影像诊断学电子教材(中国医科大学).docx

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1、第一章总论影像学新进展伦琴(Wilhelm Conrad Rotgen) 1895年发现X线以后不久,X线就被用 于人体检查,进行疾病诊断,形成了放射诊断学(diagnostic radiology)这 新学科,并奠定了医学影像学(medical imaging)的基础。至今放射诊断学仍 是医学影像学中的重要内容,应用普遍。20世纪50年代到60年代开始应用超 声与核素显像进行人体检查,出现了超声成像(ultrasonogra-phy)和Y闪烁 成像(Y-scintigraphy) 70年代和80年代又相继出现了 X线计算机体层成 像(X-ray computed tomography, Xr

2、ay CT 或 CT)(图 IT)、磁共振成像 (magnetic resonance Ima-ging, MRI)(图 1-2)和发射体层成像(emission comPuted tomograPhy, ECT),包括单光子发射体层成像(single Photon emission computed tomograPhy, SPECT)与正电子发射体层成像(Post -tron emission tomograPhy, PET)等新的成像技术。这样,仅100年多点的时间就形成了包 括放射诊断的影像诊断学(iagnostic imaging) 虽然各种成像技术的成像原 理与方法不同,诊断价值与

3、限度亦各异,但都是使人体内部结构和器官成像,借 以了解人体解剖与生理功能状况及病理变化,以达到诊断的目的,都属于活体器 官的视诊范畴,是特殊的诊断方法。近30年来,由于微电子学与电子计算机的发展以及分子医学的发展,致使 影像诊断设备不断改进，检查技术也不断创新。影像诊断已从单一的形态成像诊 断发展为形态成像、功能成像和代谢成像并用的综合诊断。继CT与MRI之后, 又有脑磁源图(magneticw source ima-ging, MSI)应用于临床。分子影像学 (molecular imaging)也在研究中。影像诊断学的发展还有很大潜。现在数字成像已由CT与MRI等扩展到X线成像,使传统的模

4、拟X线成像也 改成为数字成像(图3)(图1-4)。数字成像改变了图像的显示方式,图像解读 也由只用照片观察过渡到兼用屏幕观察(图1-5),到计算机辅助检测(computer aided detection, CAD) 影像诊断也试用计算机辅助诊断(cornuter aided diagnosis, CAD),以减轻图像过多、解读费时的压。图像的保存、传输与利 用,由于有了图像存档与传输系统(picture achiving and communication system, PACS)(图1 -6)而发生巨大变化,并使远程放射学(teleradiology) 成为现实,极大地方便了会诊工作。由

5、于图像数字化、网络和PACS的应用,影 像科将逐步成为数字化或无胶片学科。70年代兴起的介人放射学(interventional radiology)是在影像监视下 对某些疾病进行治、疗的新技术,使些用内科药物治疗或外科手术治疗难以进 行或难以奏效的疾病得到有效的医治。介人放射学已成为同内科和外科并列的三 大治疗体系之一。介人放射学发展也很快。影像监视系统除用X线成像,如数字减影血管造 影（digital subtraction angi graphy, DSA）（图 1-7）外,超声、CT 与 MRI 也应用于临床。介人治疗的应用范围已扩大到人体各个器官。结构的多种疾病, 疗效不断提高。在设

6、备、器材与技术上都有很大改善。在临床应用与理论研究上 也都有很大进步。纵观影像诊断学与介人放射学的应用与发展,可以看出医学影像学的范畴不 断扩大,诊治水平明显提高,已成为运用高科技手段最多,在临床医学中发展最 快,作用重大的学科之一。（图18）影像学科在临床医疗工作中的地位也有明显 提高,已成为医院中作用特殊、任务重大、不可或缺的重要临床科室。影像学的 发展也有力地促进了其它临床各学科的发展。建国以来,我国医学影像学有很大发展,特别是改革开放以后。在各医疗单 位都建有影像科室,已涌现出一大批学科带头人和技术骨干。超声、CT、ECT 和MRI等先进设备已在较多的医疗单位应用。不论在影像检査技术和

7、诊断方面或 在介人放射学方面都积累了较为丰富的经验。影像诊断水平和介人治疗的疗效都 有明显提高。我国的医学影像事业必将有更大更快的发展,为我国人民的卫生保 健事业作出它应有的贡献。学习医学影像学应当注意以下几点:影像诊断的主要依据或信息来源是图像。各种成像技术所获得的绝大多数图 像,不论是X线、CT或MRI都是以从黑到白不同灰度的图像来显示的,但不同 的成像手段,其成像原理不同,例如X线与CT的成像基础是依据相邻组织间的 密度差别,而MRI则是依据MR信号的差别。正因如此,正常器官与结构及其病 变在来自不同成像技术的图像上影像表现不同。例如骨皮质在X线与CT上呈白 影,而在MRI上则呈黑影。因

