磁共振原理.ppt

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1、一、物理学基础,MRI发展重大事件,电磁波谱图,永磁体：所有物质具有不同程度的磁性（如铁、镍、钴、钆等），在其周围产生磁场。 电磁：电子流过环形线圈，产生类似磁铁棒的磁场。,1.核磁,质子、中子或质子和中子数不成对的原子核，高速自旋（相当于正电荷在环形线圈流过）时产生磁场，称为核磁。,人体组织中含有1H、13C、19F、23Na等元素，有磁性的元素约百余种。,现今MRI中研究和使用最多的为1H（氢质子），原因有： 1、1H的磁化最高的原子核； 2、1H占人体原子数量的2/3（大部分位于水和脂肪中）。 通常所指的MRI为氢质子的MR图像（或称质子像）。,不同原子核的MRI特性,2.磁化（原子核在

2、外加磁场中）,磁场用磁矩（m）来表示，磁场有其强度、方向和方位。 主或静磁场：外加磁场，用矢量表示。,将生物组织置于主磁场中，则质子磁矩方向发生变化，结果是较多的质子磁矩指向与主磁场方向相同，而较少的质子与B0方向相反，与B方向相反的质子具有较高的位能。常温下，顺主磁场排列的质子数目较逆主磁场排列的质子稍多（约10-6）因此，出现与主磁场B方向一致的净宏观磁矩（宏观磁化矢量，MRI研究和讨论的主要是其变化规律）,M,3.拉莫尔进动,氢质子自旋的同时，又沿主磁场B0方向作圆周运动，将质子磁矩的这种运动称为进动或旋进。 在主磁场中宏观磁矩像单个质子磁矩那样作旋进运动，其频率用larmorg公式表示

3、。,方程,/：进动的频率：主磁场强度：旋磁比（对于每一种原子核是恒定的常数）,4.共振,共振现象为能量传递过程，当驱动者能源频率与被激励者固有频率相一致时，就发生共振现象。 在MR成像中，被激励者是氢质子团，激励者是射频脉冲。 在主磁场中顺主磁场方向的质子处于低能态，逆主磁场方向的质子处于高能态。,M,在主磁场中，以larmor频率施加射频脉冲，被激励的质子从低能态跃迁至高能态，出现核磁共振(只有射频脉冲的频率与质子群的旋进频率一致时，才能出现共振)。从微观角度来说，磁共振现象是低能级的质子获得能量跃迁到高能级。从宏观的角度来说，磁共振现象的结果是使宏观纵向磁化矢量发生偏转。偏转的角度与射频脉

4、冲的能量有关，能量越大偏转角度越大；而射频脉冲能量的大小与脉冲强度及持续时间有关 在MRI技术中使用较多的是90、180射频脉冲，在梯度回波脉冲序列时使用的是90射频脉冲。,射频脉冲的作用,处于平衡状态的净磁矩,并不能产生信号，该磁矩在具有拉莫尔频率的90RF脉冲的激励下旋进到XY平面,也即垂直于主磁场的方向，产生横向的宏观磁化矢量。（）的方向和大小的变化取决于射频脉冲的强度和时间。,180射频脉冲的作用,施加180射频脉冲后，质子群的宏观磁化矢量与B0平行，方向相反，横向磁化矢量M为零。,、核磁弛豫,射频脉冲停止后,已吸收能量发生共振的质子群磁矩释放能量,回到原平衡状态的过程称核磁弛豫（固有

5、）。弛豫过程用两个时间来表示，即纵向弛豫 、横向弛豫 。弛豫过程表现为一种指数曲线。,弛豫是质子群通过释放已吸收的能量以恢复到原来平衡状态的过程。 射频脉冲的一个作用是激励质子群使之在同一方位、同步旋进（相位一致），横向磁化矢量最大；射频脉冲停止后，质子群同步旋进变为异步，横向磁化矢量由最大减小到零，称为去相位。 各种正常组织和病变组织的、是不同的。正常组织和病变组织氢原子的、受周围环境（化学环境或磁环境）的影响，而改变了氢质子的行为，进而改变了组织所发出的射频波。,、人体部分组织、值,、核磁共振的量子物理学简介,低能态的质子被激励跃迁为高能态，以及高能态衰减为低能态均为量子过程。 激励射频光

6、子的频率为质子的larmor频率，后者由主磁场的场强决定，因此高、低能态的差别与场强成正比。,N,8.磁共振信号,90RF脉冲使质子群净磁矩旋进到XY平面,脉冲停止后,横向磁化矢量的变化使得RF线圈产生感应电动势，这个感应电流即MR信号。由于受到、的影响，该信号以指数曲线形式衰减,称为自由感应衰减(FID),90RF脉冲停止后,因、的作用引起的信号衰减，称为自由感应衰减(FID)FID代表在横向测到的的振荡信号的演变，将自旋-自旋相互作用及磁场不均匀所引起的信号衰减时间称作T2*。,9.信号与MR波谱,在一个窄频率带的范围内，FID信号代表叠加到一起的正玄振荡，用数学方法（傅里叶变换）可把振幅

