3 MRI信號(hào)分析基礎(chǔ)：信號(hào)產(chǎn)生、本質(zhì)及讀片原則-楊正漢

國(guó)家級(jí)I類CME項(xiàng)目，國(guó)家級(jí)I類CME項(xiàng)目，2016-09-01-252《磁共振信號(hào)分析與圖像解讀》2016年9月1~4日，北京臨床MRI信號(hào)分析基礎(chǔ)（1）----產(chǎn)生、來(lái)源、本質(zhì)、原則首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京友誼醫(yī)院放射科消化疾病國(guó)家臨床醫(yī)學(xué)中心消化影像部?MRI信號(hào)的產(chǎn)生?MRI信號(hào)模式?MRI基本對(duì)比的產(chǎn)生?MRI的信號(hào)直接來(lái)源?MRI信號(hào)強(qiáng)度的影響因素?MRI的讀片原則用于人體MRI的為1H（氫質(zhì)子原因有：–1H的磁化率很高；–1H占人體原子的絕大多數(shù)–存在于各種有機(jī)物中，具有生物代表性通常所指的MRI為氫質(zhì)子的MR圖像我們每天的工作–磁性原子核自旋產(chǎn)生的磁場(chǎng)–質(zhì)子為奇數(shù)，中子為奇數(shù)–質(zhì)子為奇數(shù)，中子為偶數(shù)–質(zhì)子為偶數(shù)，中子為奇數(shù)人體組織中常見(jiàn)的磁性原子核人體元素摩爾濃度相對(duì)磁化率0.0830.08313C0.123Na0.0780.09339K0.0450.000517O0.0310.0292H0.0150.0960.00660.0066把人體放進(jìn)大磁場(chǎng)磁場(chǎng)中質(zhì)子核磁是絕對(duì)同向或逆向平行嗎？把人體放進(jìn)大磁場(chǎng)磁場(chǎng)中質(zhì)子核磁是絕對(duì)同向或逆向平行嗎？Larmor頻率42.5兆赫/TB：外磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)通常情況下人體內(nèi)氫質(zhì)子的核磁狀態(tài)通常情況下，盡管每個(gè)質(zhì)子自旋均產(chǎn)生一個(gè)小的磁場(chǎng)，但呈隨機(jī)無(wú)序排列，磁化矢量相互抵消，友誼放射人體并不表現(xiàn)出宏觀磁化矢量。組織進(jìn)入磁場(chǎng)前后的核磁狀態(tài)改變Precession(進(jìn)動(dòng)).進(jìn)動(dòng)使每個(gè)質(zhì)子產(chǎn)生縱向和旋轉(zhuǎn)橫向磁化分矢量高能與低能狀態(tài)質(zhì)子的進(jìn)動(dòng).進(jìn)動(dòng)使每個(gè)質(zhì)子產(chǎn)生縱向和旋轉(zhuǎn)橫向磁化分矢量高能與低能狀態(tài)質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)?僅略多一點(diǎn)點(diǎn)?多出的質(zhì)子才能成像?MRI信號(hào)非常微弱?場(chǎng)強(qiáng)越高，多出的質(zhì)子越多?場(chǎng)強(qiáng)越高，信噪比越高室溫下（300k）0.2T：1.3PPM0.5T：4.1PPM1.0T：7.0PPM1.5T：9.6PPMPPM為百萬(wàn)分之一線圈不能檢測(cè)到Mz，但能檢測(cè)到旋轉(zhuǎn)的Mxy先看縱向磁化分矢量，？".處于低能的質(zhì)子略多于處于高能的質(zhì)子.相互抵消后產(chǎn)生縱向宏觀磁化矢量（Mz）再看橫向磁化分矢量–頻率一致–能量傳遞—————磁共振現(xiàn)象的微觀效應(yīng).