MRI基本原理的資料

MRI基本原理的資料第1頁/共129頁MRI基本原理難以理解非常重要非常重要第2頁/共129頁學(xué)習(xí)MRI前應(yīng)該掌握的知識(shí)電學(xué)磁學(xué)量子力學(xué)高等數(shù)學(xué)初中數(shù)學(xué)初中物理加減乘除平方開方第3頁/共129頁磁共振成像基本原理一個(gè)放射科醫(yī)生對(duì)磁共振成像的理解第4頁/共129頁

一、MRI掃描儀的基本硬件構(gòu)成第5頁/共129頁一般的MRI儀由以下幾部分組成主磁體梯度線圈脈沖線圈計(jì)算機(jī)系統(tǒng)其他輔助設(shè)備第6頁/共129頁1、主磁體分類磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)均勻度第7頁/共129頁MRI按磁場(chǎng)產(chǎn)生方式分類永磁電磁常導(dǎo)超導(dǎo)主磁體0.35T永磁磁體1.5T超導(dǎo)磁體第8頁/共129頁按磁體的外形可分為開放式磁體封閉式磁體特殊外形磁體OpenMark3000第9頁/共129頁MR按主磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)分類MRI圖像信噪比與主磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)成正比低場(chǎng):小于0.5T中場(chǎng)：0.5T－1.0T高場(chǎng):1.0T－2.0T（1.0T、1.5T、2.0T）超高場(chǎng)強(qiáng)：大于2.0T（3.0T、4.7T、7T）第10頁/共129頁高斯（gauss,G）。Gauss(1777-1855)1高斯為距離5安培電流的直導(dǎo)線1厘米處檢測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度德國(guó)著名數(shù)學(xué)家，于1832年首次測(cè)量了地球的磁場(chǎng)。5安培1厘米1高斯第11頁/共129頁地球的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖第12頁/共129頁特斯拉（Tesla,T）NikolaTesla(1857-1943),奧地利電器工程師，物理學(xué)家，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理及其應(yīng)用的先驅(qū)者之一。1T=10000G

第13頁/共129頁主磁場(chǎng)的均勻度MRI要求磁場(chǎng)高度均勻，???空間定位需要頻譜分析（各種代謝物之間的共振頻率相差極?。┲疽种疲ㄖ竞退肿又械臍滟|(zhì)子共振頻率很接近）第14頁/共129頁50厘米球表面均勻度應(yīng)該控制在<3PPM45厘米球體均勻度可控制在<1PPM磁場(chǎng)均勻度-頻率半高寬第15頁/共129頁2、梯度線圈作用：空間定位產(chǎn)生信號(hào)其他作用梯度線圈性能的提高磁共振成像速度加快沒有梯度磁場(chǎng)的進(jìn)步就沒有快速、超快速成像技術(shù)第16頁/共129頁梯度、梯度磁場(chǎng)第17頁/共129頁梯度磁場(chǎng)的產(chǎn)生Z軸方向梯度磁場(chǎng)的產(chǎn)生第18頁/共129頁X、Y、Z軸上梯度磁場(chǎng)的產(chǎn)生第19頁/共129頁梯度線圈性能指標(biāo)梯度場(chǎng)強(qiáng)25/60mT/m切換率120/200mT/m.ms第20頁/共129頁有效梯度場(chǎng)長(zhǎng)度50cm梯度兩端磁場(chǎng)強(qiáng)度差值梯度場(chǎng)中點(diǎn)梯度場(chǎng)強(qiáng)（mT/M）＝梯度場(chǎng)兩端的磁場(chǎng)強(qiáng)度差值/梯度場(chǎng)的長(zhǎng)度1000mT1010mT990mT梯度場(chǎng)強(qiáng)＝（1010mT-990mT）/0.5M=40mT/M

