核磁共振成像

1、核磁共振成像Magnetic Resonance Imaging生物醫(yī)學(xué)工程系 沈春旭引用：清華大學(xué)神經(jīng)外科網(wǎng)概圖概圖 核磁共振發(fā)展史核磁共振發(fā)展史 醫(yī)用醫(yī)用MRI儀器及通用系統(tǒng)框圖儀器及通用系統(tǒng)框圖 核磁共振成像優(yōu)缺點(diǎn)核磁共振成像優(yōu)缺點(diǎn) 核磁共振成像目前取得巨大進(jìn)展核磁共振成像目前取得巨大進(jìn)展 核磁共振基本物理原理核磁共振基本物理原理 核磁共振成像原理核磁共振成像原理 核磁共振成像子系統(tǒng)及功能核磁共振成像子系統(tǒng)及功能 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)u 1924年： Pauli 預(yù)言了NMR 的基本理論,斯特恩和蓋拉赫在原子束實(shí)驗(yàn)中觀(guān)察到了鋰原子和銀原子的磁偏轉(zhuǎn)。斯特恩等人測(cè)量了質(zhì)子的磁距u 1939年：

2、拉比第一次做了核磁共振實(shí)驗(yàn)u 1946年： Harvard 大學(xué)的Purcel和Stanford大學(xué)的Bloch各自首次發(fā)現(xiàn)并證實(shí)NMR現(xiàn)象u 1953年：Varian開(kāi)始商用儀器開(kāi)發(fā)，同年制作了第一臺(tái)高分辨NMR 儀u 1956年：Knight發(fā)現(xiàn)元素所處的化學(xué)環(huán)境對(duì)NMR信號(hào)有影響,且與物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)有關(guān) u 1970年：Fourier-NMR 開(kāi)始市場(chǎng)化（早期多使用的是連續(xù)波 NMR 儀器）u 1973年：核磁共振技術(shù)被引入醫(yī)學(xué)臨床檢測(cè)u 1991年：Ernst 高分辨核磁共振波譜學(xué)方法方面 u 2002年：瑞士核磁共振波譜學(xué)家維特里希，用多維NMR技術(shù)在測(cè)定溶液中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維構(gòu)象方面

3、的開(kāi)創(chuàng)性研究u 2003年：美國(guó)科學(xué)家勞特勞爾于1973年發(fā)明在靜磁場(chǎng)中使用梯度場(chǎng)，能夠獲得磁共振信號(hào)的位置，可以得到物體的二維圖像；英國(guó)科學(xué)家曼斯菲爾德進(jìn)一步發(fā)展，指出磁共振信號(hào)可以用數(shù)學(xué)方法精確描述，他發(fā)展的快速成像方法為醫(yī)學(xué)磁共振成像臨床診斷打下了基礎(chǔ)。核磁共振發(fā)展史核磁共振發(fā)展史2003年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)科學(xué)家勞特布爾（圖左）和英國(guó)科學(xué)家曼斯菲爾德（圖右） 1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)科學(xué)家布洛赫（圖左）和波賽爾（圖右）1991年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予瑞士物理學(xué)家艾斯特1944年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)科學(xué)家拉比2002年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予美日瑞士三國(guó)科學(xué)家芬恩 （圖左），田中耕

4、一（圖中），維特里希（圖右） 1943年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)科學(xué)家斯特恩核磁共振發(fā)展史核磁共振發(fā)展史醫(yī)用核磁共振成像儀器及通用系統(tǒng)框圖醫(yī)用核磁共振成像儀器及通用系統(tǒng)框圖引用：http:/ 成像條件成像條件 有信號(hào)、獲取信號(hào)、處理信號(hào)及圖像重建。l MRIMRI的特點(diǎn)的特點(diǎn) 數(shù)學(xué)、核物理、電磁學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)、生理解剖學(xué)、超導(dǎo)技術(shù)、材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷等等從宏觀(guān)到微觀(guān)的各個(gè)領(lǐng)域；l MRIMRI應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的優(yōu)勢(shì)u 利用人體氫質(zhì)子的MR信號(hào)成像，從分子水平提供診斷信息；u 任意截面成像；u 軟組織圖象更出色；u 不受骨偽影的影響；u 無(wú)電離輻射,一定條件下可進(jìn)行介入MRI治療l