給予與氫質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率一致的射頻激勵(lì)磁共振現(xiàn)象的微觀效應(yīng).給予與氫質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率一致的射頻激勵(lì).低能態(tài)的質(zhì)子獲能進(jìn)入高能態(tài)氫質(zhì)子少90度脈沖激勵(lì)產(chǎn)生的Mxy能被線圈探測(cè)氫質(zhì)子多?射頻脈沖激勵(lì)后組織產(chǎn)生Mxy?線圈可探測(cè)到組織信號(hào)?區(qū)分氫質(zhì)子含量（質(zhì)子密度）不同的組織?僅僅區(qū)分質(zhì)子密度不同遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠?通常不是脈沖激勵(lì)后立刻采集MR信號(hào)?等待一段時(shí)間才進(jìn)行MR信號(hào)采集磁共振現(xiàn)象的宏觀效應(yīng)脈沖激勵(lì)后，宏觀磁化矢量發(fā)生偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)角度取決于脈沖的能量（脈沖強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間）低能量小角度脈沖小角度脈沖90度脈沖高能量MRI信號(hào)的本質(zhì)?激勵(lì)使組織產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的宏觀橫向磁場(chǎng)（Mxy）?MRI線圈能夠探測(cè)到旋轉(zhuǎn)的Mxy?MRI信號(hào)實(shí)際上就是Mxy?任何MRI、MRS，探測(cè)到的信號(hào)都是Mxy?90度脈沖激勵(lì)使Mz偏轉(zhuǎn)90度到xy平面?脈沖關(guān)閉后，磁場(chǎng)又慢慢回到平衡狀態(tài)核磁弛豫（Relaxation）射頻脈沖關(guān)閉后，宏觀磁場(chǎng)逐漸恢復(fù)到平衡狀態(tài)核磁弛豫（Relaxation）射頻脈沖關(guān)閉后，宏觀磁場(chǎng)逐漸恢復(fù)到平衡狀態(tài)（激勵(lì)前）的過(guò)程或現(xiàn)象橫向宏觀磁化矢量逐漸縮小直到零縱向宏觀磁化矢量逐漸增大直到最大（平衡態(tài)）核磁弛豫可分解為兩個(gè)部分（關(guān)聯(lián)由相對(duì)獨(dú)立）>橫向弛豫>縱向弛豫縱向弛豫實(shí)際上也是個(gè)共振過(guò)程，同樣遵循共振的原則縱向弛豫的機(jī)理90度激發(fā)低能的質(zhì)子群獲能進(jìn)入高能狀縱向弛豫高能的質(zhì)子群釋放能量T1弛豫：高能態(tài)質(zhì)子群釋放能量回到低能狀>描述組織T1弛豫的快慢>Mz從零恢復(fù)到最大者63%所需的時(shí)間（1）縱向磁化矢量的恢復(fù)----縱向弛豫?也稱為T1弛豫?Mz逐漸恢復(fù)，直至最大（平衡態(tài)）的過(guò)程高能的質(zhì)子群把能量釋放給周圍的分子（晶格）T1弛豫（縱向弛豫）也稱自旋—晶格弛豫晶格振動(dòng)頻率接近質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率，T1弛豫較快>脂肪組織晶格振動(dòng)頻率明顯高于質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率，T1弛豫較慢>純水樣液體晶格振動(dòng)頻率明顯低于質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率，T1弛豫較慢不同的組織>質(zhì)子群周圍晶格特征不同90度激發(fā)脈沖關(guān)閉后，Mxy很快衰減90度激發(fā)脈沖關(guān)閉后