1000mT第21頁/共129頁梯度場(chǎng)強(qiáng)爬升時(shí)間切換率＝梯度場(chǎng)預(yù)定強(qiáng)度/爬升時(shí)間第22頁/共129頁3、脈沖線圈脈沖線圈的作用如同無線電波的天線激發(fā)人體產(chǎn)生共振（廣播電臺(tái)的發(fā)射天線）采集MR信號(hào)（收音機(jī)的天線）第23頁/共129頁脈沖線圈的分類按作用分兩類激發(fā)并采集MRI信號(hào)（體線圈）僅采集MRI信號(hào)，激發(fā)采用體線圈進(jìn)行（絕大多數(shù)表面線圈）第24頁/共129頁按與檢查部位的關(guān)系分體線圈表面線圈第一代為線性極化表面線圈第二代為圓形極化表面線圈第三代為圓形極化相控陣線圈第四代為一體化全景相控陣線圈接收線圈與MRI圖像SNR密切相關(guān)接收線圈離身體越近，所接收到的信號(hào)越強(qiáng)線圈內(nèi)體積越小，所接收到的噪聲越低第25頁/共129頁3D-FFEMatrix512×512FOV2.5cm利用2.3cm顯微線圈采集的指紋MR圖像第26頁/共129頁4、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及譜儀數(shù)據(jù)的運(yùn)算控制掃描顯示圖像第27頁/共129頁5、其他輔助設(shè)備空調(diào)檢查臺(tái)激光照相機(jī)液氦及水冷卻系統(tǒng)自動(dòng)洗片機(jī)等第28頁/共129頁二、MRI的物理學(xué)原理

第29頁/共129頁1、人體MR成像的物質(zhì)基礎(chǔ)原子的結(jié)構(gòu)電子：負(fù)電荷中子：無電荷質(zhì)子：正電荷第30頁/共129頁原子核總是繞著自身的軸旋轉(zhuǎn)－－自旋(Spin)

第31頁/共129頁地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁場(chǎng)原子核總是不停地按一定頻率繞著自身的軸發(fā)生自旋(Spin)原子核的質(zhì)子帶正電荷，其自旋產(chǎn)生的磁場(chǎng)稱為核磁，因而以前把磁共振成像稱為核磁共振成像（NMRI）。自旋與核磁第32頁/共129頁地磁、磁鐵、核磁示意圖第33頁/共129頁原子核自旋產(chǎn)生核磁第34頁/共129頁核磁就是原子核自旋產(chǎn)生的磁場(chǎng)非常重要第35頁/共129頁所有的原子核都可產(chǎn)生核磁嗎？質(zhì)子為偶數(shù)，中子為偶數(shù)質(zhì)子為奇數(shù)，中子為奇數(shù)質(zhì)子為奇數(shù)，中子為偶數(shù)質(zhì)子為偶數(shù)，中子為奇數(shù)產(chǎn)生核磁不產(chǎn)生核磁第36頁/共129頁用于人體MRI的為1H（氫質(zhì)子），原因有：1、1H的磁化率很高；2、1H占人體原子的絕大多數(shù)。通常所指的MRI為氫質(zhì)子的MR圖像。何種原子核用于人體MR成像？第37頁/共129頁人體元素1H14N31P13C23Na39K17O2H19F摩爾濃度99.01.60.350.10.0780.0450.0310.0150.0066相對(duì)磁化率1.00.0830.0660.0160.0930.00050.0290.0960.83第38頁/共129頁人體內(nèi)有無數(shù)個(gè)氫質(zhì)子（每毫升水含氫質(zhì)子3×1022）每個(gè)氫質(zhì)子都自旋產(chǎn)生核磁現(xiàn)象人體象一塊大磁鐵嗎？第39頁/共129頁通常情況下人體內(nèi)氫質(zhì)子的核磁狀態(tài)通常情況下，盡管每個(gè)質(zhì)子自旋均產(chǎn)生一個(gè)小的磁場(chǎng)，但呈隨機(jī)無序排列，磁化矢量相互抵消，人體并不表現(xiàn)出宏觀磁化矢量。第40頁/共129頁把人體放進(jìn)大磁場(chǎng)第41頁/共129頁2、人體進(jìn)入主磁體發(fā)生了什么？沒有外加磁場(chǎng)的情況下，質(zhì)子自旋產(chǎn)生核磁，每個(gè)氫質(zhì)子都是一個(gè)“小磁鐵”，但由于排列雜亂無章，磁場(chǎng)相互抵消，人體并不表現(xiàn)出宏觀的磁場(chǎng)，宏觀磁化矢量為0。第42頁/共129頁指南針與地磁、小磁鐵與大磁場(chǎng)第43頁/共129頁進(jìn)入主磁場(chǎng)前后人體組織質(zhì)子的核磁狀態(tài)第44頁/共129頁MZ第45頁/共129頁處于高能狀態(tài)太費(fèi)勁，并非人人都能做到處于低能狀態(tài)的略多一點(diǎn)，007第46頁/共129頁進(jìn)入主磁場(chǎng)后磁化矢量的影響因素溫度、主磁場(chǎng)強(qiáng)度、質(zhì)子含量第47頁/共129頁溫度溫度升高，磁化率降低主磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)越高，磁化率越高，場(chǎng)強(qiáng)幾乎與磁化率成正比質(zhì)子含量質(zhì)子含量越高，與主磁場(chǎng)同向的質(zhì)子總數(shù)增加（磁化率不變）第48頁/共129頁處于低能狀態(tài)的質(zhì)子到底比處于高能狀態(tài)的質(zhì)子多多少？？？室溫下（300k）0.2T：1.3PPM0.5T：4.1PPM1.0T：7.0PPM1.5T：9.6PPMPPM為百萬分之一處于低能狀態(tài)的氫質(zhì)子僅略多于處于高能狀態(tài)的質(zhì)子第49頁/共129頁在主磁場(chǎng)中質(zhì)子的磁化矢量方向是絕對(duì)同向平行或逆向平行嗎？？？第50頁/共129頁第51頁/共129頁P(yáng)recessing

