第六章_磁共振成像设备

0第六章磁共振成像设备........................................................................................................1第一节磁共振成像原理.................................................................................................1一、磁共振成像基本原理.......................................................................................1二、磁共振成像脉冲序列.......................................................................................5第二节磁共振成像系统.................................................................................................8第三节磁共振成像的临床应用...................................................................................131第六章磁共振成像设备学习目标学习目的通过学习磁共振成像设备的基本结构、技术指标及临床应用等相关知识，为磁共振成像设备和后续专业课的学习打下良好的基础。知识要求掌握磁共振成像系统的结构；熟悉磁共振成像基本原理；了解磁共振成像脉冲序列和磁共振成像设备的临床应用。能力要求熟练掌握该类设备有别于其他医疗器械的技术特征；学会区分该类设备临床应用的特点。磁共振成像（MagneticResonanceImaging，MRI）是利用人体内原子核在磁场内与外加射频磁场发生共振而产生影像的一种成像技术。MRI是随着计算机技术的飞速发展以及在X线CT的临床应用基础上发展起来的一种医学数字成像技术，既能显示人体形态学结构，又能显示原子核水平上的生化信息，还能显示某些器官的功能状态，以及无辐射等诸多优点，已越来越广泛的应用于临床各系统的检查诊疗中。随着MRI技术的不断改进，其功能日趋完善，应用范围不断拓宽，是当今医学影像学领域发展最快、最有潜力的一种成像技术。第一节磁共振成像原理一、磁共振成像基本原理1．核磁共振现象微观领域中的核子都有自旋的特性。核子的自旋产生小磁矩，类似于小磁棒。质子数或中子数至少有一个为奇数的大量原子核可在静磁场中体现出宏观磁化来，其磁化矢量与静磁场同向。而每单个原子核在静磁场中做着不停的进动运动（一方面不断自旋，同时以静磁场为轴做圆周运动），进动频率（PrecessionFrequency）（即质子每秒进动的次数）为ω0=γB0，γ为原子核的旋磁比（对于每一种原子核，γ是一个常数且各不相同，如氢质子γ值为42.5MHz/T），B0为静磁场的场强大小。人体含有占比重70%以上的水，又由于2氢质子磁矩不为零，这些水中的氢质子是磁共振信号的主要来源，其余信号来自脂肪、蛋白质和其他化合物中的氢质子。对静磁场中的质子群沿着垂直于静磁场的方向施加某一特定频率的电磁波——其频率在声波范围内，故称为射频（RadioFrequency，RF）——原来的宏观磁化就会以射频场为轴发生偏转（章动），其偏转角度取决于射频场的施加时间、射频强度和射频波形。当然，一个关键条件是：射频的频率必须与静磁场中的质子的进动频率一致。宏观磁化发生章动的实质是质子群中一部分质子吸收了射频的能量，使自己从低能级跃迁到了高能级。这种现象即称为原子核的磁共振现象。如果将此时的宏观磁化进行二维分解，会发现射频激励的效果是使沿静磁场方向的磁化矢量（纵向磁化）减小，而垂直于静磁场方向的磁化（横向磁化）增大了。