磁共振成像(MRI)的基本原理課件

磁共振成像(MRI)的基本原理

MagneticResonanceImaging

同濟(jì)醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院MR室劉定西1磁共振成像(MRI)的基本原理

MagneticReson磁共振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及發(fā)展

1924年pauli在進(jìn)行電在子波譜試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了許多原子核象帶電的自旋粒子一樣具有角動量和磁動量。1946年美國物理學(xué)家Block和Purcell分別測出了在均勻物質(zhì)中磁共振的能量吸收，進(jìn)一步證實(shí)了核自旋的存在，并為此獲得了1952年諾貝爾物理學(xué)獎。2磁共振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及發(fā)展

1924年pauli在NSRF3NSRF3T:F射頻頻率射頻強(qiáng)度4T:射頻頻率射頻強(qiáng)度4磁共振的應(yīng)用物理化學(xué)|：利用磁共振波譜測定物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。醫(yī)學(xué)影象：磁共振成像及化學(xué)物質(zhì)含量測定。5磁共振的應(yīng)用物理化學(xué)|：利用磁共振波譜測定物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。5第一節(jié)：原子及其磁特性原子的構(gòu)成自旋自旋磁矩凈自旋6第一節(jié)：原子及其磁特性原子的構(gòu)成6原子的構(gòu)成原子核核外電子質(zhì)子（＋）中子核外電子（－）7原子的構(gòu)成原子核核外電子（－）7原子核的運(yùn)動特性自旋：物體沿一定方向繞自身某一軸的轉(zhuǎn)動自旋角動量I：由于自旋運(yùn)動的矢量性，自旋具有一定的角動量，自旋角動量I通常也稱為自旋I。I為矢量。8原子核的運(yùn)動特性自旋：物體沿一定方向繞自身某一軸的轉(zhuǎn)動899自旋磁矩自旋粒子的磁性：帶電粒子的自旋都可產(chǎn)生磁矩。原子核運(yùn)動的自旋磁矩：每一個(gè)自旋I對應(yīng)于一個(gè)磁動μ，μ=гhI：10自旋磁矩自旋粒子的磁性：帶電粒子的自旋都可產(chǎn)生磁矩。10311311凈自旋原子核的運(yùn)動:自旋凈自旋：具有自旋磁動量的自旋。零自旋/非零自旋：凈自旋為零/凈自旋不為零凈自旋產(chǎn)生的條件:奇數(shù)質(zhì)子和/或奇數(shù)中子凈自旋的意義：是磁共振信號來源的基礎(chǔ)。自旋系統(tǒng)：磁場中所有自旋的集合。12凈自旋原子核的運(yùn)動:自旋121H的原子核結(jié)構(gòu)及特性1H原子核僅有一個(gè)質(zhì)子，無中子。其磁化敏感度高，在人體的自然豐富度很高，是很好的磁共振靶核。131H的原子核結(jié)構(gòu)及特性1H原子核僅有一個(gè)質(zhì)子，無中子。