磁共振成像設(shè)備

關(guān)于磁共振成像設(shè)備2本章學(xué)習(xí)提示(direction)參考書(references):《醫(yī)學(xué)影像設(shè)備》《磁共振原理》《磁共振成像系統(tǒng)的原理及其應(yīng)用》《現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)工程》《醫(yī)學(xué)診斷數(shù)字影像技術(shù)》《數(shù)字成像技術(shù)》《磁共振成像入門》《醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)》第2頁,共188頁，2024年2月25日，星期天3思考題(problem)1共振的本質(zhì)是什么？2MR醫(yī)學(xué)成像的依據(jù)是什么？為什么？3射頻的作用是什么？如何發(fā)生作用？第3頁,共188頁，2024年2月25日，星期天4引言磁共振成像技術(shù)是根據(jù)生物體磁性核(氫核)在磁場中的表現(xiàn)特性成像的高新技術(shù)。磁共振成像設(shè)備是磁體技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、低溫技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)等相關(guān)技術(shù)發(fā)展的綜合體現(xiàn)。第4頁,共188頁，2024年2月25日，星期天5引言磁共振原理最初主要用于測量物質(zhì)的物理和化學(xué)特性，確定分子結(jié)構(gòu)，進(jìn)行生化和代謝過程的研究。目前，磁共振成像以其豐富的影像信息、任意的幾何參數(shù)、靈活的技術(shù)參數(shù)來滿足不同的診斷需要而成為重要的影像檢查手段。第5頁,共188頁，2024年2月25日，星期天6先驅(qū)者1905年，愛因斯坦的質(zhì)能聯(lián)系定律(E=mc2)說明了質(zhì)量和能量的同一性。1911年，盧瑟福在