5、MRIMRI的局限性的局限性n 成像速度慢（相對(duì)于X-CT而言）n 對(duì)鈣化灶和骨皮質(zhì)灶不敏感n 圖像易受多種偽影影響n(yōu) 禁忌癥：心臟起搏器及鐵磁性植入者等n 定量診斷困難l 回波平面成像（echoplannarmaging,EPI），使MR的成像時(shí)間大大縮短，可在100200ms內(nèi)得到高分辨率的圖像。l 磁共振血管造影（magneticresonanceangiography，MRA），不需要造影劑即可得到血管造影像，優(yōu)于CT和X線(xiàn)血管造影。還有磁共振的灌注和滲透加權(quán)成像，不僅提供了人體組織器官形態(tài)方面的信息，還提供了功能方面的信息。l 磁共振成像介入，有良好的組織對(duì)比度，可以精確地區(qū)分病灶的

6、界面、確定目標(biāo)；亞毫米級(jí)空間分辨率便于病灶定位和介入引導(dǎo)；多層和三維空間成像允許全方位地觀(guān)察重要的解剖結(jié)構(gòu)；快和超快速的成像序列能夠?qū)ι磉\(yùn)動(dòng)、介入器具和介入引起的變化進(jìn)行近似實(shí)時(shí)的觀(guān)察。l 消除偽影的技術(shù)，如空間預(yù)飽和、梯度磁矩衡消和快速成像等技術(shù)，可有效消除人體的生理運(yùn)動(dòng)如呼吸、血流、腦脊液脈動(dòng)、心臟跳動(dòng)、胃腸蠕動(dòng)等引起的磁共振圖像的偽影。核磁共振成像目前取得巨大進(jìn)展核磁共振成像目前取得巨大進(jìn)展核磁共振基本物理原理核磁共振基本物理原理0()2IpegEBm磁旋比l 磁場(chǎng)中的核能級(jí)間距:l 研究對(duì)象:自旋量子數(shù)0的原子核u Larmor頻率:0B(1)JIII 在磁場(chǎng)中 有2種取向00(,1

7、,1, )EBB mmIIII l 磁場(chǎng)中核能級(jí)分裂:l 自旋角動(dòng)量:u 熱平衡，各能級(jí)粒子數(shù)服從玻爾茲曼分布，宏觀(guān)磁化強(qiáng)度M：00220e(1)3eIBkmmIImTBTmIkmNI IMBTNk12N12N0B0M12I 12I u 對(duì)氫原子核磁共振研究核磁共振基本物理原理核磁共振基本物理原理iiM00121()xyzM iM jMMdMMBBkdtTT 0021xyzM iM jMMdMMBkdtTT 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（xy平面均勻分布，相互抵消）:000cos()sin()xyztdBtdtconst u一個(gè)核： u多個(gè)核： 0BXYZZM0BXYZZM1B1B核磁共振基本物理原理核磁共振基

8、本物理原理-Larmor 進(jìn)動(dòng)進(jìn)動(dòng) 核磁共振信號(hào)的弛豫u自旋體系可以與周?chē)h(huán)境相互作用u在低能態(tài)上的核躍遷到高能態(tài)的同時(shí)，高能態(tài)的核向周?chē)h(huán)境轉(zhuǎn)移能量，及時(shí)地恢復(fù)到低能態(tài)，核體系仍然保持低能態(tài)核數(shù)目比高能態(tài)微弱過(guò)剩的熱平衡狀態(tài)，維持玻爾茲曼分布，從而保證了共振吸收的繼續(xù)進(jìn)行u這種不經(jīng)過(guò)輻射而回到低能態(tài)的過(guò)程叫弛豫u自旋核從共振激發(fā)狀態(tài)恢復(fù)到平衡狀態(tài)所需要的時(shí)間為弛豫時(shí)間弛豫時(shí)間及自由感應(yīng)衰減信號(hào)（弛豫時(shí)間及自由感應(yīng)衰減信號(hào)（FID） 受激發(fā)射受激發(fā)射：在電磁波作用下，處于高能級(jí)的粒子回到低能級(jí)，發(fā)出頻率為的電磁波，因此電磁波強(qiáng)度增強(qiáng)的現(xiàn)象。玻爾茲曼分布表明，在平衡狀態(tài)下，高低能級(jí)上的粒子數(shù)分布

