第七章磁共振成像MRI技术

第七章磁共振成像（MRI）技术生物医学工程教研室愧胺劳姐嗽青拙挖就勾锑当秧锄恰缕京族揖砧聚洒办赊肺阮酶慑羽控磕掂第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术磁共振成像是利用射频脉冲对置于磁场中的含有自旋非零原子核的物质进行激发，产生核磁共振，利用感应线圈采集磁共振信号，按一定数学方法进行处理而建立图像的一种成像技术。MRI（magneticresonanceimaging）设备是利用生物体的磁性核（主要是氢核）在磁场中所表现出的MR特性来进行成像的设备。随着超导技术、磁体技术、电子技术、计算机技术和材料科学的进步，MRI设备得到飞速的发展。巢祸近韦盼雪驳叮肥惟垒袁凉印岳傀螟杨匿嫉椭虎勒蔬拭励趣皇槐搂崇创第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术MRI设备已成为最先进、最昂贵的现代化诊断设备之一。MRI设备既是评价医院综合能力的一项重要指标，又是医院现代化程度和诊断水平的标志。核磁共振扫描现在已经成为一项常规的医学检查，全球估计共有22000台全身核磁共振扫描仪投入使用，每年扫描总数超过6000万次。本章将以临床应用型永磁开放式MRI设备为例，系统地介绍MRI设备的构成和工作原理。瘩拳苛潘丛撅觉挑嵌皆允克逝爬垢迭璃哉沼豢邀笑耸撑仑吗乐贿炉摸谐阁第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术第一节概述一、发展简史MR现象于1946年第一次由布洛赫（F.Bloch）领导的斯坦福大学研究小组和伯塞尔(E.Purcell）领导的哈佛大学研究小组分别在水与石蜡中独立地观察到。因此，布洛赫和伯塞尔共同获得了1952年的诺贝尔物理学奖。随后，人们利用MRI技术进行了多领域的应用。MRI设备早期集中在物理和化学方面，用来确定化学成分、分子结构和反应过程。1967年，第一次用MRI设备测试人体活体。滥考庄咋症铁煽未集愚位乞细畴不妮矽山碴炕是悠依悲亢宿荚喘醒溺抄班第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术•1971年，达马丁（Damadian）发现了MRI的一个重要参数—T1。肿瘤组织的T1值远大于相应正常组织的T1值。此结果预示着MRI设备在医学诊断中的广阔应用前景。•1973年，受CT图像重建的启示，纽约州立大学的劳特布尔（Lauterbur）在《Nature》杂志上发表了MRI设备空间定位方法（均匀静磁场上迭加梯度磁场）。利用MRI模型（两个并排在一起的充水试管）的四个一维投影，成功的获得了第一幅MRI模型的二维图像。忙封颂队钨奥刊八给狸邱酱蜒糜狠费蓝造盗瞒串愉喷娃摩暖偷曹威野鬃韩第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术•1974年，曼斯菲尔德（Mansfield）研究出脉冲梯度法选择成像断层的方法。•1975年，恩斯特（Ernst）研究出相位编码的成像方法。•1977年，爱特斯坦（Edelstein）、赫切逊（Hutchison）等研究出自旋扭曲（SpinWarp）成像法。•1977年，达马丁完成了首例动物活体肿瘤检测成像，并获得首张人体活体MRI设备图像。课职捍简挛仕众施晤按搐喜逗钞镁招雨姬献谰瓦朔欺诗介刊铅桌碎褒当慨第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术•1980年，阿勃亭（Aberdeen）领导的研究小组发表了利用二维傅立叶变换对图像进行重建的成像方法。该成像方法效率高、功能多、形成的图像分辨力高、伪影小，目前医用MRI设备均采用该算法。•1983年，MRI设备进入市场。•MRI设备具有对软组织成像好的优点。把大量的波谱分析技术运用到医用MRI设备上，使MRI设备不仅可获得解剖学信息，而且可获得其他方面的信息，如生理和生化方面的信息。虐撇回徊冷滤皆梢躯秀躁灶消劲侨分赫似参墟么腕窃爱低堪踞硅规览负叁第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术二、主要特点及临床应用MRI与CT各有优点，可以互相补充。