(進(jìn)動(dòng))----能量差第52頁/共129頁進(jìn)動(dòng)是核磁（小磁場(chǎng)）與主磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果進(jìn)動(dòng)的頻率明顯低于質(zhì)子的自旋頻率，但比后者更為重要。非常重要第53頁/共129頁

=.B：進(jìn)動(dòng)頻率

Larmor頻率：磁旋比

42.5兆赫/TB：主磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)第54頁/共129頁矢量的合成與分解第55頁/共129頁高能與低能狀態(tài)質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)由于在主磁場(chǎng)中質(zhì)子進(jìn)動(dòng)，每個(gè)氫質(zhì)子均產(chǎn)生縱向和橫向磁化分矢量，那么人體進(jìn)入主磁場(chǎng)后到底處于何種核磁狀態(tài)？第56頁/共129頁處于低能狀態(tài)的質(zhì)子略多于處于高能狀態(tài)的質(zhì)子，因而產(chǎn)生縱向宏觀磁化矢量第57頁/共129頁盡管每個(gè)質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生了縱向和橫向磁化矢量，但由于相位不同，因而只有宏觀縱向磁化矢量產(chǎn)生，并無宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生第58頁/共129頁由于相位不同，每個(gè)質(zhì)子的橫向磁化分矢量相抵消，因而并無宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生第59頁/共129頁進(jìn)入主磁場(chǎng)后，質(zhì)子自旋產(chǎn)生的核磁與主磁場(chǎng)相互作用發(fā)生進(jìn)動(dòng)非常重要進(jìn)動(dòng)使每個(gè)質(zhì)子的核磁存在方向穩(wěn)定的縱向磁化分矢量和旋轉(zhuǎn)的橫向磁化分矢量由于相位不同，只有宏觀縱向磁化矢量產(chǎn)生，并無宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生第60頁/共129頁進(jìn)入主磁場(chǎng)后人體被磁化了，產(chǎn)生縱向宏觀磁化矢量不同的組織由于氫質(zhì)子含量的不同，宏觀磁化矢量也不同磁共振不能檢測(cè)出縱向磁化矢量？第61頁/共129頁第62頁/共129頁第63頁/共129頁MR能檢測(cè)到怎樣的磁化矢量呢？？？MR不能檢測(cè)到縱向磁化矢量，但能檢測(cè)到旋轉(zhuǎn)的橫向磁化矢量NS第64頁/共129頁如何才能產(chǎn)生橫向宏觀磁化矢量？？？？第65頁/共129頁3、什么叫共振，怎樣產(chǎn)生磁共振？共振：能量從一個(gè)震動(dòng)著的物體傳遞到另一個(gè)物體，而后者以前者相同的頻率震動(dòng)。第66頁/共129頁共振條件頻率一致實(shí)質(zhì)能量傳遞第67頁/共129頁體內(nèi)進(jìn)動(dòng)的氫質(zhì)子怎樣才能發(fā)生共振呢？給低能的氫質(zhì)子能量，氫質(zhì)子獲得能量進(jìn)入高能狀態(tài)，即核磁共振。？