磁共振成像的原理1

null磁共振成像的原理及临床应用磁共振成像的原理及临床应用 我要骨科（51骨科）网 www.5guke.comWhat is MRI ?What is MRI ?null磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging ,MRI)，又称核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance ,NMR），是一种新的、非创伤性的成像方法，它不用电离辐射而可以显示出人体内部解剖结构。 利用一定频率的射频信号（radio frequency，RF）在一外加静磁场内，对人体的任何平面，产生高质量的切面成像（cross sectional imaging）。磁共振成像的原理及临床应用第一节 MRI发展概况第一节 MRI发展概况1946年美国斯坦福（Stanford）大学的Felix Bloch和哈佛（Harvard）大学的Edward Purcell各自进行研究，检测到大块物质内核磁共振吸收，更清楚地阐述了原子核自旋(Spin)的存在，几乎同时发表他们的研究成果，为此，他们共同获得了1952年诺贝尔物理学奖。 NMR的应用逐渐地从物理和化学领域，扩大到更为广泛的学科，如考古学直至医学。第一节 MRI发展概况第一节 MRI发展概况 在医学影像学方面，1973年Lauterbur研究出MRI所需要的空间定位方法，也就是利用梯度场。他的研究结果是获得水的模型的图像。 在以后的10年中，人们进行了大量的研究工作来制造磁共振扫描机，并产生出人体各部位的高质量图像，先后通过MR扫描，获得手、胸、头和腹部的图像。 1980年商品化MRI装置问世。第二节 MRI的基本原理第二节 MRI的基本原理本节介绍核磁共振这一物理现象最基本的理论知识，我们应用一般物理学、力学及磁学的原理阐述。一、原子核及其在磁场内的特性一、原子核及其在磁场内的特性人体由很多分子组成，分子由原子组成； 所有原子的核心都是原子核； 带正电荷和中性粒子的集合体； 占原子质量的绝大部分；一、原子核及其在磁场内的特性一、原子核及其在磁场内的特性从理论上讲，很多元素都可以用核磁共振来成像。也就是任何一个原子核，只要其所含的质子或中子的任何一个为奇数时，就具备磁性，就可以产生磁共振信号。一、原子核及其在磁场内的特性一、原子核及其在磁场内的特性MRI主要是应用于氢核的成像，这是出于： 一是Ｈ对其磁共振信号的敏感性高；Ｈ的旋磁比最高，因此最敏感，即MR信号被测出的效率，随共振信号频率的增加而改善。 二是它在自然界含量丰富。氢存于水和脂肪中，因而在人体中极为丰富，每立方毫米软组织中含有约1019个Ｈ原子，其所产生的磁共振信号要比其他原子强1000倍。一、原子核及其在磁场内的特性一、原子核及其在磁场内的特性由于1Ｈ只有一个质子，没有中子，所以氢核的成像也称质子成像。 氢核有两个特性： 其一是它含有一个不在核中心的正电荷； 其二是它有角动量或自旋。Pauli理论，具有奇数原子质量或奇数原子数的核均具有角动量及具有特征性的、大于零的自旋量子数。一、原子核及其在磁场内的特性一、原子核及其在磁场内的特性自旋的氢核其正电荷沿着一近似圆形路线运动，犹如电流通过环形线圈一样，从而在其周围产生一磁场。此滋场的大小与方向用磁矩 来表示，形成一个微观的磁体偶极子。 具有磁矩的快速自旋核可以看成为极小磁棒一、原子核及其在磁场内的特性一、原子核及其在磁场内的特性共振是一种常见的现象。指南针是我们最熟悉的磁体，地球是一个磁场。 指南针在地球表面作定向排列，即在静止状态下指北。 如果我们用手指轻击指南针，使之来回摆动，直到指南针从我们手指上得到的能量全部放出后，又回到原来的位置，指北。这就是共振现象。针摆动的频率为共振頻率。一、原子核及其在磁场内的特性一、原子核及其在磁场内的特性共振频率与外磁场强度成正比。地球的两极场强最强，赤道最弱。 在赤道与两极之间，磁场强度逐渐变化，称梯度磁场或简称梯度。 如果指南针在赤道摆动的频率为１周/秒，越向北其摆动的频率越快。这是因为北极滋场强度较赤道大2.3倍。一、原子核及其在磁场内的特性一、原子核及其在磁场内的特性这个简单的例子可以帮助我们了解磁共振成像中的基本要点： ①指南针置于磁场中与外磁场的方向作定向排列； ②指南针的共振频率与外磁场强度成正比； ③当有梯度磁场时，根据指针摆动频率的变化可以推断其在磁场中所处的位置。一、原子核及其在磁场内的特性一、原子核及其在磁场内的特性众多的氢核（质子）就是许多微观的磁偶极子，在没有外加磁场影响下，它们的磁矩是任意指向，杂乱无章地排列着。 在这种情况的组织标本中，净磁量为零。一、原子核及其在磁场内的特性一、原子核及其在磁场内的特性将这些指向杂乱无章的质于置于强大的静磁场(B0) 中时，质于群的磁矩将会沿静磁场的方向作定向排列。 略超过半数的质子与静磁场B0平行排列，略少于半数的质子则指向相反（与静磁场呈反平行方向排列)。一、原子核及其在磁场内的特性一、原子核及其在磁场内的特性当有两种可能的排列状态时，耗能少的、 处于低能态的排列状态占优势。一、原子核及其在磁场内的特性一、原子核及其在磁场内的特性低能量级的、平行于静磁场方向的质子与高能量级的、反平行于静磁场方向的质子来回翻转，相互抵消，而产生平衡的磁化量Ｍ0，也就是在一定量的组织中，所有氢核的磁化量的总和。 