粒子散射實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出核型結(jié)構(gòu)：原子核集中全部正電荷及大部分質(zhì)量。湯普森證實(shí)了核外電子的存在。1913年，玻爾把量子概念應(yīng)用于原子系統(tǒng)。斯特恩建立測量磁偶極子運(yùn)動(dòng)的裝置。第6頁,共188頁，2024年2月25日，星期天7先驅(qū)者1924年，泡利認(rèn)為原子核中存在著角動(dòng)量和核磁矩，可能是原子核和核外電子相互耦合的結(jié)果，提出核磁共振一詞，拉比設(shè)計(jì)和完成世界上第一個(gè)核磁共振實(shí)驗(yàn)。1920年，斯特恩和蓋拉赫發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原子束通過不均勻磁場時(shí)，相對于磁場的取向而偏轉(zhuǎn)1930年，該二人觀測到十分微弱的核磁矩。1937年，拉瑟里尤和舒伯尼科用傳統(tǒng)的方法測出氫的核磁矩值，被認(rèn)為的最早發(fā)現(xiàn)核磁現(xiàn)象的人。第7頁,共188頁，2024年2月25日，星期天8先驅(qū)者Bloch及Purcell分別同時(shí)（1946年）檢測到大塊物質(zhì)內(nèi)核磁共振吸收，更清楚地闡述了原子核自旋(Spin)的存在，為此，他們共同獲得了1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。FelixBlochandEdwardPurcell,bothofwhomwereawardedtheNobelPrizein1952,discoveredthemagneticresonancephenomenonindependentlyin1946.1946年，布洛赫及其合作者在斯坦福大學(xué)做了水的核磁共振實(shí)驗(yàn)。第8頁,共188頁，2024年2月25日，星期天91946年，珀塞爾及其同事在哈佛大學(xué)進(jìn)行了石臘的核磁共振實(shí)驗(yàn)。美國紐約州立大學(xué)的一位富有想象力的物理學(xué)家和內(nèi)科醫(yī)生。1988年獲里根頒贈(zèng)的國家技術(shù)勛章。1971年，達(dá)馬迪安(RaymondDamadian)發(fā)現(xiàn)正常組織與惡性組織的NMR信號明顯不同。In1971RaymondDamadianshowedthatthenuclearmagneticrelaxationtimesoftissuesandtumorsdiffered,thusmotivatingscientiststoconsidermagneticresonanceforthedetectionofdisease.第9頁,共188頁，2024年2月25日，星期天10美國伊利諾大學(xué)的物理學(xué)家，1988年和達(dá)馬迪安一起獲里根頒贈(zèng)的國家技術(shù)勛章。1973年，Lauterbur改良了頻譜儀，在磁場內(nèi)形成線性變化的梯度，提供空間編碼信號。首次進(jìn)行了不均勻物體（兩試管水）的磁共振成像。MagneticresonanceimagingwasfirstdemonstratedonsmalltesttubesamplesthatsameyearbyPaulLauterbur1973年，與勞特伯幾乎同時(shí)、但又分別獨(dú)立地發(fā)表磁共振成像論文的還有英國諾丁漢(Nottingham)大學(xué)的曼斯菲爾德(PeterMansfield)等學(xué)者，均認(rèn)識到線性梯度場獲取核磁共振的空間分辨率是一種有效的解決方案。第10頁,共188頁，2024年2月25日，星期天11In1975RichardErnstproposedmagneticresonanceimagingusingphaseandfrequencyencoding,andtheFourierTransform.In1991,RichardErnstwasrewardedforhisachievementsinpulsedFourierTransformNMRandMRIwiththeNobelPrizeinChemistry.第11頁,共188頁，2024年2月25日，星期天12發(fā)展及趨勢1976年P(guān)eterMansfield首次報(bào)導(dǎo)了活人體圖像；1977年描述了手與胸部圖像。第12頁,共188頁，2024年2月25日，星期天13發(fā)展及趨勢1978年報(bào)導(dǎo)了頭和腹部圖像超導(dǎo)全身成像儀發(fā)明后，迅速認(rèn)識到MR系統(tǒng)能夠產(chǎn)生好的軟組織對比，優(yōu)于其它成像技術(shù)第13頁,共188頁，2024年2月25日，星期天14發(fā)展及趨勢1983年，MR的硬件及軟件的改進(jìn)，已經(jīng)可以獲得全身成像系統(tǒng)產(chǎn)生小于1mm的空間分辨率，總成像時(shí)間僅數(shù)分鐘的高對比圖像第14頁,共188頁，2024年2月25日，星期天15發(fā)展及趨勢磁共振顯微成像（MRM）磁共振顯微成像是利用磁共振現(xiàn)象以產(chǎn)生顯微鏡觀察水平上的MR信號圖像的一種專門技術(shù)?；铙wMRM，可用于對小動(dòng)物的基礎(chǔ)生理學(xué)、病理生理學(xué)及藥物的篩檢和毒理學(xué)研究，MRM在植物生理、病理以及材料科學(xué)中的應(yīng)用也較廣泛。通過與組織標(biāo)本的對照，磁共振組織學(xué)成像的一些應(yīng)用新領(lǐng)域正在不斷拓展。第15頁,共188頁，2024年2月25日，星期天16發(fā)展及趨勢磁共振實(shí)時(shí)成像MR實(shí)時(shí)成像是在MR快速和超快速成像技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的其發(fā)展適應(yīng)了當(dāng)今微創(chuàng)外科和要求，便利MR介入成為可能。GE公司開發(fā)的雙子星結(jié)構(gòu)，其磁體縱向平行排列，中間“裂隙”方便介入操作第16頁,共188頁，2024年2月25日，星期天17發(fā)展及趨勢磁共振功能成像磁共振功能成像是隨著快速成像技術(shù)的發(fā)展而興趣的成像新領(lǐng)域，是相對于形態(tài)學(xué)診斷而言的。包括彌散、灌注加權(quán)成像、皮質(zhì)功能定位及MR波譜成像等。3DFMRIofAuditoryCortex第17頁,共188頁，2024年2月25日，星期天18發(fā)展及趨勢腦磁圖腦磁圖是通過測定腦血流所產(chǎn)生的磁場變化用以標(biāo)測皮質(zhì)腦功能狀態(tài)的新技術(shù)。磁共振淋巴造影磁共振淋巴造影是通過皮下注射超順磁性造影劑，以產(chǎn)生陰性對比的新技術(shù)。第18頁,共188頁，2024年2月25日，星期天19發(fā)展及趨勢磁共振氧測量技術(shù)磁共振氧測量是運(yùn)用MRI方法測定氧張力和與氧合作用相關(guān)參數(shù)的新技術(shù)。對脫氧血紅蛋白所致磁場不均進(jìn)行測定，以獲得脫氧血紅蛋白濃度，從而推算出其氧合狀態(tài)。第19頁,共188頁，2024年2月25日，星期天20心臟和血管成像MR血管成像最初是應(yīng)用流動(dòng)血液的內(nèi)在對比，近年提出造影劑增強(qiáng)三維掃描成像技術(shù)，目前已能在屏氣時(shí)完成感興趣區(qū)血管成像，成像時(shí)間與造影劑到達(dá)感興趣的血循環(huán)時(shí)間相吻合。磁共振彈性成像采用相位對比MR成像序列，運(yùn)用環(huán)狀運(yùn)動(dòng)編碼梯度對某物體內(nèi)不斷傳播的聽力內(nèi)剪波的空間分布進(jìn)行成像的技術(shù)，可用來評價(jià)人體骨骼肌的機(jī)械特性及人腦灰、白質(zhì)的彈性系數(shù)。第20頁,共188頁，2024年2月25日，星期天21發(fā)展及趨勢超極化氣體MR成像是指通過吸入堿性金屬粉末與惰性氣體的混合物如銣和3He或129Xe以顯著地增強(qiáng)磁化，即達(dá)到超極化，然后進(jìn)行MRI檢查的新技術(shù)。單一的超極化氣體3He的密度圖像對顯示慢性阻塞性肺部疾患特別有效。第21頁,共188頁，2024年2月25日，星期天22發(fā)展及趨勢預(yù)極化MR成像通常情況下低場阻抗MR能提供的圖像信噪比很差，如果自旋極化在瞬間可達(dá)到較高值，則可在低場磁體上實(shí)現(xiàn)高場磁體所具備的圖像信噪比，這種概念命題預(yù)極化MRI。由于磁體不需要很均勻，因而可采用便宜的電磁體。第22頁,共188頁，2024年2月25日，星期天23MRITimeline1946MRphenomenon-Bloch&Purcell1952NobelPrize-Bloch&Purcell1960NMRdevelopedasanalyticaltool1972ComputerizedTomography1973BackprojectionMRI-Lauterbur1975FourierImaging-Ernst1980MRIdemonstrated-Edelstein1986GradientEchoImaging、NMRMicroscope1988Angiography-Dumoulin1989Echo-PlanarImaging1991NobelPrize-Ernst1994Hyperpolarized129XeImaging第23頁,共188頁，2024年2月25日，星期天24磁共振物理基礎(chǔ)核的磁性（nuclearmagnetsm)帶有不對稱電荷（electriccharge)分布的粒子的自旋(spin)，感應(yīng)(interaction)產(chǎn)生符合右手螺旋定則的磁場(megneticfield)，第24頁,共188頁，2024年2月25日，星期天25具有磁矩的快速自旋核可以看成為極小磁棒,圖中磁矩(magneticvector,μ)表示其大小及方向Thinkofthespinofthisprotonasamagneticmomentvector,causingtheprotontobehavelikeatinymagnetwithanorthandsouthpole.磁共振物理基礎(chǔ)第25頁,共188頁，2024年2月25日，星期天26磁共振物理基礎(chǔ)第26頁,共188頁，2024年2月25日，星期天27PropertiesofSpinWhenplacedinamagneticfieldofstrengthB,aparticlewithanetspincanabsorbaphotonoffrequency?.Thefrequency