第68頁/共129頁怎樣才能使低能氫質(zhì)子獲得能量，產(chǎn)生共振，進(jìn)入高能狀態(tài)？第69頁/共129頁磁共振現(xiàn)象是靠射頻線圈發(fā)射無線電波（射頻脈沖）激發(fā)人體內(nèi)的氫質(zhì)子來引發(fā)的，這種射頻脈沖的頻率必須與氫質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率相同，低能的質(zhì)子獲能進(jìn)入高能狀態(tài)微觀效應(yīng)第70頁/共129頁射頻脈沖激發(fā)后的效應(yīng)是使宏觀磁化矢量發(fā)生偏轉(zhuǎn)射頻脈沖的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間決定射頻脈沖激發(fā)后的效應(yīng)低能量中等能量高能量宏觀效應(yīng)第71頁/共129頁90度脈沖繼發(fā)后產(chǎn)生的宏觀和微觀效應(yīng)低能的超出部分的氫質(zhì)子有一半獲得能量進(jìn)入高能狀態(tài)，高能和低能質(zhì)子數(shù)相等，縱向磁化矢量相互抵消而等于零使質(zhì)子處于同相位，質(zhì)子的微觀橫向磁化矢量相加，產(chǎn)生宏觀橫向磁化矢量第72頁/共129頁90度脈沖激發(fā)使質(zhì)子發(fā)生共振，產(chǎn)生最大的旋轉(zhuǎn)橫向磁化矢量，這種旋轉(zhuǎn)的橫向磁化矢量切割接收線圈，MR儀可以檢測(cè)到。氫質(zhì)子多氫質(zhì)子少第73頁/共129頁無線電波激發(fā)后，人體內(nèi)宏觀磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)了90度，MRI可以檢測(cè)到人體發(fā)出的信號(hào)氫質(zhì)子含量高的組織縱向磁化矢量大，90度脈沖后磁化矢量偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)的宏觀橫向矢量越大，MR信號(hào)強(qiáng)度越高。此時(shí)的MR圖像可區(qū)分質(zhì)子密度不同的兩種組織非常重要第74頁/共129頁檢測(cè)到的僅僅是不同組織氫質(zhì)子含量的差別，對(duì)于臨床診斷來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。我們總是在90度脈沖關(guān)閉后過一定時(shí)間才進(jìn)行MR信號(hào)采集。非常重要第75頁/共129頁？第76頁/共129頁4、射頻線圈關(guān)閉后發(fā)生了什么？第77頁/共129頁無線電波激發(fā)使磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)90度，關(guān)閉無線電波后，磁場(chǎng)又慢慢回到平衡狀態(tài)（縱向)第78頁/共129頁Relaxation弛豫放松、休息第79頁/共129頁無線電波激發(fā)使磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)90度，關(guān)閉無線電波后，磁場(chǎng)又慢慢回到平衡狀態(tài)（縱向)第80頁/共129頁射頻脈沖停止后，在主磁場(chǎng)的作用下，橫向宏觀磁化矢量逐漸縮小到零，縱向宏觀磁化矢量從零逐漸回到平衡狀態(tài)，這個(gè)過程稱為核磁弛豫。核磁弛豫又可分解為兩個(gè)部分：橫向弛豫