7、随时间而变化的函数变成振幅随频率变化的函数，即MR波谱。钟形波的波峰高度（信号强度）代表质子密度。,0,t,Fo,Fo,Fo+1/ t,Time,Frequency,t,Fo,Fo,DF= 1/ t,FT,FT,二、自旋回波序列,90,180,回波,TE,TR,TE：回波时间TR：重复时间,1、自旋回波序列成像理论,由于磁场的不均匀使90脉冲后的宏观净磁矩很快相位离散,即去相位；在TE/2后,施加180RF脉冲使质子群离散的相位又相互趋向一致，称为相位重聚,并出现可测量的MR信号。,与一样，是人体剖面的数字图像。 是多参数成像，每个体素的亮度灰阶值与、质子密度以及流动液体参数有关，而只与组织的

8、线衰减有关。 人体不同组织有其各自的、质子密度，这是区分正常与异常以及诊断疾病的基础。,加权像：人们通过调节重复时间和回波时间，以得到突出某个组织特征参数的图像，这种图像被称为加权像。 加权像、加权像、质子密度加权像。,、质子密度加权像PDW,如何设置参数才能得到质子密度加权像？通过抑制组织的和加权特性，就可以得到质子密度加权像。, e -t/T1,当t无穷大时，只与有关，而与T1无关。也就是说长TR降低了组织之间T1的差异。, XYe -t/T2,当t无穷小时，XY只与有关，而与T2无关。也就是说短TE降低了组织之间T2的差异。,长TR 抑制 T1W 短TE 抑制 T2W,3、T1加权像,如

9、何设置参数才能得到T1加权像？通过抑制组织的质子密度和加权特性，就可以得到T1加权像。长TR 抑制 T1W短TE 抑制 T2W短TR 提高 T1W短TE 抑制 T2W,PDW,T1WI,4、T2加权像,如何设置参数才能得到T2加权像？通过抑制组织的质子密度和1加权特性，就可以得到T2加权像。长TR 抑制 T1W短TE 抑制 T2W短TR 提高 T1W短TE 抑制 T2W长TR 抑制 T1W长TE 提高 T2W,PDW,T2WI,T1WI,FA（翻转角）,在梯度回波使用的是小角度激励。 MZ（小）MZ（大） 小角度激励等效于长TR。,5、其它序列,对比逆转 多回波序列：90脉冲后，连续施加180

10、脉冲。 部分饱和脉冲序列：有两个以一定时间间隔的90脉冲构成。 反转恢复脉冲序列：先施加以180脉冲，再给一个90脉冲。,磁共振信号强度,三、磁共振成像的基本原理,根据larmor定律，在均匀的强磁场中，生物体内的质子群旋进频率由场强决定且一致的。在主磁场中附加一个线性梯度磁场，被检体各部位质子群的旋进频率可因磁场强度不同而有区别，这样可对被检体某一部位行MR成像；因此，MRI空间定位靠的是梯度磁场。 用于MRI的梯度磁场有三种：横轴位（GZ）自上至下场强不同的梯度磁场矢状位（GX）自右至左场强不同的梯度磁场冠状位（GY）自后至前场强不同的梯度磁场,.层面选择,由于共振频率是磁场强度的函数，在

11、人体长轴方向上附加一梯度磁场，则每一横断面的共振频率均不一样，层面厚度取决于磁场梯度和射频带宽（射频脉冲其频率并非完全一致，有一个频率范围）。梯度场强越高，层厚越薄射频脉冲越短，带越宽，层厚越厚,层厚有一定限度，一般为2mm,2.相位离散与相位重聚,由于断层面有一定的厚度，将脉冲波形中心频率作为断层平面的位置，其上下质子群的旋进频率有快有慢，并呈螺旋楼梯的台阶状散开，引起信号减弱，为了获得最大信号强度，采用一相反极性的梯度磁场，使该层自旋磁矩相位重聚。,.断层平面信号的编码,为区别断层面空间一个点的信号需在选择二维定位，目前MRI用的是频率和象棋两个编码方法。,频率编码,启动选出被激励的横轴层

