磁共振成像原理及结构课件.ppt

1、磁共振成像：磁共振成像：Magnetic Resonance ImagingMagnetic Resonance Imaging，MRIMRI是利用人体内原子核在磁场内与外加射频磁场是利用人体内原子核在磁场内与外加射频磁场发生共振而产生影像的一种成像技术发生共振而产生影像的一种成像技术, ,它既能显示形它既能显示形态学结构，又能显示原子核水平上的生化信息及某些态学结构，又能显示原子核水平上的生化信息及某些器官的功能状况，更有无辐射的优点，其发展潜力巨器官的功能状况，更有无辐射的优点，其发展潜力巨大。大。 MRIMRI影像形成的物理基础影像形成的物理基础 含单数质子的原子核，例如人体内广泛含单数

2、质子的原子核，例如人体内广泛存在的氢原子核，其质子有自旋运动，带正存在的氢原子核，其质子有自旋运动，带正电，产生磁矩，有如一个小磁体。电，产生磁矩，有如一个小磁体。 在有自旋特性的原子核周围存在的这个微观在有自旋特性的原子核周围存在的这个微观磁场是磁偶极子，就是所谓的原子核的磁场是磁偶极子，就是所谓的原子核的自旋磁自旋磁矩矩。 在没有外加磁场时，各个质子由于热运动而在没有外加磁场时，各个质子由于热运动而处于杂乱无章的任意排列状态，磁矩方向各不处于杂乱无章的任意排列状态，磁矩方向各不相同，相互抵消，所以在宏观上不显磁性。相同，相互抵消，所以在宏观上不显磁性。 当外部施加一个恒定磁场后，则质子沿外

3、加当外部施加一个恒定磁场后，则质子沿外加磁场方向排列，产生磁场方向排列，产生净磁化净磁化。1.1.低能级低能级-自旋方向自旋方向与磁场方向一致与磁场方向一致2.2.高能级高能级-自旋方向自旋方向与磁场方向相反与磁场方向相反 在外磁场作用下，低能级的质子数目要多于在外磁场作用下，低能级的质子数目要多于高能级的质子，在大量原子分布的情况下，原高能级的质子，在大量原子分布的情况下，原子在不同能级上分布的数目与温度与外磁场强子在不同能级上分布的数目与温度与外磁场强度有关。度有关。 在一定温度和磁场条件下，自旋质子就产生在一定温度和磁场条件下，自旋质子就产生了一个沿外磁场方向的了一个沿外磁场方向的宏观磁

4、矩宏观磁矩，这样当原子核，这样当原子核围绕自己的轴作自旋运动时，外加磁场又会产围绕自己的轴作自旋运动时，外加磁场又会产生一个旋力臂作用于自旋质子的磁矩上，使得生一个旋力臂作用于自旋质子的磁矩上，使得质子旋进于一个锥形的磁矩轴上，称为质子旋进于一个锥形的磁矩轴上，称为拉莫进拉莫进动。动。 质子进动的速度用质子进动的速度用进动频率进动频率来衡量来衡量，也也就是质子每秒进动的就是质子每秒进动的次数，进动频率与外次数，进动频率与外加磁场的强度成正比，加磁场的强度成正比，场强越高，进动频率场强越高，进动频率越高。越高。 0 00 0 ：磁旋比常数：磁旋比常数 0 0：外加磁场强度：外加磁场强度 0 0:

5、 :质子进动频率质子进动频率拉莫（拉莫（Larmor)Larmor)频率频率原子核的共振频率原子核的共振频率 由于有无数个质子由于有无数个质子在进动，其磁矩在在进动，其磁矩在X X和和Y Y轴方向上的分量将相轴方向上的分量将相互抵消，只有沿互抵消，只有沿Z Z轴方轴方向的分量叠加起来形成向的分量叠加起来形成了了纵向磁化矢量纵向磁化矢量，它不它不能被直接测量。能被直接测量。电流通过金属导线可以产生磁场电流通过金属导线可以产生磁场金属导线切割磁力线产生电流金属导线切割磁力线产生电流变化磁场强度在金属导线（线圈内可变化磁场强度在金属导线（线圈内可以产生感应电压和感应电流以产生感应电压和感应电流电场和