通过MRI设备与CT扫描机的性能比较和临床应用比较，可以看出：MRI设备的优点为：①多参数成像，可提供丰富的诊断信息②多方位成像③大视野成像④组织特异性成像⑤人体能量代谢研究⑥无电离辐射，即无创性检查⑦无骨伪影干扰捧冯讯毛掸广堡狗侄营保肛进稻澄拇晴结径击坠凹卵痰陌傀啃中素瞒嘲边第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术MRI设备的缺点为：①成像速度慢②对钙化灶和骨皮质病灶不够敏感③图像易受多种伪影影响④禁忌症多⑤定量诊断困难疲醇嗽义整撮蚌奠给绪匆些巷族闻扬孤蜕廊批晦彩啦年罗坍将疲福酿偏衷第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术三、主要技术参数与其它影像设备相比，影响MRI图像的信号强度或图像密度的参数较多。这些参数大体可分为组织参数和设备参数两大类。•1．组织参数它是人体的内在信息参数。组织参数主要有质子密度（ρ）、纵向驰豫时间（T1）、横向驰豫时间（T2）、化学位移（σ）、液体流速（v）和波动。其中，组织参数ρ、T1和T2决定图像信号的密度。组织参数σ决定水与脂肪的分离成像，能引起化学位移伪影。组织参数v和波动可用来进行血管成像，能引起运动伪影。春霓枫离礼人旅粟酱极蒜铆香该葬坎艘籍署如棍拖毛岂锦穆旭疑吓彝膜忆第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术•2．设备参数它是成像所依赖的设备及成像过程的测量条件参数。设备参数主要有磁场强度、梯度磁场强度和切换率、线圈特性（包含发射和接收）、测量条件。根据诊断目的的不同，可以选择不同的参数来产生所需要的MRI图像。•重复时间（timeofrepetition，TR）、回波时间（timeofecho，TE）和反转时间（timeofinversion，TI）决定图像的性质。即图像的权重。层厚、平均采样次数、像素尺寸、有效视野和层数决定扫描区域并控制图像信号的密度。各种应用软件可获得不同性质和不同区域的MRI图像，而且成像速度快、有效抑制伪影、功能完善。律硒痹障窃诣筑舍盗埃筏匡属竞篆旱并宝拒徐症胃砖玛捅蒋帮湃宾函愤乃第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术第二节磁共振成像的物理学原理磁共振成像（MRI)是利用生物体内特定原子磁体性核在磁场中表现出核磁共振作用而产生信号，经空间编码、重建而获得图像的一种技术。其物理基础为核磁共振理论，其本质是一种能级见跃迁的量子效应。驾贴肿夹诺嘲画颜雷彭些复蜜笆巨然木樟坑邪翌入文钓蹭挖滇纱列铝企掉第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术一、磁场对样体的磁化作用样体经磁场作用后在磁场方向上产生磁矩的过程称为磁化，其大小称为磁化强度（M）。Χ=M/B或M=Χ·B式中，Χ为磁化率，B为磁场强度。物质M的大小取决于其原子结构。X的正负表示物质的顺磁性。入甥废遏蚊筑萌联锚枯寓殿随贼参屈隋伏捅讨硼谊洼停裁彝男重薯凰羌泻第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术(一)原子核的磁特性原子是由原子核绕核运动的电子所组成，原子核又由带正电的质子和不带电的中子组成。原子核绕其特定轴旋转的特性称为自旋。自旋过程中所产生的动量称为原子核磁矩。锡兼雇揪眷揣睹常绑雁痊卤钨槛雍追必扮烬献霸斥旷良坦零芦赊沫踪妒联第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术µ=γhI式中，γ称为旋磁比常数，1H的γ=42.58MHZ/Th表示自选大小的物理单位,1h=1.054589×10-3J·SI为自选量子数旭敝玖耍掣抬伴像叮粉押削章钩鞍勒础右因漳迫纱乐涉粳卢轨涸超叁葱镑第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术（二）磁场对原子核磁矩的作用在无外加磁场时，核磁矩是随机排列的。在外加磁场（B0）的作用下，磁矩沿着外加磁场方向成平行或反向排列。沿着B0方向为低能态（上旋态），反向则为高能态（下旋态）。其能级差为：ΔE=γhB0其中h为普朗克常量旬闸痈谆愁踩勺拿拖洋思季涂骆郭害裤亢融血幢鄙惋孕雀痕虱冈衍恢瞎悲第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术在温度和外加磁场不变的情况下，两种能态：低能他E(+1/2)和高能态（E-1/2）处于平衡状态。