最新磁共振成像基本原理PPT文档.ppt

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1、,目 录1、磁共振成像的基本情况2、磁共振成像的物理基础（1）原子核与自旋（2）静磁场BO（3）核磁共振成像条件（4）磁共振信号的产生（5）关于加权的概念3、射频和射频脉冲序列（1）射频RF（2）射频脉冲序列4、磁共振信号的空间定位（1）梯度磁场与梯度线圈（2）磁共振成像的层面选择（3）磁共振成像的层面内信号确定和层厚选择5、MR设备的技术进展（1）MR设备的硬件发展（2）MR设备软件功能的发展,一、磁共振成像的基本情况（一）磁共振成像的发展史：1、物理现象理论的建立的年代：MR的物理现象是1946年有美国加洲斯坦福大学的布劳克和麻省哈佛大学的帕塞尔教授同时发现的，并在1952年双双获得若贝尔

2、物理奖。2、磁共振成像完成的时间：1977年磁共振技术进入体层摄影实验阶段，并获的了人体胸部磁共振断层像，以及人手腕关节的剖面像，1978年之后，磁共振进入了发展阶段，八十年代初磁共振扫描仪商品化。3、影像诊断涉及组织化学信息：磁共振成像技术与其他影像学的不同之处之一，就是一改过去以组织形态学研究疾病的影像学基础，而涉及到利用分子物理学提供组织化学信息。,二、磁共振成像的理论基础：（一）原子核与自旋：世上一切物质的最小组成单位为分子，分子又是由原子构成，原子由原子核和核外电子组成，原子的化学特征，由核外电子的数目所决定，原子的物理特性由原子核决定，原子核又是由质子和中子组成，质子带有正电荷，中

3、子不带电荷，核外电子带负电荷且电量与质子的正电量相等，因此，原子表现为中性。电子、质子、中子都有自旋特征，故此我们说原子核也有自旋特征，带正电的原子核且自转，就会产生和其它运动电荷一样的小磁场，这个小磁场可以用小磁矩来描述。,1、奇数质子的电性：原子核内的质子和中子都呈双数时，则其自旋都相互成对的抵消了，因此，只有质子或中子为奇数时，原子核才具备自旋以及产生小磁场的能力，才具备磁共振研究的物理条件。2、氢原子结构：结构最简单，原子核只有一个质子及一个轨道电子，在人体中的含量最多，所以产生磁共振的能力最强。3、核的自旋及环行电流以及小磁体现象：由于质子的自旋而使原子核产生自旋，我们知道质子是带正

4、电荷的，这种运动的电荷就产生电流，所以核的自旋就会在自旋轴产生环行电流。由右手法则知道将产生一个小磁场，因此，我们可以将自旋的氢质子看成是一个小磁棒。其磁力的大小可用磁动量来表示，它是一个矢量，有方向性。磁动量公式：U=RPS（U=磁矩 RP=磁旋比 S=磁旋速度）4、自由空间氢质子的分布情况：在正常情况下，在自由空间中众多旋进质子表现为杂乱无章的排列。虽然每一个质子都具有磁性，但从宏观整体看，整个质子群是无磁性。,小结：通过以上学习，可以了解到。一切物质都是由分子组成，分子由原子组成，原子核中的质子和中子数为奇数时，原子才具有自旋的能力，由于质子带正电荷，电荷的运动产生电流，电流的产生有引发

5、了磁场，我们将这些小磁场看成小磁矩，而这些小磁矩在正常情况下，表现为杂乱无章的排列，所以物质是不显电性的。,（二）、静磁场B0 当我们要研究磁共振时，需要将研究的物质放入一个外加磁场中，这个磁场的磁场强度需要是一个恒定不变的，故我们称之为静磁场。1、组织的磁化：在自由空间质子的磁矩排列是杂乱无章的，是不显磁性的。当我们将组织放入一个强大的磁场内，或者说给组织外加一个强大的磁场后，在这个静磁场的作用和影响下，对这些原本杂乱无章排列的质子产生磁化作用，原本杂乱无章的磁矩开始沿静磁场的方向排列，进而与静磁场方向一致，产生一个与静磁场方向一致的磁化矢量，这就是组织的磁化。,2、磁矩的顺磁场排列取向和逆

