1、1,磁共振成像(MRI)的基本原理Magnetic Resonance Imaging,同濟(jì)醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院MR室 劉定西,2,磁共振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及發(fā)展,1924年pauli在進(jìn)行電在子波譜試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了許多原子核象帶電的自旋粒子一樣具有角動量和磁動量。 1946年美國物理學(xué)家Block和Purcell分別測出了在均勻物質(zhì)中磁共振的能量吸收，進(jìn)一步證實(shí)了核自旋的存在，并為此獲得了1952年諾貝爾物理學(xué)獎。,3,N,S,RF,4,T,: F,射頻頻率,射頻強(qiáng)度,5,磁共振的應(yīng)用,物理化學(xué)|：利用磁共振波譜測定物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。 醫(yī)學(xué)影象：磁共振成像及化學(xué)物質(zhì)含量測定。,6,第一節(jié)：原子及其磁特性,

2、原子的構(gòu)成 自旋 自旋磁矩 凈自旋,7,原子的構(gòu)成,原子核 核外電子,質(zhì)子（） 中子,核外電子（）,8,原子核的運(yùn)動特性,自旋：物體沿一定方向繞自身某一軸的轉(zhuǎn)動 自旋角動量 I：由于自旋運(yùn)動的矢量性，自旋具有一定的角動量，自旋角動量I通常也稱為自旋I。I為矢量。,9,10,自旋磁矩,自旋粒子的磁性：帶電粒子的自旋都可產(chǎn)生磁矩。 原子核運(yùn)動的自旋磁矩：每一個(gè)自旋I對應(yīng)于一個(gè)磁動， =hI：,11,3,12,凈自旋,原子核的運(yùn)動:自旋 凈自旋：具有自旋磁動量的自旋。 零自旋/非零自旋：凈自旋為零/凈自旋不為零 凈自旋產(chǎn)生的條件:奇數(shù)質(zhì)子和/或奇數(shù)中子 凈自旋的意義：是磁共振信號來源的基礎(chǔ)。 自旋系

3、統(tǒng)：磁場中所有自旋的集合。,13,1H的原子核結(jié)構(gòu)及特性,1H原子核僅有一個(gè)質(zhì)子，無中子。 其磁化敏感度高，在人體的自然 豐富度很高，是很好的磁共振靶核。,14,第二節(jié)：磁場,磁場的概念 均勻磁場 穩(wěn)定磁場 交變磁場,15,磁場,物質(zhì)場 對磁性物質(zhì)的力效應(yīng) 磁場的強(qiáng)度,16,均勻磁場,大小方向恒定不變的磁場.,17,交變磁場,大小或方向呈規(guī)律性變化的磁場,18,X,Y,BX=Bsina,BY=Bcosa,a,B(RF),19,第三節(jié)：磁場對樣體的作用,磁化 :磁場對樣體作用的過程。 磁化強(qiáng)度m：樣體經(jīng)過磁化而產(chǎn)生的磁矩的大小。 磁化率：單位磁場強(qiáng)度的磁化強(qiáng)度 X= m/B。順磁性物質(zhì)的磁化率為

4、正值，抗磁性物質(zhì)的磁化率為負(fù)值。 影響磁化率的因素： 1、外層電子；2、原子核結(jié)構(gòu)。,20,N,S,M:,21,磁場對磁矩的作用,垂直于磁場的磁矩，磁場對其以磁轉(zhuǎn)矩形式產(chǎn)生作用，即以磁場為軸垂直于磁場轉(zhuǎn)動。,22,M1,M2,23,Y,M0,B1,X,Z,24,25,自旋在磁場中的運(yùn)動,進(jìn)動（旋進(jìn)）：自旋軸繞磁場方向的圓周運(yùn)動。遵循 lamor 定理，w=rB0 影響進(jìn)動頻率的因素：磁場強(qiáng)度。 進(jìn)動的方向：上旋態(tài)與下旋態(tài)。,26,27,28,量子化與平衡態(tài),量子化概念：在磁場的作用下，自旋只能處于兩種能級狀態(tài)，低能態(tài)（上旋態(tài)）與高能態(tài)（下旋態(tài)）自旋只有吸收或釋放一個(gè)特定能量值（ E）時(shí)才相互轉(zhuǎn)

