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1、第七章 磁共振成像（MRI）技术,磁共振成像是利用射频脉冲对置于磁场中的含有自旋非零原子核的物质进行激发，产生核磁共振，利用感应线圈采集磁共振信号，按一定数学方法进行处理而建立图像的一种成像技术。 MRI（magnetic resonance imaging）设备是利用生物体的磁性核（主要是氢核）在磁场中所表现出的MR特性来进行成像的设备。随着超导技术、磁体技术、电子技术、计算机技术和材料科学的进步，MRI设备得到飞速的发展。,MRI设备已成为最先进、最昂贵的现代化诊断设备之一。MRI设备既是评价医院综合能力的一项重要指标，又是医院现代化程度和诊断水平的标志。 核磁共振扫描现在已经成为一项常规
2、的医学检查，全球估计共有22000台全身核磁共振扫描仪投入使用，每年扫描总数超过6000万次。本章将以临床应用型永磁开放式MRI设备为例，系统地介绍MRI设备的构成和工作原理。,第一节 概 述一、发展简史,MR现象于1946年第一次由布洛赫（F.Bloch） 领导的斯坦福大学研究小组和伯塞尔(E.Purcell） 领导的哈佛大学研究小组分别在水与石蜡中独 立地观察到。因此，布洛赫和伯塞尔共同获得 了1952年的诺贝尔物理学奖。随后，人们利用MRI技术进行了多领域的应用。MRI设备早期 集中在物理和化学方面，用来确定化学成分、分 子结构和反应过程。1967年，第一次用MRI设备 测试人体活体。,
3、1971年，达马丁（Damadian）发现了MRI的一个重要参数T1。肿瘤组织的T1值远大于相应正常组织的T1值。此结果预示着MRI设备在医学诊断中的广阔应用前景。 1973年，受CT图像重建的启示，纽约州立大学的劳特布尔（Lauterbur）在Nature杂志上发表了MRI设备空间定位方法（均匀静磁场上迭加梯度磁场）。利用MRI模型（两个并排在一起的充水试管）的四个一维投影，成功的获得了第一幅MRI模型的二维图像。,1974年，曼斯菲尔德（Mansfield）研究出脉冲梯度法选择成像断层的方法。 1975年，恩斯特（Ernst）研究出相位编码的成像方法。 1977年，爱特斯坦（Edelste
4、in）、赫切逊（Hutchison）等研究出自旋扭曲（Spin Warp）成像法。 1977年，达马丁完成了首例动物活体肿瘤检测成像，并获得首张人体活体MRI设备图像。,1980年，阿勃亭（Aberdeen）领导的研究小组发表了利用二维傅立叶变换对图像进行重建的成像方法。该成像方法效率高、功能多、形成的图像分辨力高、伪影小，目前医用MRI设备均采用该算法。 1983年，MRI设备进入市场。 MRI设备具有对软组织成像好的优点。把大量的波谱分析技术运用到医用MRI设备上，使MRI设备不仅可获得解剖学信息，而且可获得其他方面的信息，如生理和生化方面的信息。,二、主要特点及临床应用,MRI与CT各有
5、优点，可以互相补充。通过MRI设备与CT扫描机的性能比较和临床应用比较，可以看出：MRI设备的优点为： 多参数成像，可提供丰富的诊断信息 多方位成像 大视野成像 组织特异性成像 人体能量代谢研究 无电离辐射，即无创性检查 无骨伪影干扰,MRI设备的缺点为： 成像速度慢 对钙化灶和骨皮质病灶不够敏感 图像易受多种伪影影响 禁忌症多 定量诊断困难,三、主要技术参数,与其它影像设备相比，影响MRI图像的信号强度或图像密度的参数较多。这些参数大体可分为组织参数和设备参数两大类。 1组织参数 它是人体的内在信息参数。组织参数主要有质子密度（）、纵向驰豫时间（T1）、横向驰豫时间（T2）、化学位移（）、液
6、体流速（v）和波动。其中，组织参数、T1和T2决定图像信号的密度。组织参数决定水与脂肪的分离成像，能引起化学位移伪影。组织参数v和波动可用来进行血管成像，能引起运动伪影。,2设备参数 它是成像所依赖的设备及成像过程的测量条件参数。设备参数主要有磁场强度、梯度磁场强度和切换率、线圈特性（包含发射和接收）、测量条件。根据诊断目的的不同，可以选择不同的参数来产生所需要的MRI图像。 重复时间（time of repetition，TR）、回波时间（time of echo，TE）和反转时间（time of inversion，TI）决定图像的性质。即图像的权重。层厚、平均采样次数、像素尺寸、有效视野
7、和层数决定扫描区域并控制图像信号的密度。各种应用软件可获得不同性质和不同区域的MRI图像，而且成像速度快、有效抑制伪影、功能完善。,第二节 磁共振成像的物理学原理,磁共振成像（MRI)是利用生物体内特定原子磁体性核在磁场中表现出核磁共振作用而产生信号，经空间编码、重建而获得图像的一种技术。其物理基础为核磁共振理论，其本质是一种能级见跃迁的量子效应。,一、磁场对样体的磁化作用,样体经磁场作用后在磁场方向上产生磁矩的过程称为磁化，其大小称为磁化强度（M）。 =M/B或M= B,式中， 为磁化率， B为磁场强度。 物质M的大小取决于其原子 结构。 X的正负表示物质的顺磁性。,(一)原子核的磁特性 原
