磁共振成像的原理及臨床應(yīng)用

1、磁共振成像的原理及臨床應(yīng)用,我要骨科（51骨科）網(wǎng)www.5guke.com,What is MRI ?,磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging ,MRI)，又稱核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance ,NMR），是一種新的、非創(chuàng)傷性的成像方法，它不用電離輻射而可以顯示出人體內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)。利用一定頻率的射頻信號（radio frequency，RF）在一外加靜磁場內(nèi)，對人體的任何

2、平面，產(chǎn)生高質(zhì)量的切面成像（cross sectional imaging）。,磁共振成像的原理及臨床應(yīng)用,第一節(jié) MRI發(fā)展概況,1946年美國斯坦福（Stanford）大學(xué)的Felix Bloch和哈佛（Harvard）大學(xué)的Edward Purcell各自進行研究，檢測到大塊物質(zhì)內(nèi)核磁共振吸收，更清楚地闡述了原子核自旋(Spin)的存在，幾乎同時發(fā)表他們的研究成果，為此，他們共同獲得了1952年諾貝爾物理學(xué)獎。NMR的應(yīng)用逐漸

3、地從物理和化學(xué)領(lǐng)域，擴大到更為廣泛的學(xué)科，如考古學(xué)直至醫(yī)學(xué)。,第一節(jié) MRI發(fā)展概況,在醫(yī)學(xué)影像學(xué)方面，1973年Lauterbur研究出MRI所需要的空間定位方法，也就是利用梯度場。他的研究結(jié)果是獲得水的模型的圖像。在以后的10年中，人們進行了大量的研究工作來制造磁共振掃描機，并產(chǎn)生出人體各部位的高質(zhì)量圖像，先后通過MR掃描，獲得手、胸、頭和腹部的圖像。1980年商品化MRI裝置問世。,第二節(jié) MRI的基本原理,本節(jié)介紹核磁共

4、振這一物理現(xiàn)象最基本的理論知識，我們應(yīng)用一般物理學(xué)、力學(xué)及磁學(xué)的原理闡述。,一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性,人體由很多分子組成，分子由原子組成；所有原子的核心都是原子核；帶正電荷和中性粒子的集合體；占原子質(zhì)量的絕大部分；,一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性,從理論上講，很多元素都可以用核磁共振來成像。也就是任何一個原子核，只要其所含的質(zhì)子或中子的任何一個為奇數(shù)時，就具備磁性，就可以產(chǎn)生磁共振信號。,一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性,MRI主要

5、是應(yīng)用于氫核的成像，這是出于：一是Ｈ對其磁共振信號的敏感性高；Ｈ的旋磁比最高，因此最敏感，即MR信號被測出的效率，隨共振信號頻率的增加而改善。二是它在自然界含量豐富。氫存于水和脂肪中，因而在人體中極為豐富，每立方毫米軟組織中含有約1019個Ｈ原子，其所產(chǎn)生的磁共振信號要比其他原子強1000倍。,一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性,由于1Ｈ只有一個質(zhì)子，沒有中子，所以氫核的成像也稱質(zhì)子成像。氫核有兩個特性：其一是它含有一個不在核中心的正

6、電荷；其二是它有角動量或自旋。Pauli理論，具有奇數(shù)原子質(zhì)量或奇數(shù)原子數(shù)的核均具有角動量及具有特征性的、大于零的自旋量子數(shù)。,一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性,自旋的氫核其正電荷沿著一近似圓形路線運動，猶如電流通過環(huán)形線圈一樣，從而在其周圍產(chǎn)生一磁場。此滋場的大小與方向用磁矩 來表示，形成一個微觀的磁體偶極子。,具有磁矩的快速自旋核可以看成為極小磁棒,一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性,共振是一種常見的現(xiàn)象。指南針是我們最熟悉的磁體，地球是

7、一個磁場。指南針在地球表面作定向排列，即在靜止?fàn)顟B(tài)下指北。如果我們用手指輕擊指南針，使之來回擺動，直到指南針從我們手指上得到的能量全部放出后，又回到原來的位置，指北。這就是共振現(xiàn)象。針擺動的頻率為共振頻率。,一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性,共振頻率與外磁場強度成正比。地球的兩極場強最強，赤道最弱。在赤道與兩極之間，磁場強度逐漸變化，稱梯度磁場或簡稱梯度。如果指南針在赤道擺動的頻率為１周/秒，越向北其擺動的頻率越快。這是因為北極滋場

