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1、磁共振成像MagneticResonanceImaging（MRI)协和医院磁共振室刘定西一、概论n nMRI是NMR的一个分支。n nNMR技术包括固态NMR波谱、液相NMR波谱及20世纪80年代后出现的MRI。n nMRI是一种新的影像学方法，由于其理论基础涉及到原子物理学、应用物理学、电磁学、影像学、数学、化学、生物学、生理学、临床医学等多个学科，给MRI学习带来了很大的困难。磁共振成像(MagneticResonanceImaging/MRI) 磁共振成像（磁共振成像（MagneticResonanceImaging,MagneticResonanceImaging,MRIMRI）就是
2、利用磁场与磁性核系统的磁共振作）就是利用磁场与磁性核系统的磁共振作用所产生的信号，经空间编码、图像重建而获用所产生的信号，经空间编码、图像重建而获得的断层图像。（得的断层图像。（ 目前，临床目前，临床MRIMRI均采用均采用H H原原子核为磁性核系统）子核为磁性核系统）MRI发展史n n19461946年，由美国年，由美国StanfordStanford大学的大学的BlochBloch和和HarvardHarvard大学的大学的PurcellPurcell同时独立地完成了核磁共振试验，同时独立地完成了核磁共振试验，并由此获得了并由此获得了19521952年的诺贝尔物理学奖，被誉为年的诺贝尔物理
3、学奖，被誉为MRIMRI的发现者；的发现者；19671967年年JasperJacksonJasperJackson首先在活体首先在活体动物体上获得了磁共振信号；动物体上获得了磁共振信号；19731973年美国纽约州年美国纽约州立大学的立大学的LauteburLautebur利用水模成功地获得了氢质子利用水模成功地获得了氢质子二维二维MRMR图像，被誉为磁共振成像空间定位的开拓图像，被誉为磁共振成像空间定位的开拓者；从八十年代开始，者；从八十年代开始，MRIMRI进入医学临床阶段。进入医学临床阶段。 MRI发展史上重大事件n n1946年,NMR的发现Block,Puecelln n1971年
4、，肿瘤T1T2时间延长Damadiann n1973年，充水试管NMR图像Lauterburn n1974年，活鼠NMR图像Lauterburn n1976年，人体胸部NMR图像Damadiann n1977年，初期NMR全身图像Mallardn n1980年，MRI仪商品化n n1989年，国产永磁MRI仪安科公司MRI的局限性n n1、成像速度慢n n2、对钙化及骨皮质不敏感n n3、图像易受伪影影响n n4、禁忌症较多n n5、定量诊断困难二、MRI的基本原理磁场(magneticfield)n n存在于磁体或载电流介质周围的物资场，其大存在于磁体或载电流介质周围的物资场，其大小以磁感应
5、强度表示。以场内垂直于磁场的运小以磁感应强度表示。以场内垂直于磁场的运动电荷所受力的大小来量度，动电荷所受力的大小来量度，B=F/qvB=F/qv。通常。通常B B随时间和空间而变化。随时间和空间而变化。NSBIB磁化(magnetization)n n在磁场的作用下，物资从无磁性变成有磁性的过程。n n由于电子运动产生的分子电流，所以分子内存在磁偶极矩，相当于一枚小磁针。通常不显磁性，但在磁场的作用下，磁偶极矩呈定向排列，因而呈现磁性。B磁化强度(M)n n磁介质经过磁化后所产生的单位体积内分子的磁矩的矢量和。n n同时，M=cB/T（居里定律）n nB为磁感应强度，T为绝对温度，c为常数。