这一净平衡磁化量的指向与外加静磁场是一致的。要使置于外加静磁场内的组织标本达到磁化，需要足够的时间（约为：5～10秒）。 二、磁共振是怎样发生的二、磁共振是怎样发生的每个质子为细小的自旋磁体，当受到外加静磁场的作用时，静磁场对质子的磁矩产生扭转作用，这样就使质子顺着外加静磁场的中轴旋转，称为进动； 它如同旋转的陀螺受地心引力一样。二、磁共振是怎样发生的二、磁共振是怎样发生的以坐标系来表示每个质子受到外加静磁场的作用时的磁力的方向大小。二、磁共振是怎样发生的二、磁共振是怎样发生的平衡状态中，净磁化矢量并不在接受线圈中产生感应电流 要获得自旋信息，净磁化矢量必须被搅乱或激励 可用射频脉冲 一种短促的无线电波，与感兴趣核的拉莫尔频率一致 净磁化从平衡方向产生不同程度的偏转角度 射频脉冲激励时，净磁化以拉莫尔频率或共振频率沿主磁场方向进动二、磁共振是怎样发生的二、磁共振是怎样发生的射频脉冲激励时，净磁化以拉莫尔频率或共振频率沿主磁场方向进动二、磁共振是怎样发生的二、磁共振是怎样发生的射频激励脉冲实际上是另一个磁场（B1） B1方向垂直于Bo及作用非常短的时间 B1磁场的作用是使磁化沿其进动，从垂直方向转向Mxy平面二、磁共振是怎样发生的二、磁共振是怎样发生的净磁化(M) 有两个矢量成分：横向面的Mxy和纵向面的Mz 只有在XY平面的成分能被探测到 调整射频脉冲强度和时间，使磁化从平衡状态翻转90度时，可获得最大磁共振信号二、磁共振是怎样发生的二、磁共振是怎样发生的场强与进动频率的关系以Larmor公式表示： ω０＝γＢ０ ω0＝质子的共振频率（MHz）（进动频率） Ｂ0＝外加静磁场场强，单位是Tesla，简称Ｔ γ＝旋磁比，是一个常数，氢核的旋磁比为42.58MHz/T 从上述公式可知，场强为1T时，那么进动频率（ω0）即等于γ值（旋磁比）。二、磁共振是怎样发生的二、磁共振是怎样发生的频率（ω0）非常重要，其原因如下： ①在病人作MRI检查时，必须用这样频率的电磁波（RF脉冲），方可激励原子核； ②MR仪的接收器必须调谐至此频率，以便接收来自病人的信号。二、磁共振是怎样发生的二、磁共振是怎样发生的当给一定磁场中含氢的标本以一个与Larmor频率相匹配的射频脉冲激发时，质子吸收能量，又将吸收的能量以相同频率的无线电波形式释放出来。这一吸收能量的过程称激励。二、磁共振是怎样发生的二、磁共振是怎样发生的在Larmor频率条件下，质子吸收及释放能量的过程称为核磁共振。二、磁共振是怎样发生的二、磁共振是怎样发生的核即原子核，磁有两种含义： ①外加静磁场B0； ②由射频脉冲产生的激励磁场B1。 B0与B1有以下方面的不同：首先，B0的场强大约是B1的10000倍；其次，B0是恒定的，方向与磁体扫描膛平行，B1磁场迅速转动，方向总是与B0垂直。二、磁共振是怎样发生的二、磁共振是怎样发生的用射频线圈做天线接收器，将释放出来的能量转化为信号。 在进行人体磁共振成像时，信号的强度取决于质于的数量，也即质子的密度。 脂肪、肌肉、血液以及骨胳中质子含量的不同，决定磁共振图像中各种组织信号的强弱和对比，这种图像即称为质于密度像。二、磁共振是怎样发生的二、磁共振是怎样发生的除了组织中质于含量的不同对成像起作用以外，还有其他的组织特性对磁共振图像的信号有更为重要的影响，这就是组织磁化的弛豫时间。三、弛豫时间三、弛豫时间与X线和CT成像的原理不同，MRI没有X线辐射，而主要利用质子密度与质子的弛豫时间（T1与T2）的差异成像，尤其是弛豫时间更为重要。 因为质子在人体中的差异仅10％，但弛豫时间可相差百分之数百。三、弛豫时间三、弛豫时间弛豫时间可反映分子水平上的差别，从而发现人体生物化学与生理学的早期改变。 这样就不同于过去仅从病理解剖学的基础上来表达疾病的传统概念，而是能更早期发现人体内生理、生化的改变。三、弛豫时间三、弛豫时间若要充分认识一幅MRI图像中强弱信号的意义，必须对射频脉冲以及射频脉冲去除后，在静磁场作用下，从高能状态（与磁场垂直的位置）到低能状态（与磁场平行的位置）的恢复过程，即弛豫过程，有所认识。（一）质子（氢核）的T1弛豫（一）质子（氢核）的T1弛豫质于在受到射频脉冲激励后，吸收能量； 当射频脉冲一停止，纵向磁化开始恢复，质子释放能量； 此时，将在接收线圈中产生RF信号；（一）质子（氢核）的T1弛豫（一）质子（氢核）的T1弛豫纵向磁化的恢复率是以纵向弛豫时间（T1）来表示的； T1就是沿静磁场方向的纵向磁化恢复约2/3（63％）所需的时间。（一）质子（氢核）的T1弛豫（一）质子（氢核）的T1弛豫T1是时间常数，生物组织的T1值从大约50毫秒到几秒不等  不同的组织具有不同的T1值：脂肪为150～250ms。而脑脊液则为2～3s。 T1弛豫又称纵向弛豫、热弛豫，自旋-晶格弛豫。 它是纵向磁化恢复的过程，在这过程中有能量传递，是以热的形式逸散。它又反映了分子运动频率与Larmor频率之间的关系，如果二者相同，T1弛豫有效，并且迅速，如果不相同，T1弛豫无效。（二）质子的T2弛豫（二）质子的T2弛豫当射频脉冲的激励刚一停止，所有质于的进动频率一致，即相位一致，此时信号最强。 由于外加静磁场强度的不均匀以及存在空间定位的梯度场，从而使质子的进动频率发生变化，而失去其相位一致性，称失相位。 