网-MR成像基础-2015-10更新版

磁共振成像MagneticResonanceImaging（2015-10更新版）中国石油中心医院影像科杨景震（基础部分）（注：内有动画设置，浏览时需采用幻灯放映模式）主要内容磁共振技术的发展及概况简要介绍磁共振成像基本原理及概念磁共振检查方法及临床应用磁共振成像的主要优点及限度1946发现磁共振现象BlochPurcell1971发现肿瘤的T1、T2时间长Damadian1973做出两个充水试管MR图像Lauterbur1974活鼠的MR图像Lauterbur等1976人体胸部的MR图像Damadian1977初期的全身MR图像Mallard1980磁共振装置商品化2003诺贝尔奖金LauterburMansfierd时间发生事件作者或公司磁共振发展史MR成像技术的发展：四个阶段20世纪70年代中—80年代初：初步认识、逐步完善成熟阶段。80年代初—90年代初：广泛应用，但仅限于T1\T2层面成像。注重于解剖结构及形态的变化。90年代初—90年代末：快速发展阶段。检查时间缩短、随着快速或超快速成像技术的应用，扩散加权、灌注加权、MRA、水成像、功能成像等技术用于研究功能与活动机制。90年代末—21世纪至今天：上述技术不断成熟的同时，有多种成像方法进入临床应用，并进入磁共振分子影像学阶段。磁共振设备按照场强分为：低场强、中场强、高场强、超高场强0.4T以下0.5-1.0T1.5T3.0T以上磁体类型：永磁型、超导型特斯拉（Tesla,T）NikolaTesla(1857-1943),奥地利电器工程师，物理学家，旋转磁场原理及其应用的先驱者之一。1T=10000G（高斯）RaymondDamadian与第一台MRI装置（1977）MRI基本原理普通CT成像示意图螺旋CT原理示意图磁共振没有射线实现人体磁共振成像的条件:利用人体内氢原子核作为磁共振中的靶子，它是人体内最多的物质。H核只含一个质子不含中子，最不稳定，最易受外加磁场的影响而发生磁共振现象。有一个稳定的静磁场（磁体）：常导型、永磁型、超导型0.15-0.4T、0.5-1.0T、1.5T、3.0T-7.0T。梯度场和射频场：前者用于空间编码和选层，后者施加特定频率的射频脉冲，使之形成磁共振现象。信号接收装置：各种线圈。计算机系统：完成信号采集、传输、图像重建、后处理等。磁共振成像的过程：H核子自然状态：磁矩和角动量互相抵消，人体不显磁性。外加磁场中H核子状态：人体处于轻度磁化状态，在顺／逆主磁场方向的两种排列方式中，顺向者多，磁矢量经正负方向相互抵消后，保留7／百万的H核子用于MR信号接收，这些顺向排列（低能态）形成的磁矢量联合形成总磁矩M，并与静磁场（B0）方向相同。施加射频（RF）脉冲后H核子状态：外加一个与主磁场成一定角度（90度）的短暂射频脉冲。该脉冲的频率与质子的进动频率相同，则H核子受到激励，由原来的低能态跃迁到高能态，形成了H核子“共振”现象。射频（RF）脉冲停止后H核子状态：射频脉冲停止，接受到能量后的“高能态”质子以电磁波的形式将所吸收的能量散发出来。其横向磁化消退，纵向磁化恢复。人体内的H核子可看作是自旋状态下的小星球。自然状态下，H核进动杂乱无章，磁性相互抵消。按照单一核子进动原理,质子群在静磁场中形成的宏观磁化矢量M。zMZx进入静磁场后，H核磁矩发生规律性排列（正负方向），正负方向的磁矢量相互抵消后，少数正向排列（低能态）的H核合成总磁化矢量M，即为MR信号基础。yzyyxB0xMXYAB在A-B这一过程中，产生能量zB0MZ代表主磁场的方向90度对Mz施加90度的射频脉冲B0射频脉冲激发使磁场偏转90度，关闭脉冲后，磁场又慢慢回到平衡状态（纵向)•Relaxation•弛豫•放松、休息脉冲停止后，发生了一种物理学现象：弛豫•射频脉冲停止后，在主磁场的作用下，横向宏观磁化矢量逐渐缩小到零，纵向宏观磁化矢量从零逐渐回到平衡状态，这个过程称为核磁弛豫。