8、此，需要了解不同成像技术的基本成像原理及其图 像特点，并能由影像表现推测其组织性质。影像诊断主要是通过对图像的观察、分析、归纳与综合而作出的。因此,需 要掌握图像的观察与分析方法,并能辨别正常表现与异常表现以及了解异常表现 的病理基础及其在诊断中的意义。不同成像技术在诊断中都有各自的优势与不足。对某疾病的诊断,可能用 种检查就可明确诊断，例如外伤性骨折,X线检查就多可作出诊断;也可能 是一种检查不能发现病变,而另种检查则可确诊,例如肺的小结节性病变,胸 部X线片未发现,面CT则能检出并诊断为肺癌;也可能是综合儿种成像手段与 检查方法能明确诊断。因此,就需要了解不同的成像手段在不同疾病诊断中的

9、作用与限度,以便能恰当的选择一种或综合应用儿种成像手段和检查方法,来进 行诊断。影像学检査在临床医学诊断中的价值是肯定的,但应指出其诊断的确立是根 据影像表现而推论出来的,并未直接看到病变。因此,影像诊断有时可能与病理 诊断不一致,这是影像诊断的限度。在进行诊断时,还必须结合临床材料,包括 病史、体检和实验室检查结果等,互相印证,以期作出正确的诊断。介人放射学与影像诊断学不同,有其自身的特点,诸如治疗机理、技术操作 与临床应用原则等。因此,需要了解其基本技术与理论依据，价值与限度和不同 治疗技术的适应证、禁忌证与疗效,以便能针对不同疾病合理选用相应的介人治 疗技术。本教材所介绍的内容也将从上述

10、儿项要点着眼。CT的临床应用CT是HounsfieldG. N. 1969年设计成功,1972年问世的。CT不同于普通X 线成像,它是用X线束对人体层面进行扫描,取得信息，经计算机处理而获得的重 建图像,是数字成像而不是模拟成像。它开创了数字成像的先河。CT所显示的断层 解剖图像,其密度分辨力(density resolution)明显优于X线图像,使X线成像 不能显示的解剖结构及其病变得以显影,从而显著扩大了人体的检查范围，提高了 病变检出率和诊断的准确率。CT作为首先开发的数字成像大大促进了医学影像学的 发展。继CT之后又开发出MRI与ECT等新的数字成像,改变了影像的成像技术。由 于这贡

11、献,Hounsfield G. N.获得了 !979的诺贝尔奖金。第一节CT成像基本原理与设备、CT成像基本原理CT是用X线束从多个方向对人体检查部位具有一定厚度的层面进行扫描，由探 测器而不用胶片接收透过该层面的X线，转变为可见光后,由光电转换器转变为电 信号,再经模拟/数字转换器转为数字，输人计算机处理。图像处理时将选定层面 分成若干个体积相同的立方体，称之为体素(voxel),见图2 1。扫描所得数据 经计算而获得每个体素的X线衰减系数或称吸收系数,再排列成矩阵,即构成数字 矩阵，见图22。数字矩阵中的每个数字经数字/模拟转换器转为由黑到白不等灰 度的小方块,称之为像素(pixel),并

12、按原有矩阵顺序排列,即构成CT图像。所 以,CT图像是由一定数目像素组成的灰阶图像，是数字图像,是重建的断层图像。 每个体素X线吸收系数可通过不同的数学方法算出,不在此赘述。二、CT设备CT装置发展很快，性能不断提高。初始设计成功的CT装置，要一个层面一个 层面地扫描,扫描时间长,一个层面的扫描时间在4分钟以上，像素大,空间分辨 力(spatial resolution) fft,图像质量差,而且只能行头部扫描。经不断改进, 扫描时间缩短,图像质量改善,并可行全身扫描。但扫描方式仍是层面扫描。1989 年设计成功螺旋CT又发展为多层螺旋CT,由层面扫描改为连续扫描,CT的性能 有很大的提髙。此

13、前,在20世纪80年代还设计出电子束CT (electron beam CT, EBCT) 对这三种装置分述于下。（）普通CT（图2T）主要有以下三部分:扫描部分,由X线管、探测器和扫描架组成,用于对 检查部位进行扫描;计算机系统,将扫描收集到的信息数据进行存储运算; 图像显示和存储系统，将计算机处理、重建的图像显示在显示器（影屏）上并用 照相机将图像摄于照片上,数据也可存储于磁盘或光盘中。CT成像流程及装置 如图23。扫描方式不同，有旋转式和固定式,见图24。X线管采用CT专用 X线管,热容量较大。探测器用高转换率的探测器,其数目少则儿百个,多则上 千个。目的是获得更多的信息量。计算机是CT