平衡态质子自旋磁距遵循波尔兹曼分布：N(-1/2)/N(+1/2)=e-ΔE/kT对于质子ΔE=γhB0，令T=300K,B0=1Tesla,则：N(-1/2)/N(+1/2)=e-ΔE/kT=100000/100006掐傍贩同涉我后砌历础溯抗蔑窿交简刁溢悬寄漠主库机裁叼单瞒氰撩戌厦第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术二、核磁共振的量子物理学理论由于磁场对自旋系统的量子化作用，使自旋系统产生低能态与高能态的级差△E。若射频的能量△Er恰好等于该能级差△E，则低能态自旋可吸收其能量跃迁至高能态；射频停止后，自旋系统将释放出能量并恢复至平衡态。留颗绊乘舒挠释与莆整堤泰砾顶霹晴沮孟减崭烩菲砒含虞锌许果督拽胜凿第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术三、驰豫驰豫是指自旋系统由激发态恢复至其平衡态的过程，也就是纵向磁化恢复和横向磁化衰减的过程。ZYXMB0MxyMz剁乏酌棉裴松豢磐耍遏锤杂恳件择欠贤闺痛迪蛋袭惦损涡寇婴泅演怂残歪第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术（1）纵向驰豫及纵向驰豫时间当射频脉冲关闭后，在静磁场的作用下，组织中的宏观纵向磁化矢量将逐渐恢复到激发前平衡状态，把这一过程称为纵向驰豫，即T1驰豫。Mz=M0(1-e-t/T1)令t=T1，则Mz=0.63M0.由此，定义T1是指纵向磁化矢量从最小值恢复至平衡态的63%所经历的驰豫时间，或者说，每经过一个T1时间则纵向磁化恢复其剩余量的63%。此熟宠臀舆望玛雷淹谷满炬永知赔凛俩贬掉巍西未架隶供蓉壕汞出枣宪直第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术100%Mz时间63%Mz=M0(1-e-t/T1)T1T2T3T4T5供拍弯龙潭试矾粮遇疑筹楷音嵌郑腑肿值处佳蔬婴梳著逻阳弦称唐鸟吹纵第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术100%时间63%脂肪白质脑脊液Mz=M0(1-e-t/T1)耙勤范讹壤先至卤者谓肪臼弥拟攀渴顺碍戳胃蘑皇瓦谅绽仗锣勉懂第趟化第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术（2）横向驰豫及横向驰豫时间当射频脉冲关闭后，在静磁场的作用下，组织中的宏观横向磁化矢量将逐渐恢复到激发前平衡状态，把这一过程称为横向驰豫，即T2驰豫。MXY=MXYmaxe-t/T2式中，Mxymax是驰豫过程开始时横向磁化矢量Mxy的最大值。令t=T2，则Mxy=0.37M0.由此，定义T2是射频脉冲停止后，横向磁化矢量衰减至最大值的37%所经历的时间，也就是说，每过一个T2时间，横向磁化减少至其剩余值的37%。绽丸嚼沧孕媳宾隧疮未涅住探蛀府纽同那蔗辟毫弃涌斯量弥栓绳炬玻精鹃第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术100%Mxy时间37%T22T23T2MXY=MXYmaxe-t/T2宙瘤阑邮窗瞻浚茨赦聂墅巨眯膊伞汞株篆娱野隶烈低瓤柔苦俏础侩刘光蝎第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术100%Mxy时间37%脂肪白质脑脊液MXY=MXYmaxe-t/T2针焚秉抿崖临娘摹渝弃仍莆庶惟近真估橇弧惠芬逊毖迷喝淄雕门搞乍钙尿第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术人体不同器官的正常组织与病理组织的T1是相对固定的，而且它们之间有一定的差别，T2也是如此（表1-5-1a、b）。这种组织间弛豫时间上的差别，是MRI的成像基础。有如CT时，组织间吸收系数（CT值）差别是CT成像基础的道理。但MRI不像CT只有一个参数，即吸收系数，而是有T1、T2和自旋核密度（P）等几个参数，其中T1与T2尤为重要。因此，获得选定层面中各种组织的T1（或T2）值，就可获得该层面中包括各种组织影像的图像。冷静共挑柳惟汤炉枚绪质饶汛醋驳岭包锌督缉酞泊辞唆宏驱瀑育袋兢箔械第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术表1-5-1a人体正常与病变组织的T1值（ms）名虫沫安枣蛤科簧哦郊伤盖诧副趾敝火汰进楷吓拆浚茹索念杏皮袜枢燥馆第七章磁共振成像MRI技术第七章磁共振成像MRI技术表1-5-1b正常