磁共振成像(MRI)的基本原理

1磁共振成像(MRI)的基本原理MagneticResonanceImaging同济医科大学附属协和医院MR室刘定西2磁共振现象的发现及发展1924年pauli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具有角动量和磁动量。1946年美国物理学家Block和Purcell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，并为此获得了1952年诺贝尔物理学奖。3NSRF4T:F射频频率射频强度5磁共振的应用•物理化学|：利用磁共振波谱测定物质的化学结构。•医学影象：磁共振成像及化学物质含量测定。6第一节：原子及其磁特性•原子的构成•自旋•自旋磁矩•净自旋7原子的构成•原子核•核外电子•质子（＋）•中子•核外电子（－）8原子核的运动特性•自旋：物体沿一定方向绕自身某一轴的转动•自旋角动量I：由于自旋运动的矢量性，自旋具有一定的角动量，自旋角动量I通常也称为自旋I。I为矢量。910自旋磁矩•自旋粒子的磁性：带电粒子的自旋都可产生磁矩。•原子核运动的自旋磁矩：每一个自旋I对应于一个磁动μ，μ=гhI：11312净自旋•原子核的运动:自旋•净自旋：具有自旋磁动量的自旋。•零自旋/非零自旋：净自旋为零/净自旋不为零•净自旋产生的条件:奇数质子和/或奇数中子•净自旋的意义：是磁共振信号来源的基础。•自旋系统：磁场中所有自旋的集合。131H的原子核结构及特性1H原子核仅有一个质子，无中子。其磁化敏感度高，在人体的自然丰富度很高，是很好的磁共振靶核。14第二节：磁场•磁场的概念•均匀磁场•稳定磁场•交变磁场15磁场•物质场•对磁性物质的力效应•磁场的强度16均匀磁场大小方向恒定不变的磁场.17交变磁场大小或方向呈规律性变化的磁场18XYBX=BsinaBY=BcosaaB(RF)19第三节：磁场对样体的作用•磁化:磁场对样体作用的过程。•磁化强度m：样体经过磁化而产生的磁矩的大小。•磁化率：单位磁场强度的磁化强度X=m/B。顺磁性物质的磁化率为正值，抗磁性物质的磁化率为负值。•影响磁化率的因素：1、外层电子；2、原子核结构。20NSM:21磁场对磁矩的作用垂直于磁场的磁矩，磁场对其以磁转矩形式产生作用，即以磁场为轴垂直于磁场转动。22M1M223YM0B1XZ2425自旋在磁场中的运动•进动（旋进）：自旋轴绕磁场方向的圆周运动。遵循lamor定理，w=rB0•影响进动频率的因素：磁场强度。•进动的方向：上旋态与下旋态。262728量子化与平衡态•量子化概念：在磁场的作用下，自旋只能处于两种能级状态，低能态（上旋态）与高能态（下旋态）自旋只有吸收或释放一个特定能量值（E）时才相互转化。•量子化遵循波兹定律E(1/2)/E(-1/2)=exp(rhI/kT)•平衡态：在磁场和温度的作用下，样体达到稳定磁化的状态。是一种动态平衡。2930剩余自旋与净磁化•剩余自旋：平衡态时，上旋态与下态自旋差。•净磁化M（宏观磁化）：自旋系统在磁场作用下产生的磁化总量。是所有自旋磁矩的矢量和。M=ΔB0·N/T•影响M的因素：静磁场强度、温度、自旋密度（单位体积的自旋数）。•纵向磁化：平行于磁场方向的磁化矢量•横向磁化：垂直于磁场方向的磁化矢量3132磁共振成像中的坐标系统XYZ33第四节核磁共振现象•单摆共振•核磁共振34单摆共振的条件•系统与激发源的固有频率相同•系统吸收能量内能增加F35核磁共振的条件•激发磁场的频率与自旋系统的进动频率相等。•自旋系统吸收激发磁场能量内能增加36射频•射频及磁特性•射频的空间效应•射频激发与核磁共振•章动与翻转角θ=rB1t•90°、180°脉冲，α脉冲•射频对自旋磁矩的相位相干效应37XYBX=BsinaBY=BcosaaB(RF)38XYZM0B1射频磁场对磁矩的激发3940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化矢量MXY。