14、的“心脏”,左右着CT的性能。 计算机用多台微处理机,使CT可同时行多种功能运转,例如同时行图像重建、 存储与照相等。普通CT装置将逐步由SCT或MSCT装置所取代。（二）螺旋 CT（图 2-2）螺旋CT是在旋转式扫描基础上,通过滑环技术与扫描床连续平直移动而实 现的。滑环技术使得X线管的供电系统只经电刷和短的电缆而不再用普通CT装 置的长电缆。这样就可使X线管连续旋转并进行连续扫描。在扫描期间,床沿纵 轴连续平直移动。管球旋转和连续动床同时进行,使X线扫描的轨迹呈螺旋状, 故得名螺旋扫描（图25）。扫描是连续的,没有扫描间隔时间。不像普通CT 那样，个层面接个层面地扫描,有扫描间隔时间，结果

15、是SCT使整个扫描时 间大大缩短。螺旋CT的突出优点是快速容积扫描，在短时间内,对身体的较长 范围进行不间断的数据采集,为提高CT的成像功能,如图像后处理创造了良好 的条件。螺旋CT在CT发展史中是个重要的里程碑,也是今后CT发展的方向。近 年开发的多层螺旋CT,进步提高了螺旋CT的性能。多层螺旋CT可以是2层, 4层,8层,10层乃至16层（图26）。设计上是使用锥形X线束和采用多排 宽探测器。例如!6层螺旋CT采用24排或40排的宽探测器。多层螺旋CT装置 （例如16层）与一般螺旋CT相比，扫描时间更短,管球旋转360 - 般只用 0.5s,扫描层厚可更薄，一般可达0. 5mm,连续扫描的

16、范围更长，可达1. 5m,连 续扫描时间更长已超过100s。改进螺旋CT装置的研究主要在探测器上,包括用超宽、多排探测器和平板 探测器。SCT给操作带来很多方便；检查时间缩短,增加了患者的流通量；容易 完成难于合作或难于制动患者或运动器官的扫描；一次快速完成胸、腹部和盆部 的检查；有利于运动器官的成像和动态观察；对比增强检查时,易于获得感兴趣 器官或结构的期相表现特征。获得连续层面图像,可避免层面扫描中所致小病灶 的漏查。在图像显示方式上也带来变化,连续层面数据,经计算机后处理可获得 高分辨力的三维立体图像，实行组织容积和切割显示技术、仿真内镜技术和CT 血管造影等。还可行CT灌注成像。在临床

17、应用上，多层螺旋CT（图2-3）可行低 辐射剂量扫描，给肺癌与结肠癌的普查创造了有利条件；扫描时间的缩短,使之 可用于检查心脏,包括冠状动脉,心室壁及瓣膜的显示,而且通过图像重组处理 可以显示冠状动脉的软斑块。MSCT所得的CT血管造影使肢体末梢的细小血管显 示更加清楚。CT灌注成像已用于脑、心脏等器官病变毛细血管血流动力学的观 察,通过血容量、血流量与平均通过时间等参数的测定,可评价急性脑缺血和急 性心肌缺血以及判断肿瘤的良性与恶性等。综上所述,SCT,特别是MSCT拓宽了检查与应用范围,改变了图像显示的方 式，提高了工作效率,也提高了诊断水平。MSCT的应用也带来些诸如患者扫 描区辐射量增

18、加和图像数量过多,引起解读困难等问题。对此已引起关注，并加 以解决。MSCT每次检查将提供数百帧甚至更多的横断层图像,按常规办法进行 解读和诊断,是极为费时和困难的。如果观察由计算机重组的图像;例如二维或 三维的CT血管造影,则较为省时和容易。当前重组图像已可做到自动与实时。 其次利用计算机辅助检测,对具体病例的大量图像先由计算机进行浏览,用CAD 行诊断导向,则可简化解读与诊断的程序,省时、可靠。当前CAD在乳腺疾病及 肺部疾病的应用上已取得较为成熟的经验。（三）电子束CT电子束CT又称超速CT （ultrafast CT, UFCT）,其结构同普通CT或螺旋 CT不同，不用X线管。EBCT

19、是用由电子枪发射电子束轰击四个环靶所产生的X线进行扫描。其结构见 图2 7。轰击个环靶可得一帧图像,即单层扫描,依次轰击4个环靶,并由 两个探测器环接收信号,可得8帧图像,即多层扫描。EBCT个层面的扫描时 间可短到50ms,可行CT电影观察。与SCT 样可行容积扫描,不间断地采集扫 描范围内的数据。EBCT可行平扫或造影扫描。单层扫描或多层扫描均可行容积 扫描、血流检查和电影检查。多层扫描有其特殊的优越性。EBCT对心脏大血管检查有独到之处。造影CT可显示心脏大血管的内部结构， 对诊断先心病与获得性心脏病有重要价值。了解心脏的血流灌注及血流动力学情 况，借以评价心脏功能。扫描时间短,有利于对