dependsonthegyromagneticratio

,

oftheparticle.?=

BForhydrogen,

=42.58MHz/T.磁共振物理基礎(chǔ)第27頁,共188頁，2024年2月25日，星期天28磁共振物理基礎(chǔ)磁化（magnetization)前后的原子核核的磁矩按照布郎運(yùn)動(dòng)原理隨機(jī)取向第28頁,共188頁，2024年2月25日，星期天29磁共振物理基礎(chǔ)靜止磁場內(nèi)，這些磁偶極子傾向于與使用的磁場順向平行或逆向平行取向排列第29頁,共188頁，2024年2月25日，星期天30磁共振物理基礎(chǔ)低能級(energylevel)方向排列較高能級方向略占優(yōu)勢，產(chǎn)生沿外磁場方向排列的凈磁化。ThereisalowenergyconfigurationorstatewherethepolesarealignedN-S-N-S

andahighenergystateN-N-S-S.

第30頁,共188頁，2024年2月25日，星期天31磁共振物理基礎(chǔ)第31頁,共188頁，2024年2月25日，星期天32TransitionsThisparticlecanundergoatransitionbetweenthetwoenergystatesbytheabsorptionofaphoton.Theenergyofthisphotonmustexactlymatchtheenergydifferencebetweenthetwostates.Theenergy,E,ofaphotonisrelatedtoitsfrequency,

?,byPlank'sconstant(h=6.626x10-34Js).E=h?

InNMRandMRI,thequantity

?iscalledtheresonancefrequencyandtheLarmorfrequency.磁共振物理基礎(chǔ)第32頁,共188頁，2024年2月25日，星期天33磁共振物理基礎(chǔ)凈(net)磁矩的矢量描述：磁矢量的合成：宏觀磁化矢量。第33頁,共188頁，2024年2月25日，星期天34AdaptingtheconventionalNMRcoordinatesystem,theexternalmagneticfieldandthenetmagnetizationvectoratequilibriumarebothalongtheZaxis.第34頁,共188頁，2024年2月25日，星期天35磁共振物理基礎(chǔ)磁矩的分解第35頁,共188頁，2024年2月25日，星期天36磁共振物理基礎(chǔ)靜磁場中質(zhì)子(proton)的狀態(tài)第36頁,共188頁，2024年2月25日，星期天37磁共振物理基礎(chǔ)第37頁,共188頁，2024年2月25日，星期天38磁共振物理基礎(chǔ)磁矩與外磁場(Bo)方向不完全一致在外加磁場中，核自旋矢量經(jīng)歷轉(zhuǎn)矩作用，又稱作耦合,引起自旋以一定頻率圍繞外磁場軸旋轉(zhuǎn)。類似地球引力場內(nèi)的一個(gè)旋轉(zhuǎn)陀螺運(yùn)動(dòng)，稱為拉莫爾進(jìn)動(dòng)（Larmorprocess)，ω=γBo

第38頁,共188頁，2024年2月25日，星期天39磁共振物理基礎(chǔ)第39頁,共188頁，2024年2月25日，星期天40磁共振物理基礎(chǔ)第40頁,共188頁，2024年2月25日，星期天41磁共振物理基礎(chǔ)射頻(radiation

frequency)脈沖形成射頻場B1一種短促的無線電波，與感興趣核的拉莫爾頻率一致第41頁,共188頁，2024年2月25日，星期天42磁共振物理基礎(chǔ)共振的本質(zhì)（吸收能量，產(chǎn)生能級躍遷，使B0方向宏觀磁矩變?。┑?2頁,共188頁，2024年2月25日，星期天43磁共振物理基礎(chǔ)第43頁,共188頁，2024年2月25日，星期天44第44頁,共188頁，2024年2月25日，星期天45磁共振物理基礎(chǔ)B0方向B1方向B1軌跡運(yùn)動(dòng)軌跡的分解XZY第45頁,共188頁，2024年2月25日，星期天46磁共振物理基礎(chǔ)射頻激勵(lì)(excite)脈沖實(shí)際上是另一個(gè)磁場（B1）B1方向垂直于Bo及作用非常短的時(shí)間B1磁場的作用是使磁化沿其進(jìn)動(dòng)，從垂直方向轉(zhuǎn)向Mxy平面B1翻轉(zhuǎn)角度與所使用射頻脈沖的強(qiáng)度及作用時(shí)間相關(guān)θ=γB1t第46頁,共188頁，2024年2月25日，星期天47磁共振物理基礎(chǔ)調(diào)整射頻脈沖強(qiáng)度和時(shí)間，可使磁化從平衡狀態(tài)（equilibriumstate）翻轉(zhuǎn)需要的角度時(shí)，稱為翻轉(zhuǎn)角。常用的有90度和180度射頻脈沖。第47頁,共188頁，2024年2月25日，星期天48