，Mxy很快衰減自由感應(yīng)衰減（FID）Mxy衰減的原因1、自旋質(zhì)子暴露于不均勻的主磁場(chǎng)中2、自旋質(zhì)子暴露在臨近自旋質(zhì)子、其他自旋原子核、電子的微磁場(chǎng)環(huán)境中；由于分子的運(yùn)動(dòng)，質(zhì)子周圍的微磁場(chǎng)不斷波動(dòng)--------導(dǎo)致真正的橫向弛豫（T2弛豫）每個(gè)質(zhì)子感受的磁場(chǎng)不均勻磁場(chǎng)高，質(zhì)子進(jìn)動(dòng)快磁場(chǎng)低，質(zhì)子進(jìn)動(dòng)慢同相位進(jìn)動(dòng)的質(zhì)子群逐漸失去相位一致不同的組織質(zhì)子群周圍磁場(chǎng)微環(huán)境波動(dòng)特征不同T2弛豫快慢不同（2）橫向磁化矢量的衰減Mxy衰減是因?yàn)橘|(zhì)子群逐漸失去相位一致T2弛豫：質(zhì)子群逐漸失去相位一致T2值描述組織T2弛豫的快慢Mxy從最大衰減到只剩37%所需的時(shí)間2.MRI信號(hào)模式.2.MRI信號(hào)模式.自由感應(yīng)衰減信號(hào).自旋回波信號(hào).梯度回波信號(hào)（2）自旋回波信號(hào)?激勵(lì)脈沖關(guān)閉后質(zhì)子群失相位的原因–磁場(chǎng)微環(huán)境波動(dòng)（隨機(jī)）－－T2弛豫–主磁場(chǎng)的不均勻（恒定）是主要原因?兩者相加產(chǎn)生FID（T2*弛豫）?180度聚焦脈沖–剔除主磁場(chǎng)恒定不均勻造成的質(zhì)子失相位–產(chǎn)生自旋回波?最常用的信號(hào)模式（3）梯度回波信號(hào)?讀出（頻率編碼）梯度場(chǎng)的正反向切換?在FID的基礎(chǔ)上–離相位梯度場(chǎng)?加重磁場(chǎng)不均勻?加速質(zhì)子群失相位?加快橫向磁化矢量衰減–聚相位梯度場(chǎng)（面積為離相位梯度的2倍）?抵消離相位梯度場(chǎng)的作用?因離相位梯度場(chǎng)而喪失的Mxy逐漸恢復(fù)?面積1倍時(shí)，Mxy達(dá)到峰值后?過(guò)后聚相位梯度場(chǎng)實(shí)際上又成為另一方向的離相位梯度場(chǎng)?產(chǎn)生梯度回波信號(hào)（1）自由感應(yīng)衰減信號(hào)激勵(lì)脈沖關(guān)閉后，Mxy很快衰減自由感應(yīng)衰減（FID）直接記錄FID過(guò)程臨床極少采用自旋回波產(chǎn)生的原理90度脈沖脈沖脈沖離相位梯度離相位梯度左右左聚相位梯度聚相位梯度左右左（（FID）T*3.MRI基本對(duì)比的產(chǎn)生?不同的組織特征–不同的T13.MRI基本對(duì)比的產(chǎn)生?不同的組織特征–不同的T1–不同的T2或T2*–不同的質(zhì)子密度?不同的組織特征是MRI的基礎(chǔ)–顯示不同解剖結(jié)構(gòu)–區(qū)別病變與正常組織MR的加權(quán)成像技術(shù)游戲規(guī)則1、線圈只能接收旋轉(zhuǎn)的MxyTE常規(guī)自旋回波序列結(jié)構(gòu)示意圖TE：回波時(shí)間?加權(quán)–重點(diǎn)突出組織某方面特性–盡量減少其他方面組織特性的影響?加權(quán)成像–PDWI－突出組織氫質(zhì)子含量差別–T1WI----突出組織T1弛豫（縱向弛豫）差別–T2WI----突出組織T2弛豫（橫向弛豫）差別–T2*WI----突出組織T2*弛豫（FID）差別游戲規(guī)則2、任何序列或任何加權(quán)圖像上TR和TE對(duì)圖像權(quán)重的影響（SE序列）?TE：等待Mxy的衰減，決定圖像的T2弛豫成份?