20、小儿、老年和急症患者的检查。 但BCT昂贵,检查费用较高,有X线辐射,心脏造影需注射对比剂，又有MSCT 及MRI的挑战，因而限制了它的广泛应用。第二节CT图像特点CT图像是由一定数目从黑到白不同灰度的像素按矩阵排列所构成的灰阶图 像。这些像素反映的是相应体素的X线吸收系数。不同CT装置所得图像的像素 大小及数目不同。大小可以是1.0X1. 0mm, 0.5X0. 5mm不等:数目可以是512X512 或1024X1024不等。像素越小,数目越多，构成的图像越细致,即空间分辨力高。 普通CT图像的空间分辨力不如X线图像高（图2-4）。CT图像是以不同的灰度来表示,反映器官和组织对X线的吸收程度

21、。因此, 与X线图像所示的黑白影像样,黑影表示低吸收区,即低密度区,如肺部；白 影表示高吸收区,即高密度区,如骨骼。但是CT与X线图像相比,有高的密度 分辨。因此,人体软组织的密度差别虽小,吸收系数多接近于水,也能形成对 比而成像。这是CT的突出优点。所以,CT可以更好地显示由软组织构成的器官, 如脑、脊髓、纵隔、肺、肝、胆、胰以及盆部器官等，并在良好的解剖图像背景 上显示出病变的影像。X线图像可反映正常与病变组织的密度,如高密度和低密 度,但没有量的概念。CT图像不仅以不同灰度显示其密度的高低,还可用组织 对X线的吸收系数说明其密度高低的程度，具有一个量的标准。实际工作中,不 用吸收系数,而

22、换算成CT值,用CT值说明密度,单位为HU（HounsfieldUnit）0 水的CT值为OHU,人体中密度最高的骨皮质吸收系数最高,CT值为十1000HU, 而空气密度最低,为 1000HU。人体中密度不同的各种组织的CT值则居于 1000到十1000HU的2000个分度之间（表2 1）。由表2 1可见人体软组织的 CT值多与水相近,但由于CT有高的密度分辨力,所以密度差别虽小,也可形成 对比而显影。CT图像是断层图像，常用的是横断面或称轴面。为了显示整个器官,需要多帧连续的断层图像。通过CT设备上图像重组程序的使用,可重组冠 状面和矢状面的断层图像。第三节CT检查技术、普通CT扫描患者卧于

23、检查床上,摆好位置,选好层面厚度与扫描范围,并使扫描部位伸 人扫描架的孔内,即可进行扫描。大都用横断面扫描,层厚用5或10mm,如需 要可选用薄层,如1mm或2mm。扫描时患者要制动,胸、腹部扫描要屏气。因为 轻微的移动或活动可造成伪影,影响图像质量。CT检查分平扫(plain CT scan)、对比增强扫描(contrast enhancement, CE)和造影扫描。1 .平扫是指不用对比增强或造影的普通扫描。一般都是先行平扫。2 .对比增强扫描是经静脉注人水溶性有机碘对比剂后再行扫描的方法,较常应 用。血管内注入碘对比剂后,器官与病变内碘的浓度可产生差别,形成密度差, 可能使病变显影更为

24、清楚。常用方法为团注法(bolus injection),即在二十 几秒内将全部对比剂迅速注人。3 .造影扫描是先行器官或结构的造影,然后再行扫描的方法。临床应用不多。 例如向脑池内注人碘苯六醇或注人空气行脑池造影再行扫描,称之为脑池造影 CT扫描,可清楚显示脑池及其中的小肿瘤。上述三种扫描在普通CT、螺旋CT和电子束CT上均可进行,也是CT检查的基本 扫描方法,特别是前二种。在工作中常提及高分辨力CT (hish resolution CT, HRCT),是指获得良好空间分辨力CT图像的扫描技术。在SCT装置上不难完成。 如用普通CT装置,则要求短的扫描时间;薄的扫描层厚,如11. smm:

25、图像 重建用高分辨力算法,矩阵不低于512X512。高分辨CT,可清楚显示微小的 组织结构,如肺间质的次级肺小叶间隔,小的器官如内耳与听骨等。对显示小病 灶及病变的轻微变化优于普通CT扫描。二、图像后处理技术(图2-5)螺旋CT,扫描时间与成像时间短,扫描范围长,层厚较薄并获得连续横断 层面数据,经过计算机后处理,可重组冠状、矢状乃至任意方位的断层图像，并 可得到其它显示方式的图像。1.再现技术再现技术(rendering technic)有三种,即表面再现(surface rendering)、最大强度投影(maximum intensity prqection, MIP)和容积再 现(vo