13第二節(jié)：磁場磁場的概念均勻磁場穩(wěn)定磁場交變磁場14第二節(jié)：磁場磁場的概念14磁場物質(zhì)場對磁性物質(zhì)的力效應(yīng)磁場的強(qiáng)度15磁場物質(zhì)場15均勻磁場大小方向恒定不變的磁場.16均勻磁場16交變磁場大小或方向呈規(guī)律性變化的磁場17交變磁場大小或方向呈規(guī)律性變化的磁場17XYBX=BsinaBY=BcosaaB(RF)18XYBX=BsinaBY=BcosaaB(RF)18第三節(jié)：磁場對樣體的作用磁化:磁場對樣體作用的過程。磁化強(qiáng)度m：樣體經(jīng)過磁化而產(chǎn)生的磁矩的大小。磁化率：單位磁場強(qiáng)度的磁化強(qiáng)度X=m/B。順磁性物質(zhì)的磁化率為正值，抗磁性物質(zhì)的磁化率為負(fù)值。影響磁化率的因素：1、外層電子；2、原子核結(jié)構(gòu)。19第三節(jié)：磁場對樣體的作用磁化:磁場對樣體作用的過程。19NSM:20NSM:20磁場對磁矩的作用垂直于磁場的磁矩，磁場對其以磁轉(zhuǎn)矩形式產(chǎn)生作用，即以磁場為軸垂直于磁場轉(zhuǎn)動。21磁場對磁矩的作用垂直于磁場的磁矩，磁場對其以M1M222M1M222YM0B1XZ23YM0B1XZ232424自旋在磁場中的運(yùn)動進(jìn)動（旋進(jìn)）：自旋軸繞磁場方向的圓周運(yùn)動。遵循lamor定理，w=rB0影響進(jìn)動頻率的因素：磁場強(qiáng)度。進(jìn)動的方向：上旋態(tài)與下旋態(tài)。25自旋在磁場中的運(yùn)動進(jìn)動（旋進(jìn)）：自旋軸繞磁場方向的圓周運(yùn)動。26262727量子化與平衡態(tài)量子化概念：在磁場的作用下，自旋只能處于兩種能級狀態(tài)，低能態(tài)（上旋態(tài)）與高能態(tài)（下旋態(tài)）自旋只有吸收或釋放一個(gè)特定能量值（ E）時(shí)才相互轉(zhuǎn)化。量子化遵循波茲定律E(1/2)/E(-1/2)=exp(rhI/kT)平衡態(tài)：在磁場和溫度的作用下，樣體達(dá)到穩(wěn)定磁化的狀態(tài)。是一種動態(tài)平衡。28量子化與平衡態(tài)量子化概念：在磁場的作用下，自旋只能處于兩種能2929剩余自旋與凈磁化剩余自旋：平衡態(tài)時(shí)，上旋態(tài)與下態(tài)自旋差。凈磁化M（宏觀磁化）：自旋系統(tǒng)在磁場作用下產(chǎn)生的磁化總量。是所有自旋磁矩的矢量和。M=ΔB0·N/T影響M的因素：靜磁場強(qiáng)度、溫度、自旋密度（單位體積的自旋數(shù)）?？v向磁化：平行于磁場方向的磁化矢量橫向磁化：垂直于磁場方向的磁化矢量30剩余自旋與凈磁化剩余自旋：平衡態(tài)時(shí)，上旋態(tài)與下態(tài)自旋差。303131磁共振成像中的坐標(biāo)系統(tǒng)XYZ32磁共振成像中的坐標(biāo)系統(tǒng)XYZ32第四節(jié)核磁共振現(xiàn)象單擺共振核磁共振33第四節(jié)核磁共振現(xiàn)象單擺共振33單擺共振的條件系統(tǒng)與激發(fā)源的固有頻率相同系統(tǒng)吸收能量內(nèi)能增加F34單擺共振的條件系統(tǒng)與激發(fā)源的固有頻率相同F(xiàn)34核磁共振的條件激發(fā)磁場的頻率與自旋系統(tǒng)的進(jìn)動頻率相等。自旋系統(tǒng)吸收激發(fā)磁場能量內(nèi)能增加35核磁共振的條件激發(fā)磁場的頻率與自旋系統(tǒng)的進(jìn)動頻率相等。35射頻

射頻及磁特性射頻的空間效應(yīng)射頻激發(fā)與核磁共振章動與翻轉(zhuǎn)角θ=rB1t90°、180°脈沖，α脈沖射頻對自旋磁矩的相位相干效應(yīng)36射頻