縱向弛豫第81頁/共129頁橫向弛豫也稱為T2弛豫，簡(jiǎn)單地說，T2弛豫就是橫向磁化矢量減少的過程。90度脈沖第82頁/共129頁T2弛豫的原因自旋質(zhì)子磁場(chǎng)暴露在大磁場(chǎng)與臨近自旋質(zhì)子的小磁場(chǎng)中由于分子的運(yùn)動(dòng)，質(zhì)子周圍的小磁場(chǎng)不斷波動(dòng)每個(gè)質(zhì)子感受的磁場(chǎng)不均勻磁場(chǎng)高－質(zhì)子進(jìn)動(dòng)快場(chǎng)強(qiáng)低－質(zhì)子進(jìn)動(dòng)慢同相位進(jìn)動(dòng)的質(zhì)子失相位根據(jù)Lamor定律第83頁/共129頁第84頁/共129頁第85頁/共129頁T2弛豫是由于進(jìn)動(dòng)質(zhì)子的失相位用T2值來描述組織T2弛豫的快慢第86頁/共129頁不同的組織橫向弛豫速度不同（T2值不同）第87頁/共129頁縱向弛豫也稱為T1弛豫，是指90度脈沖關(guān)閉后，在主磁場(chǎng)的作用下，縱向磁化矢量開始恢復(fù)，直至恢復(fù)到平衡狀態(tài)的過程。90度脈沖第88頁/共129頁縱向弛豫的機(jī)理90度激發(fā)低能的質(zhì)子獲能進(jìn)入高能狀態(tài)縱向弛豫高能的質(zhì)子釋放能量第89頁/共129頁晶格震動(dòng)頻率低于質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率能量傳遞慢－－含高濃度大分子蛋白晶格震動(dòng)頻率接近于質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率能量傳遞快－－脂肪，含中小分子蛋白質(zhì)高能的質(zhì)子把能量釋放給周圍的晶格（分子）晶格震動(dòng)頻率高于質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率能量傳遞慢－－純水第90頁/共129頁T1弛豫是由于高能質(zhì)子的能量釋放回到低能狀態(tài)用T1值來描述組織T1弛豫的快慢第91頁/共129頁不同組織有不同的T1弛豫時(shí)間第92頁/共129頁人體各種組織的T2弛豫要比T1弛豫快得多T2<<<T1第93頁/共129頁重要提示不同組織有著不同質(zhì)子密度橫向(T2)弛豫速度縱向(T1)弛豫速度這是MRI顯示解剖結(jié)構(gòu)和病變的基礎(chǔ)？第94頁/共129頁讀后感：T2（橫向---質(zhì)子失相位）T1（縱向---高能質(zhì)子放出能量成為低能質(zhì)子），不同組織有不同的T2，T1值相同組織的T2遠(yuǎn)小于T1第95頁/共129頁5、磁共振“加權(quán)成像”T1WIT2WIPD第96頁/共129頁所謂的加權(quán)就是“重點(diǎn)突出”的意思T1加權(quán)成像（T1WI）----突出組織T1弛豫（縱向弛豫）差別T2加權(quán)成像（T2WI）----突出組織T2弛豫（橫向弛豫）差別質(zhì)子密度加權(quán)成像（PD）－突出組織氫質(zhì)子含量差別何為加權(quán)？？？第97頁/共129頁MR不能檢測(cè)到縱向磁化矢量，但能檢測(cè)到旋轉(zhuǎn)的橫向磁化矢量MR只能采集旋轉(zhuǎn)的橫向磁化矢量第98頁/共129頁在任何序列圖像上，信號(hào)采集時(shí)刻旋轉(zhuǎn)橫向的磁化矢量越大，MR信號(hào)越強(qiáng)第99頁/共129頁T2加權(quán)成像（T2WI)T2值小