6、BM磁化率(magneticsusceptibility)n n单位外磁场中物质的磁化强度称为磁化率(X)。n nX=M/Hn nH=B/u(u为磁导率），M为产生的磁化强度，H为外磁场的强度。H与B通常都视为磁场强度。n n物质的磁化率与其核外不成对电子成正比。顺磁性、抗磁性、及铁磁性n n物质在磁场内经过磁化后产生的磁化强度M为负向磁化，这类物质称为抗磁性物质(X0)。n n在磁场的作用下产生永久性磁化的物质称为铁磁性物质。原子的结构及其磁特性n n原子是由原子核和绕核运动的电子所组成。n n原子核具有绕其特定轴旋转的特性，因此具有一定角动量角动量，也称为自旋自旋（spin）。具有奇数质子
7、或/和具有奇数中子结构的原子核在其自旋过程中能够产生自旋磁动量磁动量，即原子核磁矩核磁矩。=Ih原子的结构模型核外电子的分布特点n n1，核外电子从内到外分层排布(K,L,M,N)。每层内按不同能级分布（spdf)。n n2,每层有n2个电子轨道，最多容纳2n2个电子n为自然数。n n3，最外层不超过8个电子，次外层不超过18个电子带电质子的分布规律n n带电质子和核外电子一样按轨道分布。n n泡利不相容原理n n每个轨道最多只能容纳2个运动状态不同的电子或质子。原子核磁矩原子核磁偶极矩的形成配对的质子磁场相互抵消，未配对的质子，可产生磁矩。奇数质子的原子，最终有一个未配对质子中子与原子核磁矩
8、n n奇数中子的原子核，其电量分布不对称，在自旋过程中也可产生磁矩。原子核磁矩与分子磁矩的区别与联系n n原子核磁矩是分子磁矩的次要组成部分，形成分子磁矩的主要贡献是核外电子。n n原子核磁矩是由磁性核产生的磁矩，与核外电子无关，与原子核的性质和结构有关。n n原子核磁矩的方向与原子核的自旋方向相关静磁场对原子核磁矩的作用n n人体中大量的核磁矩，在无外加磁场时，其方向是随机排列的。在外加磁场（B0）的作用下产生新的磁化矢量M。nn原子核磁矩在磁场的作用下如下3种结果1。塞曼效应n n根据不同原子自旋量子数的不同，在磁场作根据不同原子自旋量子数的不同，在磁场作用下，产生不同的能级数，这种现象称
9、为塞曼效用下，产生不同的能级数，这种现象称为塞曼效应。应。n n如如1 11 1H H的自旋量子数的自旋量子数I=1/2I=1/2，其能级数，其能级数n=2S+1=2n=2S+1=2。即具有两种形式的量子化能级分布。即具有两种形式的量子化能级分布。n n即为即为E(E(1/2)1/2)和和E(-1/2).E(-1/2).n n静磁场对样本的作用静磁场对样本的作用E0E+1E+2E-1E-2自旋磁矩的能量呈量子化分布。n n低能态自旋磁矩的方向与静磁场方向相同，高能态自旋磁矩的方向与磁场方向相反。两者相差一个特定的能量EE 。B0高能态原子核磁矩于外加磁场反向，低能态原子核磁矩与外加磁场同向2。
10、平衡态与波尔兹曼分布n n高能态自旋与低能态自旋的比例在磁场强度和样本温度不变的情况下，同一种原子核处于相对平衡状态，这种状态称为平平衡态衡态。平衡态自旋磁矩遵循波尔兹曼分布波尔兹曼分布，N+/N-=k.eB0/T。平衡态自旋磁矩服从波尔兹曼分布，常温下上旋态较下旋态略多。净磁化矢量的形成n n在磁场的作用下自旋磁矩达到平衡态，质子的低能态与高能态比例遵循波尔兹曼分布，其比值为100006/100000。上旋态磁矩布居数较下旋态多，两者的差即为剩余自剩余自旋旋，由剩余自旋产生的磁化矢量又称为净净磁化矢量磁化矢量，也称为宏观磁化矢量宏观磁化矢量M0。M0 遵循居里定律M0=kB0/TM0B0M0