6、磁场随时间而变化称为电场和磁场随时间而变化称为电磁辐射电磁辐射。射频（射频（RFRF脉冲脉冲是一种无线电波，也是电磁波是一种无线电波，也是电磁波的一种，它的主要作用是扰乱沿外加磁场方向的一种，它的主要作用是扰乱沿外加磁场方向进动的质子的进动。只有进动的质子的进动。只有RFRF脉冲与自旋质子的脉冲与自旋质子的进动频率相同时，才能向质子传递能量。进动频率相同时，才能向质子传递能量。当当RFRF脉冲频率与质子进动频率相同时，质子就脉冲频率与质子进动频率相同时，质子就从中吸收能量，这称为从中吸收能量，这称为核磁共振现象核磁共振现象。此时此时RFRF脉冲频率脉冲频率 0 00 0施加施加RFRF脉冲后，

7、质子吸收了能量，能级就会提脉冲后，质子吸收了能量，能级就会提高，这会产生两方面的效应：高，这会产生两方面的效应：1 1、质子能级提高，使得纵向磁化矢量减小，最、质子能级提高，使得纵向磁化矢量减小，最终为零，称为饱和状态。终为零，称为饱和状态。2 2、进动的质子相位一、进动的质子相位一致，做同步同速运动，致，做同步同速运动，使得在横轴方向上的使得在横轴方向上的磁化矢量得以叠加，磁化矢量得以叠加，并产生一个新的并产生一个新的横向横向磁化矢量磁化矢量，RFRF脉冲的脉冲的强度越大，持续时间强度越大，持续时间越长，横向进动偏转越长，横向进动偏转的角度就越大。的角度就越大。 当质子系统达到饱和状态后，停

8、止当质子系统达到饱和状态后，停止RFRF磁场后，磁场后，激励过程结束。随后，吸收能量跃迁到高能级激励过程结束。随后，吸收能量跃迁到高能级的质子将释放吸收的能量，很快回到外加磁场的质子将释放吸收的能量，很快回到外加磁场原先排列的平衡位置，这一过程称为原先排列的平衡位置，这一过程称为核磁弛豫核磁弛豫。横向磁化矢量逐渐消失，横向磁化矢量逐渐消失，称为称为横向弛豫横向弛豫纵向磁化矢量恢复原状，称为纵向磁化矢量恢复原状，称为纵向弛豫纵向弛豫 在磁共振领域中，将质子周围的原子统称为晶格。在磁共振领域中，将质子周围的原子统称为晶格。纵向弛豫就是质子自旋磁矩将能量释放传递给晶格原纵向弛豫就是质子自旋磁矩将能量

9、释放传递给晶格原子的过程，所以也叫子的过程，所以也叫自旋自旋- -晶格弛豫晶格弛豫。 RFRF脉冲停止后，纵向磁化矢量恢复到原来的数值所脉冲停止后，纵向磁化矢量恢复到原来的数值所需要的时间称为纵向弛豫时间，简称需要的时间称为纵向弛豫时间，简称T T1 1, ,实际中实际中将纵向将纵向磁化矢量从磁化矢量从0 0恢复到最大值的恢复到最大值的63%63%所需的时间定义为所需的时间定义为T T1 1 时间。时间。 T T1 1是一个时间常数，描述组织的纵向磁化矢量恢复的是一个时间常数，描述组织的纵向磁化矢量恢复的快慢程度。其长短依赖于快慢程度。其长短依赖于组织成分、结构和环境，组织成分、结构和环境，如

10、如水为长水为长T T1 1，脂肪为短，脂肪为短T T1 1 。 RFRF脉冲停止后，质子很快失去相位一致性脉冲停止后，质子很快失去相位一致性, ,这是由这是由于原子核之间的相互作用，而没有能量从原子核向周于原子核之间的相互作用，而没有能量从原子核向周围晶格中的转移，所以也成为围晶格中的转移，所以也成为自旋自旋- -自旋弛豫自旋弛豫。 此过程中，横向磁化矢量逐步抵消而变小直至为零。此过程中，横向磁化矢量逐步抵消而变小直至为零。实际中把实际中把横向磁化矢量衰减至其最大值的横向磁化矢量衰减至其最大值的37%37%的时间的时间定义为横向弛豫时间，定义为横向弛豫时间，简称简称T T2 2 。 T T2

11、2与人体组织的固有小磁场有关与人体组织的固有小磁场有关, ,如大分子比小分如大分子比小分子快子快, ,结合水比游离水快。结合水比游离水快。小结：小结： 这种组织间弛豫时间上的差别，是这种组织间弛豫时间上的差别，是MRIMRI的成的成像基础。有如像基础。有如CTCT时，组织间吸收系数（时，组织间吸收系数（CTCT值）值）差别是差别是CTCT成像基础的道理。但成像基础的道理。但MRIMRI不像不像CTCT只有只有一个参数，即吸收系数，而是有一个参数，即吸收系数，而是有T T1 1、T T2 2等几个等几个参数。因此，参数。因此，获得选定层面中各种组织的获得选定层面中各种组织的T1T1（或或T2T2

