磁共振成像原理-ppt

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1、磁共振成像Magneticresonanceimaging MRI 王振军主任技师1390313846615530396842 磁共振成像Magneticresonanceimaging MRI 主要内容 1 核磁共振原理2 弛豫过程 特征量T1 T2的意义3 MRI空间位置编码4 磁共振信号5 脉冲序列6 图像的重建7 磁共振成像的质量控制 GE1 5TMRI GE2 0TOPENMRI 磁共振成像Magneticresonanceimaging MRI 磁共振成像Magneticresonanceimaging MRI T1Weightedslice T2Weightedslice 磁共振

2、成像Magneticresonanceimaging MRI 原子核及其磁特性 原子核的一般特性同位素 质子数相同 中子数不同的核构成的元素H有三种同位素 只有质子 没有中子临床MRI主要原子核 自旋 spin MRI基础自旋角动量大小 原子核 质子 中子数方向 自旋轴 自旋磁矩原子核自旋运动产生的微观磁场 磁旋比 磁矩与角动量之比 约化普朗克常数 净自旋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 第一节 磁共振现象 一 旋进 precession 角动量受到一个与之垂直的力矩的作用 角动量矢量沿一圆周转动的现象 为进动角速度 反映旋转轴

3、转动的快慢 T为力矩 L为角动量 反映旋转的快慢 自旋在磁场中的运动1 进动 1 核的自旋磁矩 磁场对磁体的作用 磁矩可以理解为由于电荷转动形成的小磁体磁性的强弱 显然其与电荷转动的角动量有关 同时与电荷的大小有关 2 自旋质子在磁场中的旋进 量子力学告诉我们 质子在磁场中形成定态时 有如图所示的两种状态 这两种状态的能量不同 这称为自旋核能级在外磁场中的劈裂 无外加磁场时自旋的运动 磁化 磁场中样体在外磁场作用下 在磁场方向上产生磁性的过程 大小用磁化强度m表示磁化率 样体在磁场中被磁化产生磁化的能力 磁敏感性 磁化强度来源 原子核自旋磁矩核外电子分布 自旋核磁矩在外加磁场中能量 自旋核的能

4、级 自旋核的能级 量子化自旋系统在外磁场作用下趋于磁场方向两种能态 上旋 平行于磁场方向的核磁矩低能态E 1 2 下旋 反向磁场方向的核磁矩高能态E 1 2 磁场对自旋的量子化作用 TheEffectofIrradiationtotheSpinSystem Lower Higher BasicQuantumMechanicsTheoryofMR SpinSystemAfterIrradiation BasicQuantumMechanicsTheoryofMR 两种能态自旋粒子分布服从波尔兹曼分公式H 下旋态 上旋态k 波尔兹曼常数 1 38 10 23Jk 1T 绝对温度 两种能态自旋粒子分

5、布 两种能态自旋粒子分布 两种能态自旋粒子分布 两种能态自旋粒子分布 两种能态自旋粒子分布 两种能态自旋粒子分布 两种能态自旋粒子分布 原子核系的静磁学 原子核系的静磁学 原子核系的静磁学 剩余自旋与净磁化剩余自旋 平衡磁场中上旋态核磁矩与下旋态核磁矩之差净磁化 平行于磁场方向由剩余自旋产生的磁化矢量 宏观磁化矢量 净磁化的产生 影响净磁化矢量的因素净磁化矢量M 由于自旋的量子化分布 平衡态样体在磁力线方向上形成的稳定磁化矢量 M B0 N T 常数B0 磁场强度N 单位体积样体质子数 组织质子密度 T 绝对温度 核磁矩 在净磁场 0作用下产生力矩 0核磁矩对时间的变化率 核磁矩 在净磁场 0

6、中的运动磁矩分解为Z轴 X Y平面矢量旋进过程中Z轴矢量方向不变X Y平面矢量绕Z轴方向不断变化X Y平面矢量相位随机不形成宏观磁化矢量 进动时核磁矩各分量的运动 在静磁场中 核磁矩围绕 0进动 运动轨迹为圆锥进动的特征频率 拉莫频率 0 Larmorfrequency 0 0拉莫进动 核磁矩的进动 0取决于 原子核种类外加磁场强度 二 磁共振现象 分子 原子或原子核能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 核磁共振NMR的条件原子核在进动中吸收外界能量产生能级跃迁现象外界能量

7、短射频脉冲激发源射频磁场RF自旋磁矩在主磁场中进动 核磁共振NMR的条件射频脉冲频率必须与磁场中自旋磁矩的旋进频率相同 与宏观磁化M的固有频率相同 与质子的拉莫频率相同 射频对自旋系统做功 系统内能增加 在RF激发下 宏观磁化矢量产生共振 NMR 三 磁共振的宏观描述 1 磁化现象 作为宏观物体 包含大量的自旋磁矩 即大量的微小磁体 但是 一般物体并不对外显磁性 是由于这些小磁体杂乱无章的排列 磁性相互抵消 对外不显磁性 在外磁场的作用下 这些磁矩有沿外磁场排列的趋势 从而对外显磁性 这就是我们熟知的磁化现象 激发 射频磁场对自旋系统的作用过程核磁共振 原子核自旋系统吸收相同频率的射频磁场能量