第三种因素则反映人体组织的固有特性，那就是磁化的质子间的相互作用，以及与由于分子和巨分子所建立的磁环境的相互作用，而引起的相位不一致，这样产生的相位不一致是不可逆的。（二）质子的T2弛豫（二）质子的T2弛豫相位不一致，一些质子进动快，一些则进动慢，这是受局部磁环境的影响所致，其结果是净横向磁化衰减（decay）。 此时，在接收器线圈中所得到的信号减少，以至完全丧失。 衰减63％的横向磁化所需的时问，亦即横向磁化衰减至其原有值的37％所需时间，即为T2弛豫时间。（二）质子的T2弛豫（二）质子的T2弛豫a紧接施加90°RF脉冲后，原子核的磁化偶极子均相位一致地进动，横向磁向量Mxy为最大值。b随时间进展，磁化偶极子失相位，有些进动较快，有些则进动较慢，这是由于局部磁环境所致。这种失相位导致了净横向磁化量衰减。c接收线圈中所记录的信号逐渐衰减，T2为横向磁化衰减至原有值的37％所需的时间。（二）质子的T2弛豫（二）质子的T2弛豫T2弛豫时间又称横向弛豫时间，又称自旋-自旋弛豫时间。自旋一词取自核的自旋； T2总是比T１短约为T１的10％－20％。 三、弛豫时间三、弛豫时间应用一空间坐标系X-，Y-，Z-轴加以叙述，磁矢量Ｍ，代表一个小范围组织内也即一个体积元（体素）内所有质子的磁化强度及方向。 横向及纵向成分的弛豫过程 a 90°脉冲； b 90°脉冲刚停止，横向成分最大； c,d 弛豫过程：横向成分迅速衰减，纵向成分缓慢增长；e 纵向成分最大。三、弛豫时间三、弛豫时间当人体被置于一外加静磁场中，磁矢量Ｍ沿Z轴取向，与静磁场方一致.以箭头Ｍ为标志，箭头长短与体素内所含氢质子数成正比。 加一个90°脉冲，Ｍ就偏离Z，转90°至与静磁场垂直的位置，在X-Ｙ平面遂产生一个横向磁矢量Ｍ。 此时在接收线圈内产生感应，因而可以用电流表测得此信号。 当90°脉冲停止后，在弛豫过程中，磁矢量Ｍ分离成纵向成分Ｍz，与横向成分Ｍxy。 由于静磁场并非均匀一致，而且分子间、分子与原子间又存在的内磁场，因此横向成分Ｍxy从最强很快衰减至零，即T2弛豫。三、弛豫时间三、弛豫时间控制射频脉冲的强度与时间，可得到90°或180°等不同的脉冲，从而可控制磁矢量偏离Z轴的夹角。 使磁矢量Ｍ偏离90°与180°的射频脉冲分别称90°与180°脉冲，180°脉冲使磁矢量Ｍ转180°，从正Z轴转到负Z轴，它不产生横向磁矢量，因此不能产生信号。 同样360°脉冲也不能产生信号。只是有了横向磁矢量，才能产生信号。四、自由感应衰减四、自由感应衰减自由感应衰减是表示90°脉冲激励以后立即产生的信号。 当90°脉冲终止后，横向磁矢量开始消失，纵向磁矢量重新出现，由于质子失去相位一致性，横向磁矢量这一信号很快衰减，在MRI不能被直接利用，因为必须有足够的时间来使梯度场起作用，以获取空间定位的信号。四、自由感应衰减四、自由感应衰减为了要取得MR成像中有用的信号，必须在一定间隔时间再给一个 180°RF脉冲，以取得一个自由感应衰减的回波信号，即自旋回波信号。四、自由感应衰减四、自由感应衰减这个可以用浅显的比喻来理解：此180°RF脉冲的作用，就像一堵墙和一座山那样将信号碰回，如同在回音壁或山谷中听到的回声一样。 这就是我们为什么称由此所形成的更强一些的信号为回波或自旋回波的道理。四、自由感应衰减四、自由感应衰减假设一只兔于与一只乌龟从同一起跑线上赛跑，在某一时间（TE/2）后，兔子跑在乌龟的前面。当让它们在同一时间向相反方向跑来，则两者会同时回到起点(假设速度不变）。四、自由感应衰减四、自由感应衰减在得到信号自旋回波后，质子再次失去相位一致性。正如前面所说的，较快的质子位于前面。可以用另一个180゜脉冲再行实验，并且再一个、再一个……如果绘制时间与信号强度曲线，就会得到一条曲线。休息休息五、伪 影五、伪 影 MR与CT比较其优点之一是伪影少。 骨骼、大的钙化、高密度造影物质MR都不形成伪影。 人体内非铁磁性金属物体仅导致图像轻微变形。按伪影形成的原因，伪影可分为三类。 （一）人体体内因素形成的伪影（一）人体体内因素形成的伪影１．运动形成的伪影 MR信号采集时间比人体内某些器官的生理运动，如心脏搏动、呼吸动和肠蠕动周期长，因而胸部和上腹部的图像易受这些器官运动的影响。心脏和呼吸运动产生的伪影可以用心电图门控及呼吸门控减少。（一）人体体内因素形成的伪影（一）人体体内因素形成的伪影１．运动形成的伪影 （一）人体体内因素形成的伪影（一）人体体内因素形成的伪影２．血液和脑脊液流动伪影 动静脉内的血流均可产生伪影，前者为血管搏动引起；后者因血流缓慢形成。脑脊液在不同部位流速不同，产生不同信号的伪影。脑脊液的流动可造成相位编码方向上的运动伪影。 （二）体外因素形成的伪影（二）体外因素形成的伪影１．金属物体 非铁磁性金属物体产生和其形态相似的周围绕以高信号的低信号区。铁磁性物质引起局部低信号区和图像变形，伪影和正常图像分界不清。此种伪影是金属物质受射频磁场作用产生涡旋电流所致。（二）体外因素形成的伪影（二）体外因素形成的伪影２．静电 静电产生的伪影为互相交错的带状高低信号带，影响全部图像。多见于为了保暖给病人盖毛毯和尼龙类织物引起。为此，病人用的床单、衣服、保暖物品等必须用棉织品。 （三）MRI系统形成的伪影（三）MRI系统形成的伪影１．化学位移伪影 此种伪影出现于脂肪和非脂肪（主要是含水的）器官之间。 