MRI基本原理与临床应用2刘起旺精讲.ppt

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1、 磁共振成像磁共振成像（MagneticResonance Image MRI）是是利用原子核在磁场内共振所利用原子核在磁场内共振所产生的信号，经重建成像的产生的信号，经重建成像的一种检查技术一种检查技术。近年来，核。近年来，核磁共振成像技术发展十分迅磁共振成像技术发展十分迅速，临床应用日益广泛，检速，临床应用日益广泛，检查范围基本覆盖了全身各系查范围基本覆盖了全身各系统。为了准确反应其成像基统。为了准确反应其成像基础，避免与核素成像混淆，础，避免与核素成像混淆，目前均称为磁共振成像。目前均称为磁共振成像。发展史发展史 1946 Bloch,Purcell 1946 Bloch,Purcell

2、 核磁共振现象的发现核磁共振现象的发现 1971 Damadian 1971 Damadian 肿瘤肿瘤T1T1，T2T2时间延长时间延长 1973 Lauterbur 1973 Lauterbur 两个充水试管的两个充水试管的NMRNMR图像图像 1974 Lauterbur 1974 Lauterbur 活鼠活鼠NMRNMR图像图像 1976 Damadian 1976 Damadian 人胸部人胸部NMRNMR图像图像 1977 Mallard 1977 Mallard 初期的初期的NMRNMR全身图像全身图像 1980 MRI1980 MRI装备商品化装备商品化 1989 1989 安

3、科公司安科公司 国产永磁型国产永磁型 0.15T0.15T装备装备商品化商品化一、一、 MRI成像基本原理成像基本原理 1.物理基础物理基础（1）原子结构）原子结构 （6）共振现象）共振现象（2）原子核自旋）原子核自旋 （7） 磁共振信产生磁共振信产生（3）自由空间原子核状态）自由空间原子核状态 （8）弛豫）弛豫 现象现象（4）磁场对原子核的作用）磁场对原子核的作用 （9）磁共振信号测量）磁共振信号测量（5）进动与）进动与Larmor频率频率（1）原子结构 原子由原子核及核外电子组成，电子以原子由原子核及核外电子组成，电子以特定的轨道绕原子核旋转，原子核由质特定的轨道绕原子核旋转，原子核由质子

4、和中子组成。子和中子组成。(2)原子核自旋 原子核中的质子并非处于静原子核中的质子并非处于静止状态，当核内质子为奇数止状态，当核内质子为奇数产生自旋（如：产生自旋（如：H1 P31），偶），偶数质子能量抵消。数质子能量抵消。 自旋自旋周围电荷周围电荷小磁场小磁场 氢在人体含量丰富，含量为氢在人体含量丰富，含量为1019 氢原子氢原子/mm3，为目前磁，为目前磁共振成像唯一利用的原子，共振成像唯一利用的原子，是是MRI信号主要来源。信号主要来源。（3）自由空间原子核状态 排列杂乱排列杂乱 质子间能量平衡质子间能量平衡 无磁性无磁性（4）磁场对原子核的作用 外加一个磁场后，产外加一个磁场后，产生磁

5、化，沿静磁场方生磁化，沿静磁场方向排列向排列（5）进动与Larmor频率 在静磁场中，氢核沿自身轴旋转，同时沿静磁场磁力在静磁场中，氢核沿自身轴旋转，同时沿静磁场磁力线方向中心轴回旋，氢质子在静磁场中这种运动如同线方向中心轴回旋，氢质子在静磁场中这种运动如同陀螺运动，我们将一个沿自身轴旋转的同时又沿另一陀螺运动，我们将一个沿自身轴旋转的同时又沿另一轴作回旋的运动称为进动。将其运动频率称为进动频轴作回旋的运动称为进动。将其运动频率称为进动频率，以拉莫尔公式表示又称拉莫尔频率。率，以拉莫尔公式表示又称拉莫尔频率。 拉莫尔频率：拉莫尔频率： W0=r*B0 r 旋磁比旋磁比 B0静磁场强度静磁场强度

6、 H+在不同场强中共振频率不同（在不同场强中共振频率不同（0.5T，21.3MHZ）（6）共振现象）共振现象 能量从一个物体传递到另一个物体，接受者与能量从一个物体传递到另一个物体，接受者与传递者以同样频率振动的现象。传递者以同样频率振动的现象。 条件：激励驱动者的能源频率与被激励者的固条件：激励驱动者的能源频率与被激励者的固有频率一致。有频率一致。MRI系统中，被激励者为生物体系统中，被激励者为生物体组织中的氢原子核，激励者为射频脉冲，只有组织中的氢原子核，激励者为射频脉冲，只有射频脉冲的频率与质子的进动频率一致时，才射频脉冲的频率与质子的进动频率一致时，才能产生共振。所施加射频脉冲必须与能

