磁共振(MRI)成像原理

1第五章磁共振成像（magneticresonanceimaging,MRI）邹凯影像学生物医学工程教研室2第一节磁共振信号与加权图像影响磁共振信号强度的因素1）核密度2）3）流速21TT3脉冲序列是由一些90º和180º脉冲构成，MR信号强度不但取决于这些信号的高度和宽度，而且取决于脉冲间的时间间隔和组成方式，操作者可以改变的这些序列参数。脉冲序列4加权图像•图像的灰度主要由一个特定成像参数所决定，这就是所谓的加权图像（WeightedImaging，WI）•所以可以是多参数的成像，灰度表示的某个参数（主要）的影响；5一、自由感应衰减信号与加权图像6•净磁场是均匀的情况下，自由感应衰减信号（FID）的衰减速度反应了样品自旋自旋相互作用时间常数T2；•净磁场不均匀的情况下，FID信号还要受到磁场非均匀性的作用，衰减更快，用时间常数T2*描述；7自由感应衰减的影响因素•主要受质子的平均密度的影响•质子密度图像；timee-t/T2*90RF0MRsignal90º脉冲后立即采集信号；8自由感应衰减的影响因素•受质子的平均密度的影响•幅度还要受到T2*的影响•T2*加权timee-t/T2*90RF0MRsignal90º脉冲后不立即采集信号；9二、自旋回波信号与加权图像1自旋回波序列：（spinecho，SE）（最基本最常用的脉冲序列，包括单回波SE序列和多回波SE序列）由90º、180º脉冲组成主要用于检测T2TI:脉冲间隔时间TR:序列重复时间TE:回波时间（一般TE=2T1）10重复时间TR•在MRI成像过程中，需多次施加射频脉冲，反复施加的射频脉冲序列称为脉冲序列，连续施加的重复脉冲之间的时间间隔称为脉冲重复时间（TR）;回波时间（TE)•横向磁化最初产生到测量间的时间间隔称为回波时间（TE），横向弛豫发生在该期间;1）单回波SE脉冲首先使用一个90º脉冲，等待一段时间再施加一个180º脉冲使质子相位重聚，产生自旋回波信号；自旋回波法的脉冲序列及FID，SE信号1314•相位重聚过程中，不是所有的自旋核都能准确地重聚相位，180º脉冲只能使由于静磁场不均匀性所造成的自旋去相位产生相位重聚；•自旋-自旋作用所导致的局部磁场不均匀性是随机变化的，180º脉冲不能重聚相位；•回波时间越长，回波信号越小；15几个问题•如何克服T2*影响；•信号的采集是在哪里进行的？•和成像有什么关系？162）多回波SE序列•多回波SE序列是在一个TR周期中，于90º脉冲后，再以特定的时间间隔连续施加多个180º脉冲，由此产生多个自旋回波，这样可以在一次扫描中获得多幅有不同TE值的质子密度加权像和T2加权像；172自旋回波信号幅值2/0''TtyxeMM2/01TTEeMI)1(1/0'TTzReMM212//0/'2)1(TTTTTTzEREeeMeMI第一周期中，横向磁化强度变化为第一周期中SE信号的幅值第一周期结束，纵向磁化强度恢复第二周期回波幅值式中K：与主磁场、自旋核种类有关的常数B0：主静磁场强度:流体速度函数，固态组织为1TE：回波时间TR：序列重复时间1R2ETTTT0e1e)H(vfBKIvf19注意！•自旋回波序列能够消除的是静磁场不均匀性造成的去相位重聚；•一个周期TR的时间是远小于T1和T2的，但是比T2*还是要长；1R2ETTTT0e1e)H(vfBKI•式子中有几个参数是可调的，多回波序列是这一过程的不断循环公式分析：对同一组织为一常数(1)回波时间TE相同T2长的组织回波信号强(恢复慢)T2短的组织回波信号弱(恢复快)(2)回波时间TE不同TE长上述差别增大对比度增大TE短上述差别不明显对比度减小1R2ETTTT0e1eHvfBKIvfH(3)序列重复时间TR相同T1长的回波信号弱(恢复慢)T1短的回波信号强(恢复快)(4)序列重复时间TR不同TR长上述差别不明显对比度减小TR短上述差别明显对比度增大1R2ETTTT0e1eHvfBKI223.SE序列的加权图像•在SE脉冲序列中，图像的加权主要是由扫描常数TR和TE决定的•TR的长度决定了纵向磁化的恢复程度•TE长度决定了横向磁化的衰减程度加权图像1.