产生原因为水分子的质子进动频率比脂肪质子进动频率快。 梯度磁场使这两种物质产生不同的进动频率，并且编码使邻近两种像素信号重叠。 结果在一侧脂肪-水界面出现高信号带，而另一侧水-脂肪界面出现低信号带。 常见于肾-脂肪，膀胱-脂肪交界面。（三）MRI系统形成的伪影（三）MRI系统形成的伪影１．化学位移伪影 A肾横轴位，T2加权像，肾和周围脂肪组织分界虽然清楚，但在梯度磁场 的高、低侧分别 可见白色和黑色 的条状伪影。Ｂ 为化学位移和梯 度磁场关系的线 条图。C膀胱周 围的化学位移伪 影。（三）MRI系统形成的伪影（三）MRI系统形成的伪影２．折叠伪影 此种伪影为被检物体的一部分处于成像范围外的时候。伪影的特点为伪影重叠于其图像的对侧，其解剖方位和信号强度完全同真正扫描物体影像相似，并和相位编码方向一致。 （三）MRI系统形成的伪影（三）MRI系统形成的伪影３．低信号伪影 伪影和真正的物体图像相同，只是信号低和图像方向相反，出现于扫描物体图像的一侧。产生原因为质子共振频率的正负端被错误采集或者是X、Ｙ轴磁化矢量错误放大。 七、MRI对比剂 七、MRI对比剂（一）概述 MRI具有很强的组织分辨能力。故在投入临床应用初期曾被认为是一种不需要使用对比剂的“非创伤性”检查方法。 未经增强的MRI平扫尚有一些缺陷。 在某些情况下，不能满足人们对诊断疾病高敏感性和特异性的要求。七、MRI对比剂七、MRI对比剂（一）概述 MRI平扫在检查组织功能活动方面亦有一定局限性。 利用对比剂来获得更完整的诊断信息开始受到重视。 临床常用的是以GD-DTPA为代表的钆（gadolinum， Gd）类顺磁性对比剂。 此类对比剂在中枢神经系统疾病的发现和定性诊断方面显示出重要价值。 七、MRI对比剂七、MRI对比剂MR对比剂的功用与传统X线对比剂，如碘制剂类似； 其作用机制原理却不同。X线对比剂直接影响X线的吸收和穿透，增强效应与局部对比剂的浓度成线性关系。 绝大多数MR对比剂所选的元素就是根据它们所具有的缩短组织T1和T2时间的能力。 一般说来，MR对比剂总是同时影响T1和T2，但程度却不一定相同。在某一特定剂量范围内往往以一种影响占主导地位。七、MRI对比剂七、MRI对比剂（二）MR对比剂的分类和作用机制 MR对比剂有几种分类方法，其中较常用的有按MR图像信号的改变划分为阳性、阴性对比剂； 根据MR特性区分为顺磁性、铁磁性和超顺磁性对比剂； 还有依据对比剂主要影响T1或T2，简单分为T1增强剂和T2增强剂。七、MRI对比剂七、MRI对比剂1．阳性对比剂构成及作用原理 阳性对比剂又可称为顺磁性或T1对比剂。由一些金属元素，如锰（Mn），铁（Fe）和钆（Gd）所组成。 Gd含有７个不成对的核外电子。由于不成对核外电子的存在，使这些元素具有很强的顺磁性。 在外加磁场中，这些元素将干扰邻近质子的弛豫，导致T1和T2时间缩短。 在顺磁性物质浓度较低时，T1缩短的效应占主导地位，引起MR信号增加。七、MRI对比剂七、MRI对比剂1．阳性对比剂 Gd类细胞外对比剂最主要应用在中枢神经系统的MR成像。 在正常情况下，颅内无血脑屏障的结构，如垂体、静脉窦及其它颅内血管显示增强。 在病理情况下，例如肿瘤、梗塞、感染、以及急性脱髓鞘病变等，血脑屏障遭到破坏。 此时，对比剂即可穿过不完整的血脑屏障进入细胞外间隙，引起局部增强效应。七、MRI对比剂七、MRI对比剂阳性对比剂脑膜瘤注射GD-DTPA前后对照七、MRI对比剂七、MRI对比剂1．阳性对比剂椎管内肿瘤及腰椎结核注射GD-DTPA前后对照七、MRI对比剂七、MRI对比剂1．阳性对比剂 Gd类对比剂引起的不良反应很少，发生率约1％。此类药物无绝对禁忌证，但严重肾功能不良者应慎用。七、MRI对比剂七、MRI对比剂２．阴性对比剂 包括口服对比剂、单核－巨噬细胞系统对比剂等。阴性对比剂又称为铁磁性／超顺磁性对比剂。 用于口服对比剂的主要是氧化亚铁，用来区分胃肠道和与其邻近的腹腔或盆腔脏器的解剖结构或病变。对于胃肠道本身的病变，使用口服对比剂还利于显示胃肠道壁的情况。七、MRI对比剂七、MRI对比剂２．阴性对比剂 单核－巨噬细胞系统对比剂主要集中在肝、脾、骨髓和淋巴系统。 主要用于肝脏成像。 MR成像选用T2加权序列，在图像上正常肝组织的信号显著降低，肿瘤组织则由于缺乏单核巨噬细胞（Kupffer细胞）而不受对比剂影响，呈相对高信号。 单核－巨噬细胞系统对比剂突出的优点是易于鉴别肝脏肿块的良恶性。七、MRI对比剂七、MRI对比剂２．阴性对比剂男性，55岁，结肠癌肝转移A、平扫时，病灶很难识别 B、超顺磁氧化铁增强后，正常肝组织信号明显下降，病灶显示清楚。第五节 MRI的设备第五节 MRI的设备磁共振成像系统主要由磁体、梯度系统、射频系统及计算机系统组成见。 一、磁 体 一、磁 体磁共振的磁体（Magnet）的主要作用是产生稳定均匀的静磁场使组织产生磁化。磁体有三种类型 （一）常导型磁体 （二）永磁型磁体 （三）超导型磁体一、磁 体一、磁 体（一）常导型磁体（Resistive Magnet） 常导型磁体的线圈由铜或铝线绕制的线圈组成，按线圈有无铁芯可分为铁芯常导型和空心常导型。 常导型磁造工艺简单且成本低，可以做成开放式磁体，磁场可以关闭。 但磁场稳定性差，电力消耗大，对电源稳定性要求高，运行维护费用高。