MRI硬件与原理Nuclea.ppt

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1、欢迎光临！,第一讲：磁共振成像的 硬件与原理,重点掌握,医学影像学的学科发展历史：1895年：Rontgen 发现X线（诊断）1934年：居里发现镭(放射治疗开始)1946年：Purcell和Bloch发现核磁共振现象(开始用于化学分析-MRS)1972年：Hounsfield CT(医学影象学的开始)1973年：Lauterbur MRI(CT+MR),Rontgen WC,No.1 Radiography,N：Nuclear(原子核)(怕)M Magnetic(磁的)R：Resonance(共振)I：Imaging(成像)NMRI-MRIMRI定义：利用人体自由水中的氢质子自旋产生的核磁特

2、性，使用强大的外磁场让它磁化并围绕外磁场进动；而后施加射頻脉冲，激励进动的质子吸收能量跃进至高能级，即是磁共振；停止RF脉冲后，激励的氢质子弛豫至平衡状态、并释放能量与MR信号；接受线圈把MR信号传至电脑，进行傅里叶变换（傅里叶转换=Fourier Transform），即可获取人体MRI图像。,什么是MRI?,MR I 特点（与CT对比）,磁共振成像特点:1.多参数(质子密度,T1,T2,流动,灌注,弥散等)成像，提供丰富的诊断信息；2.高对比度成像，详尽的解剖学图谱(软组织对比特别好)；3.在保持人体不动的情况下进行任意方向断层成像，可从三维空间观察人体组织结构，还能进行分子学研究；4.对

3、人体无辐射性损害(早孕?)。结语：无创、多参数、高对比、保持体位不变的情况下进行任意层面扫描。,MRI仪的硬件组成：,了解MRI的硬件组成，是理解磁共振原理的基础。1、主磁体2、梯度系统3、脉冲系统4、电脑系统5、辅助设施,主磁体的分类：,主磁体分为永磁（低场机、基层医院使用，优点是成本低、维修方便）及电磁；电磁体又分为常导（已废弃）及超导（属于最常用的中、高场强设备）。,按磁体外形分类：开放式、封闭式、特殊外形磁体,1,2,3,按主磁场强度分类,MR 信号信噪比（SNR）与主磁体的场强成正比；根据场强高低可以分为：1、低场：小于0.5 T2、中场：0.51.0 T3、高场：1.0-2.0 T

4、4、超高场：大于2.0 T（3.0 4.7 7.0 T）,高场强的优缺点,优点：提高SNR（信噪比）、加快采集速度、MRS（磁共振波谱分析）能力提高、易于进行FS（脂肪抑制），增加BOLD（血氧水平依赖）效应；缺点：成本高、噪音大、SAR（特异性吸收率）值高（射频能量与场强平方成正比）、伪影增加（运动、磁敏感、化学位移）。,场强高低的计量单位,1、高斯（Gauss,G）；Gauss(1777-1875)；德国数学家，1832年首次测量地磁；高斯：5A 电流通过的直导线旁1cm 处，检测到的磁场强度为1高斯。,地磁场强分布图空间纬度定位,2、特斯拉（Tesla,T）,Nikola Tesla(1

5、857-1943)奥地利物理学家，电器工程师，首先发现旋转磁场。,1T=10000 G,主磁场强度高而均匀的重要性,空间定位提高SNR（信噪比）减少伪影大FOV（视野）扫描MRS（磁共振波谱分析）需要FS（抑脂）需要磁场强度越高，均匀性越好（5PPM），性能越高，图像质量越好，扫描速度越快！,磁场均匀性频率半高宽 N 厘米球表面均匀度 N 厘米球体均匀度,频率,幅度,2、梯度系统,GRE,DWI,FC,MR仪的三套梯度线圈,MR仪梯度系统,梯度线圈性能指标,梯度场强 25/66 mT/m切换率 120/233mT/m.ms,梯度场强=（1010-990）mT/0.5m=40 mT/m,梯度切换

6、率=预定梯度场强/爬升时间,梯度模式,3、脉冲（射頻）系统（RF）,射頻线圈分类,激发及采集MR信号：体线圈与头颅正交线圈（置于磁体内）；仅仅采集MR信号：表面线圈与相控阵线圈。,接收线圈与SNR密切相关接收线圈与扫描部位距离越近，信号越强；线圈内体积越小，噪声越低,4、计算机与谱仪系统,5、其它辅助设备,磁共振成像MRI）的物理学原理：放射科的医师与技师对MRI的理解,需要电学、磁学、高等数学、量子力学的基础知识；但是，放射科的医师、技师又必须掌握，务必学好，不能装懂！具有初中数理基础知识的人，还是能够理解与掌握的！,123,电磁感应是自然界的普遍现象：,万物都在运动着，运动是物质的基本特性

