第三章-磁共振成像课件.ppt

第三章 磁共振成像 X磁共振成像（MRI）是利用原子核的磁共振现象，重建人体断层图像的一种成像技术，早在1946年Block和Purcal就发现了原子核的磁共振现象。1973年Lauterbur将磁共振现象应用于医学影像学领域，发明了磁共振成像技术。MRI的应用促进了医学影像学的发展，为此，Lauterbur获得了2003年度诺贝尔生理医学奖。近十余年来，磁共振成像是医学影像学中发展最快的领域，新的成像设备不断推出，新的检查序列和检查技术不断涌现，新的对比剂亦在不断开发和用于临床，从而拓宽了MRI应用领域，明显提高了医学影像学的诊断水平。内容 第一节 MRI成像的基本原理和设备 第二节 MRI检查技术 第三节 MRI临床应用第一节 MRI成像的基本原理和设备 一、MRI成像的基本原理 二、MRI检查设备一、MRI成像的基本原理基本原理：是将人体置于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发人体内氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被体外的接受器收录，经电子计算机处理获得图像，这就叫做核磁共振成像。MRI成像的基本原理较为复杂，可分为以下几个过程：1人体置于强外磁场内出现纵向磁化量 具有奇数质子的原子核，例如1H、19F、31P等具有自旋特性和磁矩。其中氢质子（1H）在人体内含量最多，故目前医用MRI设备均采用1H成像。具有磁矩的1H犹如一个小磁体。通常，体内这些无数的小磁体排列无规律，磁力相互抵消，但进入强外磁场内，则依外磁场磁力线方向有序排列而出现纵向磁化量（图3-1-1）。同时，强外磁场内1H呈快速锥形旋转运动，称为进动（procession），其频率与外磁场场强成正比。2向人体发射与质子进动相同频率的射频（radiofrequency，RF）脉冲后发生磁共振现象 当向强外磁场内人体发射与质子进动频率一致的射频脉冲（radiofrequency pulse）时，质子受到激励，发生磁共振现象。它包括同时出现的两种变化：一种是某些质子吸收能量呈反外磁场磁力线方向排列，致纵向磁化量减少；另一种是这些进动的质子做同步、同速运动即同相位运动，而出现横向磁化量（图3-1-2）3停止RF脉冲后激励质子恢复到原有平衡状态并产生MR信号 当停止发射RF脉冲后，激励的质子迅速恢复至原有的平衡状态，这一过程称弛豫过程（relaxation process），所需要的时间称为弛豫时间（relaxation time）。有两种弛豫时间：一种是代表纵向磁化量恢复的时间，为纵向弛豫时间（longitudinal relaxation time），亦称T1弛豫时间，简称为T1；另一种是代表横向磁化量衰减和消失的时间，为横向弛豫时间（transverse relaxation time），亦称T2弛豫时间，简称为T2。激励质子在纵向弛豫和横向弛豫过程中产生代表T1和T2值的MR信号。4对MR信号进行采集、处理并重建成MRI图像 含有组织T1和T2值信息的MR信号由接收线圈采集后，经一系列复杂处理，即可重建为MRI图像。MRI成像过程中，发射RF脉冲类型、间隔时间和信号采集时间不同，所获得的图像代表T1值或T2值的权重亦就不同。其中相同RF脉冲的间隔时间称为重复时间（repetition time，TR），自发射RF脉冲至信号采集的时间称为回波时间（echo time，TE）。在MRI成像的经典序列（SE序列）中，若使用短TR、短TE，则所获得的图像主要反映T1值，代表组织间T1值的差异，称为T1加权像（T1 weighted imaging，T1WI）；如使用长TR、长TE，则图像主要反映T2值，代表组织间T2值的差异，称为T2加权像（T2 weighted imaging，T2WI）；若使用长TR、短TE，则图像主要反映的既不是T1值，亦不是T2值，而是质子密度，代表组织间质子密度的差异，称为质子密度加权像（proton density weighted imaging，PdWI）。