MRI的成像基本原理與設(shè)備課件

磁共振成像簡介

磁共振成像：是利用原子核在磁場內(nèi)共振所產(chǎn)生的信號經(jīng)重建成像的一種成像技術(shù)。核磁共振（nuclearmagneticresonance,NMR）是一種物理現(xiàn)象。早在1946年Block與Purcell就報(bào)道了這種現(xiàn)象并應(yīng)用波譜學(xué)。Lauterbur1973年發(fā)表了MR成像技術(shù)，使核磁共振不僅用于物理學(xué)和化學(xué)，也應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。近年來，核磁共振成像技術(shù)發(fā)展十分迅速，檢查范圍基本上覆蓋了全身各系統(tǒng)。為了避免與核素成像混淆，現(xiàn)改稱為磁共振成像。第一節(jié)

MRI的成像基本原理與設(shè)備圖1:質(zhì)子具有自旋性，所以質(zhì)子的電荷也在運(yùn)動。運(yùn)動的電荷為電流，并能產(chǎn)生磁場。因此質(zhì)子有自己的磁場，可將其看作一個小磁棒?！|(zhì)子帶正電荷，它們像地球一樣在不停地繞軸旋轉(zhuǎn)，并有自己的磁場。眾所周知，氫原子核內(nèi)只有一個質(zhì)子，盡管生物組織中有磁性的元素約百余種，但現(xiàn)今MRI成像技術(shù)中，使用最多的為1H。原因：1、1H為磁化最高的原子核。2、占活體組織原子數(shù)量的2/3。

※形成MRI圖像的1H原子大部分位于生物組組織的水和脂肪中，因此可以說—MRI成像的組織基礎(chǔ)是水的含量。2.氫原子3.強(qiáng)大外加磁場中的生物組織(1)生物組織中的質(zhì)子沿外磁場方向排列，平行或反平行。質(zhì)子沿著磁場的磁力線運(yùn)動（就像一個旋轉(zhuǎn)的陀螺沿地球的重力場運(yùn)動一樣）。圖2:正常情況下，質(zhì)子處于雜亂無章的排列狀態(tài)。當(dāng)把它們放入一個外磁場中，就會發(fā)生改變。它們僅在平行或反平行于外磁場兩個方向上排列。

圖4:在外磁場中質(zhì)子并不是靜止地平行或反平行于磁力線。而是沿著外磁場磁力線運(yùn)動。這種運(yùn)動形式稱為“進(jìn)動”（precession)，進(jìn)動的速度用進(jìn)動頻率來測量即質(zhì)子每秒進(jìn)動多少次。進(jìn)動頻率不是一個常數(shù)，場強(qiáng)越強(qiáng)進(jìn)動頻率越高。(2)射頻脈沖(radiofrequencypulse,RF)定義：與質(zhì)子進(jìn)動頻率相同的一個短促的電磁波。目的：是要擾亂沿外磁場方向?qū)庫o進(jìn)動的質(zhì)子，改變它們的排列狀態(tài)。(3)縱向磁化減少

①當(dāng)RF脈沖引起質(zhì)子共振后,將能量傳遞給質(zhì)子。②原來與主（外）磁場平行的質(zhì)子（低能態(tài)）吸收能量后處于反平行狀態(tài)。結(jié)果：縱向磁化減少（4）橫向磁化（新產(chǎn)生的磁矢量）射頻脈沖引起質(zhì)子同步，同進(jìn)動而產(chǎn)生。

圖6:RF脈沖對質(zhì)子產(chǎn)生兩種效應(yīng)：①它把一些質(zhì)子升到較高的能級水平（它們指向下方）②它引起質(zhì)子同步、同相運(yùn)動。前者導(dǎo)致Z軸，即縱向磁化減少，后者在X-Y平面上產(chǎn)生一個新的磁化（→）即橫向磁化，它隨著進(jìn)動的質(zhì)子而運(yùn)動。(5)縱向弛豫時(shí)間(longitudinalrelaxationtime)T1：射頻脈沖后縱向磁化恢復(fù)到原來數(shù)值所經(jīng)歷的時(shí)間。