6、磁场排列取向：组织磁化后，原本杂乱无章的磁矩就要沿静磁场的方向排列，这也称之为质子在静磁场中取向。取向只能有两个方向，其中大多数质子会朝静磁场方向取向，称之为顺磁场排列取向，但也有一部分是朝静磁场的反方向取向的，称之为逆磁场排列。这种顺磁场取向和逆磁场取向的机理是什么呢？是因为每个质子的稳定程度和能量不同引起的，朝正方向的则是低能的稳态质子。朝反方向的则是高能不稳态。,3、顺、逆磁场取向的质子数目之差：这种方向取向的质子从数目上讲几乎相等，逆方向的若有一千万个，顺磁场的则有一千万零七个，所以顺、逆之差为一千万分之七。就是这样的差别也足以产生顺磁场的磁化矢量了。4、磁化矢量三维空间的表示方法：在

7、三维坐标中把磁化矢量称MO，Z轴的静磁场称BO，X、Y是垂直于Z轴的平面。5、静磁场强度与组织的磁化速度：组织的磁化过程受时间和静磁场的影响，在开始磁化增强很快，以后逐渐减慢，最后达到预定值，组织的磁化速度除时间因素外，还受物质本身的特性影响，不同的组织在相同的场强下的磁化速度是不同的。磁场强度与磁化速度成正比。,6、进动的概念：在静磁场中组织被磁化，产生了一个与磁场方向一致的磁化矢量，这 个磁化矢量是由许多顺磁场方向取向的质子组成的，这些质子在取向的同时，一方面沿自身轴自旋，一方面绕静磁场的磁力线为轴作大回旋，这种沿自身轴旋转的同时，又沿另外一个轴作回旋的运动称之为进动。7、Larmor频率

8、公式：WO=RBO WO单位=弧度/秒上面讲的进动速度叫进动频率，也就是自身轴绕中心轴旋转的速度称为进动频率，用Larmor频率表示。WO=进动频率 R=磁旋比 BO=静磁场强度。由公式可以看出，每一种不同的物质，因有不同的旋磁比，在相同的静磁场下，会有不同的进动频率，同样，相同的物质，在不同的场强下进动频率也不同。我们说：进动频率、拉摸尔频率、共振频率，这三个数据均为一贯常数。实际上它们都是表达在磁共振系统中的共振频率。与场强成正比。,（三）、核磁共振成像的条件：1、磁共振发生的条件：磁共振必须具备三种磁场才能完成。（1）静磁场：这是磁共振系统中最为强大的磁场，平时我们评论磁共振设备的大小就

9、是指的静磁场的场强指数。单位用特斯拉（Tesla）简称T，或高斯（GAUSS）1T=10000（GAUSS）。磁场的种类：永久型磁体：一般场强在0.3T以下，省电，易维护，场强衰减极小，体积大，强度和均匀度不稳，温度影响大。常导磁体：场强在0.3以下，对电源要求高，耗点、费水，信噪比差，图像质量差，现已淘汰。超导磁体：场强在0.353T.,(2)、梯度磁场：（3）、射频脉冲磁场（RF）只有具备了以上三个磁场才能完成全部磁共振成像。（a）、梯度磁场（三维）：梯度磁场的概念是其场强按其磁场的位置变化呈非常有规律的线形改变的磁场，叫做梯度磁场。梯度磁场在磁共振系统中分为三组，可以产生X、Y、Z、三个