26、lume rendering)技术。再现技术可获得CT的三维立体图像,使被检查 器官的影像有立体感,通过旋转面可在不同方位上观察。多用于骨骼的显示和CT 血管造影(CT angiography, CTA) 容积再现技术:是利用全部体素的CT值,行表面遮盖技术并与旋转相结合, 加上假彩色编码和不同程度的透明化技术(transparency),使表面与深部结 构同时立体地显示。例如在胸部用于支气管、肺、纵隔、肋骨和血管的成像,图 像清晰、逼真。CTA:是静脉内注人对比剂后行血管造影CT扫描的图像重组技术,可立体地 显示血管影像。目前CTA显示血管较为完美,主要用于脑血管、肾动脉、肺动脉 和肢体血管

27、等。对中小血管包括冠状动脉都可显示。CTA所得信息较多，无需插 管,创伤小,只需静脉内注人对比剂。因之,已成为实用的检查方法。CTA应用 容积再现技术可获得血管与邻近结构的同时立体显示。仿真血管内镜可清楚显示 血管腔,用于诊断主动脉夹层和肾动脉狭窄等。组织容积与切割显示技术:使用显示特定组织如肿瘤的软件,可行肿瘤的定 量与追踪观察。切割显示软件根据感兴趣区结构的CT值,可分离显示彼此重叠 的结构,如肺、纵隔和骨性胸廓。2.仿真内镜显示技术仿真技术是计算机技术，它与CT或MRI结合而开发出仿 其内镜功能。容积数据同计算机领域的虚拟现实(virtual reality)结合,如 管腔导航技术(na

28、viganon)或漫游技术(fly through)可模拟内镜检查的过 程,即从一端向另一端逐步显示管腔器官的内腔。行假彩色编码，使内腔显示更 为逼真。有仿真血管镜、仿真支气管镜、仿真喉镜、仿真鼻卖镜、仿真胆管镜和 仿真结肠镜等,效果较好。目前儿乎所有管腔器官都可行仿真内镜显示，无痛苦, 易为患者所接受。仿真结肠镜可发现直径仅为5mm的息肉,尤其是带蒂息肉。不 足的是受伪影的影响和不能进行活检。(图2-6)三、CT灌注成像CT灌注成像是经静脉团注有机水溶性碘对比剂后,对感兴趣器官,例如脑 (或心脏),在固定的层面行连续扫描,得到多帧图像,通过不同时间影像密度 的变化,绘制出每个像素的时间密度曲

29、线,而算出对比剂到达病变的峰值时 间(peak time, PT)、平均通过时间(mean transit time, Mxx)、局部脑血 容量(regional cerebral blood volume, rCBV)和局部脑血流量(regional cerebral blood flow, rCBF)等参数,再经假彩色编码处理可得四个参数图。 分析这些参数与参数图可了解感兴趣区毛细血管血流动力学,即血流灌注状态。 所以是种功能成像。当前主要用于急性或超急性脑局部缺血的诊断、脑梗死及 缺血半暗带的判断以及脑瘤新生血管的观察,以便区别脑胶质细胞瘤的恶性程 度。也应用于急性心肌缺血的研究,其结果

30、已接近MR灌注成像。近来也有用于 肺、肝、胰和肾的研究报告。CT灌注成像比MR灌注成像操作简单、快捷,是有 发展前途的成像技术。第四节CT诊断的临床应用CT诊断由于它的特殊诊断价值,已广泛应用于临床。但也应在了解其优势的基 础上，合理的选择应用。CT可应用于下述各系统疾病的诊断。中枢神经系统疾病的诊断CT价值较高,应用普遍。对颅内肿瘤、脓肿与肉芽肿、 寄生虫病、外伤性血肿与脑损伤、缺血性脑梗死与脑出血以及椎管内肿瘤与椎间盘 突出等病诊断效果好,诊断较为可靠。因此,除DSA仍用以诊断颅内动脉瘤、脑血 管发育异常和脑血管闭塞以及了解脑瘤的供血动脉以外,其他如气脑、脑室造影等 均已不用。螺旋CT,可

31、获得比较精细和清晰的血管重组图像,即CTA,而且能做到 三维实时显示，所以临床应用日趋广泛。对头颈部疾病的诊断,CT也很有价值。例如,对眶内占位病变、早期鼻窦癌、 中耳小胆脂瘤、听骨破坏与脱位、内耳骨迷路的轻微破坏、耳先天发育异常以及鼻 咽癌的早期发现等。当病变明显，X线平片虽可确诊,但CT检查可观察病变的细节。 至于听骨与内耳骨迷路则需要用CT观察。胸部疾病的CT诊断,(图2-7)已日益显示出它的优越性。对肺癌和纵隔肿瘤等 的诊断,很有帮助。低辐射剂量扫描可用于肺癌的普查。肺间质和实质性病变也可 以得到较好的显示。CT对平片较难显示的病变，例如同心、大血管重叠病变的显示, 更具有优越性。对胸