•核磁弛豫又可分解为两个部分：•横向弛豫•纵向弛豫横向弛豫也称为T2弛豫，简单地说，T2弛豫就是横向磁化矢量减少的过程。90度脉冲横向磁化矢量的缩短即是相位散失的过程T2弛豫是由于进动质子的失相位用T2值来描述组织T2弛豫的快慢不同的组织横向弛豫速度不同（T2值不同）T2WI平衡状态90度激发后采集信号时刻脑水T2WI两种组织的信号差别——是这样获得的采集时TEmsT2弛豫：减少到37%的时间，以脑灰质与脑脊液为例。脑灰质T2弛豫相对较短，又称短T2——较低信号；脑脊液T2弛豫长，又称长T2——高信号；TEMxy100%TE时间（ms）选择合适长的TE获得最好的T2对比合适长的TET2对比一般TE选择两种组织生物T2值附近可获得最好的T2对比纵向弛豫也称为T1弛豫，是指90度脉冲关闭后，在主磁场的作用下，纵向磁化矢量开始恢复，直至恢复到平衡状态的过程。90度脉冲纵向弛豫高能的质子释放能量纵向弛豫的机理90度激发低能的质子获能进入高能状态晶格震动频率低于质子进动频率能量传递慢－－含高浓度大分子蛋白晶格震动频率接近于质子进动频率能量传递快－－脂肪，含中小分子蛋白质高能的质子把能量释放给周围的晶格（分子）晶格震动频率高于质子进动频率能量传递慢－－纯水T1弛豫是由于高能质子的能量释放回到低能状态用T1值来描述组织T1弛豫的快慢不同组织有不同的T1弛豫时间人体各种组织的T2弛豫要比T1弛豫快得多T1T2▲MR只能采集旋转的横向磁化矢量MR不能检测到纵向磁化矢量，但能检测到旋转的横向磁化矢量▲在任何序列图像上，信号采集时刻旋转横向的磁化矢量越大，MR信号越强纵向弛豫T1WI脂水平衡状态90纵向弛豫90采集时TRms第二次两种组织的T1纵向弛豫信号是这样获得的T1弛豫：到达63%的时间，以脂肪与脑脊液为例脂肪T1值约250ms，弛豫时间短，又称短T1——高信号；脑脊液T1值约3000ms，弛豫时间长，又称长T1——低信号；TRMz100%TR时间（ms）T1对比合适短的TR选择合适短的TR获得最好的T1对比一般TR选择两种组织生物T1值附近可获得最好的T1对比不同组织的横、纵向弛豫时间不同是因各自T2、T1值不同T2弛豫T1弛豫我们很容易发现：重要提示!!!人体大多数病变的T1值、T2值均较相应的正常组织大，因而在T1WI上比正常组织“黑”，在T2WI上比正常组织“白”。1.5T场强下正常人体组织的T1、T2参考值组织名称T1值T2值脑白质350-500ms90-100ms脑灰质400-600ms100-120ms脑脊液3000-4000ms1200-2000ms肝脏350-400ms45-55ms脾脏400-450ms100-160ms肾皮质350-420ms80-100ms肾髓质450-650ms120-150ms骨骼肌500-600ms70-90ms皮下脂肪220-250ms90-130ms结合实际应用举例我们知道T2WI的对比主要取决于扫描参数TE（时间：ms）某脏器中存在病变，就一定能检查出来吗？MR与CT检查的意义是不一样的就MRI而言，不同的人操作，有的操作者会查出病灶；有的则查不出病灶；也有的可以将恶性病变扫描出来感觉像良性灶……Mxy100%TE时间（ms）选择合适长的TE获得最好的T2对比合适长的TET2对比一般TE选择两种组织生物T2值附近可获得最好的T2对比•正常肝实质T2值50ms•肝脏实性病变的T2值55-116ms•越接近肝实质T2值的病灶越难检出•选择60-90ms的TE有利于实性病灶特别是小病灶的检出•肝脏常规T2WI的TE应该为60-90ms•检出病灶后，为区分T2值较长的实性病灶与富水病灶（囊肿、血管瘤）可选择120-150ms的TE以肝脏为例，T2WI技术关键之一：选择合适TEMR参数对我们成像检查的实际意义举例TE=84msTE=152ms丙肝病人肝癌（长箭）与血管瘤（短箭），TE84ms时，含水较多的癌与富水的血管瘤二者不易区分；而TE152ms时，血管瘤仍高信号，癌灶则信号衰减，呈实性为略高信号。