7、产生共振。所施加射频脉冲必须与Larmor频率一致。频率一致。1.0T为例，必须施加为例，必须施加42。5MHz的射的射频脉冲才能使质子出现共振。频脉冲才能使质子出现共振。 患者进入患者进入MR机磁体内，患者本身产生磁机磁体内，患者本身产生磁化，沿外磁场总之纵轴（化，沿外磁场总之纵轴（Z轴）方向轴）方向 纵向纵向磁化，向患者发射短促无线电波磁化，向患者发射短促无线电波（射频脉冲（射频脉冲RF）,如如RF脉冲与质子进动脉冲与质子进动频率相同出现共振频率相同出现共振（7） 磁共振信号产生 H+静磁场内磁化静磁场内磁化 激发激发 射频脉冲（射频脉冲（RF频率一致）频率一致） H+吸收能量，产生共振，

8、停止激发，吸收能量，产生共振，停止激发，H+恢复原位，恢复原位，称弛豫过程，产生能量相位变化称弛豫过程，产生能量相位变化电信号电信号图象图象形成基础。形成基础。（8）驰豫现象）驰豫现象 射频脉冲激励质子群产生共振射频脉冲激励质子群产生共振 质子群宏观质子群宏观磁矢量磁矢量M不在与原来主磁场平行，离开原来平不在与原来主磁场平行，离开原来平衡状态。其变化程度取决与施加射频脉冲的强衡状态。其变化程度取决与施加射频脉冲的强度和时间。度和时间。 MRI使用：使用：90 、180 脉冲，如施加脉冲，如施加90 脉冲脉冲 宏观磁化量宏观磁化量M M以螺旋形式离开原位；脉冲停止以螺旋形式离开原位；脉冲停止 宏

9、观磁化量宏观磁化量M M垂直于主磁场垂直于主磁场B B。随后自发回到。随后自发回到平衡状态，这个过程称为核磁驰豫。平衡状态，这个过程称为核磁驰豫。T1T1驰豫驰豫 纵向驰豫纵向驰豫 9090 脉冲停止后，纵向脉冲停止后，纵向磁化量磁化量MzMz逐渐恢复到平逐渐恢复到平衡状态的过程。由于是在衡状态的过程。由于是在Z Z轴上的恢复，称为轴上的恢复，称为纵向驰豫。纵向驰豫。 质子群通过释放已吸收的能量而恢复原来的高质子群通过释放已吸收的能量而恢复原来的高低能态平衡过程能量转移是从质子转移至周围低能态平衡过程能量转移是从质子转移至周围环境，称自旋晶格环境，称自旋晶格驰豫。驰豫。 纵向纵向磁化量磁化量(

10、Mz)(Mz)达到平衡状态达到平衡状态63%63%的时间为的时间为T1T1驰豫时间。驰豫时间。 获得选定层面中各种组织的获得选定层面中各种组织的T1T1差别形成的组织差别形成的组织图像为图像为T1T1加权像加权像T2T2驰豫驰豫 横向驰豫横向驰豫 9090 脉冲停止后，横向脉冲停止后，横向磁化量磁化量MxyMxy逐渐衰减到零，逐渐衰减到零，该过程为横向驰豫该过程为横向驰豫 在横向驰豫中，能量是在在横向驰豫中，能量是在质子间相互传递，但质子间相互传递，但无能量散出，称为自旋无能量散出，称为自旋自旋自旋驰豫。驰豫。 横向横向磁化量（磁化量（MxyMxy）由最大减少原来值的）由最大减少原来值的37%

11、37%的的时间为时间为T2T2驰豫时间驰豫时间 由各种组织中由各种组织中T2T2差别形成的图像为差别形成的图像为T2T2加权像加权像 T1长与长与T2 生物组织的生物组织的驰豫时间，驰豫时间，T1 T1 为为300-2000ms,T2300-2000ms,T2为为30-150ms30-150ms T1T1的长短与组织成分、结构和磁环境有的长短与组织成分、结构和磁环境有关，与外磁场场强也有关系。关，与外磁场场强也有关系。T2T2的长短的长短同外磁场和组织内磁场的均匀性有关。同外磁场和组织内磁场的均匀性有关。（9 9）磁共振信号测量）磁共振信号测量 在驰豫过程中测量横向驰豫在驰豫过程中测量横向驰豫

12、MxyMxy可以测得可以测得生物组织生物组织MRMR信号。信号。横向横向磁化矢量垂直并磁化矢量垂直并围绕主磁场围绕主磁场B B。以。以LarmorLarmor频率旋进，其变频率旋进，其变化使环境在人体周围的接受线圈产生感化使环境在人体周围的接受线圈产生感应电动势，这个可以放大的电流就是应电动势，这个可以放大的电流就是MRMR信号。其以指数形式衰减，称自由感应信号。其以指数形式衰减，称自由感应衰减。需要强调的是衰减。需要强调的是MRMR信号的测量只能信号的测量只能在垂直与主磁场的在垂直与主磁场的MxyMxy平面进行。平面进行。2、医学成像、医学成像基础基础 （1）正常组织、病理组织质子密度不一）

