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1、 MRI原理及进展 蔡甫雨1101910 目录 MRI扫描仪的基本硬件构成MRI的基本原理 基本概念MRI进展方向MRI的基本技术和新技术MRI的优点和缺点安全注意事项 核磁共振现象发现Purcell等 Bloch等 1945 PhysicalReview 核磁共振现象引入医学界Damadian 1971 Science 171 1151 1153核磁共振成像Lauterbur 1973 Nature 242 190 191是利用原子核在磁场内所产生的信号经重建成像的一种影像技术 核磁共振成像技术发展简史 MRI扫描仪的基本硬件构成 得到图像所需要用到的工具 一般的MRI仪由以下几部分组成主磁
2、体梯度线圈脉冲线圈计算机系统其他辅助设备 主磁体 Magnet 磁共振最基本的构造产生磁场的装置最重要的指标为磁场强度和均匀度 MRI按磁场产生方式分类 永磁permanentmagnet 电磁 常导resistivemagnet 超导superconductingmagnet 主磁体 0 35T永磁磁体 1 5T超导磁体 MR按主磁场的场强分类MRI图像信噪比与主磁场场强成正比低场 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 梯度线圈 gradientcoil 作用 空间定位产生信号梯度线圈性能
3、的提高 磁共振成像速度加快没有梯度磁场的进步就没有快速 超快速成像技术 射频系统 radio frequencesystem RF 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 脉冲线圈的分类激发并采集MRI信号 体线圈 仅采集MRI信号 激发采用体线圈进行 绝大多数表面线圈 3D FFEMatrix512 512FOV2 5cm 利用2 3cm显微线圈采集的指纹MR图像 计算机系统及谱仪 数据的运算控制扫描显示图像 其他辅助设备 空调检查台激光照相机液氦及水冷却系统自动洗片机等 MRI的基本原理 基本概念 人体MR成像的物质基础 原子的结构 自旋与
4、核磁 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 地磁 磁铁 核磁示意图 用于人体MRI的为1H 氢质子 原因有 1 1H的磁化率很高 2 1H占人体原子的绝大多数 通常所指的MRI为氢质子的MR图像 何种原子核用于人体MRI成像 人体组织内的质子存在状态 质子的运动 进动频率 0 0 把人体放进大磁场 不同种类的原子核对应的旋磁比不同 进入主磁场前后人体组织质子的核磁状态 处于高能状态太费劲 并非人人都能做到 处于低能状态的略多一点 什么叫共振 怎样产生磁共振 共振
5、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 体内进动的氢质子怎样才能发生共振呢 给低能的氢质子能量 氢质子获得能量进入高能状态 即核磁共振 塞曼效应 若无外加磁场 自旋核保持其基态E0的能量状态 且核自旋的取向是随机的 将自旋核置入外磁场中 自旋核的能量在E0的基础上出现量子化的特征 这种基态能级在外磁场中发生分裂的现象称为塞曼效应 Zeemaneffect 其中mI只能取I I 1 I 2 I 1 I等共2I 1个值 磁共振现象 磁共振发生的射频频率必须为进动角频率相等 磁共振现象 射频脉冲的角频率与原子核进动角频率相等时 射频脉冲能量才能被自旋核吸收 从低能级跃迁到
