Transcript 纵向弛豫
磁共振成像基本原理 杨正汉 卫生部北京医院放射科 北京大学第五临床医学院 •MRI基本原理 •非常重要 •难以理解 •非常重要 学习MRI前应该掌握的知识 • • • • 电学 磁学 量子力学 高等数学 • • • • 初中数学 初中物理 加减乘除 平方开方 磁共振成像基本原理 •一个放射科医生对磁共振成像的理解 一、MRI扫描仪的 基本硬件构成 • 一般的MRI仪由以下几部分组成 – – – – – 主磁体 梯度线圈 脉冲线圈 计算机系统 其他辅助设备 1、主磁体 分类 磁场强度 磁场均匀度 •MRI按磁场产生方式分类 主 磁 体 永磁 常导 电磁 超导 0.35T 永磁磁体 1.5T 超导磁体 •按磁体的外形可分为 •开放式磁体 •封闭式磁体 •特殊外形磁体 OpenMark 3000 •MR按主磁场的场强分类 –MRI图像信噪比与主磁场场强成正比 –低场: 小于0.5T –中场：0.5T－1.0T –高场: 1.0T－2.0T（1.0T、1.5T、2.0T） –超高场强：大于2.0T（3.0T、4.7T、7T） 高斯（gauss, G）。 Gauss (1777-1855) 德国著名数学家，于1832年首次测量了地球的磁场。 1高斯为距离5安培电流的直导线1厘米处检测到的磁场强度 5安培 1厘米 1高斯 地球的磁场强度分布图 特斯拉（Tesla,T） Nikola Tesla (18571943), 奥地利电器工程 师，物理学家，旋转磁 场原理及其应用的先驱 者之一。 1 T = 10000G •主磁场的均匀度 •MRI要求磁场高度均匀，??? •空间定位需要 •频谱分析（各种代谢物之间的共振频率 相差极小） •脂肪抑制（脂肪和水分子中的氢质子共 振频率很接近） 频率半高宽 –50厘米球表面均匀度应该控制在<3 PPM –45厘米球体均匀度可控制在<1 PPM 2、梯度线圈 • 作用： – 空间定位 – 产生信号 – 其他作用 • 梯度线圈性能的 提高 磁共振成 速度加快 • 没有梯度磁场的 进步就没有快速、 超快速成像技术 梯度、梯度磁场 梯度磁场的产生 Z轴方向梯度磁场的产 生 X、Y、Z轴上梯度磁场的产生 •梯度线圈性能指标 –梯度场强 –切换率 25 / 60mT/m 120 / 200mT/m.s 梯度场强（mT/M）＝梯度场两端的磁场强度差值/梯度场的长度 1010mT 梯度两端磁 场强度差值 990mT 1000mT 1000mT 梯度场中点 有效梯度场长度 50 cm 梯度场强＝（1010mT-990mT）/ 0.5 M= 40 mT/M 梯度场强 爬升时间 切换率＝梯度场预定强度/爬升时间 3、脉冲线圈 • 脉冲线圈的作用 • 如同无线电波的天线 – 激发人体产生共振（广 播电台的发射天线） – 采集MR信号（收音机 的天线） •脉冲线圈的分类 •按作用分两类 –激发并采集MRI信号（体线圈） –仅采集MRI信号，激发采用体线 圈进行（绝大多数表面线圈） 接收线圈与MRI图像SNR密切相关 接收线圈离身体越近，所接收到的信号越强 线圈内体积越小，所接收到的噪声越低 按与检查部位的关系分 体线圈 表面线圈 第一代为线性极化表面线圈 第二代为圆形极化表面线圈 第三代为圆形极化相控阵线圈 第四代为一体化全景相控阵线圈 •利 用 2.3cm 显微线圈采 集的指纹MR 图像 3D-FFE Matrix 512×512 FOV 2.5cm 4、计算机系统及谱仪 • 数据的运算 • 控制扫描 • 显示图像 5、其他辅助设备 空调 检查台 激光照相机 液 氦 及 水 冷 却系统 自 动 洗 片 机 等 二、MRI的物理学原理 1、人体MR成像的物质基础 • 原子的结构 电子：负电荷 中子：无电荷 质子：正电荷 原子核总是绕着自身的轴旋转－－自旋 ( Spin ) 自旋与核磁 •地球自转产生磁场 •原子核总是不停地按一定频率绕着自身的 轴发生自旋 ( Spin ) •原子核的质子带正电荷，其自旋产生的磁 场称为核磁，因而以前把磁共振成像称为 核磁共振成像（NMRI）。 