圖7:RF脈沖中斷后，質(zhì)子從高能態(tài)返回低能狀態(tài)，即重新指向上方圖中“一個接一個地”畫出來，結(jié)果縱向磁化增加，恢復(fù)到原來數(shù)值。圖8:在RF脈沖中斷后，質(zhì)子失去相位一致性，失去同步化。當(dāng)您從上面整體地來看這些失相位的質(zhì)子時(shí)，就會看到質(zhì)子逐漸呈扇形散開。指向同一方向越來越少，因而橫向磁化減少。4.組織的T1與T2

不同組織的T1與T2時(shí)間不一樣，以此來產(chǎn)生不同的MR信號。不同組織T1弛豫時(shí)間組織T1（毫秒）脂肪180肝臟270腎皮質(zhì)360腦白質(zhì)390脾臟480腦灰質(zhì)520肌肉600腎髓質(zhì)680腦脊液2000水2500組織的T2弛豫時(shí)間不同組織的T2弛豫時(shí)間也不同，射頻脈沖結(jié)束后，T2弛豫短的組織喪失其橫向磁化，明顯快于T2弛豫時(shí)間長的組織。二、MRI設(shè)備MRI設(shè)備：1.磁體2.梯度線圈3.供電部分4.射頻發(fā)射器5.MR信號接受器6.用戶操作系統(tǒng)圖9：MRI設(shè)備基本結(jié)構(gòu)示意圖1.磁體：產(chǎn)生磁場是MR成像系統(tǒng)的核心分類:(1)常導(dǎo)型：線圈用銅、鋁繞成，磁場強(qiáng)度最高可達(dá)0.15-0.3T。(2)超導(dǎo)型：線圈用鈮-鈦合金線繞成，磁場強(qiáng)度最高可達(dá)0.35-2.0T，用液氦和液氮冷卻。(3)永磁型：用磁性物質(zhì)制成的磁磚組成，較重磁場強(qiáng)度偏低，最高達(dá)0.3T。主要技術(shù)指標(biāo)：磁場強(qiáng)度，均勻性和穩(wěn)定性，并影響圖像質(zhì)量。3.射頻發(fā)射器與MR信號接受器：統(tǒng)稱射頻系

統(tǒng)或射頻線圈

一般概念：MR成像系統(tǒng)通過射頻線圈發(fā)射電磁波對人體組織進(jìn)行激發(fā)，人體組織的MR信號也是通過射頻線圈被檢測。在MRI中，同一射頻線圈可在序列周期內(nèi)不同的時(shí)間分別執(zhí)行發(fā)射和接受兩種任務(wù)，即是發(fā)射線圈又是接受線圈。4.用戶操作系統(tǒng)分類：(1)成像操作系統(tǒng)（又稱操作員系統(tǒng)）主要功能是數(shù)據(jù)采集和影像重建。影像重建是通過指令在專用的陣列處理器中進(jìn)行。(2)影像分析系統(tǒng)（又稱醫(yī)生系統(tǒng)）主要功能是影像顯示和診斷分析。組成:這兩個系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和計(jì)算器終端組成。第二節(jié)

MRI圖像特點(diǎn)1、灰階成像具有一定T1、T2差別的各種組織，包括正常與病變組織轉(zhuǎn)為模擬灰度的黑白影。2、流空效應(yīng)心血管內(nèi)的血液由于流動迅速，使發(fā)射MR信號的氫原子核離開接收范圍之外，所以測不到MR信號在T1WI和T2WI中均呈低信號，稱為流空效應(yīng)（flowingvoideffect)。圖10：人體斷面，有一個血管橫貫穿其中。當(dāng)施加第一個90°脈沖時(shí)，該層面上的所有質(zhì)子都受到無線電波的影響。中止RF脈沖后，記錄該層面的信號。此時(shí)，原來血管內(nèi)的血液已離開了受檢層面，因此，沒有來自血管的信號，在圖上呈黑色。3、三維成像MRI可獲得人體橫斷面、冠狀面、矢狀面及任何方向斷面的圖像，有利于三維定位，一般CT則難于做到直接三維顯示，需采用重建的方法才能獲得冠狀面和矢狀面以及三維重建立體像。則可使器官及病變成像的方法。4、有關(guān)MRI圖像的幾個概念（1）T1加權(quán)像（T1Weightedimage,T1WI)主要反映組織間T1特征參數(shù)的MRI圖像。（2）T2加權(quán)像（T2Weightedimage,T2WI)主要反映組織間T2特征參數(shù)的MIR圖像。注意：MRI成像時(shí)一個層面可有T1WI和T2WI兩種掃描成像方法，分別獲得同一層面這兩種圖像有助于顯示正常組織和病變組織。T1WI有利于觀察解剖結(jié)構(gòu)。T2WI則對顯示病變較好。MRI影像雖然也以不同灰度顯示，但反映的是MR信號強(qiáng)度的不同或弛豫時(shí)間的長短，而CT圖像灰度反映的則是組織密度。5、信號強(qiáng)度公式I=Hf(V)(1-e-TR/T1)(e-TE/T2)I