11、ZXYB03。进动（旋进）（Precession）n n平衡态的质子磁矩仅有两种取向，但对单个自旋而言，其磁矩的方向并不是平行或反向于外加磁场方向，而是与B0有一定角度，由于自旋角动量的存在及磁场对自旋磁矩的耦合作用，磁矩绕着B0并与之保持一定的角度，沿着一个固定的锥面轨迹转动，这种运动方式称为进动或旋进进动或旋进（由布洛赫方程导出）。LARMOR定理n n磁场中的自旋磁矩必然绕磁场进动，进动频率磁场中的自旋磁矩必然绕磁场进动，进动频率磁场中的自旋磁矩必然绕磁场进动，进动频率磁场中的自旋磁矩必然绕磁场进动，进动频率与磁场强度成正比。与磁场强度成正比。与磁场强度成正比。与磁场强度成正比。 n n
12、f=/2nn,B0n nf为线频率(Hz)，为角频率（弧度/秒），与磁场强度成正比，为旋磁比常数。n nLarmor进动上旋态下旋态进动磁矩的空间效应宏观磁化矢量M0的运动方式等效于一个larmor频率自旋磁体M0ZXY核磁共振n n核磁共振（NMR)就是磁性核（既有角动量又有磁矩的原子核）系统在外磁场环境中，受特定频率的电磁波（射频波）的作用而产生的量子化的能级跃迁现象。B1E =h fE核磁共振的经典力学解释射频脉冲及其空间效应n n 射频脉冲B1作为一种电磁波，其空间效应相当于一个垂直于B0（Z轴）进动的磁场。n n电磁波的传播YXB1B1在X-Y平面内以拉莫尔频率绕O点转动，其在Y轴上
13、的投影Y=B1sint,为一个正弦波O射频脉冲对纵向磁化的作用n n平衡态宏观磁化矢量M绕Z轴（纵轴）以Larmor频率自旋，若B1也以Larmor频率垂直于Z轴（XY平面）进动，则两者处于相对静止状态。根据Larmor定理，B1对M持续存在磁转矩，使其偏离Z轴绕B1向垂直于Z轴的方向（XY平面）进动（章动），从而形成XY平面的横向磁化矢量Mxy；使M顶端运动轨迹为一个三维螺旋（图5）。射频脉冲使宏观磁化偏离Z轴的角度称为翻转角(flipangle)。M0B1ZXYM0以lamor频率自旋B1以lamor频率绕M0进动M0 与 B1处于相对静止状态，M0处于B1磁场中，故绕B1进动。B1与磁化
14、矢量始终保持垂直状态。M0B1ZXYMXY=M0sin磁共振信号的产生n n频脉冲停止后，纵向磁化矢量转向横向磁化矢量并在XY平面内绕Z轴进动，正如一个XY平面内的旋转磁体。在平行于Z轴方向放置一个线圈，线圈内将会产生感生电流，这种感生电流信号称为自由感应衰减（FreeInductionDecay,FID）信号Mxy=M0sina e t/T2*xyMXYMy = MXYsintMX= MXYcost =t= B0tS1= MXYcostS2= MXYsintS1、S2对应一个复数x+iy由一个方向检测信号的线圈称为线性极化线圈，由两个方向检测信号的线圈称为圆形极化线圈。线形检测与正交检测n
15、n检测线圈只在X或Y轴一个方向检测信号称为线形检测，这类线圈称为线形检测线圈，同时在两个相差90度的方向检测信号称为正交检测，这类线圈称为正交(环形极化）线圈。MxyMxMySxiSy(Sx2+Sy2)1/2正交检测信号的特点n n1 1，两个正交信号，两个正交信号SxSx、SySy分别代表矢量分别代表矢量MxyMxy在在X X轴轴和和Y Y轴的分量轴的分量MxMx和和MyMy。n n2 2，对应一个复数，对应一个复数S=Sx+iSyS=Sx+iSy，复数，复数S S的模的模(S(Sx x2 2+S+Sy y2 2) )1/21/2 对应于对应于MxyMxy。矢量的相位模角。矢量的相位模角 =