12、）值，就可获得该层面中包括各种组织值，就可获得该层面中包括各种组织影像的图像。影像的图像。 磁共振设备中，接收信号用的线圈平面与主磁场平磁共振设备中，接收信号用的线圈平面与主磁场平行，工作频率接近拉莫频率。行，工作频率接近拉莫频率。 当质子磁化矢量只受主磁场作用时，由于自由进动当质子磁化矢量只受主磁场作用时，由于自由进动与主磁场方向一致，所以无法测量。与主磁场方向一致，所以无法测量。 当当RFRF脉冲对组织激励又停止后，组织出现了弛豫过脉冲对组织激励又停止后，组织出现了弛豫过程，横向磁化矢量的变化能使位于被检体周围的接收线程，横向磁化矢量的变化能使位于被检体周围的接收线圈产生随时间变化的感应电

13、流，其大小与横向磁化矢量圈产生随时间变化的感应电流，其大小与横向磁化矢量成正比，将这个电流信号放大后即为成正比，将这个电流信号放大后即为MRMR信号，它是一个信号，它是一个随时间周期性不断衰减的电流，又因为它是由自由进动随时间周期性不断衰减的电流，又因为它是由自由进动感应产生的，所以叫感应产生的，所以叫自由感应衰减自由感应衰减。 一幅一幅MRMR影像由垂直方向的象素行和水平影像由垂直方向的象素行和水平方向的象素列共同组成，同时又对应着一方向的象素列共同组成，同时又对应着一定层厚的体素组成的一个层面，称为定层厚的体素组成的一个层面，称为MRMR信信号的号的空间位置空间位置。 采集采集MRMR信号

14、空间位信号空间位置信息的方法称为置信息的方法称为空空间编码间编码，拉莫方程，拉莫方程， 0 00 0是空间编码技是空间编码技术的基础。术的基础。 综上所述，磁共振成像主要包括综上所述，磁共振成像主要包括三方面的三方面的内容：内容：1 1、激发产生磁共振现象并测量磁共振信号的激发产生磁共振现象并测量磁共振信号的RFRF脉冲序列；脉冲序列；2 2、确定信号位置的空间编码；确定信号位置的空间编码；3 3、将所测量的磁共振信号及其位置信息重建将所测量的磁共振信号及其位置信息重建成磁共振影像成磁共振影像。MRIMRI系统主要由以下系统主要由以下五部分五部分构成：构成：1 1、主磁体系统主磁体系统2 2、

15、梯度磁场系统梯度磁场系统3 3、射频（射频（RFRF）系统系统4 4、计算机处理系统计算机处理系统5 5、辅助设备辅助设备 主磁体是主磁体是MRIMRI系统的核心部分之一，其系统的核心部分之一，其功能是提供使原子核定向所必须的静磁功能是提供使原子核定向所必须的静磁场。场。 应用于临床医疗的应用于临床医疗的MRIMRI磁体强度多为磁体强度多为0.15-3.00.15-3.0T(T(特斯拉特斯拉) )。磁场强度磁场强度： 场强越高，场强越高，MRMR信号越强，影像信噪比越大信号越强，影像信噪比越大磁场均匀度磁场均匀度： 决定了图像的空间分辨率和信噪比决定了图像的空间分辨率和信噪比磁场稳定性磁场稳定

16、性： 是衡量场强随时间而飘移程度的指标是衡量场强随时间而飘移程度的指标磁体孔腔磁体孔腔： 孔腔大小限制了被检者的体型大小孔腔大小限制了被检者的体型大小磁场强度、磁场均匀度和磁场的稳定性磁场强度、磁场均匀度和磁场的稳定性是衡量主磁体性是衡量主磁体性能的三大要素。能的三大要素。（1 1）永磁型磁体：（2 2）常导型（阻抗型）磁体：（3 3）超导型磁体：（1 1）永磁型磁体：）永磁型磁体： 磁体由具有铁磁性的永磁材料构成，其磁体由具有铁磁性的永磁材料构成，其场强相当稳定，维护简单，线圈效率高。场强相当稳定，维护简单，线圈效率高。 但磁场强度较低，最大仅但磁场强度较低，最大仅0.30.3T T。磁体庞

