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1、2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,1,生物医学图象(Biomedical Imaging),生物医学工程基础（四） 核磁共振成象Lin Jiangli (Associate Prof.) （2007.11）,Imaging technologies are changing the way science is done (R.P. Crease, Science, Vol. 261, July 1993),2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,2,核磁共振成象 （MRI：Magnetic Resonance Imaging）,MRI完成于80年代， 对医学
2、成像产生意义深远的影响,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,3,核磁共振成象 （MRI：Magnetic Resonance Imaging）,磁共振图像也是通过计算机处理后产生的图像。与CT不同的是，CT图中每个像素的数值代表的是人体组织中某一个体素对X线的衰减；而在磁共振图像中，每个像素的值代表的是从某个体素来的磁共振信号的强度，它与共振核子的密度有关。,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,4,对人体无创伤、无电离辐射，安全； 可以较容易地获得人体组织不同断面的图像 图像分辨率高（分辨率可达0.5mm） 可以不注射造影剂,对血管成像 对人体可以做出形态和
3、功能两方面的诊断（fMRI：磁共振功能成像）,MRI的突出优点,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,5,主要内容,MRI的历史与MRI的概况 核磁共振现象 驰豫时间 MRI的信号检测核空间定位 MRI成像原理 MRI成像设备组成,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,6,一、History核磁共振现象的发现,1946年美国Stanford大学的Felix Bloch费利克斯布洛赫及哈佛大学Edward Purcell爱德华珀塞尔各自首次发现核磁共振现象，并因此于1952获得诺贝尔奖。19501970，NMR发展成为物理与化学的重要分析仪器。到70年代后期，对人
4、体的成像才获得成功,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,7,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,8,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,9,History： NMR诊断的想法,1971年，美国SUNY-Brooklyn的医生Raymond Damadian利用磁共振波谱仪对小鼠研究，发现组织与肿瘤的核磁共振T1、T2弛豫时间不同，癌变组织的T1，T2弛豫时间比正常组织长；而引发用NMR诊断的想法。 1969，提出MR scanner 的设想； 1971，“tumor detecting by MR”,T1,T2 1977，第一台MRI， 1
5、978，Fonar 公司 1980，上市,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,10,History： MRI出现,1973-Paul Lauterbur（保罗劳特布尔）首先以小试管样本示范MRI。他发表于3/16/1973 Nature的论文 “Image formation by induced local interaction; examples employing magnetic resonance“。Nature的编辑原先将此文退稿，理由是不具有科学价值。在此文中，Lauterbur描述了如何用迭加于强磁场上的弱梯度磁场来得到两支装水试管的空间位置。,2018/1
6、0/22,四川大学材料学院生物医学工程系,11,History： FT MRI,1975年，瑞士ETH-Zurich物理化学教授Richard Ernst 建议应用相位编码、频率编码、Fourier转换之技术于MRI，而沿用至今。Richard Ernst: FT MRI Nobel Prize,1991 获得诺贝尔化学奖,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,12,History： EPI,1977年，Raymond Damadian 示范全身MRI。 1977年，英国Nottingham大学物理教授Peter Mansfield彼得曼斯菲尔德开发出回波平面成像 (echo-
7、planar imaging, EPI)法，后来发展到可达录像速率(30 ms/影像)的成像法。,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,13,History： MRI走向临床,1980运用Ernst的技术于人体成像，单一影像约需5 min取得。 1984年 美国FDA批准核磁共振使用于临床； 1986 中国成立安科公司 1986成像时间缩到约5 sec。 1986开发出NMR显微镜。 1987用于制作一心脏周期的实时影片。 1987美国GE公司完成核磁共振血管影像法(MRA)，不需使用对比剂便可得到血液流动的影像。 1993开发出功能MRI (fMRI)，用于观察人脑各部位的功
8、能。,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,14,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2003,Paul C. Lauterbur 保罗劳特布尔 University of Illinois Urbana, IL, USA,Peter Mansfield 彼得曼斯菲尔德 University of Nottingham, School of Physics and Astronomy Nottingham, United Kingdom,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,15,Paul C. Lauterbur