8、子是由原子核绕核运动的电子所组成，原子核又由带正电的质子和不带电的中子组成。原子核绕其特定轴旋转的特性称为自旋。自旋过程中所产生的动量称为原子核磁矩。,=hI,式中，称为旋磁比常数，1H的=42.58MHZ/T h表示自选大小的物理单位,1h=1.05458910-3 JS I为自选量子数,（二）磁场对原子核磁矩的作用,在无外加磁场时，核磁矩是随机排列的。在外加磁场（B0）的作用下，磁矩沿着外加磁场方向成平行或反向排列。沿着B0方向为低能态（上旋态），反向则为高能态（下旋态）。,其能级差为： E=hB0 其中h为普朗克常量,在温度和外加磁场不变的情况下，两种能态：低能他E(+1/2)和高能态（
9、E-1/2）处于平衡状态。 平衡态质子自旋磁距遵循波尔兹曼分布： N(-1/2)/ N(+1/2)=e-E/kT,对于质子E=hB0，令 T=300K,B0=1Tesla,则： N(-1/2)/ N(+1/2)=e-E/kT =100000/100006,二、核磁共振的量子物理学理论 由于磁场对自旋系统的量子化作用，使自旋系统产生低能态与高能态的级差E。若射频的能量Er恰好等于该能级差E，则低能态自旋可吸收其能量跃迁至高能态；射频停止后，自旋系统将释放出能量并恢复至平衡态。,三、驰豫,驰豫是指自旋系统由激发态恢复至其平衡态的过程，也就是纵向磁化恢复和横向磁化衰减的过程。,Z,Y,X,M,B0,
10、Mxy,Mz,（1）纵向驰豫及纵向驰豫时间,当射频脉冲关闭后，在静磁场的作用下，组织中的宏观纵向磁化矢量将逐渐恢复到激发前平衡状态，把这一过程称为纵向驰豫，即T1驰豫。,Mz=M0(1-e-t/T1),令t=T1，则Mz=0.63M0. 由此，定义T1是指纵向磁化矢量从最小值恢复至平衡态的63%所经历的驰豫时间，或者说，每经过一个T1时间则纵向磁化恢复其剩余量的63%。,100%,Mz,时间,63%,Mz=M0(1-e-t/T1),T1,T2,T3,T4,T5,100%,时间,63%,脂肪,白质,脑脊液,Mz=M0(1-e-t/T1),（2）横向驰豫及横向驰豫时间,当射频脉冲关闭后，在静磁场的
11、作用下，组织中的宏观横向磁化矢量将逐渐恢复到激发前平衡状态，把这一过程称为横向驰豫，即T2驰豫。,MXY=MXYmaxe-t/T2,式中，Mxymax是驰豫过程开始时横向磁化矢量Mxy的最大值。令t=T2，则Mxy=0.37M0. 由此，定义T2是射频脉冲停止后，横向磁化矢量衰减至最大值的37%所经历的时间，也就是说，每过一个T2时间，横向磁化减少至其剩余值的37%。,100%,Mxy,时间,37%,T2,2T2,3T2,MXY=MXYmaxe-t/T2,100%,Mxy,时间,37%,脂肪,白质,脑脊液,MXY=MXYmaxe-t/T2,人体不同器官的正常组织与病理组织的T1是相对固定的，而
12、且它们之间有一定的差别，T2也是如此（表1-5-1a、b）。这种组织间弛豫时间上的差别，是MRI的成像基础。有如CT时，组织间吸收系数（CT值）差别是CT成像基础的道理。但MRI不像CT只有一个参数，即吸收系数，而是有T1、T2和自旋核密度（P）等几个参数，其中T1与T2尤为重要。因此，获得选定层面中各种组织的T1（或T2）值，就可获得该层面中包括各种组织影像的图像。,表1-5-1a 人体正常与病变组织的T1值（ms）,表1-5-1b 正常颅脑组织的T1值和T2值（ms）,四 磁共振信号的产生,射频脉冲停止后，纵向磁化矢量转向横向磁化矢量。正如一个XY平面内的旋转磁体可以在接收线圈内产生感应电
13、压，这个随时间波动的电压即MR信号。,Z,Y,M0,X,MZ,MX,Z,Y,X,M,B0,五 磁共振信号的空间定位,MR信号是宏观磁化矢量经激发后在线圈内感应出的信号，是自选信号的总和，无空间位置信息，不能形成图像，必须对其进行空间编码及图像重建才能得到MR图像。MRI的空间编码技术是采用梯度磁场，以达到选层和体素编码的目的。,梯度在物理学上是指在一定方向上强度随空间的变化率，梯度是一个矢量。在MR技术上，梯度磁场是指在一定方向上磁场强度的变化情况，即在一定方向上场强与位置成正比例变化。,在MRI基础上，梯度磁场是指在一定方向上磁场强度的变化情况及在一定方向上场强与位置呈正比例变化。 为了得到任意层面的空间信息，MRI系统在X、Y、Z三个坐标方向均使用梯度磁场，它们分别被称为GX梯度、GY梯度、GZ梯度，其作用是完成梯度磁场对自旋的空间编码。,Z,Y,X,梯度磁场,六、MRI图像的重建,将所选择地层面在相互垂直的两个方向（X轴，Y轴）分别将其分割为相同间隔的若干行及相同间距的若干列，形成具有相同体积的若干小立方体，即体素。,MR图像是由众多不同灰度值的矩形基本像单元组成，每个基本单元称为一个像素。,构成整幅图像的像素的行数与列数的积称为图像的显示矩阵。,从每个体素的MR信号中获得与像素灰度值有关的数据并产生MR图像，MR图像重建是采用傅里叶变换的方法。,幅度,频率,幅度,时间,