16、arctangSy/Sx=arctangSy/Sxn n3,3,实部信号实部信号SxSx、虚部信号、虚部信号SySy及其衍生的模信号及其衍生的模信号(S(Sx x2 2+S+Sy y2 2) )1/21/2 和相位信号和相位信号都可作为图像模式，分都可作为图像模式，分别称为实像、虚像、模像及相位图像。别称为实像、虚像、模像及相位图像。n n4 4，模信号的强度是实轴信号的，模信号的强度是实轴信号的2 21/21/2倍倍Sx=M0sina cost exp- t/T2*Sy=M0sina sint exp- t/T2*驰豫与MR图像对比n n弛豫是指自旋系统由激发态恢复至其平衡态的过程，也就是纵
17、向磁化的恢复和横向磁化的衰减的过程。n nMR图像的对比度，除了受到样品单位体积的自旋密度的影响外，还受到驰豫过程的影响。磁化的驰豫n nMz=M01+(cosa-1)et/T1n nMx=M0sinasin(wt)et/T2*n nMy=M0sinacos(wt)et/T2*纵向驰豫（T1驰豫/自旋晶格驰豫）n n纵向弛豫又称自旋晶格弛豫或T1弛豫，是指射频脉冲停止后纵向磁化逐渐恢复至平衡态的过程。90射频停止后，纵向磁化矢量从最小值恢复至平衡态的63%所经历的弛豫时间称为T1M0MxytMzt纵向磁化的驰豫横向磁化的驰豫Mzt=M0(1-exp- t/T1)饱和n n在射频脉冲激发后，纵向
18、磁化由平衡态变成激发态，称为磁饱和。纵向磁化完全消失称为完全饱和，纵向磁化部分消失称为部分饱和。T1的物理学意义n n其物理学意义相当于一个“弛豫周期”，每经过一个T1时间则纵向磁化恢复其剩余值的63%。由于纵向弛豫是高能态自旋释放能量恢复低能态的过程，所以高能态自旋必须通过有效的途径将能量传递至周围环境（晶格）中去，因此又称其为自旋晶格弛豫。n nT1与图像的对比关系n nT1是不同组织的弛豫特征值，反应不同组织的纵向弛豫率的快慢差别。T1长则组织的纵向驰豫速度慢，信号低，T1短则组织的纵向驰豫速度快，信号高。n n利用这个“T1差别”产生的MR图像其图像对比就依赖于T1。称为T1加权图像。
19、Mz1Mz2Mz3平衡态时三种不同组织的纵向磁化900 RF激发后，纵向磁化转移成横向磁化900RF停止后经过一定时间（TR)的驰豫，由于T1的差别，纵向磁化处于部分饱和状态,再将其激发转移成横向磁化。TR时间后900RF信号检测纵向驰豫900RF信号检测 经过相同时间（TR)的驰豫，纵向磁化又会恢复至信号检测以前的部分饱和状态，在进行重复的激发和信号检测900RF信号检测纵向驰豫900RF信号检测n n900RF至下一个900RF间隔时间称为重复时间(TR),900RF至信号检测的间隔时间称为回波时间（TE)。n n短TR、短TET1依赖信号产生T1加权图像。自旋自旋弛豫（T2弛豫/横向驰豫
20、）n n自旋磁矩彼此相处在对方磁矩所产生的附加磁场中，由于分子的热运动导致附加磁场的波动，使彼此的进动频率发生改变，这就是自旋自旋作用，它导致自旋的相位相干性消失，即产生所谓自旋自旋弛豫即T2驰豫。T2是射频脉冲停止后，横向磁化矢量衰减至其最大值的37%时所经历的时间。Mxyt=MMxyt=M0 0exp- t/Texp- t/T2 2T2的物理意义n nT2也是不同组织的横向磁化弛豫特征值，其物理意义代表横向磁化的“衰减周期”，每过一个T2时间，横向磁化减少至其剩余值的37%，与放射性元素的半衰期意义相近。T2与图像的对比关系n nT2值反映不同组织的横向磁化衰减快慢，长T2横向磁化驻留时间
21、长，信号高，短T2横向磁化驻留时间短，信号低。n n利用这种T2差别产生的MR图像，图像对比具有T2依赖性，称为T2加权图像。n nTE1TE2三种组织的横向磁化由于T2的差别，随着驰豫时间的延长对比增大，产生T2加权信号。TE1TE2短TE长TE影响自旋回波序列对比的参数n nSSE=f(P).f(T1).f(T2)n n当当TRT1,TETRT1,TE与与T2T2相当，则相当，则f(T1)f(T1)趋近于趋近于1 1。n n对比决定于对比决定于T2T2和和P Pn n当当TRT1,TET1,TET2时，时，f(T1)f(T1)、f(T2)f(T2)都趋近于都趋近于1 1n n对比决定于对比