13、正常组织、病理组织质子密度不一 （2）T1、T2豫弛时间不一豫弛时间不一二、二、 MRIMRI设备设备 1、静磁场、静磁场 单位单位Tesla “T” 高斯（高斯（Gauss） 1T=10000高斯高斯 (1) 永磁型永磁型：用磁性物质制成，较重，磁场强度低，用磁性物质制成，较重，磁场强度低，最多达最多达0.3T (2) 常导型常导型：用铜铝线绕成，磁场强度达用铜铝线绕成，磁场强度达0.15-2.0T，耗水耗电耗水耗电 (3) 超导型超导型：线圈用铌线圈用铌 钛合金绕成，磁场强度达钛合金绕成，磁场强度达0.352.0T，需液氦及液氮冷却，需液氦及液氮冷却。 2、梯度磁场、梯度磁场 选层选层 频

14、率编码频率编码 相位编相位编码作用码作用 MRMR信号与信号与T1T1、T2T2旋进频率及相位有关，旋进频率及相位有关，为了控制为了控制MRMR信号的旋进频率及相位，必信号的旋进频率及相位，必须使用梯度磁场。从而决定须使用梯度磁场。从而决定MRMR信号在空信号在空间的定位。间的定位。 梯度磁场是一个在主磁场基础上附加的梯度磁场是一个在主磁场基础上附加的磁场，其磁场强度随距离不同而有微弱磁场，其磁场强度随距离不同而有微弱变化。这样由于生物组织所处的位置不变化。这样由于生物组织所处的位置不同，其磁场强度不同。典型的梯度磁场同，其磁场强度不同。典型的梯度磁场从从 110 mT/m (0.11Gaus

15、s/cm)110 mT/m (0.11Gauss/cm)。梯。梯度场在度场在X X、Y Y、Z Z轴均有。轴均有。MR1MR1扫描时分别扫描时分别开放层面选择梯度、相位偏码梯度、频开放层面选择梯度、相位偏码梯度、频率偏码梯度、后行图像重建。获得一幅率偏码梯度、后行图像重建。获得一幅MR1MR1图像图像. . 3、射频脉冲、射频脉冲 发射与接收作用（称表面线发射与接收作用（称表面线圈）：激发人体氢原子核，产生信号，并圈）：激发人体氢原子核，产生信号，并进行接收。进行接收。 主要完成射频信号的传输及接受质子产生的信主要完成射频信号的传输及接受质子产生的信号。无线电广播使用的短波频率一般在号。无线电

16、广播使用的短波频率一般在3326MHz26MHz，调频广播和电视频率一般在，调频广播和电视频率一般在5454216MHz216MHz，一台，一台1.5T MR1.5T MR机的主频率为机的主频率为63.86MHz63.86MHz 4、计算机控制显像系统、计算机控制显像系统 5、磁屏蔽、磁屏蔽 射频屏蔽射频屏蔽：防止磁场对外界防止磁场对外界影响及外界电磁波对磁场的影响影响及外界电磁波对磁场的影响 三、三、MR1MR1检查技术检查技术 1 1、脉冲序列和加权像、脉冲序列和加权像 脉冲序列是指射频线圈开放和关闭的方式。一脉冲序列是指射频线圈开放和关闭的方式。一般包括般包括9090、180180脉冲。

17、使纵向磁化倾斜脉冲。使纵向磁化倾斜9090的脉冲为的脉冲为9090脉冲，而倾斜脉冲，而倾斜180180的脉冲的脉冲为为180180脉冲，连续施加脉冲称为脉冲序列，脉冲，连续施加脉冲称为脉冲序列，脉冲序列将决定从组织中获得何种信号脉冲序列将决定从组织中获得何种信号 TR TR 重复时间重复时间 (Repetition time)(Repetition time)：第一个第一个9090RFRF到第二个到第二个9090RFRF出现的时间。出现的时间。 TE TE 回波时间回波时间 (Echo time):(Echo time):自自9090脉冲开始至测量回波出现的时间。脉冲开始至测量回波出现的时间。

18、（1 1） 自旋回波序列自旋回波序列 （SESE）（2 2） 反转恢复序列反转恢复序列 （IRIR）（3 3） 梯度回波序列梯度回波序列 （GREGRE）（4 4） 平面回波成像平面回波成像 （EPIEPI） 2 2、脂肪抑制、脂肪抑制 3 3、对比增强、对比增强 4 4、MRAMRA 5 5、水成像、水成像 6 6、功能性、功能性MR1MR1成像成像四、图像 1 .1 . 多 参 数 成 像多 参 数 成 像 TRTR、TETE为形成不同图像为形成不同图像基本条件：基本条件：（1）短）短TR 短短TE- T1像像 T1WI 解剖结构解剖结构（2 2）长长TR 长长TE- T2像像 T2WI