RF脉冲有使进动的质子同步化的效应，质子同一时间指向同一方向，处于所谓“同相”，其磁化矢量在该方向上叠加起来，即横向磁化增大。使质子进动角度增大至90°的RF脉冲称为90°脉冲，此时纵向磁化矢量消失，只有横向磁化矢量。同样还有其他角度的RF脉冲。质子的进动角度受RF脉冲强度和脉冲持续时间影响，强度越强、持续时间越长，质子的进动角度越大，且强RF脉冲比弱RF脉冲引起质子进动角度改变要快。实例解析实例：总结所学常用的影像学检查方法中无电离辐射的有哪几种方法？解析：超声、MRI2．弛豫及弛豫时间短暂的射频激励（一般为几十微秒）以后，宏观磁化要恢复到原始的静态。从激励态恢复到静态要经历一个与激励过程相反的两个分过程，一个是横向磁化逐渐减小的过程（即为横向弛豫过程，T2过程）（图6-1）；另一个是纵向磁化逐渐增大的过程（纵向弛豫过程，T1过程）（图6-2）。纵向弛豫过程的本质是激励过程吸收了射频能量的那些质子释放能量返回到基态的过程。能量释放的有效程度与质子所在分子大小有关，分子过大或很小，能量释放将越慢，弛豫需要的时间就长。如水中的质子，0.5T场强下弛豫时间4000毫秒；分子结构处于中等大小，能量释放就很快，T1就短，如脂肪内的质子，0.5T场强下弛豫时间仅为260毫秒左右。横向弛豫过程的本质是激励过程使质子进动相位的一致性逐渐散相（即逐渐失去相位一致性）的过程，其散相的有效程度与质子所处的周围分子结构的均匀性有关，分子结构越均匀，散相效果越差，横向磁3化减小的越慢，需要的横向弛豫时间（T2）就越长；反之，分子结构越不均匀，散相效果越好，横向磁化减小越快，T2就越短。图6-1横向弛豫时间图6-2纵向弛豫过程3．自由感应衰减磁共振成像设备中，接收信号用的线圈和发射用的线圈可以是同一线圈，也可以是方向相互正交的两个线圈，线圈平面与主磁场B0平行，其工作频率都需要尽量接近Larmor频率。线圈发射RF脉冲对组织进行激励，在停止发射RF脉冲后进行接收。RF脉冲停止后组织出现弛豫过程，磁化矢量只受主磁场B0的作用时，这部分质子的进动即自由进动，因与主磁场方向一致，所以无法测量，而横向磁化矢量垂直并围绕主磁场方向旋进，按电磁感应定律（即法拉第定律），横向磁化矢量的变化，能使位于被检体周围的接收线圈产生随时间变化的感应电流，其大小与横向磁化矢量成正比，这个感应电流经放大即为MR信号。由于弛豫过程横向磁化矢量的幅度按指数方式不断衰减，决定了感应电流为随时间周期性不断衰减的振荡电流，因而它是自由进动感应产生的，被称为自由感应衰减（FreeInductionDecay，FID）。90°脉冲后，由于受纵向弛豫时间T1和横向弛豫时间T2的影响，磁共振信号以指数曲线形式衰减，如图6-3所示，其幅度随时间指数式衰减的速度就是横向弛豫速率（1/T2）。图6-3自由感应衰减信号及其产生图6-1图6-2图6-344．空间定位磁共振信号的三维空间定位是利用施加三个相互垂直的可控的线性梯度磁场来实现的。根据定位作用的不同，三个梯度场分别称为选层梯度场（GS）、频率编码梯度场（Gf）和相位编码梯度场（Gp）；三者在使用时是等效的，可以互换，而且可以使用二个梯度场的线性组合来实现某一定位功能，从而实现磁共振的任意截面断层成像。（1）选层：沿静磁场方向叠加一线性梯度场GS可以选择发生磁共振现象的人体断层层面，RF的频带宽度与梯度场强度共同决定层厚（图6-4）。层厚与RF带宽成正相关，与梯度强度成反相关；图6-4射频带宽与选层梯度场共同决定层厚（2）频率编码：沿选定层面内的X方向叠加一线性梯度场Gf，可使沿X向质子所处磁场线性变化，从而共振频率线性变化，将采集信号经傅立叶变换后即可得到信号频率与X方向位置的线性一一对应关系，如图6-5所示。图6-5频率编码（3）相位编码：沿选定层面内的Y方向施加一线性梯度场Gp（时间很短，在选层梯度之后，读出梯度之前），则沿Y方向的质子在进动相位上呈现线性关系，将采集信号经傅立叶变换后，可以得到Y向位置与相位的一一对应关系，如图6-6所示。