生物醫(yī)學工程基礎(chǔ)四-生物醫(yī)學圖象2

生物醫(yī)學圖象(BiomedicalImaging)生物醫(yī)學工程基礎(chǔ)（四）核磁共振成象LinJiangli(AssociateProf.)（2019.11）Imagingtechnologiesarechangingthewayscienceisdone(R.P.Crease,Science,Vol.261,July1993)5/14/20241四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系核磁共振成象

（MRI：MagneticResonanceImaging）MRI完成于80年代，對醫(yī)學成像產(chǎn)生意義深遠的影響5/14/20242四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系核磁共振成象

（MRI：MagneticResonanceImaging）磁共振圖像也是通過計算機處理后產(chǎn)生的圖像。與CT不同的是，CT圖中每個像素的數(shù)值代表的是人體組織中某一個體素對X線的衰減；而在磁共振圖像中，每個像素的值代表的是從某個體素來的磁共振信號的強度，它與共振核子的密度有關(guān)。

5/14/20243四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系對人體無創(chuàng)傷、無電離輻射，安全；可以較容易地獲得人體組織不同斷面的圖像圖像分辨率高（分辨率可達0.5mm）可以不注射造影劑,對血管成像對人體可以做出形態(tài)和功能兩方面的診斷（fMRI：磁共振功能成像）MRI的突出優(yōu)點5/14/20244四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系主要內(nèi)容MRI的歷史與MRI的概況核磁共振現(xiàn)象馳豫時間MRI的信號檢測核空間定位MRI成像原理MRI成像設備組成5/14/20245四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系一、History核磁共振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)1946年美國Stanford大學的FelixBloch費利克斯·布洛赫及哈佛大學EdwardPurcell愛德華·珀塞爾各自首次發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象，并因此于1952獲得諾貝爾獎。1950~1970，NMR發(fā)展成為物理與化學的重要分析儀器。到70年代后期，對人體的成像才獲得成功5/14/20246四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系5/14/20247四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系5/14/20248四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系History：NMR診斷的想法1971年，美國SUNY-Brooklyn的醫(yī)生RaymondDamadian利用磁共振波譜儀對小鼠研究，發(fā)現(xiàn)組織與腫瘤的核磁共振T1、T2弛豫時間不同，癌變組織的T1，T2弛豫時間比正常組織長；而引發(fā)用NMR診斷的想法。1969，提出MRscanner的設想；1971，“tumordetectingbyMR”,T1,T21977，第一臺MRI，1978，F(xiàn)onar公司1980，上市5/14/20249四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系History：MRI出現(xiàn)1973--PaulLauterbur（保羅·勞特布爾）首先以小試管樣本示范MRI。他發(fā)表于3/16/1973Nature的論文"Imageformationbyinducedlocalinteraction;examplesemployingmagneticresonance"。Nature的編輯原先將此文退稿，理由是不具有科學價值。在此文中，Lauterbur描述了如何用迭加于強磁場上的弱梯度磁場來得到兩支裝水試管的空間位置。5/14/202410四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系History：FTMRI1975年，瑞士ETH-Zurich物理化學教授RichardErnst建議應用相位編碼、頻率編碼、Fourier轉(zhuǎn)換之技術(shù)于MRI，而沿用至今。RichardErnst:FTMRI

NobelPrize,1991獲得諾貝爾化學獎

5/14/202411四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系History：EPI1977年，RaymondDamadian示范全身MRI。1977年，英國Nottingham大學物理教授PeterMansfield彼得·曼斯菲爾德開發(fā)出回波平面成像(echo-planarimaging,EPI)法，后來發(fā)展到可達錄像速率(30ms/影像)的成像法。

5/14/202412四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系History：MRI走向臨床1980—運用Ernst的技術(shù)于人體成像，單一影像約需5min取得。1984年美國FDA批準核磁共振使用于臨床；1986中國成立安科公司1986—成像時間縮到約5sec。