32、膜、隔、胸壁病变，也可清楚显示。心及大血管CT诊断价值的大小取决于CT装置。需要使用多层螺旋CT或EBCT, 而普通CT诊断价值不大。冠状动脉和心瓣膜的钙化和大血管壁的钙化，螺旋口和 EBCT检查可以很好显示。对于诊断冠心病有所帮助。心腔及大血管的显示,需要经 血管注人对比剂，行心血管造影CT,并且要用螺旋CT或EBCT进行扫描。心血管造 影CT对先心病如心内、外分流和大血管狭窄以及瓣膜疾病的诊断有价值。多层螺旋 CT,通过图像重组可显示冠状动脉的软斑块。CT灌注成像还可对急性心肌缺血进行 观察.腹部及盆部疾病的CT检查，应用也日益广泛，主要用于肝、胆、胰、脾,腹膜 腔及腹膜后间隙以及肾上腺及

33、泌尿生殖系统疾病的诊断,尤其是肿瘤性、炎症性和 外伤性病变等。胃肠病变向腔外侵犯以及邻近和远处转移等,CT检查也有价值。当 然,胃肠管腔内病变情况主要仍依赖于钢剂造影和内镜检查及病理活检。骨骼肌肉系统疾病，多可通过简便、经济的X线检查确诊,使用CT检查较少。 但CT对显示骨变化如骨破坏与增生的细节较X线成像为优。MR的临床应用磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)是利用原子核在磁场内 所产生的信号经重建成像的种影像技术。早在1946年Block和Purcell就 发现了物质的核磁共振现象并应用于化学分析上,而形成了核磁共振波谱学。 1973年1 auter

34、bur发表了 MRI成像技术，使核磁共振应用于临床医学领域。 为了准确反映其成像基础,避兔与核素成像混淆，现已将核磁共振成像改称为磁 共振成像。参与MRI的成像因素较多,决定MRI信号强度的参数至少有10个以 ,只要有1个参数发生变化,就可在MRI信号上得到反映。因此,MRI具有极 大的临床应用潜。由于对MRI成像的贡献,1。auterbur与Mansfierd共获2003 年的诺贝尔奖金。第一节MRI成像基本原理与设备、MRI成像基本原理所有含奇数质子的原子核均在其自旋过程中产生自旋磁动量,也称核磁矩, 它具有方向性和力的效应,故以矢量来描述。核磁矩的大小是原子核的固有特性, 它决定MRI信

35、号的敏感性。氢的原子核最简单,只有单一的质子,故具有最强的 磁矩,最易受外来磁场的影响,并且氢质于在人体内分布最广,含量最高,因此 医用MRI均选用H为靶原子核。人体内的每个氢质子可被视作为个小磁体, 正常情况下,这些小磁体自旋轴的分布和排列是杂乱无章的,若此时将人体置人 在个强大磁场中,这些小磁体的自旋轴必须按磁场磁力线的方向重新排列。此 时的磁矩有二种取向:大部分顺磁力线排列,它们的位能低,状态稳;小部分逆 磁力线排列,其位能高。两者的差称为剩余自旋,由剩余自旋产生的磁化矢量称 为净磁化矢量,亦称为平衡态宏观磁场化矢量M0。在绝对温度不变的情况下, 两种方向质子的比例取决于外加磁场强度（图

36、4 1）。在MR的坐标系中,顺主磁场方向为Z轴或称纵轴,垂直于主磁场方向的平 面为XY平面或称水平面,平衡态宏观磁化矢量M。此时绕Z轴以Larmor频率自 旋，如果额外再对M0施加一个也以Larmor频率的射频脉冲,使之产生共振,此 时M0就会偏离Z轴向XY平面进动,从而形成横向磁化矢量,其偏离Z轴的角度 称为翻转角。翻转角的大小由射频脉冲的大小来决定,能使M翻转90”至XY平 面的脉冲称之为90”脉冲。在外来射频脉冲的作用下M0除产生横向磁化矢量外, 这些质子同向进动,相位趋向一致。当外来射频脉冲停止后,由M0产生的横向磁化矢量在晶格磁场（环境磁场） 作用下,将由XY平面逐渐回复到Z轴,同时