12、面后，再启动，频率编码梯度使得信号共振频率沿轴增加，经，各点的信号强度描点连线成沿轴方向的一维轮廓线，也称读出梯度。由于人体X轴的各质子群相对位置不同，在频率编码梯度上有不同的位置，则可在X轴上分出不同频率质子群的位置。,相位编码,施加垂直于的相位编码梯度，停止时，所有核磁处于同一相位及频率旋进，此时施加，轴上，不同位置的核磁旋进频率各异，关闭，各核磁又以同频旋进，然而，位置却发生了变化，并记忆了此时的位置。,4.傅里叶变换,脉冲后，施加频率编码梯度和相位编码梯度，即可完成被选层面的空间编码，和是傅里叶变换的基础。 傅里叶变换可将一个混合的FID信号区分出不同的其不同的频率成分，可将一个信号的

13、频率（读出）和相位成分区别开。这样，沿着一个平面的两个垂直方向进行相位（行）和频率（列）编码，可得到该层面每个体素的信息。,空间定位及傅立叶转换 GZ-某一层面产生MXY GX-MXY旋进频率不同 GY-MXY旋进相位不同 （不影响MXY大小） 某一层面不同的体素，有不同频率、相位MRS（FID）,5.3傅里叶变换,采用3DFT时，激励射频脉冲频谱十分宽，为非层面选择形式，是被检体整个节段被激励，而不是每一层面被激励，然后在Z和两个方向进行相位编码，在方向上进行频率编码。,6.成像过程,由A原始数据(正弦信号)经过2DFT后成为B-2D频谱，最终图像C是B的亮度灰阶描述。,由于对每个体素进行了

14、相位（行）和频率（列）编码，各个体素的不同值构成一个矩阵，各个体素由不同的相位和频率组合，在矩阵中有其特有的位置，再经过计算机处理得到每个体素的灰阶值，形成一帧MR图像。,7.空间,伴随数据区域的空间编码，必须有一个解码方法来获得具有一定空间分辨率的图像。不同的编码方法，图像品质有很大差异。,空间（续）,空间是在信号采集期间收集的原始数据所组成，此时并不重建解剖图像。每一图像都有其自己的空间。水平轴代表频率编码方向，纵轴均匀刻度，每一刻度代表一值，成比例对应于相位编码的梯度磁场。空间实际是由各回波信号组成。,空间（续）,空间可以模拟图像，另外，空间可以对不同梯度的影响、弛豫现象及变换采集方案提

15、供定量评价。不管如何采集，只要能确定空间的映射图，就能准确构造用来进行的数据。,8.自旋回波（）图像,自旋回波序列为最常用的脉冲序列。先发射90脉冲，隔/2后再发射180脉冲，至时间测量回波信号，重复这一过程，完成所有采集。两脉冲间的时间为重复时间。,快速自旋回波信号的变化,9.梯度回波图像,梯度回波与自旋回波的区别是采用90的脉冲及不采用180脉冲，而是施加强度相同、方向相反的读出梯度磁场，使相位回归出现回波。既保持了较好的图像信噪比，又缩短检查时间。,磁共振成像采用静磁场使该磁场的局部变化，磁场梯度对组织样本的原子核进行空间信息编码，射频脉冲发生器发出的射频脉冲与其共同作用来产生信号，然后

16、射频接收系统探测出这些重新发射出来的射频能量信号 ，并将这些信号传输给计算机系统进行数字化处理和影像显示。,处于静磁场的成像物体,用Z轴方向的梯度磁场选择层面,用X轴方向的梯度磁场频率编码,用Y轴方向的梯度磁场相位编码,信号采集,信号处理，得到数字图像,层面图像显示,磁共振成像过程框图,1. 磁体：产生静磁场 2. 磁场梯度系统：由梯度放大器和梯度线圈所组成用于空间选择和空间编码 3. 射频放大器和射频发射线圈：产生测量脉冲，激励原子核 4. 射频接收线圈和放大器：探测来自原子核的信号 5. 采集和控制系统：进行数字化信号处理影像处理及数据采集、控制 6. 生理学硬件：用来获得病人的心电图、呼吸周期波,7. 重建系统 8. 操作/显示控制台以显示图像和操作者输入控制参数 9. 存档系统 10.磁屏蔽：减少磁共振成像仪周围杂散磁场的影响 11. 射频屏敝：使系统免受外部射频的相互干扰 12. 扫描床检查时在磁体内摆放病人 13. 病人监视设备以便检查时观察病人,磁共振造影剂 能引起质子弛豫时间缩短的离子或小分子称为顺磁性物质。 用于MRI检查的顺磁性物质称为顺磁性造影剂，主要机理为改变局部组织的磁环境。 Gd+3顺磁性最强，具有7个不成对的电子。 Gd-DTPA弛豫性强，毒性小，安全系数大，细胞外分布，不通过正常的血脑屏障，由肾脏迅速排泄，常用剂量0.1mmol/kg。,谢谢！,