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1、磁共振成像 Magnetic resonance imaging, MRI,利用生物内特定原子磁性核在磁场中表现出磁共振作用而产生信号,经计算机空间编码,重建而获得图像的一种技术.,MRl(magnetic resonance imaging)是利用射频(radio frequency，RF)电磁波对置于磁场中的含有自旋不为零的原子核的物质进行激发，发生核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)，用感应线圈检测技术获得组织弛豫信息和质子密度信息(采集共振信号)，通过图像重建(数学方法)，形成磁共振图像的方法和技术。,磁共振成像原理： 成就一副图像的基本原理（要素或
2、步骤）,有信号:信号性质、信号来源、 信号产生及条件,获取信号:如何获取、用何物获取,处理信号:如何处理、处理方法、处理过程,图像重建:重建原理、图像参数、质量控制,MRI的特点与意义,1、高、尖、新：高科技、边缘科学、发展迅速、产生了14位诺贝尔奖金获得者,2、综合性：数学、核物理、电磁学、电子学、计算机、生理解剖学、超导技术、材料科学、医学诊断等等从宏观到微观的各个领域；,3、生命意义：科技的双刃剑作用；,MRI应用于医学的优势,利用人体氢质子的MR信号成像，从分子水平提供诊断信息；,任意截面成像；,软组织图象更出色；,不受骨伪影的影响；,无电离辐射,一定条件下可进行介入MRI治疗,主 要
3、 用 途,特别适合于中枢神经系统、头颈部、肌肉关节系统以及心脏大血管系统的检查，也适于纵隔、腹腔、盆腔实质器官及乳腺的检查。 中枢神经系统，MRI已成为颅颈交界区、颅底、后颅窝及椎管内病变的最佳检查方式。 对于脑瘤、脑血管病、感染疾病、脑变性疾病和脑白质病、颅脑先天发育异常等均具有极高的敏感性，在发现病变方面优于CT； 对于脊髓病变如肿瘤、脱髓鞘疾病、脊髓空洞症、外伤、先天畸形等，为首选方法。,主 要 用 途,头颈部，MRI的应用大大改善了眼、鼻窦、鼻咽腔以及颈部软组织病变的检出、定位、定量与定性。 磁共振血管成像(magnetic resonance angiography，MRA)技术对显
4、示头颈部血管狭窄、闭塞、畸形以及颅内动脉具有重要价值。 在肌肉关节系统，已成为肌肉、肌腱、韧带、软骨病变影像检查的主要手段之一。 电影MRI技术还可进行关节功能检查。,心血管系统，使用心电门控和呼吸门控技术可对大血管病变如主动脉瘤、主动脉夹层、大动脉炎、肺动脉塞以及大血管发育等进行诊断，也用于诊断心肌、心包、心腔等病变。 纵隔、腹腔、盆腔，MRI的流动效应，能在静脉不注射对比剂情况下，直接对纵隔内、肺门区以及大血管周围实质性肿块与血管做出鉴别。 对纵隔肿块、腹腔及盆腔器官，如肝、胰、脾、肾、肾上腺、前列腺病变发现、诊断与鉴别诊断具有价值。 MRI软组织极佳的分辨率，成为诊断乳腺病变有价值的方法
5、。,主 要 用 途,主要的特殊成像技术,MRI检查技术分为影像显示和生化代谢分析 影像显示技术主要由脉冲序列、流动现象的补偿技术、伪影补偿技术和一系列特殊成像技术组成。 主要的特殊成像技术： 1.磁共振血管成像 (magnetic resonance angiography，MRA) 2. 磁共振水成像 (magnetic resonance hydrography),主要的特殊成像技术,3. 磁共振脑功能成像 (functional magnetic resonance，fMRI) 4. 化学位移成像(chemical shift imaging) 5.生化代谢分析技术：磁共振波谱分析(ma