射頻及磁特性36XYBX=BsinaBY=BcosaaB(RF)37XYBX=BsinaBY=BcosaaB(RF)37XYZM0B1射頻磁場對磁矩的激發(fā)38XYZM0B1射頻磁場對磁矩的激發(fā)383939射頻激發(fā)使自旋的橫向磁矩相位一致（相位相干），產(chǎn)生一個(gè)大的橫向磁化矢量MXY。相位是矢量與參照軸間的夾角MXY橫向磁化的相位相干進(jìn)動40射頻激發(fā)使自旋的橫向磁矩相位一致MXY橫向磁化的相位相干進(jìn)動橫向磁矩的相位XYm1m3m2MXYa41橫向磁矩的相位XYm1m3m2MXYa41XYM0B1橫向磁化的檢測MXY42XYM0B1橫向磁化的檢測MXY42自旋弛豫自旋弛豫：自旋系統(tǒng)由激發(fā)態(tài)恢復(fù)到其平衡態(tài)的過程?？煞譃榭v向弛豫和橫向弛豫兩個(gè)過程。縱向弛豫（自旋晶格弛豫、T1弛豫）：縱向磁化逐漸恢復(fù)的過程。橫向弛豫（自旋自旋弛豫、T2弛豫）：橫向磁化逐漸消失的過程43自旋弛豫自旋弛豫：自旋系統(tǒng)由激發(fā)態(tài)恢復(fù)到其平衡態(tài)的過程?？煞?444縱向弛豫的機(jī)理波動的晶格磁場是一個(gè)連續(xù)頻率的波動磁場，Lamor頻率的晶格磁場可以吸收激發(fā)態(tài)自旋所釋放的量子化能量，恢復(fù)其平衡態(tài)。晶格磁場的頻率越接近Lamor頻率，縱向弛豫的速度越快。人體各種不同類型組織的晶格磁場頻率有差異?？v向弛豫速度不同。45縱向弛豫的機(jī)理波動的晶格磁場是一個(gè)連續(xù)頻率的影響縱向弛豫的因素組織特異性：中等大小分子快，小分子及大分子慢晶格的物理狀態(tài)：液態(tài)快、固態(tài)慢。晶格的溫度：低快，高慢。周圍大分子結(jié)構(gòu)：加快。磁場強(qiáng)度：低場快，高強(qiáng)慢46影響縱向弛豫的因素組織特異性：中等大小分子快，小分子及大分子縱向弛豫特征時(shí)間常數(shù)T1T1：射頻激發(fā)停止后，縱向磁化弛豫至其平衡態(tài)值的63%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。MZ=M0(1－e-t/T1)T1的物理學(xué)意義：弛豫周期。47縱向弛豫特征時(shí)間常數(shù)T1T1：射頻激發(fā)停止后，縱向磁化弛豫至縱向磁化對比由于各種組織的T1不同，在縱向弛豫過程中，不同時(shí)刻各種組織在縱向磁化中的比例不同，因而產(chǎn)生了不同組織間的縱向磁化對比。也稱為T1對比。48縱向磁化對比由于各種組織的T1不同，在縱向弛豫過程中，不同時(shí)T1加權(quán)圖像圖像的對比主要依賴T1對比稱為T1加權(quán)（權(quán)重）圖像。T1weightedimage49T1加權(quán)圖像圖像的對比主要依賴T1對比稱為T5050T1圖像