8、強度較赤道大2.3倍。,一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性,這個簡單的例子可以幫助我們了解磁共振成像中的基本要點：①指南針置于磁場中與外磁場的方向作定向排列；②指南針的共振頻率與外磁場強度成正比；③當(dāng)有梯度磁場時，根據(jù)指針擺動頻率的變化可以推斷其在磁場中所處的位置。,眾多的氫核（質(zhì)子）就是許多微觀的磁偶極子，在沒有外加磁場影響下，它們的磁矩是任意指向，雜亂無章地排列著。在這種情況的組織標(biāo)本中，凈磁量為零。,一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性

9、,將這些指向雜亂無章的質(zhì)于置于強大的靜磁場(B0) 中時，質(zhì)于群的磁矩將會沿靜磁場的方向作定向排列。略超過半數(shù)的質(zhì)子與靜磁場B0平行排列，略少于半數(shù)的質(zhì)子則指向相反（與靜磁場呈反平行方向排列)。,一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性,當(dāng)有兩種可能的排列狀態(tài)時，耗能少的、處于低能態(tài)的排列狀態(tài)占優(yōu)勢。,一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性,一、原子核及其在磁場內(nèi)的特性,低能量級的、平行于靜磁場方向的質(zhì)子與高能量級的、反平行于靜磁場方向的質(zhì)子來回翻轉(zhuǎn)，相

10、互抵消，而產(chǎn)生平衡的磁化量Ｍ0，也就是在一定量的組織中，所有氫核的磁化量的總和。這一凈平衡磁化量的指向與外加靜磁場是一致的。要使置于外加靜磁場內(nèi)的組織標(biāo)本達到磁化，需要足夠的時間（約為：5～10秒）。,二、磁共振是怎樣發(fā)生的,每個質(zhì)子為細小的自旋磁體，當(dāng)受到外加靜磁場的作用時，靜磁場對質(zhì)子的磁矩產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)作用，這樣就使質(zhì)子順著外加靜磁場的中軸旋轉(zhuǎn)，稱為進動；它如同旋轉(zhuǎn)的陀螺受地心引力一樣。,二、磁共振是怎樣發(fā)生的,以坐標(biāo)系來表示每個質(zhì)

11、子受到外加靜磁場的作用時的磁力的方向大小。,平衡狀態(tài)中，凈磁化矢量并不在接受線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流要獲得自旋信息，凈磁化矢量必須被攪亂或激勵可用射頻脈沖一種短促的無線電波，與感興趣核的拉莫爾頻率一致凈磁化從平衡方向產(chǎn)生不同程度的偏轉(zhuǎn)角度射頻脈沖激勵時，凈磁化以拉莫爾頻率或共振頻率沿主磁場方向進動,二、磁共振是怎樣發(fā)生的,射頻脈沖激勵時，凈磁化以拉莫爾頻率或共振頻率沿主磁場方向進動,二、磁共振是怎樣發(fā)生的,射頻激勵脈沖實際上是另一個

12、磁場（B1）B1方向垂直于Bo及作用非常短的時間B1磁場的作用是使磁化沿其進動，從垂直方向轉(zhuǎn)向Mxy平面,二、磁共振是怎樣發(fā)生的,凈磁化(M) 有兩個矢量成分：橫向面的Mxy和縱向面的Mz只有在XY平面的成分能被探測到調(diào)整射頻脈沖強度和時間，使磁化從平衡狀態(tài)翻轉(zhuǎn)90度時，可獲得最大磁共振信號,二、磁共振是怎樣發(fā)生的,二、磁共振是怎樣發(fā)生的,場強與進動頻率的關(guān)系以Larmor公式表示： ω０＝γＢ０ ω0

13、＝質(zhì)子的共振頻率（MHz）（進動頻率） Ｂ0＝外加靜磁場場強，單位是Tesla，簡稱Ｔ γ＝旋磁比，是一個常數(shù)，氫核的旋磁比為42.58MHz/T從上述公式可知，場強為1T時，那么進動頻率（ω0）即等于γ值（旋磁比）。,二、磁共振是怎樣發(fā)生的,頻率（ω0）非常重要，其原因如下：①在病人作MRI檢查時，必須用這樣頻率的電磁波（RF脈沖），方可激勵原子核；②MR儀的接收器必須調(diào)諧至此頻率，以便接收來自病人的信號。,二、