6、gnetic resonance spectroscopy，MRS)，用于提供组织化学成分的数据信息。,MRI的局限性,成像速度慢（相对于X-CT而言）,对钙化灶和骨皮质灶不敏感,图像易受多种伪影影响,禁忌症：心脏起搏器及铁磁性植入者等,定量诊断困难,MRI、X-CT、ECT、US对比,这不是危言耸听！,安全性 磁场 射频 噪声 液氦 防护 周围神经刺激 热量积累 听力 氧含量,绝对禁忌症 相对禁忌症,1、心脏起搏器 1、假牙、避孕环、金属植入物 2、颅内动脉瘤夹 术后金属夹。 3、眼球内金属异物 2、昏迷、神志不清、精神异常 4、高热 癫痫、严重外伤、幽闭征 3、怀孕3月内,磁共振成像发展史
7、：,1946年 美国哈佛大学的 E.Purcell 及斯坦福大学的 F.Bloch 领导的两个研究小组各自独立地发现了磁共振现象。Purcell 和 Bloch 共同获得1952年诺贝尔物理学奖； 1968年 Jockson 试制全身磁共振； 1971年 美国纽约州立大学的 R.Damadian 利用磁共振波谱仪对小鼠研究发现，癌变组织的T1，T2弛豫时间比正常组织长； 1973年 美国纽约州立大学的 Lauterbur 利用梯度磁场进行空间定位，获得两个充水试管的第一幅磁共振图像；,1978年 英国取得了第一幅人体头部的磁共振图像； 1980年 第一副人体胸腹部MR图像产生 ，磁共振设备商品
8、化。 1982年底 全世界有2000名病例接受MRI检查； 1984年 美国FDA批准核磁共振使用于临床； 1986年 中国成立安科公司； 1998年 世界磁共振成像年；,磁共振成像的发展,MRI的发展目的、方向及热点,发展目的： 缩短成像时间 提高图像质量 降低成像费用 更舒适、人性化的受检环境,发展方向： 原理方面：开发研究新的成像参数，温度、压强、导电率、粘滞度、弹性等 软件方面：开发新的脉冲序列 硬件方面：高温超导材料研究、4K技术、高灵敏线圈研发等 应用技术方面：血管造影技术、心脏电影、介入MRI治疗、增强剂技术等,发展热点： fMRI:功能磁共振成像，主要指脑功能磁共 振成像 MR
9、S:磁共振波谱分析，化学位移、核磁矩、元素确定、体内化学成分分析 新的成像核素的开发，如31P 专用小型磁共振的开发，如关节磁共振 站立式磁共振（STAND-UP MRI）,主要MRI厂家,国际: PHILIPS G.E SIEMENS HITACHI MARCONI ( 原PICHER) TOSHIBA,国内: 东大阿尔派(沈阳) 安科(深圳) 麦迪特(深圳) 鑫高益(宁波) 万东(北京) 威达（广东）,在磁共振方面，广东威达公司可能不大为人所知，但据行业人士信息，上世纪九十年代国内医院共装配了一百多台威达公司的400高斯磁共振至今仍在使用，而且几乎所有部件都是自己研制生产的。2002年南京
10、的医疗器械展览会上还有模型展出。因该说是在发展国内磁共振事业还是做出了贡献的。故特此提出,3T MRI已经广泛用于临床，7T MRI在全球陆续装机，最高的由GE研发的94T MRI就安装在RSNA举办地芝加哥。作为超高场 MRI的主力军，3Tt以迅猛的速度在世界各地广泛安装投入临床使用。,2010年中国第一台（亚洲第二台）7T西门子 中国医学科学院生物物理研究所,中科院合肥物质科学研究院强磁场中心建成大型超导磁共振成像系统，该系统是亚太地区第一台磁体强度为9.4T、磁体口径为400mm的大型哺乳动物高场磁共振成像系统,核磁共振成像磁体可分为：超导磁体、永磁磁体和电磁体三种。从磁场强度来分，磁体
11、可分为中低场(B1.5T)和超高磁场(B3T)。根据所用磁体的不同，核磁共振成像分为超导型、永磁型和电磁型MRI系统。,第一个医学成像系统是1983年问世的，磁场为0.35到0.5T；到1980年代中期出现了1.0到1.5T的磁体系统。1990年代后期到2000年初期出现了3T成像系统。在2006年以前，世界有14000台1.5T和400台3T系统在运行。3T呈现快速增长。到2012年，已经安装了大约20,000台MRI磁体系统，核磁共振成像系统年市场超过20亿美元，目前每年以15%的增长率在增加。MRI技术自从上世纪80年代进入临床应用以来，其磁场强度不断提高，使得成像水平越来越高，功能越来