T1Image每一個(gè)像素的亮度表示其所對應(yīng)的構(gòu)成體素的組織的T1值,這種圖像稱為T1圖像。51T1圖像

T1Image每一個(gè)像素的亮度表示其所對應(yīng)的構(gòu)人體正常組織的T1值52人體正常組織的T1值52由于磁場的不均勻性，自旋的進(jìn)動頻率不同，當(dāng)RF停止后，橫向磁矩間很快出現(xiàn)相位彌散（相位不相干、去相位）進(jìn)動，使橫向磁化矢量逐漸消失。橫向弛豫的機(jī)理53由于磁場的不均勻性，自旋的進(jìn)動頻率不同，當(dāng)RF停止后，橫向橫向弛豫特征時(shí)間常數(shù)T2T2：射頻激發(fā)停止后，橫向磁化弛豫至其平衡態(tài)值的37%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。MXY=M0e-t/T2T2的物理學(xué)意義：弛豫周期。54橫向弛豫特征時(shí)間常數(shù)T2T2：射頻激發(fā)停止后，橫向磁化弛豫至55555656影響橫向弛豫的因素組織特異性：大小分子快，小分子慢。晶格的物理狀態(tài)：液態(tài)慢、固態(tài)快。晶格的溫度：低快，高慢。周圍大分子結(jié)構(gòu)：加快。無磁場強(qiáng)度依賴性。57影響橫向弛豫的因素組織特異性：大小分子快，小分子慢。57橫向磁化對比由于各種組織的T2不同，在橫向弛豫過程中，不同時(shí)刻各種組織在橫向磁化中的比例不同，因而產(chǎn)生了不同組織間的橫向磁化對比。也稱為T2對比。58橫向磁化對比由于各種組織的T2不同，在橫向弛豫過程中，不同時(shí)T2弛豫圖59T2弛豫圖59T2加權(quán)圖像圖像的對比主要依賴T2對比稱為T2加權(quán)（權(quán)重）圖像。T2weightedimage60T2加權(quán)圖像圖像的對比主要依賴T2對比稱為T2T2圖像

T2Image每個(gè)像素的亮度對應(yīng)于其所代表的構(gòu)成體素的組織的T2值，這種圖像稱為T2圖像。61T2圖像

T2Image每個(gè)像素的亮度對應(yīng)于其所代表的構(gòu)成人體正常組織的T2值62人體正常組織的T2值62T2′弛豫：由于磁體磁場本身的不均勻性而產(chǎn)生的橫向磁化的快速衰減。T2*弛豫：由于T2′和T2共同作用而產(chǎn)生的橫向弛豫，也稱為有效T2弛豫時(shí)間。1/T2*=1/T2′＋1/T2T2*加權(quán)圖像：圖像的對比主要依賴于T2*對比63T2′弛豫：由于磁體磁場本身的不均勻性而產(chǎn)生的橫向磁化的快速第六節(jié):MR信號的產(chǎn)生及種類FID信號產(chǎn)生SE信號產(chǎn)生方法及原理刺激回波產(chǎn)生及性質(zhì)梯度回波產(chǎn)生及原理64第六節(jié):MR信號的產(chǎn)生及種類FID信號產(chǎn)生64FID信號電磁感應(yīng)原理橫向磁化的感應(yīng)信號V=Mxy·cos·ωt激發(fā)角度為θ,則Mxy=M0·sinθ·e-t/T2*VFID∝M0sinθ·cosωt·e-t/T2*FID信號的衰變:自旋相位相干、重聚、去相位65FID信號電磁感應(yīng)原理65自由感應(yīng)衰減信號(FID)66自由感應(yīng)衰減信號(FID)66SE信號產(chǎn)生方法及原理回波180°脈沖的去T2′效應(yīng)及SESE的特性67SE信號產(chǎn)生方法及原理回波67自旋回波信號（SE）68自旋回波信號（SE）686969707071717272SE信號的特點(diǎn)消除了T2’效應(yīng)信號幅度大可用于T1、T2加權(quán)成像信號幅度隨T2衰減73SE信號的特點(diǎn)消除了T2’效應(yīng)73梯度回波及原理梯度磁場的去相位效應(yīng)反相梯度磁場的聚相位效應(yīng)梯度回波GE74梯度回波及原理梯度磁場的去相位效應(yīng)747575TG76TG767777梯度回波信號GRE78梯度回波信號GRE78刺激回波及性質(zhì)連續(xù)α脈沖的作用:相位累積效應(yīng)。刺激回波的性質(zhì)：自旋回波。900900aaa79刺激回波及性質(zhì)連續(xù)α脈沖的作用:相位累積效應(yīng)。900900a第七節(jié)MR圖像重建原理一維傅立葉變換重建(反投影)二維傅立葉變換重建(K-空間數(shù)據(jù)重建)80第七節(jié)MR圖像重建原理一維傅立葉變換重建(反投影)80傅立葉變換將時(shí)間——強(qiáng)度的信號關(guān)系變換為頻率——強(qiáng)度的信號關(guān)系。這種數(shù)學(xué)變換模式稱為傅立葉（Fouriertransform)變換。81傅立葉變換將時(shí)間——強(qiáng)度的信號關(guān)系變換為頻率——強(qiáng)度的信號關(guān)1DFT重建梯度與梯度磁場層面選擇及相關(guān)因素Δω=γGz·ΔD體素的頻率編碼及投影821DFT重建梯度與梯度磁場8212345678983123456789838484空間頻率與K-空間