6、高能级 为了使得磁共振发生 可以采用扫频法 扫场法 脉冲法 扫描法 改变频率 扫场法 改变场强 脉冲法 包含各种频率成分的宽带脉冲去激励特定目标区域 外磁场B0确定后 具有不同磁旋比的原子核其磁共振频率不同 意味着一种频率的射频脉冲仅能激发一种原子核 对于同一种原子核 外磁场强度越高 进动频率越高 磁共振产生的共振拉莫尔频率越高 8 100MHz的射频对人体无伤害 可以用来测量磁旋比 从而确定原子核的种类 即NMR 怎样才能使低能氢质子获得能量 产生共振 进入高能状态 射频脉冲 射频脉冲作用包括 由低能级向高能级跃迁 同时使得质子同相位 在B0和B1的共同作用下 质子系统的纵向磁化强度M0减小
7、到Mz 横向磁化强度由零增加到Mxy 质子系统总磁化矢量M为Mz和Mxy的矢量和 其宏观表现就是最大纵向强度M0由B0方向向xoy平面翻转 当射频脉冲停止时 M0与z轴成Theta角 90度脉冲继发后产生的宏观和微观效应 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 使质子处于同相位 质子的微观横向磁化矢量相加 产生宏观横向磁化矢量 磁共振成像原理 几种射频脉冲小角度脉冲 使宏观纵向磁化矢量角度偏转 90 90 脉冲 使宏观纵向磁化矢量角度偏转 90 180 反转脉冲 使宏观纵向磁化矢量角度偏转 180 90度脉冲激发使质子发生共振 产生
8、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 检测到的仅仅是不同组织氢质子含量的差别 对于临床诊断来说是远远不够的 我们总是在90度脉冲关闭后过一定时间才进行MR信号采集 非常重要 射频线圈关闭后发生了什么 无线电波激发使磁场偏转90度 关闭无线电波后 磁场又慢慢回到平衡状态 纵向 核磁弛豫 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 核磁弛豫又可分解为两个部分 横向弛豫 横向磁化矢量减少的过程纵向弛豫 在主磁场的作用下 纵向磁化矢量恢复的过程 横向弛豫 也称为T2弛豫 横向矢量衰减到原来值 Mxy 37
9、 的时间 T2 自旋 自旋弛豫时间 T2衰减 由共振质子之间相互磁化作用所引起 它引起相位的变化 不同的组织横向弛豫速度不同 T2值不同长T2组织 游离水 T2最长 一般囊肿 短T2组织 肿瘤 炎症 梗死 游离水 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 T1 自旋 晶格弛豫时间 T1衰减 纵向磁化适量恢复到原来的63 不同组织有不同的纵向弛豫速度 T1值不同短T1组织 脂肪组织 胆固醇 高蛋白囊液 血栓长T1组织 游离水 T1最长 肿瘤 炎症 梗死 游离水 磁共振 加权成像 T1WI T2WI PD 在任何序列图像上 信
10、号采集时刻旋转横向的磁化矢量越大 MR信号越强 何为加权 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弛豫差别有利于观察组织的解剖结构T2加权成像 T2WI 突出组织T2弛豫差别对显示病变组织较好质子密度加权成像 PD 突出组织氢质子含量差别 T2加权成像 T2WI T2值小 横向磁化矢量减少快 MR信号低 黑 T2值大 横向磁化矢量减少慢 MR信号高 白 水T2值约为3000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 MR信号强度越高 白 T1值越大 纵向磁化矢量恢复越慢 MR信
11、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 T1WI 重要提示 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 90 180 回波 TE TR TE 回波时间TR 重复时间 如何区分T1WI T2WI 如何区分T1WI T2WI 1 看TR TET2WI 长TR 2000毫秒 长TE 50毫秒 T1WI 短TR 400 800毫秒 短TE 10 15毫秒 T2WI T1WI 如何区分T1WI T2WI 2 看水和脂肪T1WI 水 如脑脊液 胃液 肠