—信號強(qiáng)度TR—脈沖間隔時(shí)間H—質(zhì)子密度TE—自旋回波時(shí)間T1和T2—弛豫時(shí)間e—自然對數(shù)f(V)—流體速度的函數(shù)說明：如檢查物為同一部位的組織，H、f(V)為常數(shù)，信號強(qiáng)度取決于TR、TE、T1、T2，這些變量從公式中可看出，T1或TE增加時(shí)I值變小，反之I值變大。T2或TR增大時(shí)I值增大，反之I值變小。不同的組織H和T1、T2

不同，當(dāng)使用不同的TR、TE脈沖序列時(shí)就產(chǎn)生了不同組織的MR信號。6、正常組織的MRI圖像特點(diǎn)

脂肪和骨髓組織脂肪和骨髓組織有較高的質(zhì)子密度，且這些質(zhì)子具有非常短的T1值和長的T2值。根據(jù)信號強(qiáng)度公式，脂肪和骨髓組織在T1WI和T2WI時(shí)均為高信號，呈白色。肌肉組織肌肉組織所含的質(zhì)子密度明顯少于脂肪和骨髓組織，且具有較長的T1和較短的T2弛豫時(shí)間。根據(jù)信號強(qiáng)度公式，T1的增加和T2的減少均使MR信號減小，所以肌肉組織在T1WI信號強(qiáng)度較低，呈灰黑色。T2WI信號強(qiáng)度增加不多，呈中等灰黑色。骨骼組織①骨皮質(zhì)——所含質(zhì)子密度很少，根據(jù)信號強(qiáng)度公式在H值趨向于0時(shí)，I值主要按H值的變化而改變。所以較少受到TR、TE、T1、T2的影響。骨皮質(zhì)MR信號非常弱，無論在T1WI和T2WI時(shí)均為黑色。②鈣化軟骨——其質(zhì)子密度和MR信號均與骨皮質(zhì)相似，無論在T1WI和T2WI時(shí)均為黑色。③纖維軟骨——其組織內(nèi)的質(zhì)子密度明顯高于骨皮質(zhì)和鈣化軟骨，且組織具有較長T1和較短T2值，故在T1WI和T2WI像上信號強(qiáng)度不高，呈中低灰色影。④透明軟骨——其組織內(nèi)含有75-80%水分，具有較大的質(zhì)子密度，并且有較長T1和T2值。在T1WI像上因T1值較長信號強(qiáng)度較低，而在T2WI像上，因T2值較長，信號明顯增加，呈較白的影像。淋巴結(jié)質(zhì)子密度較高，且具有較長的T1和較短的T2值。根據(jù)信號強(qiáng)度公式，質(zhì)子密度高，信號強(qiáng)度較高，但在T1WI時(shí)因其長T1特點(diǎn)，信號強(qiáng)度增加不多。呈中等信號，在T2WI像上因其T2值不長。信號強(qiáng)度也增加不多，呈中等灰色影像。流動血液血管內(nèi)流動的血液在MR掃描時(shí)其信號強(qiáng)度與其流速有關(guān)。具有“流動效應(yīng)”。因而在T1WI、T2WI像上均呈低信號。但是如果TE（回波時(shí)間）長，血管內(nèi)有渦流存在，可出現(xiàn)“高信號”，此外，因?qū)恿鳜F(xiàn)象存在，（即血管中心部血流速度均比周邊快）因而在血管的截面上，信號強(qiáng)度有差別。氣體氫質(zhì)子密度最小，根據(jù)信號強(qiáng)度公式，當(dāng)H趨向于零時(shí)，MR信號強(qiáng)度也趨向于零。因此，無論在T1WI、T2WI像上氣體均呈黑色無信號區(qū)（在MR像中最低的信號強(qiáng)度）。