MRI图像和CT图像同属灰阶成像，但和CT不同，CT图像的黑白灰度反映的是组织器官间的密度差异，而MRI图像上的黑白灰度反映的是组织器官间T1值、T2值或质子密度的差异。MRI检查，人体内各组织器官及其病变均有相对恒定的T1值和T2值。MRI检查就是通过灰度对比，反映组织器官的T1值和T2值及其异常改变，来检出病变并进行诊断和鉴别诊断的。MRI图像上的灰度称为信号强度，影像白称为高信号，影像黑称为低信号或无信号，影像灰则称为中等信号。T1WI像上，高信号代表T1弛豫时间短的组织，常称为短T1高信号或短T1信号，例如脂肪组织；低信号则代表T1弛豫时间长的组织，常称为长T1低信号或长T1信号，例如脑脊液。在T2WI像上，高信号代表T2弛豫时间长的组织，常称为长T2高信号或长T2信号，例如脑脊液；低信号则代表T2弛豫时间短的组织，常称为短T2低信号或短T2信号，例如骨皮质。表3-1-1列举了几种组织在T1WI和T2WI像上的灰度。二、MRI检查设备 磁共振成像设备主要包括五个部分：主磁体、梯度系统、射频系统、计算机和数据处理系统以及辅助设施部分。1主磁体 作用是产生强的外磁场。目前常用有超导型磁体和永磁型磁体，它们的构造、性能和造价均不相同。永磁型磁体的制造和运行成本较低，但产生的磁场强度偏低，最高为0.3Tesla（T），且磁场的均匀性和稳定性欠佳。超导型磁体是当前主流类型，场强可高达7.0T，常用者为1.5T和3.0T，磁场均匀性和稳定性较佳，但制造、运行和维护费用均较高。由于超导型和永磁型磁体的场强和性能参数不同，致两型MR设备的成像质量和应用范围有很大差异，如与超导型设备相比，永磁型设备不能进行或难以获得良好的功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）图像。2梯度系统 作用是产生梯度磁场，为体内MR信号空间定位提供三维编码信息。其主要由、Y、Z三组线圈组成。梯度系统中最重要的参数是梯度磁场强度和梯度切换率，它们与成像速度和质量相关。3射频系统 用以发射RE脉冲和接收MR信号。主要由发射线圈和接收线圈组成。同一线圈亦可兼有发射和接收功能。MRI成像设备中，射频线圈有多种类型，包括全容积线圈（头线圈、体线圈）、表面线圈、腔内线圈和相控阵线圈等，适于检查不同部位、范围和组织器官的需要。4计算机和处理系统 用于控制MR设备运行，并负责MR信号采集、处理、图像重建、显示和存储等工作。5辅助设施 包括图像显示、照相和各种存储设施。工作站为MR设备的重要辅助设施，具有多种图像后处理功能。几种典型的MRI核磁共振现象 1945年 2 个独立小组在几天内同时发现核磁共振现象：1）Bloch Stanford 大学（1946）Physics Review 69,127 2）Purcell MIT,（1946）Physics Review 69,37 Felix Bloch 1905-1983 Edward Mills Purcell 1912-19971952 Nobel Prize for PhysicsStanford University MIT概述 1973年2个独立小组利用磁场梯度解决空间信息获取的问题：图像形成 Lauterbur,State University of New York（85年 Univ.of Illinois）(1973)Nature 242,736 Mansfield,Nottingham University(1973)J.Phys.C 6,L422Lauterbur,1929 Mansfied 19332003 Nobel Prize in Physiology or MedicinePaul C.Lauterbur Prize Award Photo Sir Peter Mansfield Prize Award Photo10/6,2003第二节 MRI检查技术 一、MRI检查序列 二、MRI对比增强检查 三、MR 血管成像 四、MR电影成像技术 五、MR水成像技术 六、MR波谱技术 七、功能性MR成像 MRI检查技术种类繁多，各具特点和应用目的。