FID Mxy Mz 共振 180 RF的特点 1 Mxy重聚焦 信号得以采集 2 在TE 2激发3 Mxy的衰减 是由于质子失相位 Mxy Mz 去相位 复相位 180 脉冲 共振 4 射频脉冲停止后射频脉冲符合频率 被激励的质子群发生共振 宏观磁化矢量 M 离开平衡状态 当脉冲停止后 宏观磁化矢量又自发地回复平衡状态 这个过程称为 核磁驰豫 令M偏转角达90 的射频脉冲称为90 射脉脉冲 也就是说90 射频脉冲中止时 Mz
14、 0 M Mxy Mxy不停的旋转 它的磁场方向随时间而变化 这是一种振荡磁场 传播至附近一处固定的天线内即可产生感应电流 Mxy的振荡磁场就是组织发放出的磁共振信号 天线内感应生成的电流即为接受的信号 自由感应衰减信号 freeinduceddecay FID 射频脉冲停止后样品的射频辐射 1 弛豫过程 relaxationprocess 磁矩在射频场结束后 在主磁场的作用下 进行 自由旋转 由于粒子之间的能量交换 所有磁矩将从不平衡态逐渐过渡到平衡态 这一过程称为弛豫过程 这一过程将发生相对独立的纵向弛豫和横向弛豫 下面以90度脉冲后弛豫过程加以说明 弛豫原子核系统从受激的不平衡态向平衡态
15、恢复的过程包括两方面 纵向磁化分量MZ的恢复横向磁化分量MXY的衰减 Mz T1 纵向弛豫时间 90 脉冲停止后 Mz达到其最终平衡状态63 的时间 T2 横向弛豫时间 90 脉冲停止后 Mxy衰减到原来值的37 的时间 Mxy Mz T163 T237 核磁弛豫 Mz Mxy MXY 共振 磁化强度矢量的弛豫过程 a 横向弛豫 在垂直于主磁场的横向磁化矢量由初始值逐渐复零的过程 满足下式 T2称为横向弛豫时间 经过T2 Mxy减少63 由于磁矩之间的相互作用 各磁矩的旋进速度不一样 从而使基本一致的取向逐渐消失 变为在横向杂乱无章的排列 从而使横向磁化矢量减小至最后为零 又称自旋 自旋弛豫
16、主要反应样品磁环境的不均匀性 b 纵向弛豫 和主磁场方向平行的磁化矢量由零逐渐恢复最大值的过程 满足下式 T1称为纵向弛豫时间 经过T1 Mz恢复63 这是由于热辐射的存在 从低能态跃迁至高能态的磁矩逐渐跃迁至低能态 恢复平衡态 这一驰豫过程常又称热弛豫或自旋 晶格弛豫 主要反映局部的能量交换信息 一般说来 纵向弛豫时间远大于横向弛豫时间 而且 不同的组织与器官的弛豫时间显著不同 从而对软组织及器官有特殊的分辨能力 在主磁场为0 4 2T时 人体组织T1 103ms T2 102ms 纵向磁化对比 组织对比 各种组织在纵向磁化完全恢复之前 已恢复的纵向磁化内产生的不同组织T1不同而形成纵向磁化不同的现象 不同组织的纵向弛豫时间常数 在1 0T磁场中不同组织的横向弛豫时间常数 T2 弛豫 有效横向弛豫T2 弛豫效应 由于磁场不均匀性所致横向弛豫效应T2 弛豫 由T2弛豫效应和T2 弛豫效应共同作用所产生的横向弛豫1 T2 1 T2 1 T2 不同组织间的T1 T2值有差别 又相对固定 这是MR的成像基础 用不同的灰度表示 MRI图像主要反映组织间的T1的差别 为T1加权 T1weight