22、决定于P Pn n当当TRTR与与T1T1相当，相当，TET2,f(T2)TET2,f(T2)趋近于趋近于1 1n n对比决定于对比决定于T1T1和和P PMR图像重建原理图像重建原理n nFID信号是宏观磁化矢量经激发后在线圈内感应出的信号，是自旋系统信号的总和，无空间位置信息，必须对其进行空间编码及图像重建方可得到MR图像。MRI的空间编码技术采用X、Y、Z轴三维梯度磁场，从而实现层面选择和体素编码。梯度、梯度磁场、磁场梯度n n梯度俗称坡度，是一个矢量，以某方向上的物理量的垂直变化量与水平变化量的比值（直线的斜率）表示其大小。n n在一定方向上，强度随位移成比例变化的磁场称为梯度磁场。n
23、 n在一定方向上，单位位移的磁场变化量称为磁场的梯度。单位是T/M（特斯拉/米）。YXM梯度梯度磁场均匀磁场梯度磁场GtX0磁场梯度梯度磁场对进动磁矩的频率的矢量效应FF1F2F3F4F5F6f= rB, rBt梯度动量对进动磁矩的相位的矢量效应n n沿磁场梯度方向的自旋磁矩，进动频率呈线性变化，彼此的相位也将受到梯度磁场的影响。n n相位差 SGtn n S为两点的距离，Gt为梯度动量。04590135180GtGG= B/ SSB梯度磁场对横向磁化的作用梯度动量的矢量效应n n1、梯度磁场产生的频率改变或相位改变具有一定的方向性；n n2、梯度磁场产生的相位改变可由大小相等的方向梯度动量抵
24、消。n n3、梯度动量产生的横向磁化的逐步减小可由等量反向的梯度动量逐步恢复梯度回波。Gt-Gtt相位等量正反梯度动量产生的相位分散和再聚合体素的空间定位层面选择n n为了获取某一层面的信号，必须去除该层面以外的其他影响因素。利用梯度磁场的频率效应，采用层面选择梯度磁场和特定中心频率的射频脉冲共同作用，使某一选定层面被激发而邻近组织不被激发，从而实现所谓选层。体素编码及图像重建n n利用梯度磁场将一个选定层面在两个垂直方向上分割成相同宽度的行和相同宽度列的矩阵单元，每一个小单元为一个体素。每一个体素为一个基本的信号单位，对应产生一个像素。将选定层面进行行编码和列编码，使其分割成长、宽、高相等的
25、体积单元体素。每一个体素的信号强度对应产生一定亮度的基本图像单元像素。傅立叶变换与图像n n所谓傅立叶变换就是将信号的时间强度函数关系变换为频率强度的函数关系。一维傅立叶变换图像重建n n一维傅立叶变换图像重建法类似于CT投影图像重建法。CT图像的投影重建法n n将一个未知的二维数据矩阵进行多方位一维投影，根据不同方位投影值可以计算出每个元素的值，从而重建出未知的二维数据矩阵。解放程组n nX1+X2+X3=6X1+X2+X3=6n nX4+X5+X6=15X4+X5+X6=15n nX7+X8+X9=24X7+X8+X9=24n nX1+X4+X7=12X1+X4+X7=12n nX2+X5
26、+X8=15X2+X5+X8=15n nX3+X6+X9=18X3+X6+X9=18n nX1+X5+X9=15X1+X5+X9=15n nX2+X6=8,X2+X6=8,n nX4+X8=12X4+X8=12123456789对方程组联立求解重建数据矩阵MR图像一维傅立叶变换重建n n对选定层面施加频率编码梯度磁场Gx，使从左到右的每列体素的自旋在不同的频率（F1、F2、F3）上进动，此时施加激发脉冲，被激发层面所产生的MR信号内包含着多种频率（每列体素为一频率），我们将这个复合频率的信号经一维傅立叶变换便可得到每种频率的信号强度，即每列体素的信号强度，也是每列体素信号强度的投影值。F0未加