图6-4图6-5图6-65图6-6相位编码实际的序列中还有一些梯度场不起空间定位作用，主要有相位平衡梯度、快速散相梯度、重聚相梯度等。5．成像方法磁共振成像方法指的是将人体组织所发出的微弱的磁共振信号如何重建成一幅二维断面图像的方法，主要有点成像法、线成像法、面成像法、体积成像法等。（1）点成像法：对每个组织体素信号逐一进行测量成像的方法，主要包括敏感点法和场聚焦法。（2）线成像法：一次采集一条扫描线数据的方法，主要包括敏感线成像法、线扫描以及多线扫描成像法、化学位移成像法等。（3）面成像法：同时采集整个断面数据的成像方法，主要包括投影重建法、各种平面成像法以及傅立叶变换成像法等。（4）体积成像法：在面成像法的基础上发展起来的，不使用选层梯度进行面的选择，而是施加两维的相位编码梯度和一维的频率编码梯度同时对组织进行整个三维体积的数据采集和成像方法。磁共振的成像方法很多，但选择RF脉冲的带宽和形状，使之能激发一个已知的频带，并控制梯度场来选取一个点、一条线、一个层面，甚至选取整个成像体积来获得信号，是各种成像方法的共同点。任何一种成像法的实现，均与机器的软硬件设计紧密相关。二、磁共振成像脉冲序列一幅灰度磁共振图像的实质有两个：①每个像素与人体组织体素之间的一一对应关系，即对获取到的MR信号进行空间定位；②是每个像素的灰度值的确定，即尽量使正常组织和病变组织在图像上体现出较大的明暗差别（对比度）来。磁共振脉冲序列（PulseSequence）就是为了解决第二个问题的。根据病变组织和正常组织之间的多个参数（密度、T1、T2、含氧量、扩散系数、弹性、温度、流动效应等等）的不同，研发出不同的脉冲序列，通过不同的灰度更好的显示出病变组织和正常组织之间的对比。所谓脉冲序列就是通过对射频脉冲的幅度、宽度、波形、软硬以及时间间隔、施加顺序、周期等和梯度磁场的方向、梯度大小、空间定位作用的协调控制与配合施加的总称，目的是获取符合诊断要求6的图像来。目前的脉冲序列名目繁多，各个公司推出的序列名称总计大概有一百多种，出现了许多同质不同名的序列，如同为快速自旋回波序列，可称为TES（TurboSE）、FSE（FastSE）、RISE（RapidimagingSE）。按照MR信号的类型脉冲序列可划分为三大家族：自由感应衰减（FreeinductionDecay，FID）序列家族、自旋回波（SpinEcho，SE）序列家族、梯度回波（GradientEcho，GE）序列家族。知识链接脉冲序列的时间参数1.重复时间（TR，repetitiontime）是指脉冲序列执行一遍所需要的时间，也就是从第一个RF激励脉冲出现到下一周期同一脉冲出现时所经历的时间。2.回波时间（TE，echotime）是指从第一个RF脉冲到回波信号产生所需要的时间。3.反转时间（TI，invertiontime）是指在反转恢复脉冲序列中，180°反转脉冲与90°反转脉冲之间的时间间隔。自由感应衰减序列家族利用FID信号来进行重建图像。最早期的磁共振序列就是这一家族的部分饱和（PartialSaturation，PS）脉冲序列，又称为饱和恢复（SaturationRecovery，SR）脉冲序列，其序列形式如图6-7所示。实际上它是TR时间极长（3～5倍T1时间）而TE极短（为0）的SE序列，因此图像反映的是完全的质子密度像，与CT图像反映的组织参数相同。图6-7部分饱和恢复序列（FID）自旋回波序列家族中的SE序列是目前临床中最基础最常用的序列，其序列形式如图6-8所示。该序列可以通过采用相应的TR时间和TE时间来获取不同的组织参数加权像，使得正常组织和病变组织（或两种组织）之间的不同参数的差别体现在图像对比度上，比如人脑内的脑白质和脑灰质，二者的密度参数很接近，因此反映密度参数的CT图像上二者灰度很接近，不能很好分辨。但二者的T1和T2参数差别较大，因此通过配合改变