1986—開發(fā)出NMR顯微鏡。

1987—用于制作一心臟周期的實時影片。1987—美國GE公司完成核磁共振血管影像法(MRA)，不需使用對比劑便可得到血液流動的影像。1993—開發(fā)出功能MRI(fMRI)，用于觀察人腦各部位的功能。5/14/202413四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine2019PaulC.Lauterbur保羅·勞特布爾UniversityofIllinois

Urbana,IL,USAPeterMansfield

彼得·曼斯菲爾德UniversityofNottingham,SchoolofPhysicsandAstronomy

Nottingham,UnitedKingdom5/14/202414四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系PaulC.Lauterbur–PrizeAwardPhoto

SirPeterMansfield–PrizeAwardPhoto10/6,20195/14/202415四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系2019年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎成果正確而及時的診斷對于患者而言至關(guān)重要。核磁共振成像技術(shù)的普及挽救了很多患者的生命。這種方法精確度高，可以獲得患者身體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的立體圖像。根據(jù)現(xiàn)有實驗結(jié)果，它對身體沒有損害。2019年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎表彰的就是這一領(lǐng)域的奠基性成果。瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學院６日決定，把2019年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予現(xiàn)年74歲的美國科學家保羅·勞特布爾和現(xiàn)年70歲的英國科學家彼得·曼斯菲爾德，以表彰他們在核磁共振成像技術(shù)領(lǐng)域的突破性成就。諾貝爾獎評選委員會認為，用一種精確的、非入侵的方法對人體內(nèi)部器官進行成像，對于醫(yī)學診斷、治療和康復非常重要。這兩位科學家的成果對核磁共振成像技術(shù)的問世起到了奠基性的作用。5/14/202416四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系2019年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎成果原子是由電子和原子核組成的。原子核帶正電，它們可以在磁場中旋轉(zhuǎn)。磁場的強度和方向決定原子核旋轉(zhuǎn)的頻率和方向。在磁場中旋轉(zhuǎn)的原子核有一個特點，即可以吸收頻率與其旋轉(zhuǎn)頻率相同的電磁波，使原子核的能量增加，當原子核恢復原狀時，就會把多余的能量以電磁波的形式釋放出來。這一現(xiàn)象如同拉小提琴時琴弓與琴弦的共振一樣，因而被成為核磁共振。1946年美國科學家費利克斯·布洛赫和愛德華·珀塞爾首先發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)象，他們因此獲得了1952年的諾貝爾物理學獎。核磁共振現(xiàn)象為成像技術(shù)提供了一種新思路。物質(zhì)是由原子組成的，而原子的主要部分是原子核。如果把物體放置在磁場中，用適當?shù)碾姶挪ㄕ丈渌缓蠓治鏊尫诺碾姶挪ň涂梢缘弥獦?gòu)成這一物體的原子核的位置和種類，據(jù)此可以繪制成物體內(nèi)部的精確立體圖像。如果把這種技術(shù)用于人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的成像，就可獲得一種非常重要的診斷工具。