9、由下式?jīng)Q定：從激發(fā)狀態(tài)恢復(fù)到Boltzmann平衡的過(guò)程就是馳豫過(guò)程ElN NkThe 馳豫（relaxation）種類(lèi)弛豫時(shí)間及自由感應(yīng)衰減信號(hào)（弛豫時(shí)間及自由感應(yīng)衰減信號(hào)（FID） 縱向馳豫（縱向馳豫（spin-lattice relaxation）u 自旋-晶格馳豫或T1馳豫u縱向馳豫是自旋的原子核與周?chē)肿樱ňЦ瘢┲g交換能量的過(guò)程，磁性核的能量隨之降低u縱向馳豫的結(jié)果：高能級(jí)的核數(shù)目減少，就整個(gè)自旋體系來(lái)說(shuō)，總能量下降u縱向馳豫過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間用T1表示，T1越小、縱向馳豫過(guò)程的效率越高，越有利于核磁共振信號(hào)的測(cè)定。 馳豫（relaxation）種類(lèi)注：晶格是泛指包含有自旋核的整個(gè)自

10、旋分子體系，也可以說(shuō)它是構(gòu)成質(zhì)子和原子的外在環(huán)境弛豫時(shí)間及自由感應(yīng)衰減信號(hào)（弛豫時(shí)間及自由感應(yīng)衰減信號(hào)（FID） 橫向馳豫（橫向馳豫（spin-spin relaxation）u又稱(chēng)自旋-自旋馳豫或T2馳豫u自旋核與自旋核之間能量交換的過(guò)程即自旋的原子核進(jìn)動(dòng)相位的一致性逐漸散相的過(guò)程，其快慢與周?chē)N核的均勻性有關(guān)u橫向弛豫的結(jié)果：交換能量的兩個(gè)核的取向被掉換，各種能級(jí)的核數(shù)目不變，核體系的總能量不變。u橫向馳豫過(guò)程所需時(shí)間以T2表示，一般的氣體及液體樣品T2為1秒左右。12111TTTl 馳豫時(shí)間決定核在高能級(jí)上的平均壽命馳豫時(shí)間決定核在高能級(jí)上的平均壽命T，由下式，由下式 知知T取決于取決

11、于T1及及T2之較小者之較小者弛豫時(shí)間及自由感應(yīng)衰減信號(hào)（弛豫時(shí)間及自由感應(yīng)衰減信號(hào)（FID）橫向馳豫橫向馳豫相位發(fā)散的過(guò)程相位發(fā)散的過(guò)程 橫向馳豫過(guò)程中，各種取向的核總數(shù)沒(méi)有變化，是一個(gè)相位發(fā)散的過(guò)程。 在均勻磁場(chǎng)中，被激發(fā)的瞬間，核具有相同的進(jìn)動(dòng)頻率。在自旋自旋耦合的作用下，導(dǎo)致頻散，失去同步，進(jìn)而產(chǎn)生相散。 局部磁場(chǎng)的非均勻性會(huì)改變質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)頻率，進(jìn)而加速相散，加快橫向馳豫。弛豫時(shí)間及自由感應(yīng)衰減信號(hào)（弛豫時(shí)間及自由感應(yīng)衰減信號(hào)（FID） 自旋-晶格弛豫時(shí)間（T1）u核磁共振中，自旋體系因受到射頻波的激勵(lì)而失去平衡u射頻場(chǎng)關(guān)斷后，借自旋-晶格弛豫而恢復(fù)玻爾茲曼平衡。弛豫快慢遵循指數(shù)遞增規(guī)

12、律，把從0增大到最大值的63%所需時(shí)間定義為縱向馳豫時(shí)間影響T1時(shí)間的因素uT1與靜磁場(chǎng)的強(qiáng)度大小有關(guān)，一般靜磁場(chǎng)強(qiáng)度越大， T1就大uT1長(zhǎng)短還取決于組織進(jìn)行能量傳遞的有效性u(píng)大分子、小分子的共振頻率與拉莫爾頻率差別較大，能量傳遞有效差，T1較長(zhǎng)u中等分子（脂肪）的共振頻率接近于拉莫爾頻率，能量傳遞有效好，T1較短自旋-自旋弛豫時(shí)間（T2）u 特點(diǎn)是能量交換在相同的自旋核之間進(jìn)行，因而弛豫的效率非常高。生物組織的T2值在30150ms之間。u 一般情況下T1T2（T1約為T(mén)2的410倍）。u 橫向恢復(fù)時(shí)間T2是由于相位同步的質(zhì)子開(kāi)始變得不同步,所以橫向磁化減小。弛豫快慢遵循指數(shù)遞減規(guī)律，把從