加权图像（密度加权）MR信号对比主要依赖的图像2.加权图像（纵向驰豫时间常数加权）MR信号对比主要依赖的图像3.加权图像（横向驰豫时间常数加权）MR信号对比主要依赖的图像H1T2TH2T1T1.T1加权脉冲序列方法TE短TR短15~25ms200~800ms原因：TE短T2对比度不明显TR短T1对比度增强图像为ρ,T1双参数成像1R2ETTTT0e1eHvfBKI25T1-加权•短TR:较大的T1对比度•短TE:较小的T2影响,较强的信号T1T22.T2加权脉冲序列方法TR长TE长TRT1TE(90~120ms)原因：TR长T1对比度不明显TE长T2对比度增强图像为ρ,T2双参数成像1R2ETTTT0e1eHvfBKI27T1T2T2加权•长TR:–减弱了T1的影响•长TE:–扩大了T2–相对较差的SNR•MRI基本就是测量回波信号的大小；•对于T2加权序列，TE越长，则短T2区域的信号损失就越大3.加权脉冲序列方法：TR长TE短TRT1TET2原因：TR长T1对比度不明显TE短T2对比度不明显结果：突出了与信号幅度的相关性一般取TR1500ms～2500msTE15ms～25ms)H(1R2ETTTT0e1eHvfBKI30T1T2质子密度加权•长TR:–减弱T1对比度–较强信号•短TE:–减弱T2对比–较强信号31三、反转回复信号与加权图像–反转恢复自旋回波脉冲–反转恢复的幅值；–几种加权；)21(1/0'TtzeMM32反转恢复自旋回波序列IRSE33IRSE序列•质子密度加权图像，使用长T1，短TE，纵向磁化完全恢复；•T1加权，中等TI，短TE和长TR•短时反转恢复成像（STIR）•流动衰减反转恢复图像；（FLAIR）34第二节磁共振图像重建1.梯度磁场BG结构：由通电的梯度线圈（一对通电方向相反的线圈构成）建立一、梯度和梯度磁场ZZB1O2O1O2O35磁场梯度(1)•线性磁场梯度利用一对平行放置的导线产生，导线中通有直流电，方向相反幅值一定；•梯度磁场显著低于主磁场；•可以有三种梯度磁场，XYZ方向用于对各向断面进行选层；在磁共振成像中，人体在磁场中仰卧时头脚方向为Z轴，左右方向为X轴，前后方向为Y轴.三对梯度线圈可分别在Z、X、Y三个方向产生Z梯度、X梯度、Y梯度.Z梯度作横断面选择X梯度作矢状面选择Y梯度作冠状面选择作用：提供磁共振信号（人体氢原子核）的空间位置信息。梯度线圈产生线性梯度磁场叠加在主磁场B0上。对图象空间分辨率、信噪比、对比度成像时间、层面选择响较大。IB0B1(B+Gz)0zPosition,zCenterFrequency1.层面的选择（设在Z方向上选层）在主磁场B0（Z）方向再叠加一个线性梯度场样品中的磁场由均匀磁场非均匀磁场拉莫尔频率公式射频频率通过射频频率来选层通过改变射频频率来选择不同层面G0BBBBGBBIRF二、断层选择40不同的断层的磁场不同，旋进速度也不同，使得自旋核进入去相位状态，Mxy衰减加快。为此通常在梯度磁场脉冲后加入一个于其方向相反的相位重聚脉冲，使散开的相位趋于一致，以补偿信号幅度的降低；层面选出后,还需对标定出来的层面各体素进行空间编码.1）相位编码（行编码）沿Y轴方向施加Y梯度，则Y轴上不同位置的自旋核具有不同的旋进频率，且成线性变化.使各体素的磁化强度矢量在旋进园锥上所处位置不同，即它们的相位不等，所以空间位置Y用相位编码.