磁共振成像的原理及临床应用(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 广州中医药大学第一附属医院影像放射科 黄 勇What 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，质于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