醫(yī)學(xué)磁共振成像MRI設(shè)備與應(yīng)用

1、醫(yī)學(xué)磁共振成像設(shè)備及應(yīng)用，教學(xué)目標(biāo)：熟悉磁共振成像的主要組成部分及其功能和作用；掌握磁共振成像圖像的特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)，以及在全身各系統(tǒng)疾病檢查診斷中的應(yīng)用價(jià)值和選擇原則；了解磁共振成像主要新技術(shù)的進(jìn)展和應(yīng)用。本章內(nèi)容：6.1磁共振成像系統(tǒng)簡介6.2磁共振成像檢查的臨床應(yīng)用6.3磁共振成像檢查的優(yōu)缺點(diǎn)6.4磁共振成像設(shè)備的新技術(shù)進(jìn)展6.1.1磁共振成像設(shè)備的發(fā)展6.1.2磁共振成像設(shè)備的功能6.1.1磁共振成像設(shè)備的磁共振成像性能指標(biāo)6.1.1磁共振成像設(shè)備的發(fā)展磁共振成像技術(shù)是在磁共振波譜的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的磁共振成像被稱為：核磁共振成像、自旋斷層成像、核磁共振斷層成像、核磁共振CT等。1945年，

2、加利福尼亞斯坦福大學(xué)的布洛赫教授和馬薩諸塞州哈佛大學(xué)的珀塞爾教授同時(shí)發(fā)現(xiàn)了磁共振的物理現(xiàn)象，即當(dāng)某個(gè)靜態(tài)磁場中的原子核受到相應(yīng)頻率的電磁波作用時(shí)，它們的核能級(jí)之間發(fā)生共振躍遷。因此，這兩位教授共同獲得了1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。磁共振的物理現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后，一個(gè)新的醫(yī)學(xué)成像部門磁共振波譜很快就形成了。1971年，紐約州立大學(xué)的Damadian教授在雜志科學(xué)上發(fā)表了題為“核磁共振信號(hào)可以檢測疾病”和“癌癥組織中氫的T1時(shí)間延長”的論文。1973年，曼斯菲爾德發(fā)展了脈沖梯度法來選擇成像斷層。1974年，英國科學(xué)家成功開發(fā)了一種組織內(nèi)磁共振波譜儀。1975年，恩斯特開發(fā)了一種相位編碼成像方法。1976年

3、，獲得了第一幅人體(活體手指)磁共振圖像。1977年，磁共振成像技術(shù)進(jìn)入了斷層成像的實(shí)驗(yàn)階段。幾十年來，磁共振研究在三個(gè)領(lǐng)域(物理、化學(xué)、生理或醫(yī)學(xué))獲得了六項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)。6.1.2磁共振成像設(shè)備的功能現(xiàn)代磁共振成像系統(tǒng)在總體結(jié)構(gòu)上是相似的，基本上由四個(gè)系統(tǒng)組成：磁體系統(tǒng)、梯度磁場系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。磁體系統(tǒng)是磁共振成像系統(tǒng)中最重要、最昂貴的部件，也是磁共振系統(tǒng)中最強(qiáng)的磁場。通常，我們認(rèn)為磁共振設(shè)備的尺寸是指靜態(tài)磁場的場強(qiáng)，單位是特斯拉(T)或高斯，1t=10，000高斯。臨床磁共振成像要求磁場強(qiáng)度在0.05 3t范圍內(nèi)。一般來說，0.3T稱為低場，0.3T1.0T稱為中場，大于1.0T