12、越多。,场强为1.5T和3.0T水平温孔MRI系统已经成为标准成像诊断设备，并被医院普遍使用，尤其是磁场达到34T的超短腔磁体系统。而7.0T、9.4T和11.75T的核磁共振系统也已在多个国家安装或立项研发样机。MRI系统的场强越高，其所成图像的分辨率越清晰，可观测到低场MRI系统无法发现的现象，高场MRI系统可对人类的大脑开展记忆、注意力、决定等认知层次的研究，甚至能够鉴别谎言这类复杂状态，MRI对人类的健康和科技发展发挥着越来越重要的作用。未来，随着医学诊断需求的增加7T全身成像可能会同3T核磁共振系统一样成为主流产品。,随着超导材料性能、超高磁场磁体科学技术及低温技术的不断发展，高场超
13、导磁体作为核心部件已被广泛应用于能源、交通、信息、科学仪器、工业、航天航空、医疗器械、国防以及重大科学工程等领域。超高磁场核磁共振成像技术应用给医学影像设备带来革命性的改善，具有传统影像设备无可比拟的优势，而超高磁场核磁共振设备的核心部件是能够产生高均匀度磁场的高场磁体系统。目前，超高核磁共振成像超导磁体的磁场对于人体而言，磁场在9.411.75T。对于动物而言，最高磁场达到17T。,我国核磁共振技术发展的早期主要集中在低磁场的永磁技术，由于中国是稀土大国，因此，发展和研究大规模永磁医学应用也符合我国的基本国策。近年来，国内已经开始进行高磁场超导成像技术的研发，一些公司纷纷涉足这个领域以期在高
14、磁场成像系统方面占有一席之地。在超高磁场方面，在国家重大仪器等项目的支持下已经开展了9.4T系统的研制。,一直以来，在磁共振成像领域，有两个发展趋势，一个是超导方向即高场，场强一般在1.53T之间，国际上主要的生产厂商包括GE、西门子、飞利浦等国际公司；一个是永磁方向即低场，场强在0.20.5T之间。 与超导系统激烈的竞争相比，低场磁共振成像领域现在主要是中国和日本公司在主导市场，日本以日立公司的产品为主。中国由于是稀土大国，具有资源上的优势，在材料上已经可以形成垄断，在中国研发永磁具有优势，1997年中国科学院电工研究所研制出的国内外第一台0.35TC型开放式永磁MRI磁体，将永磁MRI的磁
15、场推向了新的高度，到2000年以后，国内的永磁MRI的技术水平逐渐与国外接近或相当，产品的质量得到很大的提高，可以满足基本临床诊断的需要，同时，也出现了数量可观的永磁MRI设备的生产企业。,国内最早的磁共振成像设备研发起步于上世纪80年代，通过中国科学院电工研究所、声学研究所等有关科研机构的联合攻关，突破了磁体技术和系统集成技术，并由此开发完成了国内第一台MRI设备，图2为ASP015永磁磁共振成像扫描仪。,MR现象的物理学基础,产生核磁共振现象的基本条件 静磁场中物质的原子核受到一定频率的电磁波作用，它们的能级之间发生共振跃迁，就是磁共振现象。 物质吸收电磁波能量而跃迁后，又会释放电磁能量恢
16、复到初始状态，如果用特殊装置接受这部分能量信号，就采集到MR信号。,MR现象的物理学基础,产生MR信号三个基本条件： 能够产生共振跃迁的原子核； 恒定的静磁场（外磁场、主磁场）； 产生一定频率电磁波的交变磁场。因产生MR的电磁波在电磁波谱中位于长波的射频无线电波波段，这个交变磁场称为射频磁场。 “核磁共振” 的“核”是指共振跃迁的原子核，“磁”是指主磁场和射频磁场，“共振”是指当射频磁场的频率与原子核进动的频率一致时原子核吸收能量，发生能级间的共振跃迁。,原子核的特性,（一）原子核自旋和磁矩 1. 原子核和电子云 物质由分子组成的，分子由原子组成。 原子由一个原子核及数目不同的电子组成。原子核
17、又由带有正电荷的质子（proton）和不显电性的中子组成，其中质子与MRI有关。 构成水、脂肪、肌肉等生命物质的原子(氢、钠或磷等)，原子的外层为原子壳，由不停运动着的许多电子构成(电子云)。中央是原子核，核上有电荷，围绕原子核的轴线转动，称为“自旋”（spin） 。,原子核自旋,原子核结构和自旋质子(氢质子),原子核是由不同数量的质子和中子构成，其大小与质量都不相同，如氢的同位素氕(1H)、氘(2H)、氚(3H)。 它们的核都有一个质子，不同的是氘还有一个中子，氚有两个中子。 因为氕的核只有一个质子，将它称为氢质子或质子，质子带正电，并不停的旋转着，又称自旋质子，是目前MR成像应用最广泛的原