空間頻率：是指波動性信號在一定方向上單位距離的波動周期數(shù)，單位是:周/m。和時(shí)間頻率（Hz、周/s)有本質(zhì)的區(qū)別為一個(gè)空間矢量，通常以Kx、Ky、Kz分別表示其在X、Y、Z三個(gè)互相垂直方向上的空間頻率分量。其總量等于三個(gè)分量的矢量和。K-空間（K-space）：以空間頻率Kx、Ky、Kz為單位的空間坐標(biāo)系所對應(yīng)的一個(gè)頻率空間。二維K-空間為一個(gè)平面。85空間頻率與K-空間

空間頻率：是指波動性信號在一定方向上單位空間頻率與K-空間的關(guān)系任何一個(gè)具有空間頻率的信號都對應(yīng)于K-空間內(nèi)一個(gè)點(diǎn)；反之，K-空間內(nèi)的任何一點(diǎn)代表且只代表一個(gè)空間頻率。K=Kx+ky+kzK2=Kx2+Ky2+Kz2K2=Kx2+Ky2(二維、方向由Kx、Ky決定)86空間頻率與K-空間的關(guān)系任何一個(gè)具有空間頻率的信號都對應(yīng)于K梯度磁場與磁共振信號的空間頻率的關(guān)系梯度磁場強(qiáng)度與時(shí)間的累積效應(yīng)稱為梯度動量（GradientMoment），在梯度動量的作用下，沿著梯度方向的自旋之間的相位成規(guī)律的波動，其波動的周期數(shù)對應(yīng)于梯度方向的一定距離，即空間頻率。所以在梯度磁場的作用下，磁共振信號便可以具有空間頻率。因此，可以將其寫入K-空間內(nèi)某一坐標(biāo)位置。87梯度磁場與磁共振信號的空間頻率的關(guān)系梯度磁場強(qiáng)度與時(shí)間的累積一維梯度動量效應(yīng)

----產(chǎn)生一為維空間頻率信號GyΔtKy=1/fov88一維梯度動量效應(yīng)

----產(chǎn)生一為維空間頻率信號GyΔtKy一維梯度動量產(chǎn)生的具有一維空間頻率的磁共振信號GytKy信號區(qū)無信號區(qū)89一維梯度動量產(chǎn)生的具有一維空間頻率的磁共振信號GytKy信號二維梯度動量產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)（二維）空間頻率信號GytGxtK=Kx+Ky90二維梯度動量產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)（二維）空間頻率信號GytGxtK=Kx二維梯度動量效應(yīng)

---產(chǎn)生二維空間頻率信號由K2=Kx2+Ky2(二維-空間)可見：在二維K-空間內(nèi)，隨著Kx、Ky的變化，空間頻率大小相等但方向不同的一系列空間頻率,在同一個(gè)圓軌跡上；反之，在同一圓軌跡上的所有K-空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)對應(yīng)于一系列空間頻率大小相等、方向連續(xù)變化的空間頻率信號。即相當(dāng)于一個(gè)大小不變、方向繞K-空間中心旋轉(zhuǎn)的空間頻率信號。91二維梯度動量效應(yīng)