13、最大下降到最大值的37%的時(shí)間定義為橫向馳豫時(shí)間(T2)。弛豫時(shí)間及自由感應(yīng)衰減信號(hào)（弛豫時(shí)間及自由感應(yīng)衰減信號(hào)（FID）影響T2的因素u不同成分和結(jié)構(gòu)的組織T2不同，例如水的T2值要比固體的T2值長(zhǎng)。uT2與磁場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)關(guān)uT2的長(zhǎng)短取決于組織內(nèi)部的局部小磁場(chǎng)的均勻性對(duì)小磁化散相的有效性均勻性越好（水），散相效果越差，T2越長(zhǎng)；越不均勻（肌肉），散相越快，T2越短組織組織弛豫生物學(xué)弛豫生物學(xué)意義意義u組織含水量組織含水量組織含水量是決定組織間弛豫率差異的主要因素。含水量下降則弛豫加快，反之弛豫變慢。任何使組織水量變化的化學(xué)物理環(huán)境均可導(dǎo)致組織弛豫的變化。u水的雜亂運(yùn)動(dòng)水的雜亂運(yùn)動(dòng)不同的大分子可

14、對(duì)其表面上水分子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不同程度的擾亂，使附件水的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，這是造成T1，T2差異的另一個(gè)重要原因。u脂肪的含量脂肪的含量脂肪具有疏水性，使其中的氫質(zhì)子得以與水中的氫質(zhì)子分開(kāi)。當(dāng)脂肪與肌肉和肝臟等組織或器官一起分布時(shí)，仍能表現(xiàn)出很好的弛豫特性來(lái)是MRI具有極高軟組織對(duì)比度的組織學(xué)基礎(chǔ)。u順磁性粒子的作用順磁性粒子的作用順磁粒子對(duì)核磁共振的弛豫有很大影響。在樣品中摻入少量順磁粒子，由于其總磁矩不為零，它所產(chǎn)生的局部場(chǎng)要比自旋核的強(qiáng)得多。如此強(qiáng)的局部場(chǎng)會(huì)使自旋核的弛豫加快。空間定位核磁共振成像原理核磁共振成像原理u頻率編碼梯度（Gf）u相位編碼梯度（Gp）u原理：用一個(gè)梯度磁場(chǎng)作為層面選

15、擇梯度（slice select gradient），確定掃描層面，然后用另外兩個(gè)梯度磁場(chǎng)來(lái)確定層面內(nèi)的坐標(biāo)位置。通過(guò)三個(gè)梯度的不同組合，MRI 可以實(shí)現(xiàn)任意層面斷層成像u選層梯度磁場(chǎng)（Gs）引用：correction of rotational motion artifacts in magnetic resonance imaging空間定位-選層梯度原理圖u RF的頻帶寬度與梯度場(chǎng)強(qiáng)度共同決定層厚u 選層的厚度取決于兩個(gè)因素：選層梯度的強(qiáng)度（梯度場(chǎng)的斜率）、激勵(lì)射頻的頻率范圍（射頻帶寬）u 層厚與射頻帶寬成正相關(guān)：射頻頻率范圍越大，能夠激發(fā)的質(zhì)子層面越厚，反之越薄核磁共振成像原理核磁共振

16、成像原理核磁共振成像原理核磁共振成像原理空間定位-頻率編碼原理圖u利用Gx和Gy對(duì)該層面內(nèi)的 x 和 y 方向進(jìn)行平面內(nèi)的空間定位,Gx和Gy分別叫做頻率編碼梯度（frequency encoding gradient）和相位編碼梯度（phase encoding gradient）u利用相位編碼梯度造成氫核有規(guī)律的相位差，利用該相位差來(lái)確定體素在某一個(gè)方向的空間位置信息核磁共振成像原理核磁共振成像原理空間定位-相位編碼原理yyy= yGoytByGtt后體素進(jìn)動(dòng)相位：相位差：u 核磁共振成像的種類(lèi)：核磁共振成像的種類(lèi)：T1成像、成像、T2成像、密度成像成像、密度成像12/21121221(,