相位是矢量与参照轴间的夹角MXY横向磁化的相位相干进动41横向磁矩的相位XYm1m3m2MXYa42XYM0B1横向磁化的检测MXY43自旋弛豫•自旋弛豫：自旋系统由激发态恢复到其平衡态的过程。可分为纵向弛豫和横向弛豫两个过程。•纵向弛豫（自旋晶格弛豫、T1弛豫）：纵向磁化逐渐恢复的过程。•横向弛豫（自旋自旋弛豫、T2弛豫）：横向磁化逐渐消失的过程4445纵向弛豫的机理波动的晶格磁场是一个连续频率的波动磁场，Lamor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，恢复其平衡态。晶格磁场的频率越接近Lamor频率，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。纵向弛豫速度不同。46影响纵向弛豫的因素•组织特异性：中等大小分子快，小分子及大分子慢•晶格的物理状态：液态快、固态慢。•晶格的温度：低快，高慢。•周围大分子结构：加快。•磁场强度：低场快，高强慢47纵向弛豫特征时间常数T1•T1：射频激发停止后，纵向磁化弛豫至其平衡态值的63%时所经历的时间。•MZ=M0(1－e-t/T1)•T1的物理学意义：弛豫周期。48纵向磁化对比由于各种组织的T1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例不同，因而产生了不同组织间的纵向磁化对比。也称为T1对比。49T1加权图像图像的对比主要依赖T1对比称为T1加权（权重）图像。T1weightedimage5051T1图像T1Image•每一个像素的亮度表示其所对应的构成体素的组织的T1值,这种图像称为T1图像。52人体正常组织的T1值0500100015002000250030000.2T1.0T1.5T脂肪肌肉脑白质闹灰质脑脊液53•由于磁场的不均匀性，自旋的进动频率不同，当RF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，使横向磁化矢量逐渐消失。横向弛豫的机理54横向弛豫特征时间常数T2•T2：射频激发停止后，横向磁化弛豫至其平衡态值的37%时所经历的时间。•MXY=M0e-t/T2•T2的物理学意义：弛豫周期。555657影响横向弛豫的因素•组织特异性：大小分子快，小分子慢。•晶格的物理状态：液态慢、固态快。•晶格的温度：低快，高慢。•周围大分子结构：加快。•无磁场强度依赖性。58横向磁化对比由于各种组织的T2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例不同，因而产生了不同组织间的横向磁化对比。也称为T2对比。59T2弛豫图60T2加权图像图像的对比主要依赖T2对比称为T2加权（权重）图像。T2weightedimage61T2图像T2Image•每个像素的亮度对应于其所代表的构成体素的组织的T2值，这种图像称为T2图像。62人体正常组织的T2值0200400600800100012001400T2脂肪肌肉脑白质脑灰质脑脊液63•T2′弛豫：由于磁体磁场本身的不均匀性而产生的横向磁化的快速衰减。•T2*弛豫：由于T2′和T2共同作用而产生的横向弛豫，也称为有效T2弛豫时间。•1/T2*=1/T2′＋1/T2•T2*加权图像：图像的对比主要依赖于T2*对比64第六节:MR信号的产生及种类•FID信号产生•SE信号产生方法及原理•刺激回波产生及性质•梯度回波产生及原理65FID信号•电磁感应原理•横向磁化的感应信号V=Mxy·cos·ωt•激发角度为θ,则Mxy=M0·sinθ·e-t/T2*•VFID∝M0sinθ·cosωt·e-t/T2*•FID信号的衰变:自旋相位相干、重聚、去相位66自由感应衰减信号(FID)67SE信号产生方法及原理•回波•180°脉冲的去T2′效应及SE•SE的特性68自旋回波信号（SE）6970717273SE信号的特点•消除了T2’效应•信号幅度大•可用于T1、T2加权成像•信号幅度随T2衰减74梯度回波及原理•梯度磁场的去相位效应•反相梯度磁场的聚相位效应•梯度回波GE7576TG7778梯度回波信号GRE79刺激回波及性质•连续α脉冲的作用:相位累积效应。