1.5T场强下正常人体组织的T1、T2参考值组织名称T1值T2值脑白质350-500ms90-100ms脑灰质400-600ms100-120ms脑脊液3000-4000ms1200-2000ms肝脏350-400ms45-55ms脾脏400-450ms100-160ms肾皮质350-420ms80-100ms肾髓质450-650ms120-150ms骨骼肌500-600ms70-90ms皮下脂肪220-250ms90-130ms实际中，肝脏的T2WI对比：将TE设置70-80ms；肾脏呢？肾脏一般T2WI对比：将TE设置为120ms-150msA图：90°脉冲后，纵向磁化矢量0。若选很长TR，在下一次90°激发时（向下的空箭示），甲乙两组织纵向磁化矢量已完全恢复，此时采集的信号就不会有甲乙两种T1弛豫的差别信息。若选很短的TR（向上的空箭头示），甲乙两种组织的纵向磁化矢量还未恢复，下一次的90°脉冲就测不到组织的信号；若选合适短的TR（向下虚线箭示），甲乙两组织由于T1弛豫快慢不同，其已经恢复的纵向磁化矢量不同，下一次90°后所采集的信号就带有两种组织T1弛豫差别的信息。T1弛豫快的甲组织T1弛豫慢的乙组织2种组织纵向弛豫示意图2种组织横向弛豫示意图TR和TE控制着组织T1、T2弛豫对图像对比的影响ABB图：90°脉冲后，丙丁两组织横向磁化矢量100%。若选很短TE，90°脉冲产生的横向磁化矢量还没有开始衰减前即采集了MR信号（向下短空箭示），则采集到的MR信号几乎不受丙丁两组织横向弛豫差别的影响；若选很长的TE（向下的长空箭头示），则两种组织的横向磁化矢量几乎完全衰减，探测不到组织信号；若选合适长的TE（向下虚线箭示），丙丁两组织由于T2弛豫速度不同，残留下来的横向磁化矢量大小就不同，所采集的回波信号中就带有两种组织T2弛豫差别的信息。T2弛豫慢的丁组织T2弛豫快的丙组织●人体——进入磁场——磁化——施加射频脉冲、H核磁矩发生90°偏转，产生能量——射频脉冲停止、弛豫过程开始，释放所产生的能量（形成MR信号）——信号接收系统——计算机系统●在弛豫过程中，涉及到2个时间常数：纵向弛豫时间常数—T1；横向弛豫时间常数—T2●加权（weighted）的概念：MR成像过程中，T1、T2弛豫二者同时存在，只是在某一时间内所占的比重不同。如果选择突出纵向（T1）弛豫特征的扫描参数（脉冲重复时间和回波时间，以毫秒计）用来采集图像，即可得到反映以T1弛豫为主的图像，当然其中仍有少量T2弛豫成分，因是以T1弛豫为主，故称为T1加权像（weightedImagingWI）。如果选择突出横向（T2）弛豫特征的扫描参数采集图像………加权或称权重，有侧重、为主的意思●因为人体各种组织如肌肉、脂肪、体液等，各自都具有不同的T1和T2弛豫时间值，所以形成的信号强度各异，因此可得到黑白不同灰度的图像SE序列常规K空间的填充形式（对称、循序填充）MR数据采集与CT截然不同K空间与CT比较，虽然都是层面成像，但是MR的图像采集复杂磁共振常规检查图像的特点T1加权像、T2加权像、质子加权像SE序列各加权像的参数匹配加权成像TR（ms）TE（ms）T1WI短（≤500）短（≤30）T2WI长（≥2000）长（≥60）PdWI长（≥2000）短（≤30）加权像（weightedimaging）短TR（200-500ms）、短TE（20ms）长TR（2000ms）、长TE（50ms）长TR（2000ms）、短TE（20ms）T1WIT2WIPDT1WIT2WIPDT2weightedimaging，T2WIT1weightedimaging，T1WIMR层面成像、成像参数多、任意多方位直接成像、血管流空效应X线透视X线照相CTT1WI轴位T2WI轴位T1WI冠状T1WI矢状血管流空人体不同组织的MR信号特点黑白灰度对比：X光片、CT均以密度高低