5、化。 量子化遵循波茲定律E(1/2)/E(-1/2)=exp(rhI/kT) 平衡態(tài)：在磁場和溫度的作用下，樣體達(dá)到穩(wěn)定磁化的狀態(tài)。是一種動態(tài)平衡。,29,30,剩余自旋與凈磁化,剩余自旋：平衡態(tài)時(shí)，上旋態(tài)與下態(tài)自旋差。 凈磁化M（宏觀磁化）：自旋系統(tǒng)在磁場作用下產(chǎn)生的磁化總量。是所有自旋磁矩的矢量和 。M=B0N/T 影響M的因素：靜磁場強(qiáng)度、溫度、自旋密度（單位體積的自旋數(shù)）。 縱向磁化：平行于磁場方向的磁化矢量 橫向磁化：垂直于磁場方向的磁化矢量,31,32,磁共振成像中的坐標(biāo)系統(tǒng),X,Y,Z,33,第四節(jié) 核磁共振現(xiàn)象,單擺共振 核磁共振,34,單擺共振的條件,系統(tǒng)與激發(fā)源的固有頻率相

6、同 系統(tǒng)吸收能量內(nèi)能增加,F,35,核磁共振的條件,激發(fā)磁場的頻率與自旋系統(tǒng)的進(jìn)動頻率相等。 自旋系統(tǒng)吸收激發(fā)磁場能量內(nèi)能增加,36,射頻,射頻及磁特性 射頻的空間效應(yīng) 射頻激發(fā)與核磁共振 章動與翻轉(zhuǎn)角= rB1t 90、180脈沖，脈沖 射頻對自旋磁矩的相位相干效應(yīng),37,X,Y,BX=Bsina,BY=Bcosa,a,B(RF),38,X,Y,Z,M0,B1,射頻磁場對磁矩的激發(fā),39,40,射頻激發(fā)使自旋的橫向磁矩相位一致 （相位相干），產(chǎn)生一個(gè)大的橫向磁 化矢量MXY。相位是矢量與參照軸間 的夾角,MXY,橫向磁化的相位相干進(jìn)動,41,橫向磁矩的相位,X,Y,m1,m3,m2,MXY,

7、a,42,X,Y,M0,B1,橫向磁化的檢測,MXY,43,自旋弛豫,自旋弛豫：自旋系統(tǒng)由激發(fā)態(tài)恢復(fù)到其平衡態(tài)的過程?？煞譃榭v向弛豫和橫向弛豫兩個(gè)過程。 縱向弛豫（自旋晶格弛豫、T1弛豫）：縱向磁化逐漸恢復(fù)的過程。 橫向弛豫（自旋自旋弛豫、T2弛豫）：橫向磁化逐漸消失的過程,44,45,縱向弛豫的機(jī)理,波動的晶格磁場是一個(gè)連續(xù)頻率的波動磁場，Lamor 頻率的晶格磁場可以吸收激發(fā)態(tài)自旋所釋放的量子化能量，恢復(fù)其平衡態(tài)。晶格磁場的頻率越接近 Lamor 頻率，縱向弛豫的速度越快。人體各種不同類型組織的晶格磁場頻率有差異。縱向弛豫速度不同。,46,影響縱向弛豫的因素,組織特異性：中等大小分子快，小

8、分子及大分子慢 晶格的物理狀態(tài)：液態(tài)快、固態(tài)慢。 晶格的溫度：低快，高慢。 周圍大分子結(jié)構(gòu)：加快。 磁場強(qiáng)度：低場快，高強(qiáng)慢,47,縱向弛豫特征時(shí)間常數(shù)T1,T1：射頻激發(fā)停止后，縱向磁化弛豫至其平衡態(tài)值的63%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。 MZ = M0(1e-t/T1) T1的物理學(xué)意義：弛豫周期。,48,縱向磁化對比,由于各種組織的T1不同，在縱向弛豫過程中，不同時(shí)刻各種組織在縱向磁化中的比例不同，因而產(chǎn)生了不同組織間的縱向磁化對比。也稱為T1對比。,49,T1加權(quán)圖像,圖像的對比主要依賴T1對比稱為T1加權(quán)（權(quán)重）圖像。,T1 weighted image,50,51,T1圖像T1 Image,每

9、一個(gè)像素的亮度表示其所對應(yīng)的構(gòu)成體素的組織的T1值,這種圖像稱為T1圖像。,52,人體正常組織的T1值,53,由于磁場的不均勻性，自旋的進(jìn)動頻率不同，當(dāng)RF 停止后，橫向磁矩間很快出現(xiàn)相位彌散（相位不相干、去相位）進(jìn)動，使橫向磁化矢量逐漸消失。,橫向弛豫的機(jī)理,54,橫向弛豫特征時(shí)間常數(shù)T2,T2：射頻激發(fā)停止后，橫向磁化弛豫至其平衡態(tài)值的37%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。 MXY = M0e-t/T2 T2的物理學(xué)意義：弛豫周期。,55,56,57,影響橫向弛豫的因素,組織特異性：大小分子快，小分子慢。 晶格的物理狀態(tài)：液態(tài)慢、固態(tài)快。 晶格的溫度：低快，高慢。 周圍大分子結(jié)構(gòu)：加快。 無磁場強(qiáng)度依賴性