计有各种MRI检查序列、MRI对比增强检查、MR血管造影检查、MR电影成像技术、MR水成像技术、MR波谱技术、功能性MR成像技术等，分述如下。一、MRI检查序列 1自旋回波（spin echo，SE）序列 是MRI经典成像序列。其采用90和180脉冲组合，通过选用不同的TR和TE，就可获得T1WI、T2WI和PdWI像。T1WI像显示解剖结构较好，而T2WI像易于发现病变。快速自旋回波（turbo SE，TSE；fast SE，FSE）序列则能明显缩短成像时间。2反转恢复（inversion recovery，IR）序列 亦是临床上常用的序列。其采用180、90和180脉冲组合，并在第一个180反转脉冲之后，经一定时间即反转时间（inversion time，TI）再施加90脉冲。依TI长短，分为短TI反转恢复（short TI inversion recovery，STIR）序列、长TI反转恢复序列即液体衰减反转恢复（fluid attenuated inversion recovery，FLAIR）序列。STIR序列可抑制具有短T1值组织的信号，例如脂肪；FLAIR则抑制T2WI上自由水的信号强度，使邻近的长T2高信号病变，如脑室周围和脑沟旁的小病灶，显示更为清楚。MRI检查序列是指应用特定的RF脉冲组合、采集时间和编码方式等所进行的MRI检查技术。当这些参数不同时，就组成了不同的MRI检查序列，获得了不同性质的MRI图像，用于不同检查目的的需要。3梯度回波（gradient echo，GRE）序列 可提高磁共振成像速度，临床上常用。在GRE序列中，激励脉冲小于90并施加梯度磁场代替180脉冲，从而明显缩短了成像时间。快速梯度回波序列则能进一步提高成像速度。主要用于MRI动态增强检查及心脏、血管成像。4平面回波成像（echo planar imaging，EPI）为目前MRI速度最快的成像技术，是在一个TR期间内利用一次射频脉冲激发，采集多个梯度回波。EPI几乎能与所有常规成像序列进行组合，如与SE序列组合，即在90和180脉冲之后进行平面回波数据采集。如此，明显缩短了成像时间，并可获得较高质量的图像。EPI适用于心脏快速成像、腹部快速成像和脑功能成像以及介入MRI的实时监控。除上述常用检查序列外，预饱和脂肪抑制技术和GRE序列T1WI的同、反相位检查在临床工作中亦常用。脂肪中质子和水中质子具有不同的进动频率，称为化学位移（chemical shift）。预饱和脂肪抑制技术亦称频率选择性脂肪抑制（frequency-selective fat-suppression）技术，是先施加与脂肪中质子进动频率相同的RF脉冲及扰相位梯度脉冲，使其磁化量为零，其后再行SE等序列检查，此时脂肪质子不再产生MR信号，即受到抑制（图3-2-la、b）。与前述STIR序列不同，该脂肪抑制技术对于确定脂肪组织是特异性的，而STIR序列则是非特异性的。GRE序列T1WI的同相位（in phase，IP）和反相位（opposed phase，OP）检查技术则是利用脂质中质子和水中质子的进动分别处于同相位和反相位时成像，同相位成像时采集的MR信号为两者信号之和，反相位时则为两者信号之差。因此，同一体素内若含丰富的脂质和水，则与同相位相比，反相位上的信号强度有明显下降。同、反相位成像在临床上主要用于检查脂肪肝和鉴别肾上腺腺瘤与非腺瘤。图3-2-1 MR的多种成像技术ab同一例，aT1WI检查，盆腔右后部直肠旁高信号肿块，b预饱和脂肪抑制技术T1WI检查，上述盆腔肿块高信号发生抑制，转变为低信号，证实肿块内含脂肪组织；二、MRI对比增强检查 MRI图像具有良好的组织对比，易于检出病变。