磁共振成像的基本原理.ppt
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1、磁共振成像的基本原理磁共振成像的基本原理孝感市中心医院孝感市中心医院鲁国卫鲁国卫磁共振现象的发现及发展磁共振现象的发现及发展 1924年年pauli在进行电在子波谱试验中在进行电在子波谱试验中发现了许多原子核象带电的自旋粒子一样发现了许多原子核象带电的自旋粒子一样具有角动量和磁动量具有角动量和磁动量 1946年美国物理学家年美国物理学家Block和和Purcell分别测出了在均匀物质中磁共振的能量吸分别测出了在均匀物质中磁共振的能量吸收,进一步证实了核自旋的存在,并为此收,进一步证实了核自旋的存在,并为此获得了获得了1952年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖磁共振的应用磁共振的应用物理化学:利用
2、磁共振波谱测定物质的化物理化学:利用磁共振波谱测定物质的化学结构学结构医学影象:磁共振成像及化学物质含量测医学影象:磁共振成像及化学物质含量测定定磁场的核自旋磁场的核自旋 原子核的组成原子核的组成:质子:质子+中子(不带电)中子(不带电)原子核的特性原子核的特性:自旋自旋(角动量角动量)杂乱无章杂乱无章 磁场中的原子核磁场中的原子核:如图:如图 平行方向(低能级)平行方向(低能级)反平行方向(高能级)反平行方向(高能级)1H的原子核结构及特性的原子核结构及特性1H原子核仅有一个质子,无中子原子核仅有一个质子,无中子其磁化敏感度高,在人体的自然其磁化敏感度高,在人体的自然 丰富度很丰富度很高,是
3、很好的磁共振靶核高,是很好的磁共振靶核拉摩进动拉摩进动:f(进动频率进动频率)=R(磁旋比)磁旋比)B(主磁场矢量)主磁场矢量)R:1.0T=42.57MHZ 1.5T=63.85MHZ 0.5T=21.28MHZ 宏观磁化矢量宏观磁化矢量:与主磁场:与主磁场B方向一致的宏方向一致的宏 观磁矩。观磁矩。(纵向纵向磁化)磁化)磁矩(磁场,有强度、方位和方向)磁矩(磁场,有强度、方位和方向)矢量(某一方向上一定量的力)矢量(某一方向上一定量的力)净磁化矢量净磁化矢量:相互抵消后剩余磁矩的叠:相互抵消后剩余磁矩的叠 加。如图加。如图 磁共振的条件磁共振的条件激发磁场的频率与自旋系统的进动频率相激发磁
4、场的频率与自旋系统的进动频率相等。等。自旋系统吸收激发磁场能量内能增加自旋系统吸收激发磁场能量内能增加二共振现象二共振现象射频脉冲效应射频脉冲效应1.1:量子物理学角度:量子物理学角度:射频射频(AF)=电磁波电磁波+光子光子.能级差能级差.跃进跃进(拉摩频率相同)(拉摩频率相同)1.2:经典物理学角度:经典物理学角度:(横向磁化)(横向磁化)ZYXB1MXY射频激发使自旋的横向磁矩相位一致射频激发使自旋的横向磁矩相位一致(相位相干),产生一个大的横向磁(相位相干),产生一个大的横向磁化矢量化矢量MXY。相位是矢量与参照轴间相位是矢量与参照轴间的夹角的夹角三、磁共振信号三、磁共振信号l信号的产
5、生:信号的产生:AF 净磁化矢量绕净磁化矢量绕 B0 进进 动动(拉摩频率拉摩频率)感应交变感应交变电电 流流 接收线圈感应信号接收线圈感应信号 随时间衰减(随时间衰减(自由感应衰自由感应衰减减)l磁共振信号的测定只能在垂直于主磁场的磁共振信号的测定只能在垂直于主磁场的平面(平面(横向磁化矢量横向磁化矢量)进行)进行自由感应衰减信号(FID)四、弛豫四、弛豫 弛豫概念:磁化矢量恢复到平衡态的过程弛豫概念:磁化矢量恢复到平衡态的过程1.横向弛豫横向弛豫:横向磁化矢量从最大衰减到零:横向磁化矢量从最大衰减到零 的过程的过程 (T2弛豫或自旋弛豫或自旋自旋弛豫)自旋弛豫)T2*是磁化矢量衰减到初始值