角脈沖=1t=B1t第48頁,共188頁，2024年2月25日，星期天49磁共振物理基礎(chǔ)90度射頻脈沖作用的宏觀表現(xiàn)第49頁,共188頁，2024年2月25日，星期天50思考題(problem)4縱向弛豫的機(jī)制是什么？5橫向弛豫的機(jī)制是什么？6磁共振信號是如何產(chǎn)生的？第50頁,共188頁，2024年2月25日，星期天51磁共振物理基礎(chǔ)MR信息載體－－RF。MR信號的實(shí)質(zhì)是變化的電磁波第51頁,共188頁，2024年2月25日，星期天52第52頁,共188頁，2024年2月25日，星期天53磁共振物理基礎(chǔ)電磁波譜(electromagneticspectrum)第53頁,共188頁，2024年2月25日，星期天54Magneticresonanceimagingisbasedontheabsorptionandemissionofenergyintheradiofrequencyrangeoftheelectromagneticspectrum.MRIgetsaroundthislimitationbyproducingimagesbasedonspatialvariationsinthephaseandfrequencyoftheradiofrequencyenergybeingabsorbedandemittedbytheimagedobject.第54頁,共188頁，2024年2月25日，星期天55磁共振物理基礎(chǔ)MR信號的產(chǎn)生弛豫（relaxation）過程：射頻脈沖激勵(lì)結(jié)束時(shí)即開始釋放電磁輻射并將能量轉(zhuǎn)移到晶格（lattice）或其自身之間而回到平衡狀態(tài)，這一過程被稱為弛豫。第55頁,共188頁，2024年2月25日，星期天56弛豫過程期間，凈磁矩的縱向（longitudinal，Mz）和橫向（transverse，Mxy）成分均呈指數(shù)形式，恢復(fù)到它們的平衡值－－橫向弛豫、縱向弛豫第56頁,共188頁，2024年2月25日，星期天57磁共振物理基礎(chǔ)縱向（自旋晶格）弛豫（spinlatticerelaxation）分子晶格為激勵(lì)核與晶格間能量交換提供了機(jī)會(huì)，激勵(lì)的核與鄰近晶格的相互影響提供了縱向弛豫的機(jī)制第57頁,共188頁，2024年2月25日，星期天58磁共振物理基礎(chǔ)在單純的水分子內(nèi)，一個(gè)質(zhì)子的磁偶極子場產(chǎn)生晶格場，它影響鄰近核的弛豫第58頁,共188頁，2024年2月25日，星期天59磁共振物理基礎(chǔ)能量以離散量子數(shù)方式從激勵(lì)核轉(zhuǎn)移出去，結(jié)果凈磁化矢量以指數(shù)函數(shù)恢復(fù)到初始值。ThetimeconstantwhichdescribeshowMZreturnstoitsequilibriumvalueiscalledthespinlatticerelaxationtime(T1).Theequationgoverningthisbehaviorasafunctionofthetimetafteritsdisplacementis:Mz=Mo(1-e-t/T1)

第59頁,共188頁，2024年2月25日，星期天60磁共振物理基礎(chǔ)Ifthenetmagnetizationisplacedalongthe-Zaxis,itwillgraduallyreturntoitsequilibriumpositionalongthe+ZaxisatarategovernedbyT1.

Theequationgoverningthisbehaviorasafunctionofthetimetafteritsdisplacementis:Mz=Mo(1-2e-t/T1)

第60頁,共188頁，2024年2月25日，星期天61磁共振物理基礎(chǔ)用T1值表示縱向弛豫時(shí)間，T1是時(shí)間常數(shù)，表示縱向磁化矢量恢復(fù)到它的初始值的63％所需要的時(shí)間生物組織的T1值從大約50毫秒到幾秒不等。第61頁,共188頁，2024年2月25日，星期天62磁共振物理基礎(chǔ)橫向（自旋—自旋）弛豫（spin－spinrelaxation）激勵(lì)后，自旋磁矩以相同相位進(jìn)動(dòng)，產(chǎn)生較大磁化橫向成分，單個(gè)自旋磁矩間相互作用引起局部隨機(jī)性磁場的變化，使得單個(gè)核的進(jìn)動(dòng)頻率波動(dòng)，相互分散，出現(xiàn)自旋磁矩逐漸的、隨機(jī)的相位異步（dephase），引起凈磁化橫向成分呈指數(shù)形式衰減（reduce)Twofactorscontributetothedecayoftransversemagnetization.

1)molecularinteractions(saidtoleadtoapureT2moleculareffect)

2)variationsinBo(saidtoleadtoaninhomogeneousT2effect第62頁,共188頁，2024年2月25日，星期天63磁共振物理基礎(chǔ)IfthenetmagnetizationisplacedintheXYplane

itwillrotateabouttheZaxisatafrequencyequaltothefrequencyofthephotonwhichwouldcauseatransitionbetweenthetwoenergylevelsofthespin.第63頁,共188頁，2024年2月25日，星期天64磁共振物理基礎(chǔ)Inadditiontotherotation,thenetmagnetizationstartstodephasebecauseeachofthespinpacketsmakingitupisexperiencingaslightlydifferentmagneticfieldandrotatesatitsownLarmorfrequency.Thelongertheelapsedtime,thegreaterthephasedifference.Herethenetmagnetizationvectorisinitiallyalong+Y.第64頁,共188頁，2024年2月25日，星期天65磁共振物理基礎(chǔ)相位異步第65頁,共188頁，2024年2月25日，星期天66Thetimeconstantwhichdescribesthereturntoequilibriumofthetransversemagnetization,MXY,iscalledthespin-spinrelaxationtime,T2.MXY=MXYoe-t/T2