27、梯度磁场时所有体素都处于同一个进动频率，经过RF激发后产生单一频率的信号FID信号经过傅立叶转换在X方向施加一个线性梯度磁场后产生复合频率信号F1F2F3F4复合频率信号经过傅立叶转换后产生四个不同频率的信号旋转投影n n将频率编码梯度旋转一个角度进行第二次编码并获得投影值，如此反复进行便可获得足够的投影值，通过数学运算获得每个体素的信号强度，重建成一幅二维MR图像。二维梯度磁场一维投影重建K空间数据的2维傅立叶变换图像重建K-空间、空间频率n nK-空间是空间频率K所对应的频率空间，是一个抽象的空间。空间频率是指周期性波动的物理量在某一方向上单位距离的波动频数。单位是周期/米。空间频率n n
28、空间频率K是一个空间矢量，常用来描述某些以波的形式在空间传波的能量（如电磁波）。由于K的矢量特性，通常又以三个相互垂直的分矢量KXKYKZ替代它。这三个互垂分矢量KXKYKZ正好对应于一个三维空间坐标系，这个由KXKYKZ所决定的空间坐标系对应的空间即为K空间（图1）不同空间频率K的波KXKKYKZXYZ3维 K-空间KxKy2维K-空间K空间数据的意义K空间数据的含义n nK-空间内的每一个点与K-空间中心的连线的长短表示该点空间频率的大小，线段的方向表示空间频率的方向。K-空间数据及其合成三、磁共振成像设备组成n n磁体n n射频系统n n梯度磁场系统n n计算机、图像处理系统磁共振设备图
29、磁体的作用n n产生均匀稳定的磁场磁体的性能指标n n1。磁场强度n n2。磁场均匀度n n3。磁场稳定度n n4。有效孔经n n5。磁场的逸散度磁体的分类与特点n n1 1永磁体：用铝镍钴、铁氧体和稀土钴永磁体：用铝镍钴、铁氧体和稀土钴3 3种类型种类型磁性材料制作成的磁体。结构简单造价低、消磁性材料制作成的磁体。结构简单造价低、消耗少、维护费用低、杂散磁场小，但磁场强度耗少、维护费用低、杂散磁场小，但磁场强度低、均匀度差、稳定性差。低、均匀度差、稳定性差。n n2 2。常导磁体：电流通过常温导线（线圈）产。常导磁体：电流通过常温导线（线圈）产生磁场的磁体。结构简单造价低，但功耗大、生磁场的
30、磁体。结构简单造价低，但功耗大、稳定度低、均匀性差。稳定度低、均匀性差。n n3 3超导磁体：强大电流通过低温超导体产生强超导磁体：强大电流通过低温超导体产生强大磁场。场强高、稳定性好、均匀性高、制作大磁场。场强高、稳定性好、均匀性高、制作工艺复杂、需要保证超导环境。工艺复杂、需要保证超导环境。超导线圈的结构及工作原理n nNb-Ti合金-269摄氏度下实现超导。n n给超导线圈加电n n达到一定电流后断电梯度磁场及性能指标n n在一定方向上强度呈线性变化的磁场。n n最大梯度场强度、梯度变化率、线性度、有效容积、工作周期。G=(B2-B1)/(X2-X1)=tangAG1G2tG1 2GSR=(G2-G1)/(t2-t1)(X2-X1)/X1*100%非线性度2%梯度系统的构成n n梯度控制器n nDACn n梯度放大器n n梯度线圈梯度磁场的作用空间编码梯度磁场的副作用n n梯度噪声变化的磁场在梯度线圈中产生的洛伦兹力，使线圈产生机械振动。n n涡流变化的磁场在周围导体中感应出的环形电流。n n梯度线圈内的磁通量过大引起人体末梢神经刺激作用。射频磁场系统n n射频系统的组成：射频功率放大器、射频线圈。n n射频场系统的作用：发射特定频率的射频脉冲；接收MR信号。计算机系统n n作用：控制各系统之间的通信联络。n n利用应用软件评价图像。