6、是磁化矢量衰减到初始值37%的时间的时间横向弛豫的机理横向弛豫的机理由于磁场的不均匀性,自旋的进动频率不由于磁场的不均匀性,自旋的进动频率不同,当同,当RF 停止后,横向磁矩间很快出现相停止后,横向磁矩间很快出现相位弥散(相位不相干、去相位)进动,使位弥散(相位不相干、去相位)进动,使横向磁化矢量逐渐消失横向磁化矢量逐渐消失横向磁化对比横向磁化对比由于各种组织的由于各种组织的T2不同,在横向弛豫过程不同,在横向弛豫过程中,不同时刻各种组织在横向磁化中的比中,不同时刻各种组织在横向磁化中的比例不同,因而产生了不同组织间的横向磁例不同,因而产生了不同组织间的横向磁化对比。也称为化对比。也称为T2对
7、比对比人体正常组织的人体正常组织的T2值值影响横向弛豫的因素影响横向弛豫的因素组织特异性:小分子长,大分子组织特异性:小分子长,大分子短短晶格的物理状态:液态慢、固态快晶格的物理状态:液态慢、固态快晶格的温度:低快,高慢晶格的温度:低快,高慢周围大分子结构:加快周围大分子结构:加快无磁场强度依赖性无磁场强度依赖性2.纵向弛豫纵向弛豫:纵向磁化矢量从零恢复到最大:纵向磁化矢量从零恢复到最大 值的过程值的过程 (T1弛豫或自旋弛豫或自旋晶格弛豫)晶格弛豫)T1是纵向磁化矢量从零增长到最大值是纵向磁化矢量从零增长到最大值63%的的时间点时间点纵向弛豫的机理纵向弛豫的机理 波动的晶格磁场是一个连续频率
8、的波波动的晶格磁场是一个连续频率的波动磁场,动磁场,Lamor 频率的晶格磁场可以吸收频率的晶格磁场可以吸收激发态自旋所释放的量子化能量,恢复其激发态自旋所释放的量子化能量,恢复其平衡态。晶格磁场的频率越接近平衡态。晶格磁场的频率越接近 Lamor 频频率,纵向弛豫的速度越快。人体各种不同率,纵向弛豫的速度越快。人体各种不同类型组织的晶格磁场频率有差异。纵向弛类型组织的晶格磁场频率有差异。纵向弛豫速度不同豫速度不同纵向磁化对比纵向磁化对比由于各种组织的由于各种组织的T1不同,在纵向弛豫过程不同,在纵向弛豫过程中,不同时刻各种组织在纵向磁化中的比中,不同时刻各种组织在纵向磁化中的比例不同,因而产
9、生了不同组织间的纵向磁例不同,因而产生了不同组织间的纵向磁化对比。也称为化对比。也称为T1对比对比人体正常组织的人体正常组织的T1值值影响纵向弛豫的因素影响纵向弛豫的因素组织特异性:中等大小分子快,小分子及组织特异性:中等大小分子快,小分子及大分子慢大分子慢晶格的物理状态:液态快、固态慢晶格的物理状态:液态快、固态慢晶格的温度:低快,高慢晶格的温度:低快,高慢周围大分子结构:加快周围大分子结构:加快磁场强度:低场快,高强慢磁场强度:低场快,高强慢五、空间定位五、空间定位1梯度磁场梯度磁场:不改变主磁场的方向但可改变:不改变主磁场的方向但可改变 局部磁场的强度和质子的旋进局部磁场的强度和质子的旋
10、进 频率。频率。()()横轴位横轴位:自上至下场强不同的梯度磁场:自上至下场强不同的梯度磁场()()矢状位矢状位:自右至左场强不同的梯度磁场:自右至左场强不同的梯度磁场()()冠状位冠状位:自后至前场强不同的梯度磁场:自后至前场强不同的梯度磁场2层面层厚选择层面层厚选择:梯度磁场选定后调节射频冲:梯度磁场选定后调节射频冲 的中心频率(带宽)。层厚的中心频率(带宽)。层厚与带宽成正比。增加梯度磁与带宽成正比。增加梯度磁场强度可减薄断层的厚度场强度可减薄断层的厚度3频率编码频率编码和和相位编码相位编码:对被激发层面内的:对被激发层面内的信息进行编码启动信息进行编码启动频率编码频率编码和和相位编码相