指數(shù)衰減第66頁,共188頁，2024年2月25日，星期天67磁共振物理基礎(chǔ)用T2值表示橫向弛豫時(shí)間，T2是時(shí)間常數(shù)，表示橫向磁化矢量恢復(fù)到它的初始值的37％所需要的時(shí)間橫向磁化在縱向磁化恢復(fù)以前很久就消失了，因此生物組織的橫向弛豫時(shí)間要短于縱向弛豫時(shí)間第67頁,共188頁，2024年2月25日，星期天68磁共振物理基礎(chǔ)人體部分組織Ｔ１、Ｔ２值第68頁,共188頁，2024年2月25日，星期天69磁共振物理基礎(chǔ)MR信號的探測第69頁,共188頁，2024年2月25日，星期天70磁共振物理基礎(chǔ)只有在XY平面的成分能被探測到第70頁,共188頁，2024年2月25日，星期天71第71頁,共188頁，2024年2月25日，星期天72MR信號波形自由感應(yīng)衰減（FID）第72頁,共188頁，2024年2月25日，星期天73磁共振物理基礎(chǔ)信號與頻譜（spectrum）信號包括時(shí)間、強(qiáng)度、相位、頻率等成分（A）是單一頻率正弦波。其譜線是頻譜某點(diǎn)的豎線，高度取決于信號強(qiáng)度。第73頁,共188頁，2024年2月25日，星期天74（B）是二個(gè)頻率正弦波，每個(gè)成分具有相等的強(qiáng)度第74頁,共188頁，2024年2月25日，星期天75磁共振物理基礎(chǔ)復(fù)雜信號的頻譜付立葉變換下時(shí)間有關(guān)的信號可以通過付立葉變換生成相應(yīng)的頻譜，及反之亦然第75頁,共188頁，2024年2月25日，星期天76第76頁,共188頁，2024年2月25日，星期天77磁共振物理基礎(chǔ)第77頁,共188頁，2024年2月25日，星期天78磁共振物理基礎(chǔ)第78頁,共188頁，2024年2月25日，星期天79思考題(problem)7如何確定磁共振信號的空間位置？

8選層梯度如何實(shí)現(xiàn)其功能？9梯度磁場及射頻如何影響層厚？10MR圖像上的點(diǎn)與K空間上的點(diǎn)是對應(yīng)的嗎？為什么？第79頁,共188頁，2024年2月25日，星期天80磁共振成像原理組織的空間定位當(dāng)RF脈沖停止時(shí)，MR信號就可接收到了，此時(shí)接收線圈范圍內(nèi)的所有原子核會(huì)以相同的頻率輻射信號，并不攜帶任何空間位置信息。第80頁,共188頁，2024年2月25日，星期天81投影（project）磁共振成像原理第81頁,共188頁，2024年2月25日，星期天82梯度磁場

（MagneticFieldGradient）磁共振成像原理第82頁,共188頁，2024年2月25日，星期天83梯度場的作用（effect)磁共振成像原理第83頁,共188頁，2024年2月25日，星期天84空間定位需要解決的問題為了重建圖像，必須確定組織間的空間位置，涉及兩個(gè)方面：１）層面選擇２）層面上共振信號的空間編碼第84頁,共188頁，2024年2月25日，星期天85磁共振成像原理選層梯度(SliceSelection)由于共振頻率是磁場強(qiáng)度的函數(shù)，在人體長軸方向上附加一梯度磁場ＧZ，則每一橫斷面的共振頻率均不一樣，只有那些與射頻脈沖頻率相同的掃描層面內(nèi)的核才會(huì)吸收射頻脈沖能量。Z=Z=△f/gGs

第85頁,共188頁，2024年2月25日，星期天86第86頁,共188頁，2024年2月25日，星期天87磁共振成像原理選層梯度與層厚層面厚度取決于磁場梯度和射頻帶寬及形狀第87頁,共188頁，2024年2月25日，星期天88磁共振成像原理被選層面內(nèi)質(zhì)子的頻差及校正螺旋階梯樣散開施加自旋復(fù)相位梯度第88頁,共188頁，2024年2月25日，星期天89磁共振成像原理選定層面的空間編碼使用讀識梯度(頻率編碼FrequencyEncoding)接受信號時(shí)，使用與層面選擇梯度Gz垂直的第二個(gè)磁場梯度，散發(fā)出來的信號頻率與沿Ｇx梯度軸位置不同而不同。信號經(jīng)付立葉轉(zhuǎn)換為Ｘ軸上的頻譜。每個(gè)頻率成分的振幅，即沿Ｘ軸每個(gè)位置上的強(qiáng)度，與Ｘ軸位置上Ｙ方向信號總和成正比第89頁,共188頁，2024年2月25日，星期天90磁共振成像原理頻率編碼（讀識梯度）第90頁,共188頁，2024年2月25日，星期天91f=γ(Bo+xGx)=fo+γxGxx=(f-fo)/(γGx)