10、方向的三维梯度磁场。（b）、梯度磁场的工作状态：梯度磁场的产生是由电磁线圈完成的，其工作状态是呈开关状态的瞬间通电，为此无论静磁场为何种类型，其梯度磁场都是靠电磁线圈得到的。（c）、梯度磁场的作用：梯度磁场是叠加在静磁场内的，当线圈通电时，可在静磁场中形成梯度改变，使静磁场中产生线形改变。其目的和作用使被磁化的质子群处在不同的磁场强度中，根据Larmor的频率公式，不同的场强的质子的进动频率也不同，而发射的RF脉冲频率符合梯度磁场中某一区域的质子进动频率时，这些质子产生共振，继而发出MR信号。,根据梯度磁场的这一基本原理，在磁共振系统中，X、Y、Z三个方向的三维梯度可交替使用，可起到选层、层厚

11、选择、编码的作用。（d）、射频脉冲磁场（RF）：射频脉冲磁场（RF）是使质子群产生共振的关键磁场，当质子在静磁场中取向被磁化后，在RF的作用下吸收RF的能量，从低能稳态变到高能不稳定态。当RF停止后，由RF吸收能量变为高能不稳定态的低能稳定态的质子，就立即将原本不属于它的能量释放出来，重新返回到原来的低能稳定状态。这个释放能量的过程，我们称为弛豫过程，也是磁共振信号的产生过程。这个吸收能量的质子从低能态跃变到高能态，又从高能态通过释放能量返回到低能态的过程，我们称之为共振。,（四）、磁共振信号的产生前面我们已经了解磁化矢量的产生，现在再看一下，磁化矢量产生后，又是怎样产生的磁共振信号。,1、射

12、频脉冲RF的角度：在磁共振成像中RF脉冲序列常采用90度到180度之间配合使用，这些角度的设定是根据不同的脉冲序列而定的。,2、90度RF对氢质子的转向作用：当RF为90度时，将使质子转向90 度倒在X、Y、平面。,3、当RF停止时，将发生什么变化：RF停止后，质子群将吸收的能量以MR信号的方式释放。这就是FID（自由衰减信号）。,（4）、T2和横向弛豫（自旋自旋驰豫时间）：T2弛豫（横向弛豫）是指质子在释放能量时X、Y平面上的磁化矢量上向BO靠近的时间过程，这个过程包括时间概念。横向驰豫时间又称自旋自旋驰豫时间，简称T2。,（5）、T1和纵向弛豫（自旋晶格弛豫时间）：T1弛豫（纵向弛豫）是指

13、质子群在纵轴上的磁化矢量由零恢复到原来被BO磁化时的最大过程，这个过程包括时间概念。纵向弛豫时间又称自旋晶格弛豫时间，简称T1。（6）、T1弛豫 时间和T2弛豫 时间的规定：T1和T2弛豫时间在MR技术中有严格的规定，T1弛豫 时间定为纵向磁化矢量由零恢复到63%的时间，T2弛豫 时间定为横向磁化矢量由最大值衰减到37%的时间。,由此，我们可以证实不同的组织中由于H质子含量的不同，以及其他化学成分的不同，分子运动的影响，所以其T1和T2时间都不同。正是这种不同组织具有不同T1和T2，所以才可以获得同一个T1和T2时间下的不同组织的不同信号强度和信号对比。这是MR成像中产生组织对比的根本。（7）

14、、高信号、低信号和等信号的概念：信号强度大则为高信号，在照片上为白色。信号强度小则为低信号，在照片上为黑色。信号强度中则为等信号，在照片上为灰色。（8）、T1和T2与信号的关系：短T1和长T2可产生高信号。长T1和短T2可产生低信号。T1越短，信号越强，T1越长，信号越弱。T2越长，信号越强，T2越短，信号越弱。,现在我们看看如何记住哪一条是T1曲线，哪一条是T2曲线？把两条曲线放在一起，所看到的是一座滑雪坡的山，您必须先上山（T1曲线），才能滑下去（T2曲线）。,（五）、关于加权的概念：人体各种组织无论正常及病变都有自身的T1、T2及质子密度值，这是MR的诊断基础。在磁共振技术中为了更好的显