7、；人体是最复杂的物质结构，但最小单位还是原子；原子核与外周旋转的电子都是带电的微粒，它们处在不停的运动当中；不停运动着的带电微粒，必然产生电流；电流的周围就会产生磁场。电磁感应是宇宙的普遍现象。,MRI的物理学原理“应该使事情尽可能简单并且不能再简单！”艾百伯特.爱因斯坦,1、MRI的物质基础；2、磁化；3、核磁共振；4、弛豫与MR信号的产生；5、MRI的“加权成像”；6、MRI的空间定位（编码与解码）；7、K空间及其特性。,1、MRI的物质基础,自旋（Spin）-磁性原子核围绕自身轴不停的旋转,地磁,核磁,自旋与核磁,地磁地球自转产生的磁场;核磁原子核恒定的按照一定的频率围绕 自身轴旋转（自

8、旋，Spin）;原子核的质子带正电荷，自旋产生的磁场即是核磁，所以人们也把磁共振成像称为 核磁共振成像（NMRI）.电磁感应是自然界的普遍现象。,地磁、铁磁与核磁示意图,可以产生核磁的原子核含有奇数的核微粒,非磁性原子核,磁性原子核,能够进行MRI的原子核,MRI的靶核是1H(氢质子)，因为：1H磁化率最高；人体内1H数量最多；人体各种生物学组织中，1H分布最广。所 以，现在临床上使用的MRI都是氢质子的MRI图像,人体各种元素的浓度与磁化率,人体MR信号的来源：,人体组织MR信号直接来源于水分子中的氢质子（水质子）；部分源于脂肪中的质子（脂质子）。水分子可以分为：自由水与结合水。结合水 结合

9、水T21ms,不能直接产生信号；但是可以通过磁化转移效应间接影响自由水的信号。人体组织MR信号的直接来源主要是自由水,人体像一块大磁铁吗？,人体内每毫升自由水含有31022个氢质子；每个氢质子都会自旋产生核磁现象；人体像一块大磁铁吗？否！,矢量的合成与分解,通常情况下，人体无宏观磁化矢量,如何能让人体产生宏观的磁化状态？2、磁化,人体未进入磁场前，每个氢质子虽然是一块小“磁铁”，但是排列无序，彼此抵消，宏观磁化矢量为零；一旦进入强大的匀强外磁场，氢质子排列有序，与外磁场平行，显示与外磁场方向一致的纵向宏观磁化矢量。这就是磁化。,磁化人体：进入大磁场,Mz,磁化后的高能水质子与低能水质子,高能水

10、质子,低能水质子,磁化矢量的影响因素：温度、场强与质子密度,处于低能状态的氢质子仅比高能者多几个PPM（百万分之一）,磁化了的氢质子不仅有自旋，还与主磁场相互作用，围绕主磁场轴线摆动（陀螺运动）-进动（Precession）,进动（Precession-围绕外磁场磁力线方向）自旋（Spin-围绕自身轴的旋转）,进动与进动频率,进动是外磁场与水质子的小核磁相互作用的结果；进动是MRI必需的运动，它的频率虽然远远低于自旋频率，但进动频率要比自旋频率重要的多。=B0,式中为进动频率，为旋磁比（氢质子为42.6MHz/T），B0为外磁场强度。1.5TMR仪中氢质子的旋进频率是（42.6）（1.5）64

11、 MHz,=2f,高能与低能状态的质子进动,Mz,由于相位不同，每个质子的Mxy分矢量相互抵消，因而无宏观横向磁化矢量Mxy 显示,磁化后的人体宏观磁化矢量,人体进入主磁场后，体内质子自旋产生的小核磁与主磁场相互作用，出现进动；进动质子的磁化矢量可分解为方向稳定的、而且与主磁场一致的纵向磁化矢量Mz 与旋转的横向磁化矢量Mxy;但是，Mxy 的相位不一致，无法显示与测量；结语：磁化后的人体只能显示Mz,不能显示 Mxy.遗憾的是接收线圈不能测量Mz,只能接收Mxy.,旋转的横向磁化矢量Mxy与MR信号的产生（类似发电机，旋转的Mxy切割接收线圈即可产生MR信号）,3、共振、磁共振与MR信号的产