Thisprocedureiscalledfrequencyencodingandcausestheresonancefrequencytobeproportionaltothepositionofthespin.第91頁,共188頁，2024年2月25日，星期天92磁共振成像原理相位編碼梯度(PhaseEncodingGradient)在讀識梯度前施加，與讀識梯度方向垂直層面選擇梯度與90度射頻激勵(lì)脈沖后，所選擇層面內(nèi)所有自旋同頻同相進(jìn)動(dòng)；相位編碼梯度打開后，自旋將受該梯度影響以不同頻率進(jìn)動(dòng)，相位編碼梯度關(guān)閉時(shí)，所有自旋又同頻進(jìn)動(dòng)，而位置各異，每個(gè)核有各自的相位，依Ｙ梯度位置而定，這種改變稱為“相位記憶”第92頁,共188頁，2024年2月25日，星期天93磁共振成像原理相位編碼梯度相位記憶PhaseEncodingGradient第93頁,共188頁，2024年2月25日，星期天94第94頁,共188頁，2024年2月25日，星期天95第95頁,共188頁，2024年2月25日，星期天96磁共振成像原理第96頁,共188頁，2024年2月25日，星期天97磁共振成像原理圖像細(xì)節(jié)的獲得過程：在相位編碼梯度方向，圖像的空間分辨力在相位編碼梯度的升高過程中被逐漸獲得，系統(tǒng)所能識別的最小兩點(diǎn)間相位差別是有一定限度的(即空間分辨力)，比如是180度，這樣隨著梯度場強(qiáng)的升高，相差180度相位的兩點(diǎn)間距離逐漸變小，圖像的細(xì)節(jié)在相位編碼的過程中被獲得。第97頁,共188頁，2024年2月25日，星期天98GradientSlicePlaneSlicePhaseFrequencyXYZXorYYorXXZYXorZZorXYZXYorZZorY磁共振成像原理第98頁,共188頁，2024年2月25日，星期天99磁共振成像原理空間編碼及Ｋ空間MR掃描期間，采集的數(shù)據(jù)并不分別對每個(gè)相位編碼步的數(shù)據(jù)進(jìn)行付里葉變換，來產(chǎn)生圖像灰度，而是按照相位編碼順序，暫存在一個(gè)地方----即K空間，K空間是一個(gè)抽象空間或平面，每幅影像都有它自己的K空間數(shù)據(jù)陣列。K空間水平方向的Kx值對應(yīng)于測量梯度的時(shí)間(積分)，垂直方向的Ky值正比于相位編碼梯度的強(qiáng)度，每一相位編碼步由一個(gè)Ky值表示。第99頁,共188頁，2024年2月25日，星期天100磁共振成像原理K空間、數(shù)據(jù)矩陣與相位編碼步第100頁,共188頁，2024年2月25日，星期天101磁共振成像原理K空間實(shí)際由數(shù)據(jù)采集獲取的全部回波數(shù)據(jù)或投影一行一行疊排起來組成。Ky=0的投影是相位編碼梯度為零的條件下測量的回波的數(shù)據(jù)。K空間數(shù)據(jù)陣列垂直方向具有共軛對稱性。因?yàn)閮啥说南辔痪幋a梯度幅度相等極性相反第101頁,共188頁，2024年2月25日，星期天102磁共振成像原理K空間數(shù)據(jù)模型K空間中心有最大信號第102頁,共188頁，2024年2月25日，星期天103磁共振成像原理K空間數(shù)據(jù)獲取過程第103頁,共188頁，2024年2月25日，星期天104磁共振成像原理第104頁,共188頁，2024年2月25日，星期天105當(dāng)一個(gè)掃描序列完成后，系統(tǒng)會(huì)對該序列中所有予設(shè)層面的K空間的數(shù)據(jù)進(jìn)行付里葉變換，最終得到對應(yīng)層面具有相應(yīng)灰度等級的亮度圖像。在MR圖像中，圖像上每一點(diǎn)與K空間內(nèi)每一點(diǎn)不是一一對應(yīng)關(guān)系，圖像上每一點(diǎn)的信號都來源于K空間所有點(diǎn)，K空間內(nèi)每一點(diǎn)都參與圖像上所有點(diǎn)信號的形成。磁共振成像原理第105頁,共188頁，2024年2月25日，星期天106磁共振成像原理圖像轉(zhuǎn)換第106頁,共188頁，2024年2月25日，星期天107磁共振成像原理采樣時(shí)序第107頁,共188頁，2024年2月25日，星期天108磁共振成像原理全回波與部分回波80%60%第108頁,共188頁，2024年2月25日，星期天109磁共振成像原理掃描時(shí)間=ＮYxTRxNSA第109頁,共188頁，2024年2月25日，星期天110磁共振成像原理K空間軌跡類型KyKxoKyKxo第110頁,共188頁，2024年2月25日，星期天111磁共振成像原理第111頁,共188頁，2024年2月25日，星期天112磁共振成像原理第112頁,共188頁，2024年2月25日，星期天113二維付里葉變換接收線圈所探測到的電流，實(shí)際上是頻率和相位的函數(shù)，如果假設(shè)掃描層面中某一體素所對應(yīng)的頻率和相位是單一的，則每一體素所產(chǎn)生的電流df(t)可用下式來表示:df(t)=A(,)cos(t+)dd磁共振成像原理第113頁,共188頁，2024年2月25日，星期天114每進(jìn)行一次采樣，在掃描脈沖序列作用下，掃描平面內(nèi)所有體素發(fā)出的信號總和為f1(t)=

A(,1)cos(t+1)dd1磁共振成像原理第114頁,共188頁，2024年2月25日，星期天115

上式和f(t)的傅里葉變換式很相似，差別在于增加了相位分布的積分，加第二個(gè)脈沖序列時(shí)，相位編碼梯度的功率增加到使所有體素再多產(chǎn)生相位增量

，第三個(gè)脈沖序列則使相位增量為2

，因此所得的各級數(shù)據(jù)可以用下面一組式子來表示：磁共振成像原理第115頁,共188頁，2024年2月25日，星期天116f1(t)=

A(,1)cos(t+1)dd1f2(t)=

A[,1(1+)]cos[t,1(1+)]dd1

fn(t)=

A{,1[1+(n-1)]}cos{t,1[1+(n-1)]}dd1磁共振成像原理第116頁,共188頁，2024年2月25日，星期天117這一系列等式可用以下等式來代表：當(dāng)我們采用256個(gè)相位編碼步時(shí)，增量

＝360/256＝1.4f

(s,t)=

A{,1[1+(s-1)]}cos{t,1[1+(s-1)]}dd1磁共振成像原理第117頁,共188頁，2024年2月25日，星期天118 MR圖像究竟是如何得到的？第118頁,共188頁，2024年2月25日，星期天119思考題(problem)11請畫出自旋回波序列的時(shí)序圖。12請畫出FLAIR序列的時(shí)序圖。13IR序列為什么可以選擇性地抑制某些組織信號？14EPI序列的時(shí)序圖第119頁,共188頁，2024年2月25日，星期天120磁共振成像方法射頻脈沖和自由感應(yīng)衰減的檢測是連續(xù)進(jìn)行的，然而并不是RF停止后立即進(jìn)行自由感應(yīng)衰減取樣，而是檢測自由感應(yīng)衰減消失后一定時(shí)間重新出現(xiàn)回波信號磁共振測量使用兩種方法產(chǎn)生回波信號自旋回波（Spin-Echo）