18、子核。,自旋动画,带电的自旋质子群,一群自旋着的质子，显示每个核内周边的电荷形成一个环形电流。这些环形电流的方向是杂乱无章的，这是自然状态下的自旋核质子群。 每一个环形电流周围将产生电磁效应，就是磁场。一个环形电流就好似一个小磁棒。 理论上任何原子核所含质子或中子的为奇数时，具有磁性。,自旋动画,带电的自旋质子群,通电的环形线圈周围都有磁场存在，相当于一块磁铁。所以转动的质子也相当于一个小磁体，具有自身的南、北极及磁力，质子自身具有磁性，在其周围产生磁场，并具有自身磁矩。磁矩是矢量，具有方向和大小，磁矩的方向可有环形电流的法拉第右手定则确定，与自旋轴一致。 环形电流的磁矩：=IS,自然状态下，
19、人体存在大量带电、有磁性的自旋核，但它们的磁矩互相抵消，组织并未显示出磁性。,磁场强度及方向,磁场有力和能的性质，力有强度和方向 静磁场强度以字母B表示，单位是特斯拉(Tesla)或高斯(Gauss) 磁场的强弱在图中用平行线的密疏来表示 密度大，场强大， 用箭头的长短来表示，箭头的方向就是磁场的方向。,Tesla OR Gause,Tesla是一个磁场强度单位,中文译为特斯拉，一个单位Tesla10000 Gause Gause 中文译为高斯,地球的自然磁场强度为0.3-0.7高斯,南北极有所不同.,N,S,B0,接动画,静磁场的作用,（一）外加静磁场中的磁化 MRI中外加静磁场的强度B0是
20、恒定的。用X、Y、Z坐标系来描述磁场的位置，Z代表B0方向，即磁力线方向，X-Y平面代表垂直于磁场方向的平面。,外加静磁场中的磁化,垂直座标系 Z轴是B0方向，通常与体轴一致 XY平面垂直于体轴，叫横断面 X轴是水平轴，Y轴是垂直轴，三个轴互相垂直,接动画,静磁场的作用,（一）外加静磁场中的磁化 将一个小磁矩放在外磁场B0中，两磁场方向的夹角为，小磁矩发生转动，停在顺B0方向(减小到零)。这时的小磁矩处于稳定状态，能级最低，是磁场B0的扭力效应。若等于180，即磁矩与B0方向相反，磁矩最不稳定，势能最大。 磁矩在B0中有顺B0或反B0两个方向，一群磁矩动态平衡的结果是顺B0的磁矩多于逆B0的磁
21、矩，剩余的是平行B0的低能态质子，因此，净磁向量M与B0同方向。,接动画,静磁场的作用,静磁场中人体组织获得磁化,人体进入静磁场后，经过质子有序化排列，组织宏观上产生了一个纵向磁化矢量Mz ，组织有了磁性。 纵向磁化矢量Mz不是振荡磁场，无法测定。 振荡磁场是一种随时间而变化的磁场，它的磁场变化可在天线内感应产生电压，用电流表可以测定。 纵向磁化Mz不移动也不旋转，因此无法记录。,射频磁场的作用,MZ不是振荡磁场，无法单独检测出来，不能直接用于成像。 如果要检测质子的自旋、收集信号，只有在垂直于静磁场B0方向的横向平面有净磁化矢量。为了设法检测到特定质子群的净磁化矢量，并用于成像，需使净磁化矢
22、量偏离B0方向。为了达到这个目的，在MRI中采用了射频（radiofrequency，RF）脉冲作为激发源。,自旋(spin): 是原子核具有绕其特定轴旋转的特性,自旋角动量：原子核自旋具有方向性,磁矩：原子核自旋运动产生的微观磁场,随机分布的,基本概念,进动（precession）：氢原子绕自身轴线转动的同时,其转动轴线又绕重力方向回转,核磁共振NMR的条件 原子核在进动中吸收外界能量产生能级跃迁现象 外界能量：短射频脉冲激发源 射频磁场RF 自旋磁矩在主磁场中进动,外磁场方向,核磁矩方向,基本概念,沿着主磁场方向为Z轴（纵轴）；垂直于主磁场方向的平面为XY平面（水平面); 左右方向为Y轴；