但为了更清楚地显示病灶，明确其形态学表现、血供情况和血流动力学改变，以利于准确诊断，临床上常使用MR对比剂，人为地改变组织器官和病灶T1和T2弛豫时间，增加其间信号对比和反映病灶的信号变化特征，此即MRI对比增强检查（图3-2-lc、d）。MRI对比增强检查方法常用，通常是在MRI平扫检查发现病变后采用。普遍应用的是静脉注入顺磁性对比剂Gd-DTPA。和CT增强方法类似，MRI对比增强亦分为普通增强检查、多期增强检查及灌注成像等方法。MRI对比增强检查一般采用T1WI成像序列，在MR灌注检查或以超顺磁性氧化铁为对比剂的对比增强检查，则采用T2WI成像序列。图3-2-1 MR的多种成像技术cd同一例，cT1WI检查，额区中线部略低信号肿块，d增强T1WI检查，上述肿块明显强化；三、MR 血管成像 磁共振血管成像（magnetic resonance angiography，MRA）是一种无创性血管检查技术，可不用对比剂就能清楚显示血管影像。此外，还可提供血管周围的解剖信息。MRA在临床上有较高的实用价值。普通MRA有两种基本成像技术，即时间飞跃（time of flight，TOF）法和相位对比（phase contrast，PC）法。它们的成像均与血液流动相关，但原理不同，TOF法依赖于流入相关增强现象，而PC法依赖于速度诱导的流动质子相位改变进行成像。这两种成像技术不需注射对比剂，并均可用2D或3D方式进行采集。首先获得一大组薄层图像即源图像，其后经MIP重建，产生完整的血管影像（图3-2-le）。TOF、PC方法的2D和3D血管成像各有其优势、不足及适应证。需注意，MRA诊断时常需参考源图像。图3-2-1 MR的多种成像技术e颈内动脉系统MRA检查；对比增强MRA（contrast enhanced MRA，CEMRA）是向静脉内快速团注顺磁性对比剂Gd-DTPA，利用其明显缩短血流T1弛豫时间的作用，同时应用快速梯度回波序列采集数据，再经计算机处理后所获得靶血管影像的成像技术。因此，CEMRA的成像原理不同于TOF和PC法。其优点是成像速度快，空间分辨力和对比分辨力均很高，且伪影少。然而，CEMRA检查有一定技术难度，必须严格掌握采集时机，否则可导致检查失败。四、MR电影成像技术 磁共振电影（magnetic resonance cine，MRC）成像技术是对运动器官，利用MRI快速成像序列，产生一系列不同时相的图像，并以电影方式进行连续显示的检查技术。如此能够动态观察器官的运动，评估运动功能的异常。磁共振电影成像技术主要用于评估心脏的运动功能和关节的运动功能等。五、MR水成像技术 磁共振水成像（magnetic resonance hydrography，MRH）技术的主要原理是利用静止或缓慢流动液体中的水质子具有长T2弛豫时间的特点进行成像。对人体内一些静止或缓慢流动的液体，如脑脊液、胆汁和胰液、尿液及内耳淋巴液等，采用重T2WI成像即用很长的TR和很长的TE成像时，这些液体表现为高信号，而其他组织结构由于T2弛豫时间较短而呈极低信号，如此不用对比剂即能使这些液体结构清楚显示（图3-2-lf）。图3-2-1 MR的多种成像技术fMR水成像检查（MR尿路成像）；MR水成像技术具有如下优点：为安全无创性检查；不需注入对比剂；不干扰液体结构的生理及病理状态；可行多方位检查，处理后还可行三维显像；适应证广，尤其对于不适宜常规方法进行检查的患者更具有实用价值。MR水成像检查技术包括MR胆胰管成像（MR cholangiopancreatography，MRCP）、MR尿路成像（MR urography，MRU）、MR脊髓成像（MR myelography，MRM）和MR内耳迷路成像（MR labyrinthography）等。六、MR波谱技术 磁共振波谱（magnetic resonance spectroscopy，MRS）技术是利用质子在不同化合物中具有不同的进动频率即化学位移现象，来检测化合物组成成分及其含量的检查技术。