17、)()(1)TR TTE TS TE TRN HeeTETTRTTTETTRTTTETTRT密度加權(quán)：，加權(quán)像：，加權(quán)像：，u最常用的圖像重建算法：最常用的圖像重建算法： FFT （快速傅里葉變換）（快速傅里葉變換）自旋回波序列信號(hào)：u 將人體組織發(fā)出的微弱核磁共振信號(hào)重建成二維斷面圖像將人體組織發(fā)出的微弱核磁共振信號(hào)重建成二維斷面圖像 點(diǎn)成像法：對(duì)每個(gè)組織體素信號(hào)逐一進(jìn)行測(cè)量成像的方法 線(xiàn)成像法：一次采集一條掃描線(xiàn)數(shù)據(jù)的方法 面成像法：同時(shí)采集整個(gè)斷面數(shù)據(jù)的方法 體成像法：施加兩維的相位編碼梯度和一維的頻率編碼梯度同時(shí)對(duì)組織進(jìn)行整個(gè)三維體積的數(shù)據(jù)采集和成像方法（不使用選層梯度進(jìn)行面的選擇）核

18、磁共振成像原理核磁共振成像原理磁共振圖像重建核磁共振成像原理核磁共振成像原理K空間uMRI成像時(shí)，需要多次射頻激發(fā)采集多行數(shù)據(jù)，將采集到的原始信號(hào)數(shù)據(jù)填入到一個(gè)矩陣中，稱(chēng)為K空間u該空間內(nèi)的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的是空間位置的空間頻率數(shù)據(jù)u利用該空間內(nèi)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)傅里葉反變換，可以得到圖像數(shù)據(jù)uK空間中的數(shù)據(jù)點(diǎn)陣與圖像的點(diǎn)陣不是一一對(duì)應(yīng)的，每一個(gè)點(diǎn)包括了全層信息u 二維成像是用方向正交的相位編碼梯度和頻率編碼梯度進(jìn)行空間編碼u 三維成像是利用三個(gè)相互正交的磁場(chǎng)梯度實(shí)現(xiàn)空間編碼，它增加一個(gè)與層面方向垂直的相位編碼梯度以實(shí)現(xiàn)第三個(gè)方向上的空間編碼。一次性激勵(lì)整個(gè)成像容積u 三維圖像重建或容積成像是通過(guò)擴(kuò)展二維成像

19、平面中的空間編碼方向來(lái)實(shí)現(xiàn)的核磁共振成像原理核磁共振成像原理核磁共振成像圖像重建核磁共振成像系統(tǒng)核磁共振成像系統(tǒng)u根據(jù)核磁共振的基本原理結(jié)合計(jì)算機(jī)斷層圖像重建原理而開(kāi)發(fā)的一種影像診斷設(shè)備u線(xiàn)圈向樣品發(fā)射電磁波，通過(guò)調(diào)制振蕩器使射頻電磁波的頻率在樣品共振頻率附近連續(xù)變化。當(dāng)頻率正好與核磁共振頻率吻合時(shí)，射頻振蕩器的輸出就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)吸收峰。同時(shí)由頻率計(jì)即刻讀出這時(shí)的共振頻率值u探頭置于磁極之間，用于探測(cè)核磁共振信號(hào)u譜儀是將共振信號(hào)放大處理并顯示和記錄下來(lái)核磁共振成像各系統(tǒng)框圖及連接引用：百度圖片關(guān)鍵詞“核磁 系統(tǒng)”u 磁體類(lèi)型磁體類(lèi)型永磁型磁體:0.150.5T維護(hù)費(fèi)用小,熱穩(wěn)定性差;常導(dǎo)型磁體:0.200.4T重量輕，檢修方便;超導(dǎo)型磁體:0.303.0T磁場(chǎng)強(qiáng)度和均勻度高,穩(wěn)定u 主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo)主磁場(chǎng)強(qiáng)度：B0增加,提高圖像的信噪比;磁場(chǎng)均勻性：特定容積限度內(nèi)磁場(chǎng)的同一性;磁場(chǎng)穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是衡量磁