梯度回波（Gradient-Echo）

第120頁,共188頁，2024年2月25日，星期天121磁共振成像方法脈沖序列的構(gòu)成自旋準(zhǔn)備準(zhǔn)備脈沖組織預(yù)飽和信號產(chǎn)生自由感應(yīng)衰減自旋回波梯度回波付氏變換亮度轉(zhuǎn)換圖像第121頁,共188頁，2024年2月25日，星期天122磁共振成像方法脈沖序列的表達(dá)時(shí)序圖表達(dá)射頻、選層梯度、相位編碼梯度、頻率編碼梯度、回波、采樣等過程的波形敘述流程圖表達(dá)用數(shù)字或數(shù)學(xué)符號表達(dá)第122頁,共188頁，2024年2月25日，星期天123磁共振成像方法脈沖序列分類：按信號：FID、SPIN

ECHO、GRADIENTECHO、EPIECHO按用途：通用：常規(guī)檢查序列專用：心臟、脂肪抑制、偽影抑制等按成像速度：普通、快速第123頁,共188頁，2024年2月25日，星期天124磁共振成像方法被激勵(lì)核經(jīng)歷兩個(gè)根本不同的失相位過程自旋——自旋相互作用，該作用是隨機(jī)的，隨時(shí)間而變化，是不可逆的過程磁場的不均勻，產(chǎn)生對自旋系統(tǒng)的恒定的影響，需采用一定的方法糾正凈磁場不均勻性的影響第124頁,共188頁，2024年2月25日，星期天125磁共振成像方法自旋回波磁場不均勻的靜態(tài)作用，可以在90度RF脈沖之后一段時(shí)間使用180度RF重聚相脈沖消除第125頁,共188頁，2024年2月25日，星期天126磁共振成像方法A180opulsewillrotatethemagnetizationvectorby180degrees.A180opulserotatestheequilibriummagnetizationdowntoalongthe-Zaxis.

第126頁,共188頁，2024年2月25日，星期天127磁共振成像方法Thenetmagnetizationatanyorientationwillbehaveaccordingtotherotationequation.Forexample,anetmagnetizationvectoralongtheY'axiswillendupalongthe-Y'axiswhenacteduponbya180opulseofB1alongtheX'axis.第127頁,共188頁，2024年2月25日，星期天128磁共振成像方法在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，相位調(diào)制后，180度脈沖可加在X軸上，使得質(zhì)子群繞X軸折疊第128頁,共188頁，2024年2月25日，星期天129磁共振成像方法自旋回波的形成第129頁,共188頁，2024年2月25日，星期天130磁共振成像方法AnetmagnetizationvectorbetweenX'andY'willendupbetweenX'andY'aftertheapplicationofa180opulseofB1appliedalongtheX'axis.第130頁,共188頁，2024年2月25日，星期天131磁共振成像方法自旋回波脈沖序列自旋回波（SE，spinecho)脈沖序列是指以90度脈沖開始，后續(xù)以180度相位重聚焦脈沖，以獲得有用信號的脈沖序列。并且可以多次施加180度脈沖，以獲得多次回波信號。SE序列是目前臨床磁共振成像中最基本、最常用的脈沖序列。第131頁,共188頁，2024年2月25日，星期天132磁共振成像方法180°180°90°TE1TE2第132頁,共188頁，2024年2月25日，星期天133磁共振成像方法時(shí)序與信號幅度變化趨勢第133頁,共188頁，2024年2月25日，星期天134磁共振成像方法幾個(gè)重要參數(shù)反轉(zhuǎn)時(shí)間TI回波時(shí)間TE重復(fù)時(shí)間TR靜息時(shí)間Tdead（TR、TE之差)SE序列的執(zhí)行過程分為激發(fā)、編碼、相位重聚和信號讀出四個(gè)階段第134頁,共188頁，2024年2月25日，星期天135磁共振成像方法180°RFGpc90°next90°TITE/2TETRGssEchoGroTdead第135頁,共188頁，2024年2月25日，星期天136磁共振成像方法2DFT&3DFT第136頁,共188頁，2024年2月25日，星期天137磁共振成像方法第137頁,共188頁，2024年2月25日，星期天138磁共振成像方法自旋回波信號的應(yīng)用測量組織T2：由外磁場不均勻引起的失相位的可逆的，組織本身橫向弛豫引起的、由其表征的信號衰減是不可逆的。

1/T2第138頁,共188頁，2024年2月25日，星期天139磁共振成像方法多次回波信號的最大幅度正比于組織的本征弛豫時(shí)間T2：

Sm(n)e-n/T2

根據(jù)此式可獲得比較準(zhǔn)確的T2值。第139頁,共188頁，2024年2月25日，星期天140磁共振成像方法自旋回波序列的圖像特征SE序列的信號強(qiáng)度至少取決于氫質(zhì)子密度、T1和T2弛豫時(shí)間、TR及TE等5個(gè)因素，當(dāng)組織一定時(shí)，改變序列參數(shù)TR和TE就可改變質(zhì)子密度、T1及T2對圖像的影響程度或加權(quán)權(quán)重。第140頁,共188頁，2024年2月25日，星期天141磁共振成像方法自旋回波序列信號強(qiáng)度的近似表達(dá)：

S＝

·

r(1－e-TR/T1)e-TE/T2在式中，當(dāng)取TR＞＞T1時(shí)信號強(qiáng)度與T1幾乎無關(guān)系；當(dāng)TR一定時(shí)，如果TE＜＜T2，信號強(qiáng)度受T2影響減少。因此，TR和TE是自旋回波序列的重要操作參數(shù)?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)TR和TE來靈活地實(shí)施所謂加權(quán)成像：T1加權(quán)像，T2加權(quán)像及質(zhì)子密度加權(quán)像。第141頁,共188頁，2024年2月25日，星期天142磁共振成像方法圖像亮度與信號強(qiáng)度的關(guān)系線性關(guān)系：