5/14/202417四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系2019年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎成果然而從原理到實際應用往往有漫長的距離。20世紀70年代初期，核磁共振成像技術(shù)研究才取得了突破。1973年，美國科學家保羅·勞特布爾發(fā)現(xiàn)，把物體放置在一個穩(wěn)定的磁場中，然后再加上一個不均勻的磁場（即有梯度的磁場），再用適當?shù)碾姶挪ㄕ丈溥@一物體，這樣根據(jù)物體釋放出的電磁波就可以繪制成物體某個截面的內(nèi)部圖像。隨后，英國科學家彼得·曼斯菲爾德又進一步驗證和改進了這種方法，并發(fā)現(xiàn)不均勻磁場的快速變化可以使上述方法能更快地繪制成物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像。此外，他還證明了可以用數(shù)學方法分析這種方法獲得的數(shù)據(jù)，為利用計算機快速繪制圖像奠定了基礎(chǔ)。在這兩位科學家成果的基礎(chǔ)上，第一臺醫(yī)用核磁共振成像儀于20世紀80年代初問世。后來，為了避免人們把這種技術(shù)誤解為核技術(shù)，一些科學家把核磁共振成像技術(shù)的“核”字去掉，稱為其為“磁共振成像技術(shù)”，英文縮寫即MRI。5/14/202418四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系2019年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎成果核磁共振成像技術(shù)的最大優(yōu)點是能夠在對身體沒有損害的前提下，快速地獲得患者身體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高精確度立體圖像。利用這種技術(shù)，可以診斷以前無法診斷的疾病，特別是腦和脊髓部位的病變；可以為患者需要手術(shù)的部位準確定位，特別是腦手術(shù)更離不開這種定位手段；可以更準確地跟蹤患者體內(nèi)的癌變情況，為更好地治療癌癥奠定基礎(chǔ)。此外，由于使用這種技術(shù)時不直接接觸被診斷者的身體，因而還可以減輕患者的痛苦。目前核磁共振成像儀在全世界得到初步普及，已成為最重要的診斷工具之一。2019年，全世界使用的核磁共振成像儀共有2.2萬臺，利用它們共進行了約6000萬人次的檢查。5/14/202419四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系第一臺MRI裝置19775/14/202420四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系世界上第一張MRI圖象1978年英國取得了第一幅人體頭部的磁共振圖像；5/14/202421四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系MRI：設備和圖象5/14/202422四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系Example：HeadImageBoneandairareinvisible.Fatandmarrow（骨髓）arebright.musclearedark.Bloodvesselsarebright.Greymatterisdarkerthanwhitematter.5/14/202423四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系多參數(shù)成像T1ContrastTE=14msTR=400msT2ContrastTE=100msTR=1500msProtonDensityTE=14msTR=1500ms5/14/202424四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系多截面成像5/14/202425四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系MRA核磁血管造影5/14/202426四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系fMRI功能成像5/14/202427四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系MR顯微鏡100mm100mm體積分辨率需提高~109

倍5/14/202428四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系ExampleofaMRImageACTimageofthebraincomparedtoanMRICTMR5/14/202429四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系T1weightedcontrastDarkonT1-weightedimage:

increasedwater,asinedema（水腫）,tumor,infarction（梗塞）,inflammation（炎癥）,infection（感染）FastflowingbloodBrightonT1-weightedimage:

fatprotein-richfluidslowlyflowingbloodT15/14/202430四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系T2weightedcontrastincreasedwater,asinedema,tumor,infarction,inflammation,infection,subduralcollectionSlowflowingbloodDarkonT2-weightedimage:lowprotondensity,calcification鈣化,fibrous（纖維化）tissueprotein-richfluidFastflowingbloodT2BrightonT2-weightedimage:5/14/202431四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系Contrastbetweennormaltissues:

MRT1&T2weighted;CTTissueMR-T1MR-T2CTBonedarkdarkbrightAirdarkdarkdarkFatbrightbrightdarkWaterdarkbrightdarkT1T2CT5/14/202432四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系MRIBrain5/14/202433四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系MRIBrainCancer5/14/202434四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系MRI3D5/14/202435四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系射頻輻射對機體是否有不良影響射頻輻射對機體會產(chǎn)生不同程度的不良影響，其影響的大小主要與輻射頻率、電磁場強度，波的性質(zhì)(脈沖或連續(xù)波)、暴露時間、機體與輻射源的距離和方位、暴怒部位和大小、組織含水量、有無脂肪層、散熱能力以及有無防護措施等因素有關(guān)，其中頻率是個主要的因素。5/14/202436四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系不同頻率的射頻電磁波，對機體的不良影響也不同，其危害隨頻率的加大而遞增。射頻電磁波按波長主要分為：中、短波頻段(俗稱高頻電磁場)和超短波與微波。高頻輻射對機體的影響較小，主要影響表現(xiàn)在：引起神經(jīng)衰弱綜合征和心血管系統(tǒng)的植物神經(jīng)功能失調(diào)微波輻射對機體的影響較大，其影響主要表現(xiàn)在熱作用和非熱作用兩個方面。5/14/202437四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系二、磁共振現(xiàn)象原子核中包含高速旋轉(zhuǎn)的中子和質(zhì)子移動的帶電粒子能夠產(chǎn)生磁場質(zhì)子具有自旋的性質(zhì)，由于質(zhì)子是帶正電的，它的自旋將產(chǎn)生一個小小的磁場，稱為磁矩。中子具有自旋的性質(zhì)，中子雖然為電中性的，但在它的體積內(nèi)各電荷分量的分布是不均勻的，因此當它自旋時，也能產(chǎn)生磁矩。5/14/202438四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系自旋磁矩5/14/202439四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系凈自旋當原子核中含有奇數(shù)個中子或奇數(shù)個質(zhì)子或兩者都為奇數(shù)時，這個原子核就存在一個凈自旋。要想產(chǎn)生磁共振現(xiàn)象，所觀察樣本的原子核必須具有凈自旋。氫的主要同位素（質(zhì)子）在人體中豐度大，而且它的磁矩便于檢測，因此，常用它來獲得磁共振圖像。5/14/202440四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系原子核（質(zhì)子）進動氫核（質(zhì)子）自旋產(chǎn)生一個小小的磁場，產(chǎn)生磁矩矢量5/14/202441四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系進動（Spin）與極化（Polarization）無外界作用時，質(zhì)子自旋，磁矢量朝向隨機有外界磁場B0作用時，質(zhì)子會繞著磁場方向進動（極化）。進動的相位存在兩種情況：平行（與B0同向）:低能量,原子數(shù)目多反平行（與B0同向）:高能量,原子數(shù)目少對齊后產(chǎn)生凈磁矩M5/14/202442四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系特例：M位于x-y平面內(nèi)TheInducedsignalinthecoil5/14/202443四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系Larmor頻率在外磁場作用下，自旋的質(zhì)子產(chǎn)生進動進動頻率稱為Larmor頻率ω=γ*B0γ為旋磁比,是質(zhì)子的固有特性B0=1T,ω=42.58MHzLarmor頻率在射頻（RF）范圍5/14/202444四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系凈磁矩（NetMagnetization）不同原子的自旋方向是不同的，故不同原子的磁化方向也不同將M分解為Mz和Mxy不同原子磁矩的平均值稱為凈磁矩若Mxy相互抵消，凈磁矩由Mz給出若Mz=0,凈磁矩為Mxy5/14/202445四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系凈磁矩5/14/202446四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系核磁共振（NMR）在外加磁場B0作用的同時，施加脈沖射頻場的作用當RF的頻率合適（取決于B0）時，進動的相位趨向一致，當完全一致時就發(fā)生核磁共振，原子由低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài)共振時，質(zhì)子大量吸收交變場的能量，同時向外輻射能量，此即為成像信號兩種可能的激發(fā)90°脈沖:自旋從平行方向至垂直方向(lowerRF)180°脈沖:自旋從平行方向至反平行方向(higherRF)5/14/202447四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系不同原子的核磁共振特性5/14/202448四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系馳豫時間（RelaxationsTimes）脈沖B1作用之后,被激發(fā)的自旋漸漸恢復到低能態(tài)，同時向外輻射RF信號，此過程成為馳豫。MRI通過測量兩個馳豫時間信號成像T1:90°RF作用之后，Mz恢復到平衡態(tài)的63%所需要的時間T2:90°RF作用之后，Mxy衰減到原始靜磁矩的37%所需要的時間T1和T2對不同的組織是不同的，因此可以反映解剖結(jié)構(gòu)的信息5/14/202449四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系5/14/202450四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系5/14/202451四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系馳豫是一個能量轉(zhuǎn)化、恢復的過程。在弛豫過程中，橫向弛豫和縱向弛豫同時進行。90°脈沖停止之后，凈磁化矢量(M)以螺旋的形式上升，趨向Bo；橫向磁化矢量由最大逐漸變?yōu)榱?，而縱向磁化矢量則逐漸由零恢復成最大值。5/14/202452四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系不同組織的馳豫時間5/14/202453四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系MRI的信號檢測與空間定位需要檢測3D空間中每一點的T1和T2通過施加梯度磁場定位空間點，并使B0沿z軸方向在z方向施加線性梯度場Gx(與B0相比很小)Z方向的不同點受到不同的磁場(B0+Gx)作用，受激后不同的射頻信號現(xiàn)代MRI系統(tǒng)有三個沿坐標軸方向的線圈，產(chǎn)生三個梯度場給出激發(fā)的RF，就可以獲得空間位置5/14/202454四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系