23、前后方向为X轴。,宏观磁化向量：全部磁矩重新定向所产生的磁化向量，单位体积中全部原子核的磁矩 磁化向量（M）与磁场的三维坐标,基本概念,射频脉冲（Radio Frequency pulse,RF) ：一定频率的无线电波或射频能量,使磁化向量以90的倾斜角旋转的射频脉冲称为90脉冲. 核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR): 利用射频脉冲(Radio Frequency pulse)对平衡态的自旋系统做功,使其吸收能量,射频停止,系统能量释放能量.,基本概念,弛豫过程(relaxation):是指自旋系统吸收能量后由激发态恢复至其平衡态的过程.这一过程所用时间为
24、弛豫时间 (纵向磁化恢复和横向磁化衰减的过程) 弛豫过程是一个能量转变过程,磁距恢复状态过程随时间延长而改变,是磁共振成像的关键.,基本概念,纵向驰豫T1,纵向驰豫(T1驰豫): 是指90射频脉冲激发停止后纵向磁化分量(Mz)将缓慢增大到最初值,成指数规律增长.恢复至平衡态的过程.,100%,63%,基本概念,T1 Relaxation,脂肪,白质,灰质,脑脊液,MZ,横向驰豫,横向弛豫(T2驰豫)：射频脉冲停止后,横向磁化分量Mxy很快衰减到零,并且呈指数规律衰减到RF作用前的零状态. 横向弛豫是一个从最大值恢复至零状态的过程.,基本概念,T2 Relaxation,MXY,t(ms),37
25、%,84,92,101,1400,脑脊液,灰质,白质,脂肪,T1 & T2,Time,63%,37%,100%,T1,T2,MZ,MR信号的形成,RF Pulse 停止后，纵向磁化矢量转向横向并在XY平面内绕Z轴进动。XY平面内的旋转磁体可以在接收线圈内产生感应电压，这个随时间波动的电压即为MR信号。,Z,M0,M1,Y,X,MXY,RF线圈,信号检测,Y,Z,M(t),O,横向磁化的产生,拉莫进动,O,(一) 电磁感应与FID信号,(磁场)Electromagnetism根据法拉第定率产生电流。,X,Y,自由感应衰减信号(free induction decay FID):以频率在XY平面内
26、自由旋进的横向磁化矢量在线圈感应出频率相同,幅度按指数方式快速衰减的MR信号,0,t,FIT,V幅度,MR成像3个基本轴：Z,X,Y Z：人体从头到足，沿着这个轴选择人体横断面 X：人体从左到右，沿着这个轴选择人体矢状面 Y：人体从前到后，沿着这个轴选择人体冠状面,（三）梯度磁场与定位,梯度磁场(G):人体的轴分为Gz、Gx、Gy。梯度磁场是在主磁场基础上再外加的一种磁场，使成像时感兴趣人体段块受到的磁场强度出现微小的差别,w0 - gz2Gz,w0,w0 + gz1Gz,Isocenter,Gradient amplitudes,选层梯度:在主磁体中加一个梯度磁场,则被检体各部位质子群的进动
27、频率可因磁场强度不同而有所区别，这样可对被检体某一部位进行MR成像,MR的空间定位靠的是梯度磁场,通过梯度磁场达到选层的目的.,相位编码：在激励脉冲结束后,在沿层面的Y轴方向加一短时间的梯度磁场GY,由于不同Y坐标的自旋磁矩的进动频率不一样,从而在磁场GY撤除后,磁矩的位相不一样.依据位相的不同可以区分Y坐标,这称为相位编码.,频率编码：在相位编码结束后，沿X轴方向加一梯度磁场GX，从而使不同X坐标的自旋磁矩的进动频率不一样，进而依据这种进动频率的差异来确定X坐标。称为频率编码。,通过空间编码以后，不同体素发射的MR信号频率、相位、相位变化率不同，依据这些信息和信号强度可正确地重建图像。,X,Y,Z,傅里叶变换,傅里叶变换就是将信号的时间-强度函数关系转变为频率-强度的函数关系. 将XY方向上的傅里叶变换,可实现XY平面内MR信号的空间定位,实现断面图像的重建.,信号强度 S,频率编码,相位编码,MRI的基本结构,1、MRI分类 成像范围：实验用MRI、局部MRI、全身MRI 主磁场的产生方法：永磁型、常导型、混合型、超导型 用途：介入型、通用型 2、磁共振系统：主磁体系统、梯度磁场系统、射频发射与接收系统、计算机系统、运行保障系统,A Simple MR Machine,transmit,receive,