一、磁 体一、磁 体（二）永磁型磁体（Permanent Magnet） 永磁型磁体由铁氧体或钕铁硼等铁磁性物质及合金组成。 该磁体对周围环境影响小，屏蔽简单，可做成开放式磁体，安装及维护费用低，但场强较低，磁场的稳定性和均匀性差，受环境温度变化影响大，磁场不能关闭。一、磁 体一、磁 体（二）永磁型磁体一、磁 体一、磁 体（三）超导型磁体（Superconducting Magnet） 超导型磁体由某些特殊合金如铌钛合金导线（超导温度8K）绕制成的超导线圈，当放置于超导磁体的液氦（温度4.2K，-269℃）当中时，其导线的电阻降为0，线圈呈超导状态，此时线圈导线中可通过强大的电流而不产生任何能量损耗。 励磁后可将电源断开，超导线圈内的电流恒定不变。 超导磁体的磁场强度高，目前临床应用可达到1.9Ｔ，磁场的稳定性和均匀性好，磁场可以关闭。一、磁 体一、磁 体（三）超导型磁体示意图线圈位于铝制作圆筒外面的沟内， 圆筒两端的线圈转入，保持磁场均匀 １．铝制圆筒２．线圈３．鈮钛合金线圈一、磁 体一、磁 体（三）超导型磁体 超导磁体设计制造工艺复杂、成本高、维护费用高，消耗一定量的液氦，消耗的液氦要及时补充，否则达到一定程度时能引起”失超“，消耗大量液氦而造成更大的损失。 二、梯度系统 二、梯度系统梯度系统（gradient system）的作用是产生线性变化的梯度磁场，用于组织的空间定位。梯度系统主要由X、Y、Z三组梯度功率放大器及对应的X、Y、Z三个方向的梯度线圈组成。二、梯度系统二、梯度系统梯度功率放大器对MRI控制器发出的梯度给定信号进行功率放大后，输出给梯度系统的X、Y、Z线圈，在主磁场内形成X、Y、Z三个方向相互垂直的线性梯度磁场。在磁共振成像中分别用于层面选择、相位编码及频率编码。 三、射频系统 三、射频系统射频系统（RF system）用于发射射频脉冲和接收MR信号，射频系统主要由三部分组成。 （一）射频发射机 （二）射频接收机 （三）射频线圈四、计算机系统四、计算机系统磁共振的计算机系统（computer system）可分为硬件和软件二大部分。 （一）硬件部分 由主计算机及阵列处理机、MR控制器等组成。其作用是进行系统控制，产生脉冲序列，完成磁共振系统的扫描，图像采集、重建、显示和存贮。四、计算机系统四、计算机系统（二）软件系统 磁共振计算机软件可分为以下几个部分。 １．计算机操作系统软件由计算机公司编制，用于计算机运行管理。 ２．磁共振应用软件，用于MR系统的运行控制、病人数据的录入、扫描序列的选择和参数设定，病人扫描数据采集，存贮和图像重建，以及各种图像和数据的后处理等。五、射频屏蔽和磁屏蔽五、射频屏蔽和磁屏蔽（一）射频屏蔽 由于射频脉冲的高频信号可能对周围的精密仪器产生干扰，影响其正常工作同时又要避免周围的射频信号对十分微弱的MR信号的干扰，以获得良好图像，所以安装射频屏蔽是非常必要的； 射频屏蔽一般安装在扫描室内，由薄铜板焊接成为整体，四壁及屋顶、地面均需密封。观察窗应安装铜网。五、射频屏蔽和磁屏蔽五、射频屏蔽和磁屏蔽（二）磁屏蔽 由于磁体有强磁场，一方面可以对附近的精密仪器产生磁化，同时会对心脏起搏器和急救仪器磁化造成严重后果。另一方面为了防止扫描室外的大的铁磁性物体如汽车等对磁场的干扰，影响图像质量，所以应对磁体进行屏蔽。 绝对禁止把铁磁性物体带人室内，以免被磁体吸住破坏磁体，或者落人扫描室内影响磁场均匀性。null休息！五、影响T1、T2的物理因素五、影响T1、T2的物理因素人体组织中水分子之间是在经常不停地运动着，间互相碰撞，每次碰撞都使水分子运动速度及方向有所变化。 每个氢核的小磁场每秒钟也要经历无数次的波动。因此其共振频率也在经常不停地变化。五、影响T1、T2的物理因素五、影响T1、T2的物理因素所以组织内由于水分子的剧烈运动，局部的内磁场是极其复杂的，氢核对这种复杂的波动的内磁场的反应决定了在90°脉冲停止后其能量丧失的速度，以及相位失去一致性的速度。五、影响T1、T2的物理因素五、影响T1、T2的物理因素（一）温度的影响 正常体温情况下，水分子的运动频率极快，远远超出一定场强下质子的Larmor频率。 如果将温度减低，水分子的运动频率减慢，接近于共振的Larmor频率，使T1弛豫更有效，T1缩短了。五、影响T1、T2的物理因素五、影响T1、T2的物理因素（二）大分子的影响 水的分子小、运动快，频 率也高。 大分子如蛋白质运动很 慢，在其表面可以吸附 很多水分子，组成水化 层。五、影响T1、T2的物理因素五、影响T1、T2的物理因素（二）大分子的影响 由于体积及重量的原因，大分子的运动是很缓慢的，远远低于共振频率，而小的水分子的运动又极快，远远超过共振频率，但靠近大分子表面水化层内的水分子其运动速度大大减慢了，当大分子表面水分子的运动频率接近于Larmor频率时，T1弛豫有效，T1缩短。如果不一致时，T1延长。五、影响T1、T2的物理因素五、影响T1、T2的物理因素（二）大分子的影响 纯净的水分子很小，运动太快，不符合共振频率，因此T1长； 脑脊液犹如纯净的水，其T1长； 但当有梗阻性脑积水时，脑压增高，脑积液透过室管膜渗透到脑室周围的组织间隙，使水肿区质子所处的环境与脑室内的脑脊液不同，脑室旁组织间隙内的水处在水化层，水分子围绕髓鞘内的蛋白分子运动，T1缩短。