12、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 T2WI T1WI 如何区分T1WI T2WI 3 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 T2WI T1WI T1WI T2WI 磁共振信号 磁共振信号即宏观横向磁化矢量切割接收线圈产生的信号 某组织的宏观横向磁化矢量越大 其切割接收线圈产生的电信号也越强 自由感应衰减信号射频脉冲激发后 由于受横向驰豫和静磁场不均影响 组织中的宏观横向磁化矢量较快以指数形式衰减 即自由感应衰减 磁共振信号 自旋回波信号射
13、频脉冲激发后 在一定的时间再发射一个180度聚焦脉冲 纠正因静磁场的恒定不均匀造成的质子失相位 MRI进展方向 成像速度更快常规SE T2WI序列15 25分钟快速超快速梯度回波1秒以内EPI100毫秒以内 分 秒 秒 空间分辨率更高常规 256 256高分辨 512 512 1024 1024 512 512 从单纯形态学分析向功能成像转变脑功能成像心功能成像肝功能成像肾功能成像磁共振波谱分析 MRS 脑功能成像 磁共振波谱分析 应用范围逐步扩大早期 颅脑 脊柱目前 可用于全身各部位 MRI的基本技术和新技术 常规MRI超快速MRIMRA扩散成像灌注加权MR水成像 脑功能成像MRI仿真内窥镜
14、MRI电影MR频谱分析介入性MRI 常规MRI 包括常规T1WI T2WI 质子加权成像临床工作中最常用的MRI技术 单层成像时间短于1秒 适用于 不能控制运动或神志不清病人胸部 腹部屏气扫描动态增强扫描各器官功能成像 超快速成像技术 MR血管成像 MRA 不用造影剂的MRA 常规MRA 适用于全身血管病变的显示 也可用于血管血液流速 流量分析 对比增强MRA 能提高常规MRA的准确性和真实性 适用于动脉瘤 大血管疾病的MRA检查 对于大血管疾病的检查 对比增强MRA已经能基本取代血管造影 水分子扩散加权成像 检测组织内水分子热运动水平 适用于 超急性期脑梗塞的诊断和鉴别诊断 可检出发病6小时
15、内甚至2小时以内的脑梗塞 小时以后常规 小时以后 T2WI T1WI 扩散成像 血流灌注成像 静脉快速注射造影剂后 利用超快速成像序列进行扫描 可反应组织的血流灌注和血液动力学改变 适用于 超急性期脑梗塞 大面积梗塞于血管闭塞后可立刻检出心肌血流灌注分析 检出早期心肌缺血 灌注成像 T2WI MRI水成像技术 利用人体内的水作为天然对比剂清晰显示含水器官的解剖和病变 内耳水成像MR延腺管造影MR脊髓造影 MRM MR胆胰管造影 MRCP MR尿路造影 MRU 内耳水成像 3DFRFSE MRCP 水成像序列 不用造影剂快速得到高分辨率磁共振胰胆管水成像 脑功能成像 利用人工刺激 听觉 运动 视
16、觉等 配合特定的MRI序列标识出脑组织的各功能区 适用于 避免手术损伤脑科学研究 MRI仿真内窥镜 利用MRI薄层扫描技术及特定的软件进行重建 模拟纤维内窥镜对空腔脏器进行腔内观察 有利于鼻腔 鼻咽部 气管 支气管 胃肠道 血管等部位病变的显示 MRI电影 能对心脏 关节等进行运动 功能分析 MR频谱分析 能对组织的化学元素含量进行分析 反应组织的代谢 功能状态 1H 检测脑组织某些低浓度代谢产物31P ATP ADP含量分析13C 酶缺乏性疾病的诊断19F 5 FU的作用机理研究23Na 肿瘤细胞生长评价 介入性MRI 利用MRI作为监视手段进行介入性放射学手术 避免医生病人遭受放射线损害 MRI导向活检MRI导向射频消融MRI导向微波治疗MRI导向冷冻治疗MRI介导血管成型术和内支架植入术 MRI的优点和缺点 与CT比较 优点 组织分辨率较CT高 可检出更多的病变大多数病变不用造影剂就能较好显示不用造影剂就可较好显示血管没有骨性伪影 有利于后颅窝 椎管等部位病变的检查多参数成像 能为病变检出和鉴别诊断提供更多信息可任意断面成像 CT一般仅能进行横断面扫描无放射线损伤 缺点 钙化显示