10、。,58,橫向磁化對比,由于各種組織的T2不同，在橫向弛豫過程中，不同時(shí)刻各種組織在橫向磁化中的比例不同，因而產(chǎn)生了不同組織間的橫向磁化對比。也稱為T2對比。,59,T2弛豫圖,60,T2加權(quán)圖像,圖像的對比主要依賴T2對比稱為T2加權(quán)（權(quán)重）圖像。,T2 weighted image,61,T2圖像T2 Image,每個(gè)像素的亮度對應(yīng)于其所代表的構(gòu)成體素的組織的T2值，這種圖像稱為T2圖像。,62,人體正常組織的T2值,63,T2弛豫：由于磁體磁場本身的不均勻性而產(chǎn)生的橫向磁化的快速衰減。 T2*弛豫：由于T2和T2共同作用而產(chǎn)生的橫向弛豫，也稱為有效T2弛豫時(shí)間。 1/T2* = 1/T2

11、1/T2 T2*加權(quán)圖像：圖像的對比主要依賴于T2*對比,64,第六節(jié):MR信號的產(chǎn)生及種類,FID信號產(chǎn)生 SE信號產(chǎn)生方法及原理 刺激回波產(chǎn)生及性質(zhì) 梯度回波產(chǎn)生及原理,65,FID信號,電磁感應(yīng)原理 橫向磁化的感應(yīng)信號 V=Mxycost 激發(fā)角度為, 則Mxy=M0sine-t/T2* VFIDM0sincoste-t/T2* FID信號的衰變:自旋相位相干、重聚、去相位,66,自由感應(yīng)衰減信號(FID),67,SE信號產(chǎn)生方法及原理,回波 180脈沖的去T2效應(yīng)及SE SE的特性,68,自旋回波信號（SE）,69,70,71,72,73,SE信號的特點(diǎn),消除了T2效應(yīng) 信號幅度大 可

12、用于T1、T2加權(quán)成像 信號幅度隨T2衰減,74,梯度回波及原理,梯度磁場的去相位效應(yīng) 反相梯度磁場的聚相位效應(yīng) 梯度回波GE,75,76,TG,77,78,梯度回波信號GRE,79,刺激回波及性質(zhì),連續(xù)脈沖的作用:相位累積效應(yīng)。 刺激回波的性質(zhì)：自旋回波。,900,900,a,a,a,80,第七節(jié) MR圖像重建原理,一維傅立葉變換重建(反投影) 二維傅立葉變換重建(K-空間數(shù)據(jù)重建),81,傅立葉變換,將時(shí)間強(qiáng)度的信號關(guān)系變換為頻率強(qiáng)度的信號關(guān)系。這種數(shù)學(xué)變換模式稱為傅立葉（Fourier transform)變換。,82,1DFT重建,梯度與梯度磁場 層面選擇及相關(guān)因素=GzD 體素的頻率

13、編碼及投影,83,1,2,3,4,5,6,7,8,9,84,85,空間頻率與K-空間,空間頻率：是指波動性信號在一定方向上單位距離的波動周期數(shù)，單位是:周/m。和時(shí)間頻率（Hz、周/s)有本質(zhì)的區(qū)別為一個(gè)空間矢量，通常以Kx、 Ky、 Kz分別表示其在X、Y、Z三個(gè)互相垂直方向上的空間頻率分量。其總量等于三個(gè)分量的矢量和。 K-空間（K-space）：以空間頻率Kx、Ky、Kz為單位的空間坐標(biāo)系所對應(yīng)的一個(gè)頻率空間。二維K -空間為一個(gè)平面。,86,空間頻率與K-空間的關(guān)系,任何一個(gè)具有空間頻率的信號都對應(yīng)于K-空間內(nèi)一個(gè)點(diǎn)；反之，K-空間內(nèi)的任何一點(diǎn)代表且只代表一個(gè)空間頻率。 K=Kx+ky

14、+kz K2=Kx2+Ky2+Kz2 K2=Kx2+Ky2(二維、方向由Kx、 Ky決定),87,梯度磁場與磁共振信號的空間頻率的關(guān)系,梯度磁場強(qiáng)度與時(shí)間的累積效應(yīng)稱為梯度動量（Gradient Moment），在梯度動量的作用下，沿著梯度方向的自旋之間的相位成規(guī)律的波動，其波動的周期數(shù)對應(yīng)于梯度方向的一定距離，即空間頻率。所以在梯度磁場的作用下，磁共振信號便可以具有空間頻率。因此，可以將其寫入K-空間內(nèi)某一坐標(biāo)位置。,88,一維梯度動量效應(yīng)-產(chǎn)生一為維空間頻率信號,Gyt,Ky=1/fov,89,一維梯度動量產(chǎn)生的具有一維空間頻率的磁共振信號,Gyt,Ky,信號區(qū),無信號區(qū),90,二維梯度動