地磁、磁铁、核磁示意图 原 子 核 自 旋 产 生 核 磁 •非常重要 核磁就是原子核自旋产生的磁场 所有的原子核都可产生核磁吗？ 质子为偶数，中子为偶数 不产生核磁 质子为奇数，中子为奇数 质子为奇数，中子为偶数 质子为偶数，中子为奇数 产生核磁 何种原子核用于人体MR成像？ •用于人体MRI的为1H（氢质子），原因有： –1、1H的磁化率很高； –2、1H占人体原子的绝大多数。 •通常所指的MRI为氢质子的MR图像。 人体元素 摩尔浓度 相对磁化率 1H 99.0 1.0 14N 1.6 0.083 31P 0.35 0.066 13C 0.1 0.016 23Na 0.078 0.093 39K 0.045 0.0005 17O 0.031 0.029 2H 0.015 0.096 19F 0.0066 0.83 •人体内有无数个氢质子（每毫升水含氢 质子3×1022） •每个氢质子都自旋产生核磁现象 •人体象一块大磁铁吗？ 矢量的合成与分解 通常情况下人体内氢质子的核磁状态 通常情况下，尽管每个质子自旋均产生一个小的 磁场，但呈随机无序排列，磁化矢量相互抵消， 人体并不表现出宏观磁化矢量。 把人体放进大磁场 2、人体进入主磁体发生了什么？ • 没有外加磁场的情况下，质子自旋 产生核磁，每个氢质子都是一个 “小磁铁” ，但由于排列杂乱无章， 磁场相互抵消，人体并不表现出宏 观的磁场，宏观磁化矢量为0。 指南针与地磁、小磁铁与大磁场 织进 质入 子主 的磁 核场 磁前 状后 态人 体 组 •处于高能状态太费劲，并非人人都能做到 •处于低能状态的略多一点，007 进入主磁场后磁化矢量的影响因素 温度、主磁场强度、质子含量 •温度 •温度升高，磁化率降低 •主磁场场强 •场强越高，磁化率越高，场强几乎与磁化 率成正比 •质子含量 •质子含量越高，与主磁场同向的质子总数 增加（磁化率不变） 处于低能状态的质子到底比处于高能 状态的质子多多少？？？ 室温下（300k） 0.2T：1.3 PPM 0.5T：4.1 PPM 处于低能状态的氢 质子仅略多于处于 高能状态的质子 1.0T：7.0 PPM 1.5T：9.6 PPM PPM为百万分之一 在主磁场中质子的磁化矢量方向是绝 对同向平行或逆向平行吗？？？ Precessing (进动) •非常重要 进动是核磁（小磁场）与主磁 场相互作用的结果 进动的频率明显低于质子的自 旋频率，但比后者更为重要。 = .B ：进动频率 Larmor 频率 ：磁旋比 42.5兆赫 / T B：主磁场场强 由于在主磁场中质子进动，每个氢质子均 产生纵向和横向磁化分矢量，那么人体进 入主磁场后到底处于何种核磁状态？ 高 能 与 低 能 状 态 质 子 的 进 动 •处于低能状态的质子略多于处于高能状态 的质子，因而产生纵向宏观磁化矢量 尽管每个质子的进动产生了纵向和横向磁化矢量，但 由于相位不同，因而只有宏观纵向磁化矢量产生，并 无宏观横向磁化矢量产生 由于相位不同，每个质子的横向磁化分矢量 相抵消，因而并无宏观横向磁化矢量产生 •非常重要 进入主磁场后，质子自旋产生的 核磁与主磁场相互作用发生进动 进动使每个质子的核磁存在方向稳定的纵 向磁化分矢量和旋转的横向磁化分矢量 由于相位不同，只有宏观纵向磁化矢量产 生，并无宏观横向磁化矢量产生 • 进入主磁场后人体被 磁化了，产生纵向宏 观磁化矢量 • 不同的组织由于氢质 子含量的不同，宏观 磁化矢量也不同 • 磁共振不能检测出纵 向磁化矢量 MR能检测到怎样的磁化矢量呢？？？ N S MR不能检测到纵向磁化矢量，但能检测到旋转的横向磁化矢量 如何才能产生横向宏观磁化矢量？ 3、什么叫共振，怎样产生磁共振？ • 共振 ：能量从一个震动着的物体传递到另一 个物体，而后者以前者相同的频率震动。 共 振 • 条件 – 频率一致 • 实质 – 能量传递 体内进动的氢质子怎样才能发生共振呢？ 给低能的氢质子能量，氢质子获得能 量进入高能状态，即核磁共振。 怎样才能使低能氢质子获得能量， 产生共振，进入高能状态？ 微观效应 磁共振现象是靠射频线圈发射无线电波（射频脉冲）激 发人体内的氢质子来引发的，这种射频脉冲的频率必须 与氢质子进动频率相同，低能的质子获能进入高能状态 射频脉冲激发后的效应是使宏观磁化矢量发生偏转 射频脉冲的强度和持续时间决定射频脉冲激发后的效应 宏观效应 低能量 中等能量 高能量 低能的超出部分的氢质子有一半获得能量进入高能状态， 高能和低能质子数相等，纵向磁化矢量相互抵消而等于零 使质子处于同相位，质子的微观横向磁化矢量相加，产生 宏观横向磁化矢量 90 度 脉 冲 继 发 后 产 生 的 宏 观 和 微 观 效 应 90度脉冲激发使质子发生共振，产生最大的旋转 横向磁化矢量，这种旋转的横向磁化矢量切割接 收线圈，MR仪可以检测到。 氢 质 子 多 氢 质 子 少 •非常重要 • 无线电波激发后，人体内宏观磁场偏转了 90度，MRI可以检测到人体发出的信号 • 氢质子含量高的组织纵向磁化矢量大，90 度脉冲后磁化矢量偏转，产生的旋转的宏 观横向矢量越大，MR信号强度越高。 • 此时的MR图像可区分质子密度不同的两 种组织 •非常重要 •检测到的仅仅是不同组织氢质 子含量的差别，对于临床诊断来 说是远远不够的。 •我们总是在90度脉冲关闭后过 一定时间才进行MR信号采集。 4、射频线圈关闭后发生了什么？ 无线电波激发使磁场偏转90度，关闭无线 电波后，磁场又慢慢回到平衡状态（纵向) •弛豫 •Relaxation •放松、休息 4、射频线圈关闭后发生了什么？ 无线电波激发使磁场偏转90度，关闭无线 电波后，磁场又慢慢回到平衡状态（纵向) • 射频脉冲停止后，在主磁场的作用下， 横向宏观磁化矢量逐渐缩小到零，纵向 宏观磁化矢量从零逐渐回到平衡状态， 这个过程称为核磁弛豫。 • 核磁弛豫又可分解为两个部分： • 横向弛豫 • 纵向弛豫 90度脉冲 横向弛豫 • 也称为T2 弛豫，简 单地说， T2弛豫就 是横向磁 化矢量减 少的过程。 T2弛豫的原因 自旋质子磁场暴露在大磁场与临近自旋质子的小磁 场中 由于分子的运动，质子周围的小磁场不断波动 每个质子感受的磁场不均匀 根据Lamor定律 磁场高－质子进动快 场强低－质子进动慢 同相位进动的 质子失相位 •T2弛豫是由于进动质子的失相位 •用T2值来描述组织T2弛豫的快慢 不同的组织横向弛豫速度不同（T2值不同） 纵向弛豫 • 也称为T1弛豫，是指90度脉冲关闭后，在主 磁场的作用下，纵向磁化矢量开始恢复，直 至恢复到平衡状态的过程。 90度 脉冲 纵向弛豫的机理 90度激发 低能的质子获能进入高能状态 纵向弛豫 高能的质子释放能量 高能的质子把能量释放给周围的晶格 （分子） 晶格震动频率高于质子进动频率 能量传递慢－－纯水 晶格震动频率接近于质子进动频率 能量传递快－－脂肪，含中小分子蛋白质 晶格震动频率低于质子进动频率 能量传递慢－－含高浓度大分子蛋白 •T1弛豫是由于高能质子的能量释放回到低能状态 •用T1值来描述组织T1弛豫的快慢 不同组织有不同的T1弛豫时间 人体各种组织的T2弛豫要比T1弛豫快得多 T2 <<< T1 •重 要 提 示 • 不同组织有着不同 – 质子密度 – 横向(T2)弛豫速度 – 纵向(T1)弛豫速度 • 这是MRI显示解剖结 构和病变的基础 5、磁共振“加权成像” T1WI PD T2WI 何为加权？？？ • 所谓的加权就是 的意思 “重点突出” – T1加权成像（T1WI）----突出组织T1弛豫 （纵向弛豫）差别 – T2加权成像（T2WI）----突出组织T2弛豫 （横向弛豫）差别 – 质子密度加权成像（PD）－突出组织氢质 子含量差别 • MR只能采集旋转的横向磁化矢量 MR不能检测到纵向磁化矢量，但能检测到旋转的横向磁化矢量 •在任何序列图像上，信号采集时刻旋转横 向的磁化矢量越大，MR信号越强 T2加权成像 （T2WI) 反映组织 横向弛豫 的快慢！ • T2值小 横向磁化矢量减少快 残留的横向磁化矢量小 MR信号低（黑） • T2值大 横向磁化矢量减少慢 残留的横向磁化矢量大 MR信号高（白） • 水T2值约为1600毫秒 MR信号高 • 脑T2值约为100毫秒 MR信号低 平 衡 状 态 90 度 激 发 后 脑 采 集 信 号 时 刻 水 T2WI T1加权成像 (T1WI) •反 映 组 织 纵 向 弛豫的快慢！ • T1值越小 纵向磁化矢量恢复越快 已经恢复的 纵向磁化矢量大 MR信号强度越高（白） • T1值越大 纵向磁化矢量恢复越慢 已经恢复的 纵向磁化矢量小MR信号强度越低（黑） • 脂肪的T1值约为250毫秒 MR信号高（白） • 水的T1值约为3000毫秒 MR信号低（黑） 平 衡 状 态 90 纵 向 弛 豫 脂 90 水 T1WI 重要提示!!! • 人体大多数病变的T1值、T2值均较相应 的正常组织大，因而在T1WI上比正常组 织“黑”，在T2WI上比正常组织“白”。 6、MRI的空间定位 •MRI空间定位 •X轴、Y轴、Z轴三维空间定位 •层面层厚选择 •频率编码 •相位编码 由于地球磁场存在从赤道到南北极逐渐减弱的梯度 在地球上可根据所处位置的磁场强度来确定其位置 MRI的三维空间定位也通过三个梯度场强来实现 •发 射 的 射 频脉冲不 可能是单 一频率 层面层厚选择 •射 频 脉 冲 有一定的频 率范围（带 宽） CT的 层 面 选 择 和 层厚 控制靠床位和准直器 •我 们 可 以 控制和调整 射频脉冲的 带宽 •层 面 层 厚选择 第 一 个 梯 度 场 •1mHZ / cm 64 － 65mHZ 层厚1cm •1mHZ / cm 64 － 64.5mHZ 层厚0.5cm •2mHZ / cm 64 － 65mHZ 层厚0.5cm • • 射频脉冲 63.5-64.5 MHZ G • • G 0 0 • • G 0 射频脉冲 64.5-65.5 MHZ 射频脉冲 63.75-64.25 MHZ • • G 0 射频脉冲 63.5-64.5 MHZ 决定层厚的因素 1. 梯度场强 2. 射频带宽 梯度场强不变 射频带宽越宽层 厚越厚 射频带宽不变 梯度场强越高层 厚越薄 •调整射频脉冲 的带宽、梯度 场强的强度和 位置，即可随 意选择层面的 位置和层厚 层面内的空间定位 体素（Voxel）－像素（Pixel） •MR采集到的每一个信号均含有 全层信息 •必须进行层面内的空间定位编码 才能把整个信息分配到各个像素 •空间定位编码包括频率编码和相 位编码 •频率编码 •频率编码依靠梯度磁场 64mHZ 64mHZ 第二个梯度场 64mHZ •带有不同频率的MR信号，通过付立叶转换可以区分 •相位编码 第三个梯度场 •相位编码还是依靠梯度磁场 •相位编码 •付 立 叶 转 换 只 能 区 分 相位相差180度的MR信 号 •付立叶转换可区分不同相位的MR信号 • 付立叶转换只能区分相位相差180度的MR信号 矩阵为256*256的图像需要进行256次 相位编码，也即采集256条相位编码线 7、K空间及其特性 •K 空 间 为 MR 图 像 原 始数据的填 充储存空间 格式，填充 后的资料经 傅立叶转换， 重 建 出 MR 图像。 •常规K空间的填充形式（对称、循序填充） SE序列 K空间的特性 • 矩阵为256*256的 图像需要采集256 条相位编码线来完 成K空间的填充， • K空间的数据点阵 与图像的点阵不是 一一对应的, K空 间中每一个点具有 全层信息 K空间的特性 • K空间具有对 称性 –相位编码方向 的镜像对称 –频率编码方向 的对称 K空间特性 • 填充K空间中央 区域的相位编码 线决定图像的对 比 • 填充K空间周边 区域的相位编码 线决定图像的解 剖细节 K 空 间 的 其 他 填 充 方 式 螺旋式填充 放射状填充 激发编码 信号采集 K空间填充 付立叶转换 图像显示 8 、 自 旋 回 波 序 列 •自旋回波（spin echo，SE）序列结构图 激发脉冲 层面选择梯度 频率编码梯度 相位编码梯度 MR信号 •90度脉冲激发组织产生横向磁化矢量 SE序列图 •180度脉冲的作用？？？ •90度激发脉冲关闭后，所产生的横向磁化 矢量很快衰减－－自由感应衰减（FID） •横向磁化矢量的衰减是由于质子失相位 • 质子失相位的原因 1. 质子小磁场的相互作用造成磁场不均 匀（随机）－－真正的T2弛豫 2. 主磁场的不均匀（恒定），后者是造 成质子失相位的主要原因 •1+2产生的横向磁化矢量衰减实际上为T2*弛豫 •180度复相脉冲可以抵消主磁场恒定不均匀造成 的信号衰减，从而获得真正的T2弛豫图像 •180度脉冲可使因主磁场恒定不均匀造成失 相质子的相位重聚，产生自旋回波 180度 脉冲 90度 脉冲 1 1 1 • • 2 2 1 2 3 3 3 4 2 3 4 4 4 • 复 相 脉 冲 的 作 用 模 拟 T2*与T2的差别 •用180度复相脉冲采集回波（MR信号） 的序列称为自旋回波序列（SE序列） •SE序列结构 180 90 180 回波 TE TR 90 回波 TE：回波时间 TR：重复时间 •TR决定图像的T1成分 •TE决定图像的T2成分 •很长的TR－－所有的组织T1完全弛 豫－剔除图像的T1弛豫差别 •很短的TE可基本剔除图像的T2成分 长TR（>2000ms） 长TE（>50ms） T2WI 选择合适长的TE获得最好的T2对比 Mxy 合适长的TE 100% 一般TE选择两种组织生物 T2值附近可获得最好的T2对比 T2对比 时间（ms） 短TR（200-500ms） 短TE（<20ms） T1WI 选择合适短的TR获得最好的T1对比 Mz 合适短的TR 100% T1对比 一般TR选择两种组织生物 T1值附近可获得最好的T1对比 时间（ms） 长TR （>2000ms） 短TE（<20ms） PD 短TR（200-500ms）、短TE（<20ms） T1WI 长TR（>2000ms）、长TE（>50ms） T2WI 长TR （>2000ms） 、短TE（<20ms） PD T1WI T2WI PD 总结一下MR成像的过程 • 把病人放进磁场 人体被磁化产生纵向 磁化矢量 • 发射射频脉冲 人体内氢质子发生共振 从而产生横向磁化矢量 • 关掉射频脉冲 质子发生T1、T2弛豫 （同时进行空间定位编码） • 线圈采集人体发出的MR信号 计算机 处理（付立叶转换） 显示图像