11、位编码梯度场,使每一个象素具有特定相位和频梯度场,使每一个象素具有特定相位和频率的特征性信号率的特征性信号4二维傅立叶变换图像重建方法二维傅立叶变换图像重建方法:傅立叶变换:傅立叶变换 将时间将时间强度的信号关系变换为频率强度的信号关系变换为频率强度的信号关系。这种数学变换模式称为傅立强度的信号关系。这种数学变换模式称为傅立叶(叶(Fourier transform)变换。将一个信号的频变换。将一个信号的频率(读出)和相位成份区分开,可得到该面每率(读出)和相位成份区分开,可得到该面每个体素的信息。个体素的信息。5多层采集技术多层采集技术。6三维傅立叶成像三维傅立叶成像磁共振成像检查磁共振成像
12、检查磁共振成像序列磁共振成像序列一、自旋回波(一、自旋回波(SE)序列:最基本,最常用序列:最基本,最常用的脉冲序列。的脉冲序列。自旋回波信号(自旋回波信号(SE)TE(回波时间)回波时间)TR(重复时间)重复时间)1T1加权像加权像:短短TR(500ms左右)和短左右)和短TE(10-25ms)2T2加权像加权像:长长TR(1500-2500ms)和长和长TE(80-120ms)3质子密度加权像质子密度加权像:长:长TR和短和短TE二二.反转恢复(反转恢复(IR)序列序列 三.短时反转恢复(短时反转恢复(STIR)序列:序列:主要用于抑制脂肪信号。主要用于抑制脂肪信号。四自由水抑制反转恢复(
13、自由水抑制反转恢复(FLAIR)序列序列 五梯度回波序列梯度回波序列磁共振血管成像磁共振血管成像一、时间飞越时间飞越(TOF)法法:二维二维(2D)和和(3D)TOF法法对慢血流敏感对慢血流敏感,背景抑制较差背景抑制较差。二、相位对比二、相位对比(PC)法:法:2D-PCA和和3D-PCA背景抑制好有较高的血管对比背景抑制好有较高的血管对比。磁共振对比增强检查磁共振对比增强检查 一一MRI常用对比剂常用对比剂Gd-DTPA(钆或磁显葡胺钆或磁显葡胺),顺磁性造影剂顺磁性造影剂特点:特点:、弛豫性强,缩短、弛豫性强,缩短T1和和T2弛豫时间弛豫时间.、细胞外间隙分布,迅速由肾脏排、细胞外间隙分布
14、,迅速由肾脏排泄,毒性小,安全系数大。泄,毒性小,安全系数大。、生物相容性好,结构稳定,具有较高的、生物相容性好,结构稳定,具有较高的溶解度溶解度二二.适应证适应证肿瘤肿瘤、炎性疾病炎性疾病、血管性疾病血管性疾病、寄生虫寄生虫、血管成血管成像等像等。磁共振信号特点及病理生理基础磁共振信号特点及病理生理基础 短短T1WI 短短T2WI 长长T1WI 长长T2WI常见常见组织的组织的MRI信号特点信号特点 T1WIT2WI 组织组织 组织特性组织特性 组织特性组织特性 脂肪脂肪 TI值短值短 高信号高信号 T2值长值长 高信号高信号 液体液体TI值很长值很长 低信号低信号 T2值很长值很长 高信号
15、高信号 骨皮质骨皮质TI值长值长 低信号低信号 T2值短值短 低信号低信号 空气空气TI值长值长 低信号低信号 T2值短值短 低信号低信号 钙化钙化TI值长值长 低信号低信号 T2值短值短 低信号低信号 实质脏器实质脏器TI值较长值较长 中等信号中等信号 T2值较长值较长 中等信号中等信号 大多数肿大多数肿瘤瘤TI值延长值延长 低信号低信号 T2值延长值延长 高信号高信号 二二.信号异常的病理生理基础信号异常的病理生理基础 1、水水自由水自由水:分子小具有较高的自然运动频率。分子小具有较高的自然运动频率。结合水结合水:依附在大分子周围,构成水化层,依附在大分子周围,构成水化层,自然运动频率低自