在MRI成像时，体内的MR信号主要来自水和脂肪中的质子，而化合物（代谢物）中的质子产生的MR信号很弱。因此，MRS检查时需抑制水和脂肪中质子的信号，方可使代谢物中的质子产生的微弱信号在MRS上能以共振峰的形式显示出来。MRS检查获得的是由不同代谢物共振峰所组成的谱线，并非解剖图像，因此不同于其他MRI成像方法。然而，若将MRS所获得层面内各体素的某种代谢物共振峰，依其浓度转换为该检查层面可视的伪彩图像，并与常规MRI图像进行叠加，则能直观显示层面内该代谢物及其浓度的分布，此即磁共振波谱成像（magnetic resonance spectroscopic imaging，MRSI）。人体内各组织器官具有不同的代谢物及其浓度，病变发生的代谢异常将使它们发生改变，而不同性质病变所引起的改变又各不相同，因此通过MRS检测这些代谢物及其浓度，将有利于疾病的诊断和鉴别诊断。MRS是目前唯一的无创性在体检测代谢物的检查技术，常用的是质子波谱技术，对脑肿瘤和前列腺癌的诊断和鉴别诊断很有帮助。七、功能性MR成像 功能性磁共振成像（fMRI）是近十余年来发展起来的一类全新成像技术，与一般MRI不同，它们是以组织结构的生理功能及其异常改变为成像信息，并以图像形式反映出来的成像技术。目前，fMRI包括扩散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）、灌注加权成像（perfusion weighted imaging，PWI）和脑活动功能成像。（）扩散加权成像（DWI）组织中水分子在温度驱使下随机运动，即为扩散运动。常规MRI成像，水分子扩散运动对信号强度影响很微小。DWI是用特定的脉冲序列，反映组织内水分子扩散运动的状况，并能进一步获得量化指标，即表观扩散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）值和所组成的ADC图。不同类型病变对水分子扩散运动产生不同的影响，反映在DWI图和ADC图上有不同的表现，并且这种功能性改变可先于病变的形态学改变，因此DWI检查有利于疾病的早期发现、诊断和鉴别诊断。例如，对脑梗死的早期诊断和对中央腺体前列腺癌的诊断，DWI均有较高的价值（图3-2-1g、h）。图3-2-1 MR的多种成像技术gh同一例，g常规T2WI检查，左基底节病灶不明显，hDWI检查，左基底节区明显高信号病灶 扩散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）是在DWI基础上发展而来的一种功能性成像技术，能反映组织中水分子扩散的各向异性，并可获得相应的量化指标各向异性分数（fractional anisotropy，FA）值等。在纤维组织内，水分子易沿纤维走行方向扩散，应用DTI技术和相应的后处理软件可进行扩散张量纤维束成像（diffusion tensor tractography，DTT），获得纤维束走行的图像。目前最常用于显示脑白质纤维束，能反映病变所致的脑白质纤维束的受压、移位和破坏、中断情况。（二）灌注加权成像（PWI）磁共振灌注加权成像检查能够获得组织器官及病变的血流灌注信息。常用的方法是动态磁敏感增强检查技术，于静脉内快速注入顺磁性对比剂Gd-DTPA，对兴趣部位进行EPI等快速连续成像，通常为T2WI检查，利用对比剂首过的T2 或T2*磁敏感效应，获得时间-信号强度曲线，据此可计算出相对血容量（relative blood volume，rBV）、相对血流量（relative blood flow，rBF）、平均通过时间和达峰时间等参数，并由此组成相应的伪彩参数图。PWI为了解组织器官和病变的血流灌注提供了相应参数以及半定量的指标，而有利于病变的诊断和鉴别诊断。（三）脑活动功能成像 当大脑受到一定刺激（如视、听、运动和认知等）时，局部脑组织处于功能活动（激活）状态。