五、影响T1、T2的物理因素五、影响T1、T2的物理因素（二）大分子的影响 胆固醇是一个中等大小的分子，其共振频率接近于磁共振扫描机场强下质子的共振频率，故其T1短。五、影响T1、T2的物理因素五、影响T1、T2的物理因素（三）顺磁性物质的影响 一个元素其外层电子数决定其原子价与化学特性，外层电子数为双数者，该原子即不是顺磁性的，在外层中任何一层的电子数为奇数时即为顺磁性原子； 例如Fe2+，为非顺磁性的，而Fe3+则为顺磁性原子； 钆在原子核的外层轨道上有7个不成对的电子，因此顺磁性很强。五、影响T1、T2的物理因素五、影响T1、T2的物理因素（三）顺磁性物质的影响 在正常体温的溶液中，顺磁性的原子或分子与其他原子及分子一起进行任意的运动，由于它们磁性很强，很低的浓度对邻近磁性较弱的原子即有较大的影响。 它们对各种不同频率的波动均起强化作用，包括共振的Larmor频率在内。五、影响T1、T2的物理因素五、影响T1、T2的物理因素（三）顺磁性物质的影响 在此频率条件下促使更多的氢核释放能量，使T1缩短，如前面所提到的任何频率的波动均可使氢核的进动频率失去相位一致性。 由于顺磁性原子，对邻近原子的磁场引起了波动，从而使更快地失去相位一致性，T2缩短。五、影响T1、T2的物理因素五、影响T1、T2的物理因素（三）顺磁性物质的影响 急性脑出血时，新鲜血液中所含的血红蛋白中的铁是Fe2+，所产生的信号与周围脑组织不易区分； 数日后，在正常体温下，血红蛋白还原成正血红蛋白，其中的铁为Fe3+，为顺磁性的，故使T1缩短，在T1加权的磁共振图像上为高信号。第三节 MRI成像技术第三节 MRI成像技术一、空间编码与梯度磁场在磁共振成像中怎样选定层面，又怎样确定一个层面中各个体素内氢质子的密度以及其位置，这就需要在静磁场内沿X-Y-Z-轴三个互相垂直的方向各附加一个梯度磁场来完成，我们称之为Gx，Gy，Gz。一、空间编码与梯度磁场一、空间编码与梯度磁场这就像将三角钢琴的88个键盘看成是从长到短排列成梯形的88根琴弦，琴弦的长度与声音波长的关系和磁场强度与质子共振频率的关系相似，于静磁场内叠加这样的梯形磁场或梯度磁场，其强度远远低于静磁场的强度。 它启动的时间必须与射频脉冲相配合。（一）层面的选择（一）层面的选择在磁共振成像中有两种方法进行层面选择； 一是二维成像（2-D），又称选择性激励，是最常见的选层方法； 一种是三维成像（3-D），又称体积成像，即在给射频脉冲激励时，不施加梯度磁场。因此整个解剖部位受到激励，层面的形成是在图像重建过程中进行的。（一）层面的选择（一）层面的选择做横断层成像是沿人体长轴（Z-轴）在静磁场内加一梯度磁场，称Z轴梯度（Gz），使磁场强度从足侧向头侧逐渐增强。梯度磁场的场强很弱，每1cm场强改变只为0.0001Ｔ。在1.0Ｔ的扫描系统中，每cm的改变只是0.01％。（一）层面的选择（一）层面的选择有了这样的梯度磁场，就可以对人体内的氢质了做空间编码。 质于的共振频率与它们在梯度磁场内的位置有关。（一）层面的选择（一）层面的选择例如将受检部位头，置于1.0Ｔ的静磁场的中央，由于靠足侧磁场弱，靠头侧磁场强，如果射频脉冲频率为42.6MHz，那么只有在1.0Ｔ处的一个层面内的质子能受激励，邻近层面内的质于不受激励。这样就可将组织内各层面分开。（一）层面的选择（一）层面的选择根据Larmor公式，质子进动频率与磁场强度成正比（ω０＝γＢ０）； 在实际应用中允许ω０有一个偏差范围±Δω，即带宽； 在射频脉冲作用时只有符合ω０±Δω范围内的质子才受激励，产生磁共振的信号；（一）层面的选择（一）层面的选择每个层面厚度取决于梯度磁场的强度与射频脉冲的带宽。不难理解，当Δω不变，梯度磁场越强，层面的厚度越薄，反之层面越厚。当梯度磁场恒定，Δω越大，层面厚度越厚，Δω越小，层面越薄。（一）层面的选择（一）层面的选择在图a与c，使用了同一带宽的RF脉冲，其频率64一65mHz，然而，c的梯度场较大，因此，层面较a薄。（一）层面的选择（一）层面的选择如果只有Gz，只能做层面的选择，收到的是整个一层内所有质子的信号，但尚不能确定该层面内某一信号来自此层的哪一处，要解决这个问题就需要叠加新的梯度，作质子的频率编码及相位编码。（二）频率编码（二）频率编码频率编码是沿X-轴叠加一个梯度磁场，即X-轴梯度（简称Gx），磁场强度从人体的右端至左端逐渐增强。（二）频率编码（二）频率编码当人体一层面已经受射频脉冲激励后X轴梯度开始启动，在第一个梯度磁场Gz关闭后，质子按同一频率共振，不用第二次激励。 启动Gx，质子根据其在第二个梯度磁场内的不同位置，按新的共振频率进行共振，发出信号。 在场强较弱的一端，共振频率低，在场强高的一端，其共振频率较高，从而将一个横断面内的组织分成若干个行，每一行内的质子其共振频率相同。（三）相位编码（三）相位编码在静磁场内沿ｙ轴叠加一梯度，即y轴梯度（简称Gy），从人体的前方向后方场强逐渐减弱。（三）相位编码（三）相位编码例如在一个4×4阵列的组织层面中，当Gy=0，即没有梯度时，每个体积元内，氢质子进动频率一致，磁矩指向同一方向，即相位一致，所有体积元均发出同一射频信号。（三）相位编码（三）相位编码当Gy短暂作用时，磁场强度从前向后逐渐减弱。 上排体积元比下排体积元处于较强的场强，质子进动速率比下排者快，相位不同。 