14、磁共振是怎樣發(fā)生的,當(dāng)給一定磁場中含氫的標(biāo)本以一個與Larmor頻率相匹配的射頻脈沖激發(fā)時，質(zhì)子吸收能量，又將吸收的能量以相同頻率的無線電波形式釋放出來。這一吸收能量的過程稱激勵。,二、磁共振是怎樣發(fā)生的,在Larmor頻率條件下，質(zhì)子吸收及釋放能量的過程稱為核磁共振。,二、磁共振是怎樣發(fā)生的,核即原子核，磁有兩種含義：①外加靜磁場B0；②由射頻脈沖產(chǎn)生的激勵磁場B1。B0與B1有以下方面的不同：首先，B0的場強大約是B1的100

15、00倍；其次，B0是恒定的，方向與磁體掃描膛平行，B1磁場迅速轉(zhuǎn)動，方向總是與B0垂直。,二、磁共振是怎樣發(fā)生的,用射頻線圈做天線接收器，將釋放出來的能量轉(zhuǎn)化為信號。在進行人體磁共振成像時，信號的強度取決于質(zhì)于的數(shù)量，也即質(zhì)子的密度。脂肪、肌肉、血液以及骨胳中質(zhì)子含量的不同，決定磁共振圖像中各種組織信號的強弱和對比，這種圖像即稱為質(zhì)于密度像。,二、磁共振是怎樣發(fā)生的,除了組織中質(zhì)于含量的不同對成像起作用以外，還有其他的組織特性對磁共

16、振圖像的信號有更為重要的影響，這就是組織磁化的弛豫時間。,三、弛豫時間,與X線和CT成像的原理不同，MRI沒有X線輻射，而主要利用質(zhì)子密度與質(zhì)子的弛豫時間（T1與T2）的差異成像，尤其是弛豫時間更為重要。因為質(zhì)子在人體中的差異僅10％，但弛豫時間可相差百分之?dāng)?shù)百。,三、弛豫時間,弛豫時間可反映分子水平上的差別，從而發(fā)現(xiàn)人體生物化學(xué)與生理學(xué)的早期改變。這樣就不同于過去僅從病理解剖學(xué)的基礎(chǔ)上來表達疾病的傳統(tǒng)概念，而是能更早期發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)生

17、理、生化的改變。,三、弛豫時間,若要充分認(rèn)識一幅MRI圖像中強弱信號的意義，必須對射頻脈沖以及射頻脈沖去除后，在靜磁場作用下，從高能狀態(tài)（與磁場垂直的位置）到低能狀態(tài)（與磁場平行的位置）的恢復(fù)過程，即弛豫過程，有所認(rèn)識。,（一）質(zhì)子（氫核）的T1弛豫,質(zhì)于在受到射頻脈沖激勵后，吸收能量；當(dāng)射頻脈沖一停止，縱向磁化開始恢復(fù)，質(zhì)子釋放能量；此時，將在接收線圈中產(chǎn)生RF信號；,（一）質(zhì)子（氫核）的T1弛豫,縱向磁化的恢復(fù)率是以縱向弛豫時間

18、（T1）來表示的；T1就是沿靜磁場方向的縱向磁化恢復(fù)約2/3（63％）所需的時間。,（一）質(zhì)子（氫核）的T1弛豫,T1是時間常數(shù)，生物組織的T1值從大約50毫秒到幾秒不等 不同的組織具有不同的T1值：脂肪為150～250ms。而腦脊液則為2～3s。T1弛豫又稱縱向弛豫、熱弛豫，自旋-晶格弛豫。它是縱向磁化恢復(fù)的過程，在這過程中有能量傳遞，是以熱的形式逸散。它又反映了分子運動頻率與Larmor頻率之間的關(guān)系，如果二者相同

19、，T1弛豫有效，并且迅速，如果不相同，T1弛豫無效。,（二）質(zhì)子的T2弛豫,當(dāng)射頻脈沖的激勵剛一停止，所有質(zhì)于的進動頻率一致，即相位一致，此時信號最強。由于外加靜磁場強度的不均勻以及存在空間定位的梯度場，從而使質(zhì)子的進動頻率發(fā)生變化，而失去其相位一致性，稱失相位。第三種因素則反映人體組織的固有特性，那就是磁化的質(zhì)子間的相互作用，以及與由于分子和巨分子所建立的磁環(huán)境的相互作用，而引起的相位不一致，這樣產(chǎn)生的相位不一致是不可逆的。,（二