I=

·S第142頁,共188頁，2024年2月25日，星期天143磁共振成像方法梯度回波脈沖序列梯度回波（GRE，gradientecho），是一種采用小角度RF波替代SE中的90度RF脈沖，通過有關(guān)梯度場方向的翻轉(zhuǎn)替代自旋回波中180度脈沖而產(chǎn)生回波信號的成像技術(shù)，該技術(shù)掃描時(shí)間大大短于SE序列成像時(shí)間。第143頁,共188頁，2024年2月25日，星期天144磁共振成像方法梯度回波的原理：相位回聚Gyφ無梯度正梯度負(fù)梯度翻轉(zhuǎn)梯度第144頁,共188頁，2024年2月25日，星期天145磁共振成像方法第145頁,共188頁，2024年2月25日，星期天146時(shí)序圖：RFGpcα°α°GssEchoGronextφssφroφpe第146頁,共188頁，2024年2月25日，星期天147磁共振成像方法梯度回波信號強(qiáng)度：S=kr(1-exp(-TR/T1))Sin

exp(-TE/T2*)/(1-Cos

exp(-TR/T1))GRE序列只能獲得T2＊加權(quán)的圖像給定T1和TR時(shí)，信號的幅度與

角相關(guān)：1arccosTTRErnste-=q第147頁,共188頁，2024年2月25日，星期天148磁共振成像方法擾相梯度：減少剩余磁化采用的手段。使梯度回波序列在較短的TR下獲得更大的權(quán)重。將加大梯度系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。第148頁,共188頁，2024年2月25日，星期天149磁共振成像方法橫向殘余磁化矢量破壞序列第149頁,共188頁，2024年2月25日，星期天150磁共振成像方法TSE&GRE序列RF后多次進(jìn)行梯度翻轉(zhuǎn)：兩種回波成分第150頁,共188頁，2024年2月25日，星期天151磁共振成像方法GRE-EPI(Gx翻轉(zhuǎn))第151頁,共188頁，2024年2月25日，星期天152磁共振成像方法GRE-spiral螺旋磁共振第152頁,共188頁，2024年2月25日，星期天153第153頁,共188頁，2024年2月25日，星期天154磁共振成像方法其他序列：飽和恢復(fù)序列（saturationrecovery,SR)部分飽和序列（partialsaturation,PS)反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列（inversionrecovery,IR)STIR（shorttimeinversionrecovery)SPIR(spectralpresaturationwithinversionrecovery)FLAIR(fluidattenuatedinversionrecovery)IRSE(inversionrecoveryspinecho)回波平面成像序列（echoplanarimage,EPI)第154頁,共188頁，2024年2月25日，星期天155磁共振成像方法飽和恢復(fù)序列使用長TR，縱向弛豫最大，質(zhì)子密度加權(quán)像第155頁,共188頁，2024年2月25日，星期天156磁共振成像方法部分飽和序列（可測T1）90°RFFID90°90°90°TR第156頁,共188頁，2024年2月25日，星期天157磁共振成像方法部分飽和恢復(fù)序列TR短，得到T1W第157頁,共188頁，2024年2月25日，星期天158磁共振成像方法翻轉(zhuǎn)序列（抑制某種組織）FIDRF90°180°180°TI第158頁,共188頁，2024年2月25日，星期天159第159頁,共188頁，2024年2月25日，星期天160磁共振成像方法IR序列時(shí)序圖第160頁,共188頁，2024年2月25日，星期天161磁共振成像方法EPI序列恒定相位編碼第161頁,共188頁，2024年2月25日，星期天162磁共振成像方法EPI序列脈沖式相位編碼第162頁,共188頁，2024年2月25日，星期天163信號強(qiáng)度公式小結(jié)Spin-EchoS=kr(1-exp(-TR/T1))exp(-TE/T2)InversionRecovery(180-90)S=kr(1-2exp(-TI/T1)+exp(-TR/T1))InversionRecovery(180-90-180)S=kr(1-2exp(-TI/T1)+exp(-TR/T1))exp(-TE/T2)GradientRecalledEchoS=kr(1-exp(-TR/T1))Sin

exp(-TE/T2*)/(1-Cos

exp(-TR/T1))第163頁,共188頁，2024年2月25日，星期天164決定信號強(qiáng)度的參量RepetitionTime,TR

EchoTime,TEInversionTime,TIRotationAngle,

T2*第164頁,共188頁，2024年2月25日，星期天165圖像對比與加權(quán)T1值和T1圖像對比度組織的T1值越短，縱向磁矩分量恢復(fù)越快，在測量T1的序列中，呈高信號，圖像中相應(yīng)像素較亮。第165頁,共188頁，2024年2月25日，星期天166圖像對比與加權(quán)第166頁,共188頁，2024年2月25日，星期天167圖像對比與加權(quán)T2值與T2圖像對比度弛豫緩慢（T2長）的組織將保持較高的剩余橫向磁化第167頁,共188頁，2024年2月25日，星期天168圖像對比與加權(quán)第168頁,共188頁，2024年2月25日，星期天169圖像對比與加權(quán)質(zhì)子密度圖像對比度第169頁,共188頁，2024年2月25日，星期天170圖像對比與加權(quán)圖像的加權(quán)調(diào)節(jié)TR，TE，TI或翻轉(zhuǎn)角等脈沖序列參數(shù)，就可達(dá)到在圖像中突出某一對比度的目的。常將這樣獲取的圖像稱為加權(quán)像(WI，we