很短的TE–所有的組織Mxy還沒(méi)來(lái)得及衰減–剔除T2弛豫對(duì)圖像對(duì)比的影響TE常規(guī)自旋回波序列結(jié)構(gòu)示意圖TE：回波時(shí)間TR：重復(fù)時(shí)間TR（1）T2TE常規(guī)自旋回波序列結(jié)構(gòu)示意圖TE：回波時(shí)間TR：重復(fù)時(shí)間TR（1）T2或T2*加權(quán)成像?重點(diǎn)突出Mxy衰減快慢–T2WI：采集自旋回波的序列–T2*WI：采集梯度回波的序列?需要盡量剔除T1弛豫的影響–TR足夠長(zhǎng)?組織T2或T2*越長(zhǎng)–Mxy衰減越慢–采集時(shí)殘留的Mxy越大–MR信號(hào)越高?組織的T2或T2*越短–Mxy衰減越快–采集時(shí)殘留的Mxy越小–MR信號(hào)越低（2）T1加權(quán)成像（T1WI）?重點(diǎn)突出Mz恢復(fù)快慢?盡量剔除T2弛豫或FID的影響–盡可能短的TE?組織T1越短–Mz恢復(fù)越快–采集時(shí)已經(jīng)恢復(fù)Mz越大–MR信號(hào)越高?組織的T1越長(zhǎng)–Mz恢復(fù)越慢–采集時(shí)已經(jīng)恢復(fù)Mz越小–MR信號(hào)越低TR和TE對(duì)圖像權(quán)重的影響（SE序列）?TR：等待Mz的恢復(fù)，決定圖像的T1成份?很長(zhǎng)的TR–所有的組織Mz完全恢復(fù)–剔除T1弛豫對(duì)圖像對(duì)比的影響長(zhǎng)TR（>2000ms）長(zhǎng)TE（>50ms）T2WI短TR（小于800ms）短TE（小于20ms）T1WI質(zhì)子密度加權(quán)成像（PDWI）?重點(diǎn)突出組織氫質(zhì)子含量差別?組織質(zhì)子密度越高–Mz越高–RF質(zhì)子密度加權(quán)成像（PDWI）?重點(diǎn)突出組織氫質(zhì)子含量差別?組織質(zhì)子密度越高–Mz越高–RF激發(fā)后Mxy越大–立刻采集，MR信號(hào)越高?組織質(zhì)子密度越低–Mz越低–RF激發(fā)后Mxy越小–立刻采集，MR信號(hào)越低HCH4.MRI信號(hào)的直接來(lái)源.多數(shù)組織信號(hào)來(lái)源于水分子中的氫.MRI中的水分子概念較多.很多醫(yī)生對(duì)這些概念比較模糊-20000-100000+10000+20000結(jié)合水中的多數(shù)氫質(zhì)子不被激勵(lì)激勵(lì)脈沖帶寬長(zhǎng)TR（>2000ms）短TE（<30ms）PDWI自由水與結(jié)合水.自由水（freewater）–不依附于蛋白質(zhì)，運(yùn)動(dòng)充分自由的水分子–MRI信號(hào)的主要來(lái)源.結(jié)合水（boundwater）–蛋白質(zhì)水化層的水分子，自由運(yùn)動(dòng)受限制–不直接產(chǎn)生MRI信號(hào).結(jié)合水中的氫進(jìn)動(dòng)頻率范圍很寬，多不能被激勵(lì)被激勵(lì)的結(jié)合水，T2太短，信號(hào)不能被采集組織中自由水 T2=50～150ms MRI-visible組織中結(jié)合水 T2=10～20μs MRI-invisible??TE?FSET2WI，大于50ms?SET1WI，8～20ms?GRET1WI，1～5ms.增加組織的信號(hào)強(qiáng)度–結(jié)合水較容易接受自由水釋放出的能量–加快組織的縱向弛豫，縮短組織T1–在T1.增加組織的信號(hào)強(qiáng)度–結(jié)合水較容易接受自由水釋放出的能量–加快組織的縱向弛豫，縮短組織T1–在T1WI，結(jié)合水含量越高，組織信號(hào)越高.腦白質(zhì)信號(hào)高于灰質(zhì).含較高濃度蛋白的粘液..降低組織的信號(hào)強(qiáng)度.