19、病变定性病变定性（3）长）长TR 短短TE-质子质子像像 PDI 2 2、T T1 1、T T2 2鉴别鉴别 临床常用T1和T2来进行比较诊断，在具体分析图像时，以SE序列为例，先应区分哪幅图像为T1加权像（T1 weighted image，T1WI），哪幅为T2加权像（T2 weighted image，T2WI）或质子密度像（PD weight image）；最简易的方法是首先最简易的方法是首先观察脑脊液和眼球，两张影像比较，哪一张呈观察脑脊液和眼球，两张影像比较，哪一张呈现黑色（低信号）则就是现黑色（低信号）则就是T T1 1加权像，如果两张影加权像，如果两张影像为不同序列扫描所获得，

20、哪一张眼球或脑脊像为不同序列扫描所获得，哪一张眼球或脑脊液越黑则越趋于液越黑则越趋于T T1 1加权像，相反则趋向加权像，相反则趋向T T2 2加权像。加权像。 了解了解SESE序列的各加权像参数，能区分以上三种加权像序列的各加权像参数，能区分以上三种加权像 SESE序列各加权像的参数序列各加权像的参数 加权像加权像 TRTR TE TE T T1 1加权像加权像 短（短（500ms500ms） 短（短（25ms2000ms2000ms） 长（长（75ms75ms） 质子加权像质子加权像 长（长（2000ms2000ms） 短（短（25ms25ms） 一般认为一般认为T T1 1加权像基本上以

21、发现病变为主，且特别有加权像基本上以发现病变为主，且特别有助于定位诊断，而助于定位诊断，而T T2 2加权像则一般可对病变性质进行评加权像则一般可对病变性质进行评价，有助于定性诊断。价，有助于定性诊断。 3、图像特点、图像特点 A:灰阶成像灰阶成像 其反映的是信号强度的不同或弛豫时间的其反映的是信号强度的不同或弛豫时间的 T1T2长短，而不同于灰度反映的是组织密度。长短，而不同于灰度反映的是组织密度。 人体不同组织人体不同组织T1WI与与T2WI上的灰度上的灰度 B: 流空效应 流空效应流空效应(Flowing Void Effect)：心血心血管内的血液流动迅速，管内的血液流动迅速，使发射使

22、发射MR信号的氢信号的氢原子核离开接收范围原子核离开接收范围之外，测不到之外，测不到MR信信号，号，T1WI与与T2WI均均呈黑影，即流空效应，呈黑影，即流空效应，可使心脏与血管显影。可使心脏与血管显影。 三维成像：三维成像： MRI可获得人体轴位、冠状、可获得人体轴位、冠状、矢状及任何方位断面成像，有利于病变矢状及任何方位断面成像，有利于病变三维定位三维定位,采用重建方法，可获得三维重采用重建方法，可获得三维重建立体像。建立体像。C:三维成像 运动器官成像：采运动器官成像：采用呼吸和心电门控用呼吸和心电门控(gating)成像技术，成像技术，可获得心脏大血管可获得心脏大血管动态图像。动态图像

23、。 D: 运动器官成像 造影剂造影剂GdDTPA 钆钆二乙烯三胺五醋酸二乙烯三胺五醋酸 顺磁性顺磁性 磁显葡胺磁显葡胺E：增强扫描F：MR血管造影 MR血管造影血管造影-MRA 流空效应流空效应 MR血管成像血管成像 MRA常用的方法有：时间常用的方法有：时间飞跃法飞跃法TOF(Time of flight)和相位对比法和相位对比法PC(Phase contrast)，无需注射造影剂，使无需注射造影剂，使血管成像。血管成像。五、五、 适应症适应症 禁忌症禁忌症 注意事项注意事项 禁忌症禁忌症 （1）体内金属异物 （2）危重病人需监护（一般急诊不适宜） （3）扫描时间长 不合作者 （4）高热患者 散热功能差 适应症适应症 （1）脑脊髓病变 （2）脊柱病变 （3）腹部盆腔 、实质脏器病变 （4）肌肉关节病变 （5） 胸部（肺、心血管）软件包 （6）MRA MRS MRI优势优势 分辨力高 无电离辐射 三维成像 血管成像 造影增强无毒性 不足之处不足之处 扫描时间长 幽闭感 骨骼钙化、胃肠道含气结构图像差 应用 技术复杂等 其它其它 体内金属异物（银夹、人造股骨头、起搏器等）。 电子器件、磁卡、手表等不能带入检查室47 结束语结束语