当Gy关闭时，所有体积元均处于同一场强中，质子的磁矢量按相同速率进动，然而相位仍保持Gy关闭时的位置，所有体积元发出的信号是同一频率，但每一横排内的体积元其信号的相位与其余横排内的体积元所发出的信号相位不一致。 （三）相位编码（三）相位编码（a）短暂地打开梯度场。 (b)进动频率从顶部到底部依次减低，这一进动频率的差别持续时间很短。当关掉梯度场时，所有的质子再次经历相同的场强，并再次具有相同的频率。 (c)这些质子略微失去相位一致性，结果，它们以不同的相位，相同的频率发出各自的信号，因此可加以鉴别，相应的梯度称为相位编码梯度。二、脉冲序列与扫描参数二、脉冲序列与扫描参数磁共振成像需要进一步了解组织特性，包括局部T1、T2弛豫时间、质子密度以及血流对成像的作用。 单个RF脉冲不能解决这些问题，需要采用所谓脉冲序列对病人进行扫描。 脉冲序列是由一系列不同强度的射频脉冲的组合，例如90°和/或180°脉冲。 磁共振的信号不但取决于这些脉冲的强度，而且取决于各脉冲间的时间间隔和组成方式。二、脉冲序列与扫描参数二、脉冲序列与扫描参数从一个脉冲序列到下一个脉冲序列的重复，其间的时间间隔称为重复时间(TR)。这些参数称为扫描参数。 改变这些参数可以改变组织T1、T2弛豫时间或质子密度对图像亮度的响以及组织间的信号对比。二、脉冲序列与扫描参数二、脉冲序列与扫描参数目前临床上应用的脉冲序列有部分饱和（partial saturation, PS），反转恢复（inversion recovery, IR），自旋回波（spin echo, SE）以及快扫描或梯度回波(gradient echo, GE)等序列。二、脉冲序列与扫描参数二、脉冲序列与扫描参数自旋回波脉冲序列 自旋回波脉冲序列（SE序列） 这是最常用的磁共振扫描技术，它是由一个90°脉冲与若干个180°脉冲组成。二、脉冲序列与扫描参数二、脉冲序列与扫描参数自旋回波脉冲序列 由于人体的内在磁场的不均衡，一个回波比前一个回波信号低。 在用自旋回波技术时，组织间信号的对比取决于所选用的时间参数，即TR与TE。 还取决于组织的T1及T2弛豫时间。 质子密度对信号强度及组织间信号的对比也有影响。二、脉冲序列与扫描参数二、脉冲序列与扫描参数自旋回波序列T1与T2弛豫时间与组织对比的关系 组织A的T2比组织B长，在时间2时组织间的对比要比在时间1大。.如果组织A的T2较短，对比就会根据信号采集时间而变化，在时间3时组织A的信号较B大，在时间4时二者信号相等，在时间5时组织A的信号低于组织B 二、脉冲序列与扫描参数二、脉冲序列与扫描参数短/长TR或TE实际是什么？ 请记住：T1为一时间常数，并非一种组织获得其纵向磁化所需要的时间。 长TR大约是短TR的3倍。小于600msec的TR被认为是短TR，长于1500msec的TR则为长TR（仅为一个粗略的概）。 短TE是尽可能短的TE，长TE大约也是短TE的3倍。少于30msec为短TE，大于80msec为长TE。二、脉冲序列与扫描参数二、脉冲序列与扫描参数使用自旋回波序列时，通过连接某一组织的T1与T2曲线，就有可能测定该组织的信号强度。 在时间TR后的纵向磁化量等於开始时的横向磁化量，因为它被倾斜了90゜。 这一横向磁化立即开始消失， 其速率由横向弛豫时间决定， 因而也由T2曲线决定。 在时间TE后的组织信号强度 可以从TE处（开始於TR后） 的T2曲线上推断出。二、脉冲序列与扫描参数二、脉冲序列与扫描参数选择长TR会发生什么呢？ 使用长TR，纵向磁化时间T1的差别不再重要了，因为所有组织的纵向磁化都己宪全恢复。 当我们只等待一个非常短的TE时，由T2不同所致的信号强度差别还未显示出来。 因此，所得图象既非T1加权， 也非T2加权，而主要由组织 的质子密度决定，称为质子 密度像。二、脉冲序列与扫描参数二、脉冲序列与扫描参数使用长TR、长TE又会发生什么呢？ 使用长TR ，T1差别不明显。然而，使用长TE， T2差别将突出地显示出来。因此，图象是T2加权象。二、脉冲序列与扫描参数二、脉冲序列与扫描参数使用短TR、短TE又会发生什么呢？ 使用短TR，组织的纵向磁化还未完全恢复，因此，T1（它决定纵向磁化恢复的速度）差别将以信号强度的差别显示出来。短TE时，T2差别不能真正地显示出来。因此，图象是T1加权象。 第四节MRI图像的特点第四节MRI图像的特点一、组织的MR特性 决定MR图像的组织参数有三个，即被检组织的质子密度、T1弛豫时间、T2弛豫时间。 它们代表被检组织的组织特征，非人为所能控制和选择的。对MR图像的影响可从下列公式中看出： I＝KM0f1（T1）f2（T2） I为信号强度，Ｋ为常数，Ｍ0为被检组织的磁化矢量，f1为T1的函数，f2为T2的函数，质子密度的信息包括在Ｍ0内，即单位体积内质子越多，Ｍ0越大。 一、组织的MR特性一、组织的MR特性（一）质子密度（N(H)） 氢原子核是由单一质子组成，所以单位体积内质子数目越多，产生的MR信号也就越强，而含质子少的组织或区域（如含气腔），不产生MR信号，或信号很弱。 但是一般组织间，质于密度相差不 很多，所以产生的MR信号差别在 图像上形成的灰阶很难用肉眼区 别，因而质子密度成像和T1、T2 成像比较，其意义相对小。一、组织的MR特性一、组织的MR特性（二）T1弛豫时间 T1弛豫时间短的组织，纵向磁比恢复得快；T1弛豫时间长的组织，纵向磁化恢复得慢。 