37、以射频信号的形式放出能量,其质 子自旋的相位一致性亦逐渐消失,并恢复到原来的状态。这些被释放出的,并进 行了三维空间编码的射频信号被体外线圈接收,经计算机处理后重建成图像。在MRI的应用中常涉及如下儿个概念:弛豫弛豫是指磁化矢量恢复到平衡态的过程,磁化矢量越大，MRI探测到的信号 就越强。纵向弛豫纵向弛豫又称自旋一晶格弛豫（sPin lattice relaxation）或T1弛豫, 是指90”射频脉冲停止后纵向磁 化逐渐恢复至平衡的过程,亦就是M0由XY平 面回复到Z轴的过程（图42）。其快慢用时间常数T2来表示,可定义为纵向 磁化矢量从最小值恢复至平衡态的63%所经历的弛像时间。不同的组织

38、T1时间 不同，其纵向弛豫率的快慢亦不同,故产生了 MR信号强度上的差别,它们在图 像上则表现为灰阶的差别。由于纵向弛豫是高能原子核释放能量恢复至低能态的 过程,所以它必须通过有效途径将能量传递至周围环境（晶格）中去,晶格是影 响其弛豫的决定因素。大分子物质（蛋白质）热运动频率太慢,而小分子物质（水） 热运动太快,两者都不利于自旋能量的有效传递,故其T1值长（MR信号强度低）， 只有中等大小的分子（脂肪）其热运动频率接近Larmor频率,故能有效快速传 递能量,所以TI值短（MR信号强度高）。通过采集部分饱和的纵向磁化产生 的MR信号,具有T1依赖性,其重建的图像即为T1加权图像。横向弛豫又称

39、为自旋自旋弛豫（spin-spin relaxation）或T2弛豫。横 向弛豫的实质是在射频脉冲停止后,质子又恢复到原来各自相位上的过程,这种 横向磁化逐渐衰减的过程称为T2弛豫。T2为横向弛豫时间常数,它等于横向磁 化由最大值衰减至37%时所经历的时间,它是衡量组织横向磁化衰减快慢的 个尺度。T2值也是个具有组织特异性的时间常数,不同组织以及正常组织和 病理组织之间有不同的T2值。大分子（蛋白质）和固体的分子晶格固定,分子 间的自旋自旋作用相对恒定而持久，故它们的横向弛豫衰减过程快,所以T2 短（MR信号强度低）,而小分子及液体分子因具有快速平动性,使横向弛豫衰 减过程变慢,故T；值长（M

40、R信号强度高）。MR信号主要依赖T2而重建的图像 称为T2加权图像。二、MR! 设备（图 3-1）磁共振成像设备包括5个系统:磁体系统、梯度系统、射频系统、计算机及 数据处理系统以及辅助设备部分。磁体分常导型、永磁型和超导型三种,目前常用的有超导型磁体和永磁体。 磁体性能的主要参数有磁场强度、磁场均匀性、磁场稳定性等。常导型的线圈用 铜、铝线绕成,磁场强度可达0. 15T0.3T;永磁型的磁体由磁性物质制成的磁 砖所组成,较重,磁场强度偏低,最高可达0.3T;超导型的线圈用银钛合金 线绕成,医用MR设备所用的磁场强度一般为0.35T3.0T。梯度系统由梯度 放大器及X、Y、Z三组梯度线圈组成。

41、它的作用是修改主磁场,产生梯度磁场。 其磁场强度虽只有主磁场的几百分之一,但梯度磁场为人体MRI信号提供了空间 定位的三维编码的可能。由于对图像空间分辨力的要求越来越高,故对梯度磁场 的要求也高,目前梯度系统提供的梯度场强已高达60MT/M。射频系统用来发射射频脉冲,使磁化的氢质子吸收能量而产生共振。在弛豫 过程中氢质子释放能量并发出MRI信号,后者被检测系统接收。射频系统主要由 发射与接收两部分组成,其部件包括射频发射器、功率放大器、发射线圈、接收 线圈以及噪声信号放大器等。MRI设备中的计算机系统主要包括模/数转换器、阵列处理机及用户计算机 等。其数据采集、处理和图像显示,除图像重建由傅里

42、叶变换代替了反投影外, 其它与CT设备非常相似（图3-2）。第二节MRI图像特点人体不同器官的正常组织与病理组织的T1值是相对固定的,而且它们之间 有一定的差别,T2值也是如此。这种组织间弛豫时间上的差别，是磁共振成像 诊断的基础。值得注意的是,MRI的影像虽然也以不同的灰度显示,但其反映的 是MRI信号强度的不同或弛豫时间T1与T2的长短，而不象CT图像,灰度反映 的是组织密度。-一般而言,组织信号强,图像所相应的部分就亮,组织信号弱, 图像所相应的部分就暗,由组织反映出的不同的信号强度变化,就构成组织器官 之间、正常组织和病理组织之间图像明暗的对比。MRI的图像（图3-3）若主要反映组织间