橫向磁化矢量減少快

殘留的橫向磁化矢量小

MR信號(hào)低（黑）T2值大

橫向磁化矢量減少慢

殘留的橫向磁化矢量大

MR信號(hào)高（白）水T2值約為1600毫秒

MR信號(hào)高腦T2值約為100毫秒

MR信號(hào)低反映組織橫向弛豫的快慢！第100頁/共129頁T2WI平衡狀態(tài)90度激發(fā)后采集信號(hào)時(shí)刻腦水第101頁/共129頁T1加權(quán)成像(T1WI)T1值越小

縱向磁化矢量恢復(fù)越快

已經(jīng)恢復(fù)的縱向磁化矢量大

MR信號(hào)強(qiáng)度越高（白）T1值越大

縱向磁化矢量恢復(fù)越慢

已經(jīng)恢復(fù)的縱向磁化矢量小MR信號(hào)強(qiáng)度越低（黑）脂肪的T1值約為250毫秒

MR信號(hào)高（白）水的T1值約為3000毫秒

MR信號(hào)低（黑）反映組織縱向弛豫的快慢?。康?02頁/共129頁T1WI脂水平衡狀態(tài)90縱向弛豫90第103頁/共129頁重要提示!!!人體大多數(shù)病變的T1值、T2值均較相應(yīng)的正常組織大，因而在T1WI上比正常組織“黑”，在T2WI上比正常組織“白”。第104頁/共129頁6、MRI的空間定位第105頁/共129頁MRI空間定位X軸、Y軸、Z軸三維空間定位層面層厚選擇頻率編碼相位編碼第106頁/共129頁由于地球磁場(chǎng)存在從赤道到南北極逐漸減弱的梯度在地球上可根據(jù)所處位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度來確定其位置MRI的三維空間定位也通過三個(gè)梯度場(chǎng)強(qiáng)來實(shí)現(xiàn)第107頁/共129頁層面層厚選擇發(fā)射的射頻脈沖不可能是單一頻率我們可以控制和調(diào)整射頻脈沖的帶寬射頻脈沖有一定的頻率范圍（帶寬）CT的層面選擇和層厚控制靠床位和準(zhǔn)直器第108頁/共129頁層面層厚選擇第一個(gè)梯度場(chǎng)第109頁/共129頁1mHZ/cm64－65mHZ層厚1cm1mHZ/cm64－64.5mHZ層厚0.5cm2mHZ/cm64－65mHZ層厚0.5cm第110頁/共129頁射頻脈沖63.5-64.5MHZG0射頻脈沖64.5-65.5MHZG0射頻脈沖63.75-64.25MHZG0射頻脈沖63.5-64.5MHZG0第111頁/共129頁梯度場(chǎng)強(qiáng)不變

射頻帶寬越寬層厚越厚射頻帶寬不變

梯度場(chǎng)強(qiáng)越高層厚越薄決定層厚的因素梯度場(chǎng)強(qiáng)射頻帶寬第112頁/共129頁調(diào)整射頻脈沖的帶寬、梯度場(chǎng)強(qiáng)的強(qiáng)度和位置，即可隨意選擇層面的位置和層厚第113頁/共129頁層面內(nèi)的空間定位體素（Voxel）－像素（Pixel）MR？第114頁/共129頁MR采集到的每一個(gè)信號(hào)均含有全層信息必須進(jìn)行層面內(nèi)的空間定位編碼才能把整個(gè)信息分配到各個(gè)像素空間定位編碼包括頻率編碼和相位編碼第115頁/共129頁頻率編碼第116頁/共129頁頻率編碼依靠梯度磁場(chǎng)帶有不同頻率的MR信號(hào)，