脑活动功能成像就是以图像的形式展现人类大脑活动的功能解剖区及其异常改变。常用的方法是血氧水平依赖性（BOLD）MR成像技术，基本原理为局部脑组织激活时伴随血流量增加，其中血流量增加超过了耗氧量增加，使得激活区所含的脱氧血红蛋白减少，导致T2 WI或T2*WI上脑活动区呈高信号表现。脑活动功能成像对于人类进一步认识自身以及一些脑疾病的早期检出、诊断和治疗等均有非常重要意义。第三节 MRI临床应用 一、MRI检查的临床应用 二、MRI检查的注意事项一、MRI检查的临床应用 MRI检查具有高的组织分辨力和多方位、多参数、多序列成像的优势，无辐射损伤和碘对比剂所致的不良反应，广泛用于人体多系统疾病的检查、诊断和鉴别诊断，包括中枢神经系统、颈部、纵隔、心脏和大血管、肝脏、胆系、胰腺、脾、泌尿系统、男女生殖系统及骨髓和骨关节系统的先天性异常、肿瘤和肿瘤样病变、炎性病变和外伤性病变等的诊断和鉴别诊断。应当指出，和CT相比，MRI检查在许多方面具有优势，例如对垂体微腺瘤的显示 对较早期前列腺癌的检出 对子宫先天性畸形和肿瘤的诊断和分期、对脊髓病变的显示以及对骨髓病变和关节软骨损伤的检出等，均有其独特价值。尤其是各种特殊成像序列和成像技术以及功能性磁共振成像的检查进一步提高了疾病的检出、诊断和鉴别诊断能力，扩大了应用领域，并且加深了对疾病的了解和认识。MRI检查亦有一些不足：由于强磁场对电子器件和铁磁性物质的作用，使得一些患者不能进行MRI检查，例如带有心脏起搏器者和置有金属性（铁磁性）手术夹、假体和人工关节者；妊娠早期和幽闭恐怖症者也为MRI检查的禁忌证。其次，对一些部位疾病，MRI检查的效果不佳，例如肺部大多数疾病不适宜MRI检查；对钙化性病灶的显示和确定，MRI检查亦有很大的限度。此外，MR设备比较昂贵，尤其是高场强MR设备，而且维持日常运转和维修的费用亦不菲，在一定程度上限制了MR的普及和应用。二、MRI检查的注意事项（一）合理选用MR检查序列 MRI检查的多方位、多参数和多序列成像的特点为其优势，但并非每例患者均要进行这些序列检查，而应在了解各序列成像原理和特点的基础上，针对检查的要求和目的进行合理的选用，因此MRI检查在一定程度上具有个体化设计的特点。临床上，通常首先行经典的SE和FSET1WI和T2WI检查，其后根据病变显示情况并参考临床资料，考虑进一步选用相应的检查序列。例如T1WI和T2WI上均为高信号的病灶，进一步应用预饱和脂肪抑制技术的T1WI和T2WI检查，就能确定病变是否含有脂肪组织；又如，常规T1WI和T2WI上，侧脑室旁有可疑病灶，进一步应用FLAIR序列，则能确定有无病灶及其数目。总之，选择MRI检查序列时，应以能检出病灶并反映其特征为目的，如此方能有助于疾病的诊断和鉴别诊断。（二）合理选用MR各种成像技术 MR检查除了序列选用外，还有一些成像技术，包括MR血管成像技术、MR水成像技术、MR波谱技术和功能性MRI等，这些MR成像技术各有其成像原理、特点和应用范围，选用时须特别注意。合理的选用将有助于病灶的检出、诊断和鉴别诊断，否则将无谓地延长患者的检查时间。此外，在观察TOF和PC法MR血管成像及MR水成像时，由于图像有一定的失真，常需参考源图像或常规薄层MRI图像方可做出正确的解释和诊断。MRI检查时，常有一些伪影干扰了图像质量，如运动伪影、包裹伪影、化学位移伪影和磁敏感性伪影等。对于这些伪影，一是要认识它们的表现，防止误认为病变；二是采用一些方法和技术减轻或消除这些伪影，例如用呼吸补偿或呼吸门控技术克服呼吸运动伪影，用心电门控或外周门控技术消除心脏和大血管的搏动性伪影。（三）注意MRI检查的安全性 MR设备具有强磁场，行MRI检查时应严格掌握适应证，凡有检查禁忌证的患者，例如置有心脏起搏器和金属性（铁磁性）手术夹、假体和假关节者、妊娠三个月以内者和幽闭恐怖症者均不得进行MRI检查，以确保患者的安全。此外，患者、家属和工作人员进人MRI检查室时，严禁携带任何铁磁性物体，否则可能导致患者发生意外或设备发生故障。