•刺激回波的性质：自旋回波。900900aaa80第七节MR图像重建原理•一维傅立叶变换重建(反投影)•二维傅立叶变换重建(K-空间数据重建)81傅立叶变换•将时间——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叶（Fouriertransform)变换。821DFT重建•梯度与梯度磁场•层面选择及相关因素Δω=γGz·ΔD•体素的频率编码及投影831234567898485空间频率与K-空间•空间频率：是指波动性信号在一定方向上单位距离的波动周期数，单位是:周/m。和时间频率（Hz、周/s)有本质的区别为一个空间矢量，通常以Kx、Ky、Kz分别表示其在X、Y、Z三个互相垂直方向上的空间频率分量。其总量等于三个分量的矢量和。•K-空间（K-space）：以空间频率Kx、Ky、Kz为单位的空间坐标系所对应的一个频率空间。二维K-空间为一个平面。86空间频率与K-空间的关系•任何一个具有空间频率的信号都对应于K-空间内一个点；反之，K-空间内的任何一点代表且只代表一个空间频率。•K=Kx+ky+kz•K2=Kx2+Ky2+Kz2•K2=Kx2+Ky2(二维、方向由Kx、Ky决定)87梯度磁场与磁共振信号的空间频率的关系•梯度磁场强度与时间的累积效应称为梯度动量（GradientMoment），在梯度动量的作用下，沿着梯度方向的自旋之间的相位成规律的波动，其波动的周期数对应于梯度方向的一定距离，即空间频率。所以在梯度磁场的作用下，磁共振信号便可以具有空间频率。因此，可以将其写入K-空间内某一坐标位置。88一维梯度动量效应----产生一为维空间频率信号GyΔtKy=1/fov89一维梯度动量产生的具有一维空间频率的磁共振信号GytKy信号区无信号区90二维梯度动量产生旋转（二维）空间频率信号GytGxtK=Kx+Ky91二维梯度动量效应---产生二维空间频率信号•由K2=Kx2+Ky2(二维-空间)可见：在二维K-空间内，随着Kx、Ky的变化，空间频率大小相等但方向不同的一系列空间频率,在同一个圆轨迹上；反之，在同一圆轨迹上的所有K-空间坐标数据对应于一系列空间频率大小相等、方向连续变化的空间频率信号。即相当于一个大小不变、方向绕K-空间中心旋转的空间频率信号。922DFT重建•黑白图像的产生•K-空间的概念•空间频率的概念•空间频率的产生•K-空间数据的填写•逆向FT及MR图像93MRI基本序列•自旋回波采集（SpinEcho）•梯度回波采集(GradientEcho)•反转恢复采集(Inversionrecovery)•部分饱和采集(PartialSaturation)•刺激回波采集(Steam)94磁共振各种特殊成像技术•磁共振血管造影技术(MRA)•时间飞跃法(Timeofflight)•相位对比法(Phasecontrast)•幅度对比法(Magnitudecontrast)•对比剂增强法(Contrastenhance)95MRI心电门控技术•心电门控触发•肢端脉搏触发•回顾性心电门控96磁共振水成像技术•MRCP•MRU•MRM•MRD•MRS97MRI造影剂•T1造影剂—GD-DTPA（二乙烯三厂五乙-酸钆）•T2造影剂---SPIO(超顺磁氧化铁)98MRI呼吸触发技术•呼吸门控•呼吸补偿99磁共振饱和成像技术•频率饱和•幅度饱和•化学位移饱和•磁化传递饱和100磁共振电影•心脏运动电影•关节活动电影•三维结构转动显示电影101功能成像技术•弥散成像•灌注成像•脑活动功能成像102第八节：磁共振系统的构成•磁体及主磁场•梯度系统•射频系统•计算机系统103104磁体•永磁体•超导磁体•常导磁体105梯度•梯度系统构成•梯度系统的作用106射频系统•RF线圈•RF放大器•RF接受放大器•屏蔽107计算机系统•A-D转换器•阵列处理机•用户计算机108MRI的图像质量参数109MR图像特征指标及评价方法•SNR•C/CNR•R、Rs•A(artifact)110SNR•噪声的概念及主要来源•信号的概念及来源•信