8、而从平衡态变为激发态的过程系统激发后特征 MZ M0 MXY 0 饱和现象 Saturation 自旋核系统对射频能量的吸收减少或完全不能吸收 导致NMR信号减小或消失的现象化学位移 chemicalshift 由化学环境不同而引起的共振频率偏移的现象 MRI中的弛豫原子核系统从受激的不平衡态向平衡态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 磁化强度矢量的弛豫过程 核磁化强度的运动 Bloch方程 核磁化强度的运动 Bloch方程 2 射频电磁波对样品的激励 如图 在射频电磁波旋转磁场的作用下 磁化强度矢量或宏观磁矩矢量沿着如图所示的曲线变化 从而改变了宏观磁矩的大

9、小和方向 在磁共振中主要是改变方向 角脉冲 射频 RF电磁波 脉冲使磁化矢量偏离外磁场方向的角度 与脉冲时间成正比 ElectromagneticExcitationPulse RFPulse 0 t Fo Fo Fo 1 t Time Frequency t Fo Fo DF 1 t FT FT 3 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

10、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 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 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

11、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 纵向弛豫与纵向弛豫时间常数的关系t T1时 Mz M0 1 e 1 63 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 横向弛豫与横向弛豫时间常数的关系t T2时 MXY M0 1 e 37 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T

12、2 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 T2 T2 和T2 衰减的关系 T2 加权又称磁敏感加权磁敏感对比MRI常采集T2 产生T2 加权图象 用于发现具有磁化率不同的病灶 自由感应衰减信号 freeinductiondecaysignal FID 射频脉冲停止 横向磁化矢量MXY在X Y平面以拉莫频率自由旋进 相位相干逐渐消失 MXY迅速衰减 翻转角 自由感应衰减信号FID 以拉莫频率在X Y平面内自由旋进的横向磁化矢量 在线圈内感应出与拉莫频率相同 幅度快速衰减的MR的波动信号 自由感应衰

13、减信号 FID不包含位置信息FID是NMR信号源FID又称自由进动衰减自由进动 射频场作用停止后磁化矢量M的运动 自旋回波的信号 1 自旋回波静磁场的不均匀性所致的自旋磁矩去相位效应T2 可用180 翻转脉冲重聚相位而产生回波信号 相位重聚 180 翻转脉冲作用后 慢频率自旋磁矩在远位赶上快频率自旋磁矩的过程自旋回波信号 随着相位的重新聚合 产生的新的MR信号 Hahn回波 沿与激发脉冲垂直方向施加180 翻转脉冲 所产生的回波 回波在 Y方向CPMG自旋回波序列 沿激发脉冲方向施加180 翻转脉冲 所产生的回波 回波在 Y方向 与FID同相位的SE Hahn回波 与FID反相的SE CPMG

14、回波 回波时间TE自旋回波信号幅度随相位重聚达到峰值的时间 回波时间信号的变化180 翻转脉冲只能使由于静磁场不均匀所造成的自旋去相位产生相位重聚 自旋回波信号的变化 四 弛豫时间的测量 自旋回波 SE 法 在磁共振现象中 物质的宏观磁化强度及变化与自旋核的密度 T1 T2密切相关 但这些信息不能直接测出 只能通过弛豫过程中辐射的射频信号来分析 180度脉冲的作用 使去相位状态 dephase 变为在相位状态 inphase 考虑自旋核运动 如血流 时 讨论 自由衰减速信号包含了 T1 T2信息 不同时刻测得的信号各因素起的作用 权重 不一样 可以通过不同时刻测得的自由衰减信号联立解方程求出上

15、述三个物理量 这就是核磁共振成像的数理基础 第二节 图像重建原理 一 加权图像 imagineweight IW MR回波信号仅由 自旋核密度 决定 称为 加权 MR回波信号由 自旋核密度 和T2决定 称为T2加权 MR回波信号由 自旋核密度 和T1决定 称为T1加权 通过 的测量可以判断自旋核的密度 例如 人体氢核磁共振图像反映不同组织含水量的多少 T1 T2的测量可能反应自旋核所处的化学环境的差异 如水以自由水还是结合水存在 或者氢核存在于特定的原子团中等 对于揭示能量代谢和生化反应的过程很有帮助 磁共振技术必将在未来的人体检查中发挥越来越重要的作用 二 空间位置编码 我们测到的MR信号

16、但如何知道这一信号来自何处呢 收音机给了我们有益的启示 如果空间两点的磁场强度不同 则与之发生共振的射频频率不同 从而依据共振频率可确定磁场强度 进而确定空间位置 这就是层面选择的原理 1 层面选择 样品中加一个均匀的主磁场B0后 再在主磁场上加一不均匀的梯度磁场BG 从而使不同层面的磁场强度不一样 共振频率不一样 依据不同的共振频率可以确定自旋核所处的层面 层厚取决于对频率差别的区分能力 梯度磁场的梯度大小 一般为3 20mm 梯度场与层面厚度的关系 1 选层梯度GSS2 相位重聚梯度 与选层梯度脉冲相位相反 180 使层面内质子相位相干 补偿信号幅度的降低 选层梯度及相位重聚梯度 相位重聚梯度 2 相位编码 在激励脉冲结束后 在沿层面的Y轴方向加一短时间的梯度磁场GY 由于不同Y坐标的自旋磁矩的进动频率不一样 从而在磁场GY撤除后 磁矩的位相不一样 依据位相的不同可以区分Y坐标 这称为相位编码 v1 v2 v3分别表示相位编码方向上三个相邻的体素1 开始时所有体素的磁化矢量M1 M2 M3相位相同并以相同频率进动 t 0时 相位编码梯度Gy开启 相位编码数学原理 Gy加入前磁化矢量