15、量產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)（二維）空間頻率信號,Gyt,Gxt,K=Kx+Ky,91,二維梯度動量效應(yīng)-產(chǎn)生二維空間頻率信號,由K2=Kx2+Ky2(二維-空間)可見：在二維K-空間內(nèi)，隨著Kx 、Ky的變化，空間頻率大小相等但方向不同的一系列空間頻率,在同一個(gè)圓軌跡上；反之，在同一圓軌跡上的所有K-空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)對應(yīng)于一系列空間頻率大小相等、方向連續(xù)變化的空間頻率信號。即相當(dāng)于一個(gè)大小不變、方向繞K-空間中心旋轉(zhuǎn)的空間頻率信號。,92,2DFT重建,黑白圖像的產(chǎn)生 K-空間的概念 空間頻率的概念 空間頻率的產(chǎn)生 K-空間數(shù)據(jù)的填寫 逆向FT及MR圖像,93,MRI基本序列,自旋回波采集（Spin Echo）

16、梯度回波采集(Gradient Echo) 反轉(zhuǎn)恢復(fù)采集(Inversion recovery) 部分飽和采集(Partial Saturation) 刺激回波采集(Steam),94,磁共振各種特殊成像技術(shù),磁共振血管造影技術(shù)(MRA) 時(shí)間飛躍法 (Time of flight) 相位對比法(Phase contrast) 幅度對比法(Magnitude contrast) 對比劑增強(qiáng)法(Contrast enhance),95,MRI心電門控技術(shù),心電門控觸發(fā) 肢端脈搏觸發(fā) 回顧性心電門控,96,磁共振水成像技術(shù),MRCP MRU MRM MRD MRS,97,MRI造影劑,T1造影劑

17、GD-DTPA（二乙烯三廠五乙-酸釓） T2造影劑- SPIO(超順磁氧化鐵),98,MRI呼吸觸發(fā)技術(shù),呼吸門控 呼吸補(bǔ)償,99,磁共振飽和成像技術(shù),頻率飽和 幅度飽和 化學(xué)位移飽和 磁化傳遞飽和,100,磁共振電影,心臟運(yùn)動電影 關(guān)節(jié)活動電影 三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動顯示電影,101,功能成像技術(shù),彌散成像 灌注成像 腦活動功能成像,102,第八節(jié)：磁共振系統(tǒng)的構(gòu)成,磁體及主磁場 梯度系統(tǒng) 射頻系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng),103,104,磁體,永磁體 超導(dǎo)磁體 常導(dǎo)磁體,105,梯度,梯度系統(tǒng)構(gòu)成 梯度系統(tǒng)的作用,106,射頻系統(tǒng),RF線圈 RF放大器 RF接受放大器 屏蔽,107,計(jì)算機(jī)系統(tǒng),A-D轉(zhuǎn)換器 陣

18、列處理機(jī) 用戶計(jì)算機(jī),108,MRI的圖像質(zhì)量參數(shù),109,MR圖像特征指標(biāo)及評價(jià)方法,SNR C/CNR R、Rs A (artifact),110,SNR,噪聲的概念及主要來源 信號的概念及來源 信噪比的概念 SNR的評價(jià) SNR=S/N,111,影響SNR因素,設(shè)備因素（B0、線圈、梯度） 選擇序列及參數(shù)技術(shù) 影像參數(shù)SNR=V,112,C對比度,對比度的概念 C的評價(jià) C=S1S2/S1+S2,113,影響C的因素,組織類型 脈沖序列 序列參數(shù) 對比劑,114,CNR,CNR概念 CNR評價(jià) CNR=SNRASNRB,115,R、Rs,R、Rs的概念 R、Rs的評價(jià)Rs1/體素體積,116,影響R、Rs的因素,FOV（Lx、Ly、Lz) Nx、Ny、Nz K-空間方式,117,特殊技術(shù)對圖像質(zhì)量的影響,半傅立葉技術(shù) 半回波技術(shù) 三維部分K-空間 超頻帶采樣 MT 壓脂技術(shù) 內(nèi)插技術(shù),118,MRI偽影,邊緣偽影 幾何變形 回卷偽影 流動偽影 技術(shù)性偽影,119,邊緣性偽影,運(yùn)動偽影 化學(xué)偽影 水脂反相位 截?cái)鄠斡?120,