9、 Prize Award Photo,Sir Peter Mansfield Prize Award Photo,10/6,2003,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,16,2003年诺贝尔生理学或医学奖成果,正确而及时的诊断对于患者而言至关重要。核磁共振成像技术的普及挽救了很多患者的生命。这种方法精确度高，可以获得患者身体内部结构的立体图像。根据现有实验结果，它对身体没有损害。2003年诺贝尔生理学或医学奖表彰的就是这一领域的奠基性成果。 瑞典卡罗林斯卡医学院日决定，把2003年诺贝尔生理学或医学奖授予现年74岁的美国科学家保罗劳特布尔和现年70岁的英国科学家彼得曼斯菲尔
10、德，以表彰他们在核磁共振成像技术领域的突破性成就。诺贝尔奖评选委员会认为，用一种精确的、非入侵的方法对人体内部器官进行成像，对于医学诊断、治疗和康复非常重要。这两位科学家的成果对核磁共振成像技术的问世起到了奠基性的作用。,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,17,2003年诺贝尔生理学或医学奖成果,原子是由电子和原子核组成的。原子核带正电，它们可以在磁场中旋转。磁场的强度和方向决定原子核旋转的频率和方向。在磁场中旋转的原子核有一个特点，即可以吸收频率与其旋转频率相同的电磁波，使原子核的能量增加，当原子核恢复原状时，就会把多余的能量以电磁波的形式释放出来。这一现象如同拉小提琴时
11、琴弓与琴弦的共振一样，因而被成为核磁共振。1946年美国科学家费利克斯布洛赫和爱德华珀塞尔首先发现了核磁共振现象，他们因此获得了1952年的诺贝尔物理学奖。核磁共振现象为成像技术提供了一种新思路。物质是由原子组成的，而原子的主要部分是原子核。如果把物体放置在磁场中，用适当的电磁波照射它，然后分析它释放的电磁波就可以得知构成这一物体的原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的精确立体图像。如果把这种技术用于人体内部结构的成像，就可获得一种非常重要的诊断工具。,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,18,2003年诺贝尔生理学或医学奖成果,然而从原理到实际应用往往有漫长的距离。2
12、0世纪70年代初期，核磁共振成像技术研究才取得了突破。1973年，美国科学家保罗劳特布尔发现，把物体放置在一个稳定的磁场中，然后再加上一个不均匀的磁场（即有梯度的磁场），再用适当的电磁波照射这一物体，这样根据物体释放出的电磁波就可以绘制成物体某个截面的内部图像。随后，英国科学家彼得曼斯菲尔德又进一步验证和改进了这种方法，并发现不均匀磁场的快速变化可以使上述方法能更快地绘制成物体内部结构图像。此外，他还证明了可以用数学方法分析这种方法获得的数据，为利用计算机快速绘制图像奠定了基础。 在这两位科学家成果的基础上，第一台医用核磁共振成像仪于20世纪80年代初问世。后来，为了避免人们把这种技术误解为核
13、技术，一些科学家把核磁共振成像技术的“核”字去掉，称为其为“磁共振成像技术”，英文缩写即MRI。,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,19,2003年诺贝尔生理学或医学奖成果,核磁共振成像技术的最大优点是能够在对身体没有损害的前提下，快速地获得患者身体内部结构的高精确度立体图像。利用这种技术，可以诊断以前无法诊断的疾病，特别是脑和脊髓部位的病变；可以为患者需要手术的部位准确定位，特别是脑手术更离不开这种定位手段；可以更准确地跟踪患者体内的癌变情况，为更好地治疗癌症奠定基础。此外，由于使用这种技术时不直接接触被诊断者的身体，因而还可以减轻患者的痛苦。 目前核磁共振成像仪在全世界
14、得到初步普及，已成为最重要的诊断工具之一。2002年，全世界使用的核磁共振成像仪共有2.2万台，利用它们共进行了约6000万人次的检查。,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,20,第一台MRI装置 1977,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,21,世界上第一张 MRI 图象 1978年 英国取得了第一幅人体头部的磁共振图像；,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,22,MRI：设备和图象,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,23,Example：Head Image,Bone and air are invisible.
15、Fat and marrow（骨髓） are bright.muscle are dark.Blood vessels are bright. Grey matter is darker than white matter.,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,24,多参数成像,T1 Contrast TE = 14 ms TR = 400 ms,T2 Contrast TE = 100 ms TR = 1500 ms,Proton Density TE = 14 ms TR = 1500 ms,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,25,多截面成像,2018
16、/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,26,MRA核磁血管造影,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,27,fMRI功能成像,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,28,MR显微镜,100mm,100mm,体积分辨率需提高 109 倍,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,29,Example of a MR Image,A CT image of the brain compared to an MRI,CT MR,2018/10/22,四川大学材料学院生物医学工程系,30,T1 weighted contrast,Dark on T1-weighted image: increased water, as in edema（水肿）, tumor, infarction（梗塞）, inflammation（炎症）, infection （感染） Fast flowing blood,