三、相位编码和频率编码2）频率编码（列编码）沿X轴方向施加X梯度，则X轴不同位置的自旋核具有不同的旋进频率，且成线性变化.即沿X轴体素的频率不同，对应于X轴空间位置的不同，所以空间位置X用频率编码.改变方位,即改变梯度磁场方向,重复用连续射频电磁波照射,测出不同方位下一系列MR的投影数据及共振频率,通过计算机处理,利用滤波反投影法,算出各体素的,再通过转换送入监视器即可获得该断面上以灰度显示的共振图像.21TT、、AD45•MR图像的的重建是求出各谐波成分，即各体素的MR信号；•施加n个不同的相位编码，梯度编码•重建的时间四、二维傅里叶变换图像重建46五、三维傅里叶变化成像47六、K空间与磁共振图像重建•MRI数据最开始是存储在‘k-空间’矩阵里•(空间频率及时间频率;x:k,f:t–傅里叶变换对;和梯度磁场存在拉莫尔关系f=(/2p)∙Gx∙x)•空间频率编码.:[-kmax,kmax]•FID以编码FEG作为kx，以PEG作为ky最大信号在K中间的中心+k······-k-k+k48k-空间得到影像•K-空间通过傅里叶变换重建回影像2D-FT49K-空间•K空间中间区域是一些低频的信号显示的是图像大区域的对比度等信号；•周围的较高空间频率提供的是影像的分辨率和细节Max.signalincenterofk-space+k······+k-k-k50PseudoTimek-space51频率–k-空间中心2D-FT522D-FT532D-FT54第三节快速成像序列一、快速自旋回波序列二梯度回波序列三回波平面成像序列55一、快速自旋回波序列•（一）概述•快速自旋回波（fastspin-echo，FSE）序列是多回波SE序列的改良。•FSE序列：在一个TR周期内先发射一个90°RF脉冲，然后相继发射多个180°RF脉冲，形成多个自旋回波。56概述57多回波SE序列：每个周期获得一个特定相位编码数据，每个TR中相位梯度以同一强度扫描，采集的数据只填充K-空间的一行，每个回波参与产生一幅图像，最终获得多幅不同加权图像。FSE序列：每个TR内获得多个彼此独立的不同的相位编码数据，形成每个回波所要求的相位梯度大小不同，采集的数据可填充K-空间的几行，最终一组回波结合形成一幅图像。一个TR内获得多个相位编码数据，可用较少的TR周期形成一幅图像，缩短扫描时间。58•FSE序列扫描时间：••ETL为每个90°RF脉冲之后具有独立相位编码的回波数，称回波链长（echotrainlength，ETL）。•与SE序列相比，FSE序列的扫描时间降低了ETL倍。增加回波链能够显著地减少扫描时间，不过回波链过长（使模糊伪影明显），ETL为4～32个。ETLNNTRty59半傅里叶采集单次激发快速自旋回波序列•HASTE序列是单次激发快速成像序列，结合半傅里叶采集技术，一幅256×256矩阵的图像数据在1s内可采集完。•半傅里叶采集：仅采集正相位编码行、零编码以及少数几个负相位编码行的数据，然后利用Ｋ-空间的数学对称原理对正相位编码数据进行复制，最终由采集数据以及复制数据重建成一幅完整图像。扫描时间降低了近一半。FSE的拓展60•单次激发序列是在一次90°激发脉冲后使用一连串（如128个）180°复相脉冲，采集一连串的回波信号快速形成图像。•HASTE序列主要用于生成T2WI，因为仅需一次激发便可完成采集，大大减少了运动伪影。•重T2加权HASTE序列用于胆道、泌尿道、内耳、椎管等部位的水成像。61•GRE（gradientecho）序列又称为场回波（fieldecho，FE）序列。•★1．构成：用＜90°（α）RF脉冲激发，采用较短的TR时间，用反转梯度取代180°复相脉冲。•RF脉冲激发后产生的信号大小与RF前的MZ恢复程度成正比，若用90°RF脉冲，发射后必须等待相当长的时间，使组织的MZ有一定程度的恢复才能重复下一次激