纵向磁化恢复得多及快的组织产生的MR信号强；反之，则弱。一、组织的MR特性一、组织的MR特性（二）T1弛豫时间 如脂肪和脑脊液相比，主磁场强度为0.3Ｔ时，脂肪和脑脊液的T1弛豫时间分别为240ms和1150ms。二者产生的MR信号可代入公式进行比较,故在单纯T1成像中，脂肪呈白色（高信号），脑脊液呈黑色（低信号）。一、组织的MR特性一、组织的MR特性（三）T2弛豫时间 T2弛豫时间长的组织，横向磁化强度衰减得慢，信号就强。反之，T2弛时间短的组织，横向磁化强度衰减得快，信号就弱。 仍以主磁场强度0.3Ｔ为例，取脂肪组 织和脑脊液T2弛豫时间和信号的关系 进行比较，可代入公式，所以在单纯 T2加权图像中（SE序列的T2加权图像） ，脑脊液的信号强于脂肪组织呈白 色，而脂肪组织较暗，在多回波图像 更为明显。一、组织的MR特性一、组织的MR特性质子密度像、 T1加权象及T2加权象的信号差异。二、流动效应二、流动效应流动效应亦称流空效应,正常流速（＞10cm/s）的血流不产生或只产生很低的信号，所以和另外一些组织间有非常好的对比。 其原因非常复杂，但可简单地解释为快速流动的垂直于扫描层面的血流，因其中的氢质子在选定的扫描层面内停留的时间太短，一个完整的射频脉冲尚未结束，还未激发出MR信号，氢质子已流出了该层面，因而收不到MR信号。 另外，涡流也是流动效应产生的原因之一，由于水分子不运动，特定平面内氢原子核相位一致性丧失，不能产生较强的MR信号。二、流动效应二、流动效应正常流速（＞10cm/s）的血流不产生或只产生很低 的信号，所以和另外一些组织间有非常好的对比。二、流动效应二、流动效应流动慢的血流产生的信号比静止血流产生的信号高，此现象称为反常增强或流动相关增强 MR信号的增强是由于在成像平面内未被磁化的质子被进入该层面的充分磁化的质子代替，当它被激发时，产生较强的MR信号。 此现象常见于血流速度＜1cm/s或短TR脉冲序列时。又如应用多层面成像时，即便流速正常，由于流动相关增强现象，流入层内的血管中有较高信号，例如腹部检查时在第一、二层腹主动脉内，以及最后一层的下腔静脉内均可有信号。二、流动效应二、流动效应流动慢的血流产生的信号比静止血流产生的信号高，此现象称为反常增强或流动相关增强二、流动效应二、流动效应综上所述，决定流动血液信号强度减少有三个因素：①高速运行；②涡流；③奇数回波失相位。 形成流动血液信号增加也有三个因素：①流动相关增强；②偶回波相位重聚；③舒张期假门控现象，这是由于在舒张期进行采集信号的结果，这些现象使信号增加，不可误认为血管腔内异常。四、运动器官的成像处理——门控四、运动器官的成像处理——门控用于减少心脏搏动产生的伪影、提高心血管结构的解剖分辨率的办法已有数种，此些办法能在心脏搏动周期的某一时期进行数据采集。 触发数据采集的仪器包括心电图机、激光多普勒测速器等。 心脏门控触发序列使检查时间稍有延长。四、运动器官的成像处理——门控四、运动器官的成像处理——门控呼吸运动主要影响胸腹部图像，甚至造成运动伪影。为了减少呼吸运动形成的伪影和对图像质量的影响，提高图像的分辨率，必须在呼吸周期的某一时间进行MR信号的采集。 现在应用的办法为呼吸触发器、门控等。此种呼吸触发装置最大的缺点为使成像时间延长2～3倍。null再见！第六节 MRI的临床应用第六节 MRI的临床应用三、MRI技术的优势与限度 1．MRI可利用被检组织的物理和生物化学特性（如水、铁、脂肪、血管外血液及其降解后的产物等）来作组织特性的评价，以区别不同组织。 2．通过流动效应来评价血流和脑脊液的流动。 3．为骨骼所包围的组织，如后颅窝和椎管内的组织得以显示清楚，不像CT那样会受因骨产生的伪影所影响。第六节 MRI的临床应用第六节 MRI的临床应用三、MRI技术的优势与限度 4．MRI扫描时，可作任意方向的扫描，因此在制定放射治疗和手术时很有帮助。 5．MRI增强扫描时所用的顺磁性对比剂无毒性反应。 6．无需含碘的对比剂；在检查前不用对病人进行特殊的准备； 7． MRI检查无电离辐射，是一种无创伤性的检查，所以易为病人所接受。第六节 MRI的临床应用第六节 MRI的临床应用三、MRI技术的优势与限度 1．检查需时较长。一些生理性活动，如心血管、脑脊液的搏动、呼吸动和胃肠道的蠕动等，均会影响成像的清晰。但是MRI技术的改进，如MRI电影术，表面线圈的改进，呼吸和心脏门控技术的应用和快速扫描序列等，大大地克服了MRI这方面的不足。第六节 MRI的临床应用第六节 MRI的临床应用三、MRI技术的优势与限度 2．重危病人，不能很好合作和配合的病人，仍不能接受此项检查。 3．由于磁体扫描膛较小，少数病人会有幽闭感（claustrophobia）。过于肥胖的病人亦不易进入扫描膛，或即使进入，也可能因肢体碰触线圈而造成图像不良。第六节 MRI的临床应用第六节 MRI的临床应用三、MRI技术的优势与限度 4．带有心脏起搏器或体内带有磁铁性医疗装置的病人均受到限制，不能接受检查。 5．自旋回波成像时，钙无信号，在诊断以病理钙化为特征的病变时，会受到影响。 6．MRI是一种高科技成像仪器，需要一定的技术力量和器材来维持其运转，因此费用较高。第六节 MRI的临床应用第六节 MRI的临床应用四、MRI的临床适应症 http://www.51guke.com