因為拉莫爾頻率與磁場強度成正比，因此，如果設計一個外加磁場沿著直角坐標的x軸成梯度改變，那么所得到的共振頻率也顯然與體元在x軸的位置有關(guān)。5/14/202455四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系用梯度磁場實現(xiàn)定位空間5/14/202456四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系核磁共振成像（MRI）原理將人體置入一個強磁場中；對人體施加一個一定頻率的交變射頻場，使被探測的質(zhì)子共振并向外輻射能量；在人體周圍的接收線圈中就會有感應電勢產(chǎn)生；接收到電信號經(jīng)過計算機處理后，得到人體的斷層圖像；圖像灰度代表磁共振信號的強度及弛豫時間T1和T2典型的MRI對氫核（或質(zhì)子）成像氫核在人體組織中普遍存在氫核產(chǎn)生強的磁共振信號5/14/202457四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系BlochEquation若M受某種影響偏離的方向，則M將繞進動，進動的角頻率為：微觀宏觀5/14/202458四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系MRI成像原理成像方法概述磁共振成像的空間定位層面選擇相位編碼頻率編碼梯度周期與成像時序圖像重建5/14/202459四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系1Dand2DImaging5/14/202460四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系梯度場在空間定位中的作用層面方向?qū)用孢x擇梯度相位編碼梯度頻率編碼梯度橫軸面GzGx或GyGy或Gx矢狀面GxGy或GzGz或Gy冠狀面GyGx或GzGz或Gx5/14/202461四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系磁共振成像的空間定位－層面選擇應用選擇性激發(fā)（SelectiveExcitation）用一個有限帶寬（窄帶）的射頻脈沖，僅對共振頻率在該頻帶范圍的質(zhì)子進行共振激發(fā)5/14/202462四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系5/14/202463四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系GradientFields5/14/202464四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系相位編碼與頻率編碼5/14/202465四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系Sequence

5/14/202466四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系Pulsesequence5/14/202467四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系MRI:DrivingthroughK-spacekx(t)andky(t)givethepositiontorecordv(t)inK-spaceABCDERFpulseGzGxGy5/14/202468四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系Spin-echo5/14/202469四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系梯度施加時序(SE序列為例,采集矩陣128*128)5/14/202470四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系WhyCPSpinechomakesanechoThisanimationshowstherotatingframecoordinates.ThetwoRFpulses(p/2&p)tipabouttherotatingxaxis.Thearrowsaremagnetizationatvariouspointsinthesample.Mostarrowsprecessfasterorslowerthantherotatingframe.5/14/202471四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系MRI的三要素靜態(tài)磁場梯度磁場射頻電磁場5/14/202472四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系靜磁場的作用：在靜磁場B0的作用下，磁軸原為任意取向的自旋質(zhì)子，將依外磁場的方向重新取向，并依拉摩爾方程（LarmourEquation）的規(guī)律，以新的角速度（自旋頻率）自旋，產(chǎn)生自旋質(zhì)子的“進動”運動。因此，靜磁場的作用是使自旋質(zhì)子進動。5/14/202473四川大學材料學院生物醫(yī)學工程系射頻電磁場的作用：具有一定進動頻率的自旋質(zhì)子，當受到相同頻率（