43、T1特征参数时,为T1加权像（T1 weighted imaging, T1WI）,它反映的是组织间T1的差别,T1WI有利于观察解 剖结构。若主要反映组织间T2特征参数时,则为T2加权像(T2 weighted imaging, T2WI) , T2WI对显示病变组织较好。还有一种称为质子密度加权像(Proton density weighted imaging, PdWI)的图像,其图像的对比主要依赖于组织的质 子密度,又简称质于加权像。MRI是多参数成像,因此,在MRI成像技术中,采用不同的扫描序列和成像 参数,可获得T1加权像、T2加权像和质子加权像(图3-4)。在经典的自旋回波(sp

44、in echo, SE)序列中,通过调整重复时间(repetition time, TR)和回波时间(echo time, TE),就可得到上述三种图像。一般短TR、短TE可获得T1加权像;长 TR、长TE可获得T2加权像,长TR、短TE可获得质子加权像。第三节MR!检查技术MRI成像技术有别于CT扫描,它不仅可行横断面,还可行冠状面、矢状面 以及任意斜面的直接成像。同时还可获得多种类型的图像,如T1WI、T2WI等。 若要获取这些图像必须选择适当的脉冲序列和成像参数。一、序列技术MRI成像的高敏感性基于正常组织与病理组织弛豫时间T!及T2的不同,并 受质子密度、脉冲序列的影响，常用的脉冲序列

45、有:1 .自旋回波(SE)序列采用“90 -180 ”脉冲组合形式构成。其特点为 可消除由于磁场不均匀性所致的去相位效应,磁敏感伪影小。但其采集时间较长, 尤其是T2加权成像，重T2加权时信噪比较低。该序列为MRI的基础序列。2 .反转恢复(inversion recovery, IR)序列采用180 -90 -180 ”脉 冲组合形式构成。其特点为具有较强的T1对比，短反转时间(inversion time, TI)的反转恢复序列,同时具有强的T2对比,还可根据需要设定TI,饱和特定 组织产生具有特征性对比的图像,如短T1反转恢复(short Tl Inversion recovery, S

46、TIR) 液体衰减反转恢复(fluid attenuated inversion recovery, FLAIR)等序列。3 .快速自旋回波(turbo SE, TSE； fast SE, FSE)序列 采用 90 -180 -180 脉冲组合形式构成。其图像对比性特征与SE相似, 磁敏感性更低,成像速度加快,使用大量180射频脉冲,射频吸收量增大,其 中T2加权像中脂肪高信号现象是TSE与SE序列的最大区别。4 .梯度回波(gradient echo, GRE)序列梯度回波技术中,激励脉冲小于 90 ,翻转脉冲不使用!80 ,取面代之的是对极性相反的去相位梯度磁场及 相位重聚梯度磁场，其方法

47、与SE中频率编码方向的去相位梯度及读出梯度的相 位重聚方法相同。由于小翻转角使纵向磁化快速恢复,缩短了重复时间TR,也 不会产生饱和效应,故使数据采集周期变短,提高了成像速度。其最常用的两个 序列是快速小角度激发(fast low angle shot, FLASH)序列和稳态进动快速成 像(fast imaging with steady state precession, FISP)序歹!。5 .快速梯度自旋回波(TGSE)序列TGSE是在TSE的每个自旋回波的前面和 后面,再产生若干个梯度回波,使180翻转脉冲后形成一组梯度和自旋的混合 回波信号,从面提高单位重复时间(TR)的回波数。该

48、序列具有SE及TSE的对 比特点,且较之具有更高的磁敏感性，采集速度进步加快。6 .单次激发半傅里叶采集快速自旋回波(half-fourier acquisition single-shot -turbo-SE, HASTE)序列该序列在一次激励脉冲后使用128个 180聚焦脉冲,采集128个回波信号,填写在240X256的K空间内。HASTE序 列具有TSE序列T2加权图像的特征,每幅图像仅需一次激励便可完成数据采集, 高速采集可冻结呼吸及其它生理性运动。因此该序列多用于有生理性运动器官的 T2加权成像。7 .平面回波成像(echo planar imaging, EPI) EPI技术是迄今

49、最快的MRI 成像技术,它是在一次射频脉冲激励后在极短的时间内(30ms100ms)连续采 集一系列梯度回波,用于重建一个平面的MRI图像。EPI技术已在临床广泛应用, 单次激发EPI,以扩散成像、灌注成像、脑运动皮层功能成像为目前主要的应用 领域,多次激发EPI则在心脏快速成像、心脏电影、血管造影、腹部快速成像等 领域取得进展。二、MR对比增强检查MRI影像具有良好的组织对比,但正常与异常组织的弛豫时间有较大的重 叠,其特异性仍较差。为提高MRI影像对比度,一方面着眼于选择适当的脉冲序 列和成像参数,以更好地反映病变组织的实际大小、程度及病变特征;另一方面 则致于人为地改变组织的MRI特征性参