4、稱為高場。磁場強(qiáng)度越高，信噪比越高，圖像質(zhì)量越好。然而，高磁場強(qiáng)度也帶來一些不利因素。為了獲得具有不同場強(qiáng)的磁體，制造商已經(jīng)生產(chǎn)了不同類型的磁體。普通磁體包括永久磁體、永久磁體和超導(dǎo)磁體。(1)永磁體永磁體由永磁體(如鐵氧體或銣鐵)制成。有兩種主要結(jié)構(gòu)，即環(huán)型和軛型。優(yōu)點(diǎn)是：成本低，場強(qiáng)可達(dá)0.3T，高質(zhì)量圖像生成，所需功率小，維護(hù)成本低，安裝在相對較小的房間內(nèi)。缺點(diǎn)是：磁場強(qiáng)度低，磁場均勻性和強(qiáng)度不穩(wěn)定，易受外界因素(尤其是溫度)影響，不能滿足臨床光譜研究的需要。(2)恒定磁導(dǎo)率磁體根據(jù)電流產(chǎn)生磁場的原理設(shè)計(jì)恒定磁導(dǎo)率磁體。當(dāng)電流通過圓形線圈時(shí)，導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生磁場。通常導(dǎo)電磁體的線圈由高導(dǎo)電

5、金屬線或片制成。它的結(jié)構(gòu)主要由各種線圈組成。優(yōu)點(diǎn)：成本低，不使用時(shí)斷電，在0.2T以下可以獲得更好的臨床圖像。缺點(diǎn)是磁場的不穩(wěn)定性主要受電源電壓波動(dòng)的影響，均勻性差。此外，它很容易受到環(huán)境因素(如溫度、線圈繞組的位置或尺寸)的影響。(3)1911年，超導(dǎo)磁體荷蘭科學(xué)家卡姆靈昂內(nèi)斯首次發(fā)現(xiàn)了某些物質(zhì)的超導(dǎo)性，這些物質(zhì)的電阻在超低溫下會(huì)急劇下降到零。電阻的突然消失意味著物質(zhì)變成了一種新的狀態(tài)，這些物質(zhì)被稱為超導(dǎo)體?？茖W(xué)家安尼斯獲得了1913年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。具有場強(qiáng)高、穩(wěn)定性和均勻性好的優(yōu)點(diǎn)，可以開發(fā)更多的臨床應(yīng)用功能。缺點(diǎn)是：工藝復(fù)雜，成本高。梯度磁場系統(tǒng)梯度磁場簡稱梯度場。梯度是指磁場強(qiáng)度根據(jù)

6、其磁場的位置(距離)而變化，其產(chǎn)生由梯度線圈完成，梯度線圈通常沿X、Y和Z方向放置在主磁體空間中。GX、格雷和GZ三組梯度線圈疊加在靜磁場的磁層中。當(dāng)線圈通電時(shí)，靜態(tài)磁場中會(huì)形成梯度變化。射頻是一種以正弦波振蕩的無線電波。磁共振系統(tǒng)使用的頻率相對較低，相當(dāng)于調(diào)頻廣播的調(diào)頻波段，其射頻頻率因靜磁場強(qiáng)度不同而不同。射頻系統(tǒng)功能：用于傳輸射頻磁場，刺激樣品磁化產(chǎn)生磁共振，同時(shí)接收樣品磁共振發(fā)出的信號(hào)，經(jīng)過一系列處理得到數(shù)字化的原始數(shù)據(jù)，并發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像重建。它由射頻磁場發(fā)射部分和射頻信號(hào)接收部分組成。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在磁共振成像設(shè)備中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括各種規(guī)模的計(jì)算機(jī)、單片機(jī)和微處理器，構(gòu)成磁共振成像

7、設(shè)備的控制網(wǎng)絡(luò)。在信號(hào)處理系統(tǒng)中，可以使用高級(jí)微機(jī)進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理、快速傅里葉變換和卷積反投影。微機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)信息調(diào)度(如人機(jī)交互)和系統(tǒng)控制(如控制梯度磁場和射頻脈沖)。(1)主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及其功能：主要控制用戶與磁共振系統(tǒng)之間的通信，負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)各部分的運(yùn)行，以協(xié)調(diào)整個(gè)成像過程中各部分的動(dòng)作，產(chǎn)生所需的高質(zhì)量圖像。通過運(yùn)行掃描軟件，可以滿足用戶的所有應(yīng)用需求，如掃描控制(控制梯度磁場和射頻脈沖)、患者數(shù)據(jù)管理、圖像存檔、控制圖像重建和顯示、圖像評(píng)估和機(jī)器檢測(包括自檢)等。組成：主機(jī)、磁盤存儲(chǔ)器、光盤存儲(chǔ)器、控制臺(tái)、主圖像顯示器(主診斷站)、輔助圖像顯示器(輔助診斷站或工作站)、圖像硬拷貝輸