水眾所周知水的質(zhì)子密度極高。且具有長T1和長T2值，所以在T1WI像上水呈低信號為黑色。在T2WI像信號強(qiáng)度明顯增加，呈白色。主要觀察正常骨髓脂肪肌肉骨皮質(zhì)圖12：右膝關(guān)節(jié)及脛骨上端矢狀位，T1WI圖像主要觀察正常骨髓脂肪肌肉骨皮質(zhì)圖13：右膝關(guān)節(jié)及脛骨上端矢狀位，T2WI圖像主要觀察脂肪骨髓腦脊液肌肉脊髓椎間盤圖14：腰胝椎矢狀位，T1WI圖像主要觀察脂肪骨髓腦脊液肌肉脊髓椎間盤圖15：腰胝椎矢狀位，T2WI圖像主要觀察脂肪骨髓腦脊液肌肉脊髓椎間盤圖16：腰胝椎矢狀位，脂肪抑制圖像主要觀察正常關(guān)節(jié)軟骨圖17：右膝關(guān)節(jié)矢狀位，F(xiàn)FE序列主要觀察正常關(guān)節(jié)軟骨圖18：右膝關(guān)節(jié)軸位,FFE序列主要觀察氣體淋巴結(jié)圖19：胸部軸位,T1WI圖像主要觀察氣體淋巴結(jié)圖20：胸部軸位,T2WI圖像主要觀察氣體淋巴結(jié)圖21：胸部冠狀位,T1WI圖像主要觀察氣體淋巴結(jié)圖22：胸部冠狀位,T2WI圖像主要觀察氣體淋巴結(jié)圖23：正常胸部軸位,T1WI圖像7、病理組織的MRI圖像特點(diǎn)水腫：無論何種原因所致的水腫，如：血管、中毒、外傷。也無論是實(shí)質(zhì)性或間質(zhì)性。組織水腫均會引起局部液體量增多。水中有極高的質(zhì)子密度且有長T1和長T2值，因此T1WI像上為低信號（黑色），T2WI為高信號（白色）。出血MR表現(xiàn)極為復(fù)雜，其影像改變與出血的部位、時(shí)間有關(guān)1-3天內(nèi)（急性期）：細(xì)細(xì)胞的血紅蛋白仍為脫氧血紅蛋白，而脫氧血紅蛋白無明顯順磁作用。不使T1縮短，所以T1WI像上不表現(xiàn)高信號。但可使T2縮短，在T2WI像上可表現(xiàn)稍低于周圍組織的信號強(qiáng)度。此期，水腫仍較明顯。3-14天（亞急性期）：此期紅細(xì)胞容解破壞。脫氧血紅蛋白被氧化成高鐵血紅蛋白。后者有明顯縮短T1值，延長T2值的作用，故在T1WI和T2WI像上呈現(xiàn)高信號。此期水腫仍存在。14天（慢性期）：此期高鐵血紅蛋白進(jìn)一步氧化的半色素。同時(shí)由于巨噬細(xì)胞吞噬作用，使含鐵血黃素沉著于血腫周邊。這些物質(zhì)系非順磁性物質(zhì)，使T2值明顯縮短，因此在血腫周邊出現(xiàn)低信號影像環(huán)帶。余部仍為高信號。隨時(shí)間延長，血腫逐漸吸收，T1WI像上信號強(qiáng)度逐漸減弱，T2WI像上由于含鐵血黃素沉積也呈低信號。變性不同組織變性機(jī)制不同，故MR信號表現(xiàn)不一腦組織：腦組織變性中一種稱為多發(fā)性硬化的病癥。系腦組織過早脫髓鞘改變，變性部分水分增加。T1和T2值延長，出現(xiàn)T1WI低信號、T2WI高信號改變。椎間盤：椎間盤變性時(shí)，富含蛋白質(zhì)和水分的彈性間盤組織、水分減少，組織內(nèi)的質(zhì)子密度減少。因而在T1WI和T2WI像上變性的間盤信號強(qiáng)度降低，呈現(xiàn)低信號。壞死壞死組織的MR信號強(qiáng)度，依組織類型和壞死內(nèi)容物不同而不同。原則上，壞死組織水分增多，組織的T1和T2值延長。