磁化傳遞T2WIT1WI動(dòng)脈期結(jié)腸粘液腺癌肝臟囊性轉(zhuǎn)移5.MRI信號(hào)的影響因素.條件：SE序列，組織：靜止組織.公式：SI=K.N(H).e(-TE/T2).[1-e(-TR/T1)].標(biāo)注：K為常數(shù)，N(H)為質(zhì)子密度，e為自然常數(shù).信號(hào)變化規(guī)律–質(zhì)子密度越大，組織信號(hào)越高–T2越長(zhǎng)，組織信號(hào)越高–T1越短，組織信號(hào)越高–TE越短，組織信號(hào)越高–TR越長(zhǎng)，組織信號(hào)越高T1WI上，白質(zhì)信號(hào)強(qiáng)度高于灰質(zhì)物質(zhì)能直接產(chǎn)生MRI信號(hào)的條件.含有氫質(zhì)子，并具有足夠量–如膽堿、NAA等在MRI上信號(hào)可忽略不計(jì)–把水及脂肪抑制后的MRS上才能探測(cè)到.進(jìn)動(dòng)頻率在激勵(lì)脈沖頻率范圍內(nèi)–蛋白質(zhì)及大部分結(jié)合水并在此頻率范圍內(nèi).T2不能太短–蛋白質(zhì)及結(jié)合水的T2太短.在常規(guī)MRI序列上“可視”的物質(zhì)–自由水–甘油三酯MRI信號(hào)的影響因素.MRI信號(hào)是相對(duì)強(qiáng)度，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)單位.信號(hào)強(qiáng)度影響因素太多.信號(hào)強(qiáng)度不能直接比較–不同設(shè)備–不同序列–不同病人，同一序列–同一病人，同一序列，不同次掃描.同一序列同一次連續(xù)掃描，信號(hào)有可比性臨床MRI讀片原則?精確測(cè)量?MRI信號(hào)分析的常見(jiàn)問(wèn)題–絕大多數(shù)序列難以用定量分析–依靠信號(hào)高低進(jìn)行分析（相對(duì)信號(hào)）–參照組織的選擇不當(dāng)，導(dǎo)致判斷錯(cuò)誤?參照組織的選擇原則–均勻?qū)嵸|(zhì)器官，選擇相應(yīng)正常組織–不宜選擇囊腔內(nèi)液體作參照–選擇信號(hào)相對(duì)穩(wěn)定組織作為參照?腦皮質(zhì)、肝實(shí)質(zhì)、脾實(shí)質(zhì)、腎皮質(zhì)?肌肉是良好參照物（組織間隙或囊腔內(nèi)病變）友誼放射臨床MRI診斷流程?發(fā)現(xiàn)病變并準(zhǔn)確定位?影像征象的細(xì)致分析?推測(cè)基本病理學(xué)變化?結(jié)合臨床做出定性診斷及程度判斷?所有序列，所有圖像?病變本身–部位、數(shù)目、大小、形態(tài)–邊界、密度/信號(hào)、強(qiáng)化、周圍?圖像中所有組織及器官選擇正確參照組織的意義?如選擇玻璃體為參照組織–黑色素瘤？?如果選擇肌肉、腦實(shí)質(zhì)、淚腺作為參照物–普通軟組織腫塊友誼放射–視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤選擇正確參照組織的意義?如選擇玻璃體為參照組織選擇正確參照組織的意義?如選擇玻璃體為參照組織–黑色素瘤？?如果選擇肌肉作為參照物–普通軟組織腫塊–神經(jīng)鞘瘤原則3、嚴(yán)格對(duì)比?影像學(xué)比對(duì)–MRI不同序列–增強(qiáng)掃描不同時(shí)相–不同時(shí)間的檢查（不單比較最近一次檢查）–不同方法的檢查?嚴(yán)格比對(duì)–同方位–同層面–同病灶–同區(qū)域?嚴(yán)格比對(duì)的意義–探尋病灶內(nèi)不同基本病理變化–有助于定性診斷–有助于判斷病變的動(dòng)態(tài)變化?測(cè)量常見(jiàn)的問(wèn)題–ROI的隨意性–部分容積效應(yīng)–嚴(yán)格對(duì)比不