12、生,共振,磁共振的本质就是低能级的氢质子获能跃迁至高能级,如何让氢质子共振？施加RF脉冲！,磁共振的产生：RF发射射頻脉冲（无线电波），激励（供能）人体水质子发生能级跃迁。条件是RF 与水质子进动频率相等，本质是能量转换。,900RF激发效应：宏观50%低能水质子获能跃迁至高能；微观驱赶高能水质子同相位，矢量叠加产生旋转的横向磁化矢量Mxy.,Mz,Mxy,RF激励1H发生磁共振，产生的旋转Mxy切割接收线圈，即可获取大小不同的MR信号,MR信号的产生,RF激发后的氢质子发生共振，人体的纵向宏观磁化矢量偏转900，产生旋转的横向宏观磁化矢量Mxy(激励)，Mxy切割接收线圈，释放MR信号。氢质

13、子密度高的组织Mxy矢量大，MR信号强；反之亦然。,信号的采集,MRI信号与图像不能局限于氢质子密度的高低；否则，与CT相比就谈不上优点；人们通常在RF关闭后，在质子弛豫过程中再施加相应的梯度场进行空间编码，才采集MR信号。MR 信号是连续的数字呈点状采集，进行FT 解码（Forier Transform;傅立叶转换），即可转换成MRI图像。,4、弛豫:RF关闭，Mxy逐渐向Mz方向恢复，也就是1H释放能量与散相；横向磁化矢量Mxy衰减、纵向磁化矢量Mz恢复，即为弛豫。,核磁弛豫：横向弛豫（Mxy衰减）与纵向弛豫（Mz恢复）,射頻脉冲RF停止发射，在主磁场作用下，横向磁化矢量Mxy逐渐衰减到零

14、；纵向磁化 矢量Mz逐渐增加并恢复到平衡状态。两个相互独立又互相关联的两种弛豫，统称核磁弛豫（与激励相反，时间相同）。,纵向弛豫（T1弛豫；自旋-晶格弛豫；Mz弛豫）,纵向弛豫,纵向弛豫的机理：900RF 激发低能状态的质子获能进入高能状态，谓之共振；所需时间为激励时间；900RF 停止激发高能状态的质子释放能量，恢复至平衡状态，谓之纵向弛豫。所需时间为纵向弛豫时间T1。纵向弛豫时间=T1=激励时间,激励时间=弛豫时间=T1,纵向弛豫比较,纵向弛豫的本质：高能状态的质子把 能量释放给周围的分子（晶格），所以又 称自旋晶格弛豫：脂肪分子晶格震动频率接近氢质子的进动频率，能量传递快，T1短（200

15、-250毫秒），恢复快；纯水分子晶格震动频率太快，远远高于氢质子的进动频率，能量传递太慢，T1长（2400毫秒），恢复慢；含有高浓度大分子蛋白质的晶格的震动频率远远低于氢质子的进动频率，T1长（1000毫秒），恢复慢！,T1弛豫是质子释放能量的回复过程；T1值用来描述纵向弛豫的快慢，Mz回复到63%所需时间为T1值,Mz,不同组织有不同的T1弛豫时间（T1值）,横向弛豫(Mxy 弛豫；自旋-自旋弛豫；T2 弛豫),900RF关闭后，横向磁化矢量快速衰减自由感应衰减（Free Induction Decay;FID）,横向磁化矢量Mxy的衰减是由于旋进的质子失相位（T2值约为T1值的5-10分之

16、一）,横向磁化矢量Mxy衰减原因：,主磁场的不均匀（恒定存在，可用180度RF纠正）；旋进的质子之间、周围分子与原子，由于不停的运动，导致局部微环境的磁场波动（真正的T2弛豫）；根据Larmor 定律，磁场高的微环境中氢质子进动的快；磁场低的进动的慢；上述原因导致同相位进动的质子失相位。,人体各种组织T2弛豫比T1快(5-10倍)！,CSF,Fat,1.5TMRI仪的人体组织T1与T2值,组织 T1(ms)T2(ms)脂肪 240-250 60-80脑脊液 2200-2400 500-1400脑灰质 920 100脑白质 780 90肝脏 490 40肾脏 650 60-75肌肉 860-90