17、磁体庞大、笨重，磁场均匀度受室温影响较大，稳大、笨重，磁场均匀度受室温影响较大，稳定性差。定性差。国产安科公司国产安科公司OpenMark 0.2TOpenMark 0.2T第二代开放式永磁型磁共振成像系统第二代开放式永磁型磁共振成像系统 （2 2）常导型（阻抗型）磁体：）常导型（阻抗型）磁体：常导磁体即电磁体，由电流通过导线产生磁场，常导磁体即电磁体，由电流通过导线产生磁场，其磁力线与受检人体长轴平行。其磁力线与受检人体长轴平行。 安装容易，造价低。但磁场均匀度和稳定安装容易，造价低。但磁场均匀度和稳定性较差，受室温影响大。性较差，受室温影响大。 耗电量大，需大量水冷却，运行维护费用耗电量大

18、，需大量水冷却，运行维护费用高，场强一般小于高，场强一般小于0.30.3T T。（3 3）超导型磁体：超导型磁体： 由电流通过导线产生磁场，但导线为超导材料，置于液氦之中，温度为由电流通过导线产生磁场，但导线为超导材料，置于液氦之中，温度为- -273273，此时线圈电阻为零。，此时线圈电阻为零。 在励磁以后，电流可以无衰减地循环流动，产生稳定、均匀、高场强的磁在励磁以后，电流可以无衰减地循环流动，产生稳定、均匀、高场强的磁场，且不受室温影响大。场强最高可达场，且不受室温影响大。场强最高可达8 8T T，医用一般小于医用一般小于3 3T T。由于需液氦，运。由于需液氦，运行维护费用较高。行维护

19、费用较高。 匀场线圈：匀场线圈： 任何磁体都不会产生绝对均匀的磁场，所以还要加上任何磁体都不会产生绝对均匀的磁场，所以还要加上一组匀场线圈，一般由铌钛合金制成，置于磁体中心，一组匀场线圈，一般由铌钛合金制成，置于磁体中心，梯度线圈外梯度线圈外, ,在安装时由工程师设定调整，可将磁场均匀在安装时由工程师设定调整，可将磁场均匀性提高性提高100100倍以上。倍以上。GE Signa CV/i 1.5T GE Signa CV/i 1.5T 超导型超导型MRMR机机 梯度磁场系统也是梯度磁场系统也是MRIMRI系统的核心部分系统的核心部分之一，它利用梯度线圈产生相对主磁场来之一，它利用梯度线圈产生相

20、对主磁场来说较微弱的在空间位置上变化的磁场，并说较微弱的在空间位置上变化的磁场，并叠加在主磁场上。叠加在主磁场上。 功能功能是对是对MRIMRI信号进行空间编码，以信号进行空间编码，以确定成像层面的位置和厚度。确定成像层面的位置和厚度。 梯度磁场包括梯度线圈和梯度电源两部分。梯度磁场包括梯度线圈和梯度电源两部分。梯度线圈有三组，分别按相互垂直的梯度线圈有三组，分别按相互垂直的X X、Y Y、Z Z三个三个方向设计，任何一组梯度场都可起到方向设计，任何一组梯度场都可起到层层面选择、相位编码、频率编码面选择、相位编码、频率编码三项作用之一，三项作用之一，因此可对人体的横断位、冠状位、矢状位甚因此可

21、对人体的横断位、冠状位、矢状位甚至任意斜位进行成像。至任意斜位进行成像。 梯度磁场三维方向示意图梯度磁场三维方向示意图 梯度磁场叠加在主磁场上，使得场强随着梯度磁场叠加在主磁场上，使得场强随着位置呈线形分布，即每一层面的场强都是不相位置呈线形分布，即每一层面的场强都是不相同的。同的。 RFRF脉冲并非只包含一种频率，而是有一定脉冲并非只包含一种频率，而是有一定频率范围（带宽）的脉冲，所以它能激励的质频率范围（带宽）的脉冲，所以它能激励的质子的拉莫频率也是一个范围，这样产生共振的子的拉莫频率也是一个范围，这样产生共振的质子的层面就可以确定了。质子的层面就可以确定了。 当磁场梯度一定时，当磁场梯度

22、一定时，RFRF脉冲的频带越宽，脉冲的频带越宽，则层面越厚；则层面越厚； 当频带宽一定时，磁场梯度越大，则层面当频带宽一定时，磁场梯度越大，则层面厚度越薄。厚度越薄。 一般是将一般是将RFRF脉冲的中心频率固定脉冲的中心频率固定，通过，通过改改变磁场的强度和梯度的大小变磁场的强度和梯度的大小来实现来实现成像层面的成像层面的选择选择的。的。 在已确定的成像层面在已确定的成像层面的水平轴（的水平轴（X X轴）方向轴）方向上，上，施加频率编码梯度施加频率编码梯度磁场磁场，使得沿使得沿X X轴轴不同不同位置的每一列质子都具位置的每一列质子都具有不同的进动频率，同有不同的进动频率，同一列上的质子则进动频