8、出設(shè)備(多攝像機(jī)、激光攝像機(jī))、網(wǎng)絡(luò)適配器、測量系統(tǒng)接口組件等。主圖像顯示器也是控制臺(tái)的一部分，用于監(jiān)控機(jī)器的掃描和運(yùn)行狀態(tài)。(2)主機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行的軟件從物理角度看，整個(gè)磁共振成像系統(tǒng)可以分為四層：用戶層、計(jì)算機(jī)層、接口層和測量系統(tǒng)。從控制的角度來看，它可以分為兩層：軟件和硬件。應(yīng)用軟件通過操作系統(tǒng)等系統(tǒng)軟件與主機(jī)相連，以控制整個(gè)磁共振設(shè)備的運(yùn)行。如圖所示。1)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件用于管理、維護(hù)、控制和操作計(jì)算機(jī)本身，以及用于翻譯、加載和維護(hù)計(jì)算機(jī)程序的程序組。系統(tǒng)軟件分為三個(gè)模塊：操作系統(tǒng)(系統(tǒng)軟件的核心)、語言處理系統(tǒng)和日常服務(wù)程序。2)應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是指為特定應(yīng)用目的而專門設(shè)計(jì)的程序組。在

9、磁共振成像系統(tǒng)中，運(yùn)行的應(yīng)用軟件是磁共振成像軟件包。軟件包中的模塊通常包括患者信息管理、圖像管理、掃描和掃描控制(應(yīng)用軟件的核心)、系統(tǒng)維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)管理、主控程序等。3)信息(3)圖像重建圖像重建是一個(gè)極其復(fù)雜的信號(hào)處理過程，必須在復(fù)雜而嚴(yán)格的程序軟件控制下進(jìn)行。圖像重建的本質(zhì)是對原始數(shù)據(jù)的高速數(shù)學(xué)運(yùn)算(包括累積平均去噪、相位校正、傅里葉變換等)。)。圖像重建可以通過軟件和硬件來完成，軟件重建的速度比硬件慢。(4)在圖像重建完成之后，獲得表示圖像的每個(gè)點(diǎn)的不同亮度的一組數(shù)據(jù)。這些圖像數(shù)據(jù)被立即發(fā)送到主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的大容量存儲(chǔ)器或硬盤，并在人們看到之前以圖像的形式輸出。電子視頻顯示系統(tǒng)是最成熟、最流

10、行的顯示方式，液晶顯示是目前最流行的顯示方式。圖像的顯示不限于當(dāng)前患者，在會(huì)診或回顧性研究期間有必要調(diào)出以前患者的圖像。6.1.3磁共振成像設(shè)備的磁共振成像性能指標(biāo)。本節(jié)介紹磁共振成像設(shè)備的主要性能指標(biāo)，包括主磁體、梯度磁場和射頻線圈。(1)磁場強(qiáng)度磁共振設(shè)備的磁場強(qiáng)度是指靜態(tài)磁場的場強(qiáng)，用特斯拉(簡稱T)或高斯表示，1t=10，000高斯。(2)磁場均勻性所謂的磁場均勻性是指在特定體積(通常是球形空間)范圍內(nèi)的磁場一致性程度，即通過單位面積的磁感應(yīng)線是否相同。(3)磁場穩(wěn)定性磁場的穩(wěn)定性有兩種：時(shí)間穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。時(shí)間穩(wěn)定性是指磁場隨時(shí)間變化的程度。磁場隨時(shí)間變化，導(dǎo)致相位差和圖像偽影。熱