17、0 50 血液 1350 200,MRI 显示解剖与病变的基础,各种生理与病理组织的解剖结构、分子组成不同，它们的质子密度、横向弛豫速度、纵向弛豫速度等都有所区别，这就是MRI 显示解剖结构与病理组织的基础。,5、MRI的“加权成像”,肺癌脑转移,海绵状血管瘤,肺癌脑转移,加权-突出重点（选代表）,1、T1WI-突出组织T1 弛豫（纵向弛豫）差别；2、T2WI-突出组织T2弛豫（横向弛豫）差别；3、PdWI-突出组织质子密度的差别。,MR 接受线圈只能测量到旋转的Mxy;不能测量静止的MZ,MR 信号采集时刻，旋转的Mxy 越大；信号越强。,T2WI：反应横向组织弛豫的快慢,T2 值大，Mxy

18、弛豫慢，残余的Mxy 多，信号强（白）；T2 值小，Mxy弛豫快，残余的Mxy 少，信号弱（黑）；水的T2值为1400ms，Mxy弛豫（衰减）的慢，残余的Mxy 多，信号强（白）；脑组织T2 值小（100ms），Mxy弛豫快，残余的Mxy 少，信号弱（黑）；,脑的T2WI,T1WI反应纵向磁化（Mz）矢量恢复的快慢!,T1 值越小，Mz 恢复越快，已经恢复的Mz 越大，再次给与900RF 后Mxy 也就越大，信号越高（白色）；如脂肪（T1值200-250ms;T2值60ms 80ms）T1 值越大，Mz 恢复越慢，已经恢复的Mz 越小，再次给与900RF 后Mxy 也就越小，信号越低（黑色）;

19、如水（T1值3000ms-4000ms；T2值1400-1600ms）.,6、MRI的空间定位（空间编码）,MR仪的三套梯度线圈与空间定位,层面与层厚的选择（第一次编码Gz方向编码）,RF 具有一中心频率和一定的带宽（频率范围），人们可以控制、调整RF 进行层面与层厚的选择。与发射无线电波一样，发射具有一定中心频率和带宽的激励RF，就可以改变扫描层面和层厚而进行MRI 扫描。,层面与层厚的选择,决定层厚的因素：射频带宽与梯度场强；梯度场强不变，射频带宽越宽，层厚越厚；射频带宽不变，梯度场强越高，层厚越薄。,利用梯度线圈与梯度场将扫描的体素进行频率编码，采集MR信号后再行解码（Fourier T

20、ransform如同三棱镜）,红橙黄绿青蓝紫,白,在Gx(频率)方向进行编码（制造差别）,Gy方向编码（第三个梯度）：相位编码,F T虽然可以区分不同相位的MR信号；但是，但只能区分180度相位的MR信号，因此要反复改变梯度的方向和大小,三维空间定位就是通过选层（包括层厚）、频率、相位的编码梯度场进行扫描、而后再 通过Fourier transform解码而实现的。,人体的各个体素本来是有空间信息的，如CT扫描的体素-像素是用密度（CT值）表述的。但是MRI的图像与CT值无关，而与体素的1H密度、T1值、T2值等因素有关，无法进行空间定位；只有通过选层（包括层厚）、频率、相位的编码梯度场进行扫

21、描、而后再通过Fourier transform解码而实现的。,MR仪的三套梯度线圈,7、K空间的概念与特性,K空间的矩阵与MR图像矩阵相当；但是数据点阵与图像像素点阵并不对应，K空间中的每一个点都具有全层信息，而图像的每一点仅仅代表那一点的信息,总结：MRI的成像过程,总结：MR成像过程,傅里叶转换=Fourier Transform,定义：MRI,MRI定义：利用人体自由水中的氢质子自旋产生的核磁的特性，使用强大的外磁场让它磁化并围绕外磁场进动；而后施加射頻脉冲，激励进动的质子吸收能量发生磁共振；停止RF脉冲后，激励的氢质子弛豫至平衡状态、并释放能量与MR信号；接受线圈把MR信号传至电脑，进行傅里叶变换（傅里叶转换=Fourier Transform），即可获取人体MRI图像。,HIS-RIS-PACS,祝同学们学习进步，事业有成，超过前辈！,X线（CR与DR）、CT、DSA、MRI、ECT、PET,谢谢！,联系电话,谢谢！王绪,