15、示各种组织和病变，可以通过调整RF的重复时间TR，回波时间TE等，为的是得到受检组织的特征参数图像，我们将这种突出重点的影像称为加权像。1、讲到这里我们首先要解释一下何为重复时间TR，何为回波时间TE。重复时间就是当第一个90RF脉冲后，纵向弛豫恢复到一定数值后，接着又给的一个90脉冲，使已经恢复的纵向磁化狮量再次翻倒在X、Y平面上，以便读出信号。这两个90脉冲之间的时间的间隔时间称为TR。,脑组织,脑积液,脑组织,脑积液,长TR,脑组织,脑积液,脑组织,脑积液,短TR,回波时间是在第一个90脉冲后，使磁化矢量倒向X、Y平面，经过数10100ms的间隔，再发射一个180RF，在180RF后测量

16、回波信号的强度，自90RF开始到回波的出现。我们称为TE。2、现在看一下为什么要施加一个180RF：90RF后糍化矢量开始是最大值。在T2弛豫过程中，质子群开始的进动频率是一致的，但由于静磁场并非绝对均匀，以及质子本身的T2因素会影响质子的进动频率，处于高场的质子进动频率快，处于低场的进动频率慢，很快就出现了在横向弛豫的质子群的散相，也叫失相，而这种 信号反映的不仅是组织的T2因素，还包含了因场强不均匀的因素，为了得到真正反映组织T2的满意图像，所以施加一个180RF，使这些失相的质子X、Y平面内再次聚集，结果磁化矢量最大时，又出现一个T2信号。但第二次的T2信号峰值要比第一次的略小一些，这个

17、差别就是只有组织本身T2因素所致，将二次T2峰值的连线称为组织T2，而第一次信号衰减曲线称为T2*。,3、在MR信号中T1的成份比重小，则为T2加权像。如果我们选用比组织T1时间长的TR，使其处在各组织的T1都基本全部弛豫时。这时信号所反映组织的T1成份比重就小了，而选用的TE时间比较合适，使其处在T2曲线的中间位置，根据大部分组织T1在50200ms，所选TE可在90120ms之间，这样增加各组织间T2信号的对比度，即突出了T2的权重，减少了T1成份。这样的图像称T2加权像。4、在MR信号中，T2成份比重小，则为T1加权像。选用短TE，T2成份减小，故选用短TR，短TE时，称为T1加权像。,

18、三、射频和射频脉冲序列：,四、磁共振信号的空间定位：,（二）、磁共振成像的层面选择：1、场强的改变和RF频率的确定只能对应一个层面起作用：施加梯度磁场后，在被检体周围的磁场强度就发生了随几何位置的变化而磁场强度就呈线性变化。由于场强的不同，在不同位置的组织进动频率也就不同，用一个RF频率去激励组织时，由于组织的进动频率不同，结果只有符合RF频率而进动的一个层面的质子才能引起共振，产生MR信号。2、梯度场变化在1.0T中每厘米变化约1.0高斯。,（三）、磁共振成像的层面内的信号确定和层厚的选择：1、梯度场的相位编码作用：在确定了层面后，为在这个层面中使每个信号必须确定自己的位置，在层面梯度关闭后

19、，瞬间开通相位梯度，短时间内引起X、Y平面进动质子有规律的改变了速度。产生了相位变化。这个能引起质子相位改变的梯度场叫相位编码，层面内的质子群经过相位编码后仍不能确定其每个信号的空间位置，相位的改变只是以“行”改变的。所以还需要进行频率编码才能确定每个信号的空间位置。2、在相位梯度之后，开启另一个梯度与相位梯度的方向垂直，造成了层内质子进动频率随梯度场的改变而改变，场强高、频率高，反之相反。这样形成了沿梯度改变而频率改变，所以称为频率编码。这样使层面内信号在“列”上又确定了位置。实际频率编码在“行”方向上。,3、梯度场的场强单位距离变化与层厚的关系：二者之间是反比关系，也就是说单位距离内梯度场强变化越大则层面越薄，反之相反。也可以说梯度场线性越徒层面越薄。4、RF的带宽与层厚的关系：RF的频带宽度和层厚是正比关系。即：带宽越宽，层厚越厚。反之相反。,谢 谢,谢 谢,