11、穩(wěn)定性是指磁場值隨著環(huán)境溫度的變化而漂移的程度。永磁體和常導(dǎo)磁體的熱穩(wěn)定性差，而超導(dǎo)磁體的時(shí)間穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性能滿足要求。(4)有效孔徑有效孔徑是指梯度線圈、勻場線圈、射頻體線圈和內(nèi)護(hù)板安裝后獲得的空間。對于全身磁共振成像設(shè)備，磁體的有效孔徑應(yīng)足以容納人體。一般來說，內(nèi)徑應(yīng)該大于65厘米。小光圈會(huì)讓病人感到幽閉恐怖癥。過去幾年出現(xiàn)的開放式磁體使患者躺在半開放式檢查床上，沒有幽閉恐怖癥，可以進(jìn)行磁共振介入治療項(xiàng)目。(5)磁場逃逸度大的主磁體周圍形成的逃逸磁場稱為逃逸度。它的危害是對附近的鐵磁性物體有很強(qiáng)的吸引力，并在不同程度上損害、干擾和破壞人類健康和醫(yī)療儀器設(shè)備。耗散度的度量是對磁體采取各種有

12、效的屏蔽措施。2.梯度磁場的性能指標(biāo)(1)有效體積(梯度場的均勻體積)有效體積是指線圈所包圍的空間面積，其梯度場能夠滿足一定的線性要求。(2)梯度場線性度梯度場線性度是衡量梯度場平穩(wěn)性的一個(gè)指標(biāo)。線性越好，梯度場越精確，圖像質(zhì)量越好。(3)梯度場強(qiáng)度梯度場強(qiáng)度是指梯度場能達(dá)到的最大值。與主磁場相比，梯度磁場相當(dāng)弱。當(dāng)梯度場強(qiáng)時(shí)，磁場梯度可以更大，并且可以在超薄層上進(jìn)行掃描。(4)梯度場變化率和梯度上升時(shí)間梯度場變化率是指單位時(shí)間內(nèi)梯度場變化的程度，即最大梯度與上升時(shí)間的比值，也稱為梯度切換率。梯度上升時(shí)間是指梯度場達(dá)到某一預(yù)定值所需的時(shí)間。隨著梯度上升性能的改善，可以開發(fā)更快的成像序列。(5)

13、梯度場占空比是指一個(gè)成像周期內(nèi)梯度場工作時(shí)間的百分比。成像周期是指磁共振成像設(shè)備采集數(shù)據(jù)一次所需的時(shí)間，即脈沖序列執(zhí)行一次所需的時(shí)間。梯度場的占空比與成像層數(shù)有關(guān)。成像層越多，占空比越高6.2磁共振成像檢查的臨床應(yīng)用6.2.1中樞神經(jīng)系統(tǒng)檢查6.2.2頸部檢查6.2.3胸部檢查6.2.4腹部檢查6.2.5骨盆檢查6.2.6骨骼肌和關(guān)節(jié)檢查，T1和T2: T1和T2是在一定時(shí)間間隔內(nèi)接受一系列脈沖后組織的物理變化特征，不同的組織有不同的T1和T2。TR和TE: TR是重復(fù)時(shí)間，即射頻脈沖的間隔時(shí)間，TE是回波時(shí)間，即從施加射頻脈沖到接收信號(hào)的時(shí)間，TR和TE的單位是毫秒(ms)，可以分別制作代表

14、組織的T1或T2特征的圖像(T1加權(quán)圖像或T2加權(quán)圖像；通過設(shè)置成像參數(shù)，還可以獲得同時(shí)具有T1和T2特性的圖像，這被稱為質(zhì)子密度加權(quán)圖像。T1加權(quán)圖像和T2加權(quán)圖像：可以區(qū)分觀察圖像的te和TR值。te可以短至20毫秒，長至80毫秒，TR可以短至600毫秒，長至3000毫秒.短T1和短TR是T1加權(quán)圖像，而短T1和短TR都是T2加權(quán)圖像，而短T1和短TR是質(zhì)子密度加權(quán)圖像。觀察流體結(jié)構(gòu)，如腦室、膀胱或腦脊液，如果流體是亮的，可能是T2加權(quán)像，如果流體是暗的，可能是T1加權(quán)像。磁共振成像的常見成像序列和檢查方法：磁共振圖像是通過特定成像序列掃描獲得的。目前，自旋回波序列是臨床上最常用的序列。通