23、一列上的质子则进动频率相同。率相同。 要确定要确定Y Y轴每一列上轴每一列上平行于平行于X X轴方向上的每轴方向上的每一行一行质子的位置质子的位置，就需，就需进行进行相位编码相位编码。 在在Y Y轴轴方向上施加另方向上施加另一梯度场，使得不同位一梯度场，使得不同位置的质子处于不同相位，置的质子处于不同相位，即进动角度不同，并由即进动角度不同，并由此进行识别。此进行识别。 f(t)=Af(t)=A0 0+Asin(+Asin( t+t+) 在进行频率编码和相位编码后，利用在进行频率编码和相位编码后，利用傅立叶变换就可将检测到的数据信号分傅立叶变换就可将检测到的数据信号分离，确定每一个体素的离，确

24、定每一个体素的MRMR信号的值，形信号的值，形成图像。成图像。 射频系统的作用是发射射频射频系统的作用是发射射频( (RF)RF)脉冲脉冲, ,使磁化的质子吸收能量产生共振使磁化的质子吸收能量产生共振, ,并接收质子在弛豫过程中释放的能量而产生并接收质子在弛豫过程中释放的能量而产生MRMR信号，其频率在拉莫频率附近。信号，其频率在拉莫频率附近。包括射频线圈和射频放大器。包括射频线圈和射频放大器。 发发射射器器功功率率放放大大器器发发射射线线圈圈人人体体组组织织接接收收 线线圈圈接接收收器器RFRFMRMR 射频线圈的作用是发射射频线圈的作用是发射RFRF脉冲脉冲, ,对被检体质子进行激励，并检

25、测被检体的对被检体质子进行激励，并检测被检体的MRMR信信号。号。 用于发射射频建立射频磁场的射频线圈叫用于发射射频建立射频磁场的射频线圈叫发射线圈发射线圈，用于检测，用于检测MRMR信号的射频线信号的射频线圈叫圈叫接收线圈接收线圈。 有的线圈可在不同的时期分别完成发射和接收任务，如有的线圈可在不同的时期分别完成发射和接收任务，如体线圈体线圈；而有的只能用；而有的只能用于接收信号，如大部分于接收信号，如大部分表面线圈表面线圈。 射频线圈的射频线圈的敏感容积越小敏感容积越小，则信噪比越高，则信噪比越高； 线圈与人体检查部位的线圈与人体检查部位的距离越近距离越近，则信号越强，信，则信号越强，信噪比

26、越高噪比越高。 这两者直接决定着图像的质量，所以需根据人体这两者直接决定着图像的质量，所以需根据人体各个部位的不同形状、大小，制成不同尺寸和类型的各个部位的不同形状、大小，制成不同尺寸和类型的线圈，以取得最佳图像质量。线圈，以取得最佳图像质量。 射频线圈主要有两类：射频线圈主要有两类：1 1、体积线圈体积线圈：大容积，如头线圈、体线圈：大容积，如头线圈、体线圈2 2、表面线圈表面线圈：小容积，如乳腺线圈等：小容积，如乳腺线圈等头颅线圈（鸟笼状）头颅线圈（鸟笼状） 神经血管线圈神经血管线圈 颈椎线圈颈椎线圈 胸腰椎线圈胸腰椎线圈 躯体线圈躯体线圈乳腺线圈乳腺线圈 通用柔软线圈通用柔软线圈 1 1

27、、主机、主机2 2、存储器、存储器3 3、输入、输出设备、输入、输出设备4 4、系统软件、系统软件5 5、应用软件、应用软件1 1、磁屏蔽、磁屏蔽2 2、射频屏蔽、射频屏蔽3 3、操作控制台、操作控制台4 4、检查床、检查床5 5、高压注射器、高压注射器腹主动脉腹主动脉MRAMRA三维重建图像三维重建图像 动静脉畸形（动静脉畸形（AVMAVM）MRAMRA三维重建图像三维重建图像 磁共振脑功能成像磁共振脑功能成像 磁共振脑功能成像磁共振脑功能成像 冠状位心脏冠状位心脏MRMR图像图像 心脏心脏MRMR图像图像 下肢血管造影下肢血管造影MRAMRA三维重建图像三维重建图像 椎、基底动脉椎、基底动脉MRAMRA三维重建图像三维重建图像