16、然运动频率低。认识自由水和结合水的概念有助于认识病认识自由水和结合水的概念有助于认识病变的内部结构变的内部结构,有利于对病变作定有利于对病变作定性诊断。性诊断。2、水肿水肿 血管源性水肿血管源性水肿:血脑屏障破坏,血浆由血血脑屏障破坏,血浆由血管管内内漏漏出出进进入入细细胞胞外外间间隙隙。细胞毒素水肿细胞毒素水肿:缺氧:缺氧ATP减少减少钠钠-钾泵失常钾泵失常水进入细胞水进入细胞内内细胞肿胀细胞肿胀。间间质质性性水水肿肿:脑脑室室压压力力增增高高,出出现现脑脑积积液液经室管膜迁移至脑室周围。经室管膜迁移至脑室周围。3、出血出血急性血肿急性血肿(02天天):T2中心部低信号。中心部低信号。T1无
17、信号。无信号。亚急性血肿初期亚急性血肿初期(第(第3天):天):T1血肿由外围开始血肿由外围开始出现高信号,出现高信号,T2无影响。无影响。亚急性血肿中期亚急性血肿中期(68天)天):T2出现高信号出现高信号T1高高信号由外周向中央扩大信号由外周向中央扩大亚急性血肿后期亚急性血肿后期(1014天):血肿周围出现低天):血肿周围出现低信号环。信号环。T2信号更加明显。信号更加明显。4血流异常血流异常血流信号受血流方向血流信号受血流方向、速度速度、大小大小、时相时相、运行方式及扫描序列的影响,一般运行方式及扫描序列的影响,一般情况下缓慢血流呈高信号,快速血流呈低情况下缓慢血流呈高信号,快速血流呈低
18、信号。信号。颅脑颅脑MRI诊断诊断 一一.颅脑的正常解剖颅脑的正常解剖(一一).大脑半球大脑半球1.中央沟中央沟:中央沟将额叶与顶叶分开是大中央沟将额叶与顶叶分开是大脑凸面最深的一条脑沟脑凸面最深的一条脑沟.2.顶枕沟顶枕沟:与顶枕叶之间向外延伸至大脑与顶枕叶之间向外延伸至大脑外侧面的一条脑沟外侧面的一条脑沟.3.外侧裂外侧裂:为额叶顶叶及颞叶的界缘为额叶顶叶及颞叶的界缘,颞内颞内有大脑中动脉的大分支有大脑中动脉的大分支4.半球纵裂半球纵裂:此裂将大脑分成两半球此裂将大脑分成两半球,内有内有大脑镰和大脑前动大脑镰和大脑前动脉脉.(二二).深部脑结构及脑室系统深部脑结构及脑室系统 1.灰质结构灰
19、质结构:主要分为基底节和丘脑主要分为基底节和丘脑.基底节基底节:包括尾状核、壳核、苍白包括尾状核、壳核、苍白球、屏状核和杏仁核球、屏状核和杏仁核.豆状豆状核:壳核苍白球。纹状体核:壳核苍白球。纹状体:尾状核尾状核+壳核壳核.丘脑丘脑:位于内囊膝部及后肢内后侧的一个位于内囊膝部及后肢内后侧的一个大的卵圆形灰、白质核团。背侧构大的卵圆形灰、白质核团。背侧构成侧脑室体部底的内侧部,内侧构成侧脑室体部底的内侧部,内侧构成三脑室的侧壁。成三脑室的侧壁。2.白质结构白质结构胼胝体胼胝体:是连接两侧大脑半球的巨大白质是连接两侧大脑半球的巨大白质联合联合.分嘴、膝、体、压四部。分嘴、膝、体、压四部。内囊内囊:
20、是上达放射冠下至大脑脚的扇形传入是上达放射冠下至大脑脚的扇形传入传出纤维束传出纤维束.主要分为前肢、膝部、主要分为前肢、膝部、后肢、豆状核后部和下部。后肢、豆状核后部和下部。3.脑室系统脑室系统:为分泌、储存、循环脑脊液为分泌、储存、循环脑脊液(CSF)结构。分为侧脑室、三结构。分为侧脑室、三脑室及四脑室脑室及四脑室.(三三).蝶鞍和鞍旁区蝶鞍和鞍旁区垂体垂体:包括腺垂体和神经垂体包括腺垂体和神经垂体.男性垂体男性垂体高高 径径8mm,生育期女性生育期女性10mm.垂体柄垂体柄直径直径4mm.海绵窦海绵窦:血管血管,神经丰富神经丰富.(四四).后颅窝后颅窝脑干脑干:中脑、桥脑、延髓。中脑、桥脑
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- 磁共振 成像 基本原理
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