15、過改變序列中的TR(射頻重復(fù)時(shí)間)和TE(回波時(shí)間)，可以分別獲得質(zhì)子密度、T1和T2的加權(quán)圖像，三種不同成像參數(shù)的加權(quán)圖像各代表組織的三種不同磁共振特征，從而區(qū)分正常組織和識(shí)別病變。磁共振造影劑的類型和適應(yīng)癥：(1)類型：1。順磁性陽性造影劑。常用的有釓-DTPA(鎂縣；磁性葡甲胺)等。其功能主要是縮短T1，在T1加權(quán)圖像上顯示高信號(hào)。2.超順磁材料。常用的是納米氧化鐵顆粒(SPIO)等。它的功能主要是縮短T2，并且是T2加權(quán)圖像上的低信號(hào)。(2)適應(yīng)癥：1。某些腫瘤的鑒別診斷。2.確定血腦屏障是否被破壞。3.提高病變檢出率。對病人進(jìn)行核磁共振檢查時(shí)，必須避免帶有順磁性材料的物品，如手表、金

16、屬項(xiàng)鏈、假牙、金屬紐扣、金屬避孕環(huán)等。因?yàn)檫@些帶有順磁性材料的物品會(huì)在圖像中產(chǎn)生大的非信號(hào)偽像，這不利于病變的顯示。裝有心臟起搏器的病人禁止做核磁共振檢查。對于體內(nèi)殘留金屬彈片、手術(shù)后遺留銀夾、金屬內(nèi)固定板、假關(guān)節(jié)等的患者。磁共振成像檢查應(yīng)謹(jǐn)慎，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)密觀察。如果患者有局部不適，應(yīng)立即停止檢查，以防彈片、銀夾等。避免在強(qiáng)磁場中運(yùn)動(dòng)，從而損傷鄰近的大血管和重要組織。磁共振成像檢查的禁忌癥：患者配備有磁敏感物質(zhì)或裝置，這些結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)或功能喪失將導(dǎo)致不良后果。例如：1 .心臟起搏器；2.耳蝸植入物；3.一些人造心臟瓣膜；4.骨生長刺激器和神經(jīng)刺激器；5.動(dòng)脈夾或環(huán)；6.金屬結(jié)構(gòu)(框架周圍)；

17、7.一些假肢。磁共振成像檢查的禁忌癥：患者配備有磁敏感物質(zhì)或裝置，這些結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)或功能喪失將導(dǎo)致不良后果。例如：1 .心臟起搏器；2.耳蝸植入物；3.一些人造心臟瓣膜；4.骨生長刺激器和神經(jīng)刺激器；5.動(dòng)脈夾或環(huán)；6.金屬結(jié)構(gòu)(框架周圍)；7.一些假肢。1的應(yīng)用。磁共振成像在診斷腦腫瘤、腦炎、腦白質(zhì)病變、腦梗塞、先天性腦異常等方面比CT更敏感。顱底和腦干病變顯示更清晰，無偽影。磁共振成像可以顯示沒有造影劑的腦血管，并發(fā)現(xiàn)是否有動(dòng)脈瘤和動(dòng)靜脈畸形。核磁共振成像也可以直接顯示一些腦神經(jīng)，并且可以發(fā)現(xiàn)這些神經(jīng)上的早期病變。磁共振成像是先天性中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的最佳成像方法。腦膜瘤破壞顱骨，左聽神經(jīng)瘤，圖6.10 (A E) AB是左