---產(chǎn)生二維空間頻率信號由K2=Kx2+2DFT重建黑白圖像的產(chǎn)生K-空間的概念空間頻率的概念空間頻率的產(chǎn)生K-空間數(shù)據(jù)的填寫逆向FT及MR圖像922DFT重建黑白圖像的產(chǎn)生92MRI基本序列自旋回波采集（SpinEcho）梯度回波采集(GradientEcho)反轉(zhuǎn)恢復(fù)采集(Inversionrecovery)部分飽和采集(PartialSaturation)刺激回波采集(Steam)93MRI基本序列自旋回波采集（SpinEcho）93磁共振各種特殊成像技術(shù)磁共振血管造影技術(shù)(MRA)時(shí)間飛躍法(Timeofflight)相位對比法(Phasecontrast)幅度對比法(Magnitudecontrast)對比劑增強(qiáng)法(Contrastenhance)94磁共振各種特殊成像技術(shù)磁共振血管造影技術(shù)(MRA)94MRI心電門控技術(shù)心電門控觸發(fā)肢端脈搏觸發(fā)回顧性心電門控95MRI心電門控技術(shù)心電門控觸發(fā)95磁共振水成像技術(shù)MRCPMRUMRMMRDMRS96磁共振水成像技術(shù)MRCP96MRI造影劑T1造影劑—GD-DTPA（二乙烯三廠五乙-酸釓）T2造影劑---SPIO(超順磁氧化鐵)97MRI造影劑T1造影劑—GD-DTPA（二乙烯三廠五乙-酸MRI呼吸觸發(fā)技術(shù)呼吸門控呼吸補(bǔ)償98MRI呼吸觸發(fā)技術(shù)呼吸門控98磁共振飽和成像技術(shù)頻率飽和幅度飽和化學(xué)位移飽和磁化傳遞飽和99磁共振飽和成像技術(shù)頻率飽和99磁共振電影心臟運(yùn)動電影關(guān)節(jié)活動電影三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動顯示電影100磁共振電影心臟運(yùn)動電影100功能成像技術(shù)彌散成像灌注成像腦活動功能成像101功能成像技術(shù)彌散成像101第八節(jié)：磁共振系統(tǒng)的構(gòu)成磁體及主磁場梯度系統(tǒng)射頻系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)102第八節(jié)：磁共振系統(tǒng)的構(gòu)成磁體及主磁場102103103磁體永磁體超導(dǎo)磁體常導(dǎo)磁體104磁體永磁體104梯度梯度系統(tǒng)構(gòu)成梯度系統(tǒng)的作用105梯度梯度系統(tǒng)構(gòu)成105射頻系統(tǒng)RF線圈RF放大器RF接受放大器屏蔽106射頻系統(tǒng)RF線圈106計(jì)算機(jī)系統(tǒng)A-D轉(zhuǎn)換器陣列處理機(jī)用戶計(jì)算機(jī)107計(jì)算機(jī)系統(tǒng)A-D轉(zhuǎn)換器107MRI的圖像質(zhì)量參數(shù)108MRI的圖像質(zhì)量參數(shù)108MR圖像特征指標(biāo)及評價(jià)方法SNRC/CNRR、RsA(artifact)109MR圖像特征指標(biāo)及評價(jià)方法SNR109SNR噪聲的概念及主要來源信號的概念及來源信噪比的概念SNR的評價(jià)SNR=S/N110SNR噪聲的概念及主要來源110影響SNR因素設(shè)備因素（B0、線圈、梯度）選擇序列及參數(shù)技術(shù)影像參數(shù)SNR=ρΔV111影響SNR因素設(shè)備因素（B0、線圈、梯度）111C對比度