肉芽組織：機(jī)體對壞死組織的清除和修復(fù)，多形成肉芽組織，其內(nèi)包括大量的良性血管和纖維結(jié)締組織。質(zhì)子密度較正常組織高，具有長T1和T2值特點(diǎn)。

慢性纖維結(jié)締組織：（部分肉芽組織修復(fù)后）其質(zhì)子密度較新鮮肉芽組織明顯減少。致T2值縮短，因此在T1WI、T2WI像上均呈低信號。鈣化部分組織修復(fù)的結(jié)果為鈣化，其它如腫瘤組織鈣化等。鈣化組織內(nèi)質(zhì)子密度非常少，MR信號無論在T1WI和T2WI像上均為低信號。囊變?yōu)橐环N較特殊的病理改變。囊內(nèi)容物可大體分為二種：一種富含有純水分。另一種富含蛋白質(zhì)水分。

富含純水分的囊變（自由水）：具有長T1和T2值，MR信號與水腫相同。富含蛋白質(zhì)水分（結(jié)合水）：其水分子受大分子蛋白質(zhì)的吸引作用，而進(jìn)入水化層時(shí)，其T1的弛豫時(shí)間達(dá)不到單純水的長度。所以T1WI像上信號有所增加，呈中等到高信號，T2WI像上為較高信號。腫瘤病理組織成份復(fù)雜，MR信號強(qiáng)度變化不一。其信號改變與腫瘤的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，如含有脂肪的脂肪瘤或脂肪肉瘤，呈脂肪信號。含有鈣化或骨化組織的腫瘤，信號在T1WI、T2WI均為低信號強(qiáng)度，等等。但一般來講腫瘤的質(zhì)子密度較正常組織高。T1值延長不明顯，而T2值明顯延長，因此在T1WI上呈中等信號T2WI像上呈高信號強(qiáng)度。圖24：顱腦軸位，經(jīng)半卵圓中心層面，T1WI圖像左頂葉約4.75.67cm類圓形病灶，呈等T1信號，病灶前方可見指狀長T1水腫信號（左枕葉腦膜瘤）。圖25：顱腦軸位，經(jīng)半卵圓中心層面，T2WI圖像左頂葉約4.75.67cm類圓形病灶，呈長T2信號，病灶前方可見指狀長T2水腫信號（左枕葉腦膜瘤）。圖26：顱腦軸位，經(jīng)半卵圓中心層面，T1WI增強(qiáng)圖像左頂葉約4.75.67cm類圓形病灶，明顯強(qiáng)化，病灶前方水腫區(qū)不強(qiáng)化（左枕葉腦膜瘤）。圖27：顱腦軸位，經(jīng)基底節(jié)區(qū)層面，T1WI圖像右側(cè)外囊，1.05.0cm，長帶狀短T1，高信號病灶（右外囊慢性血腫）。圖28：顱腦軸位，經(jīng)基底節(jié)區(qū)層面，T2WI圖像右側(cè)外囊，1.05.0cm，長帶狀長T2高信號病灶，周邊可見短T2低信號環(huán)（右外囊慢性血腫）。圖29：顱腦軸位，經(jīng)半卵圓中心層面，T1WI圖像左額頂葉交界區(qū)，4.03.4cm，等長T1病灶（左額頂交界區(qū)慢性血腫）。圖30：顱腦軸位，經(jīng)半卵圓中心層面，T2WI圖像

左額頂葉交界區(qū)，4.03.4cm，長T2病灶，周周邊可見短T2低信號環(huán)。病灶前方可見長T2水腫區(qū)（左額頂交界區(qū)慢性血腫）。圖31：顱腦軸位，經(jīng)半卵圓中心層面，T1WI圖像可見半卵中心斑片狀、點(diǎn)狀、長帶狀，長T1低信號改變（脫髓鞘改變）。圖32：顱腦軸位，經(jīng)半卵圓中心層面，T2WI圖像可見半卵中心斑片狀、點(diǎn)狀、長帶狀，長T2高信號改變（脫髓鞘改變）。圖33：顱腦軸位，經(jīng)半卵圓中心層面，T2WI/FLAIR圖像可見半卵中心斑片狀、點(diǎn)狀、長帶狀，長T1、T2信號區(qū)，呈FLAIR高信號（脫髓鞘改變）。圖34：腰椎矢狀位，正中側(cè)面T1WI圖像見腰3