20、）質(zhì)子的T2弛豫,相位不一致，一些質(zhì)子進動快，一些則進動慢，這是受局部磁環(huán)境的影響所致，其結(jié)果是凈橫向磁化衰減（decay）。此時，在接收器線圈中所得到的信號減少，以至完全喪失。衰減63％的橫向磁化所需的時問，亦即橫向磁化衰減至其原有值的37％所需時間，即為T2弛豫時間。,（二）質(zhì)子的T2弛豫,a緊接施加90°RF脈沖后，原子核的磁化偶極子均相位一致地進動，橫向磁向量Mxy為最大值。b隨時間進展，磁化偶極子失相位，有些進動

21、較快，有些則進動較慢，這是由于局部磁環(huán)境所致。這種失相位導(dǎo)致了凈橫向磁化量衰減。c接收線圈中所記錄的信號逐漸衰減，T2為橫向磁化衰減至原有值的37％所需的時間。,（二）質(zhì)子的T2弛豫,T2弛豫時間又稱橫向弛豫時間，又稱自旋-自旋弛豫時間。自旋一詞取自核的自旋；T2總是比T１短約為T１的10％－20％。,三、弛豫時間,應(yīng)用一空間坐標(biāo)系X-，Y-，Z-軸加以敘述，磁矢量Ｍ，代表一個小范圍組織內(nèi)也即一個體積元（體素）內(nèi)所有質(zhì)子的磁化強度及方

22、向。,橫向及縱向成分的弛豫過程a 90°脈沖； b 90°脈沖剛停止，橫向成分最大； c,d 弛豫過程：橫向成分迅速衰減，縱向成分緩慢增長；e 縱向成分最大。,三、弛豫時間,當(dāng)人體被置于一外加靜磁場中，磁矢量Ｍ沿Z軸取向，與靜磁場方一致.以箭頭Ｍ為標(biāo)志，箭頭長短與體素內(nèi)所含氫質(zhì)子數(shù)成正比。加一個90°脈沖，Ｍ就偏離Z，轉(zhuǎn)90°至與靜磁場垂直的位置，在X-Ｙ平面遂產(chǎn)生一個橫向磁矢量Ｍ。此時在接

23、收線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)，因而可以用電流表測得此信號。當(dāng)90°脈沖停止后，在弛豫過程中，磁矢量Ｍ分離成縱向成分Ｍz，與橫向成分Ｍxy。由于靜磁場并非均勻一致，而且分子間、分子與原子間又存在的內(nèi)磁場，因此橫向成分Ｍxy從最強很快衰減至零，即T2弛豫。,三、弛豫時間,控制射頻脈沖的強度與時間，可得到90°或180°等不同的脈沖，從而可控制磁矢量偏離Z軸的夾角。使磁矢量Ｍ偏離90°與180°的射

24、頻脈沖分別稱90°與180°脈沖，180°脈沖使磁矢量Ｍ轉(zhuǎn)180°，從正Z軸轉(zhuǎn)到負Z軸，它不產(chǎn)生橫向磁矢量，因此不能產(chǎn)生信號。同樣360°脈沖也不能產(chǎn)生信號。只是有了橫向磁矢量，才能產(chǎn)生信號。,四、自由感應(yīng)衰減,自由感應(yīng)衰減是表示90°脈沖激勵以后立即產(chǎn)生的信號。當(dāng)90°脈沖終止后，橫向磁矢量開始消失，縱向磁矢量重新出現(xiàn)，由于質(zhì)子失去相位一致性，橫向磁矢量這一信號

25、很快衰減，在MRI不能被直接利用，因為必須有足夠的時間來使梯度場起作用，以獲取空間定位的信號。,四、自由感應(yīng)衰減,為了要取得MR成像中有用的信號，必須在一定間隔時間再給一個 180°RF脈沖，以取得一個自由感應(yīng)衰減的回波信號，即自旋回波信號。,四、自由感應(yīng)衰減,這個可以用淺顯的比喻來理解：此180°RF脈沖的作用，就像一堵墻和一座山那樣將信號碰回，如同在回音壁或山谷中聽到的回聲一樣。這就是我們?yōu)槭裁捶Q由此所形成的更

26、強一些的信號為回波或自旋回波的道理。,四、自由感應(yīng)衰減,假設(shè)一只兔于與一只烏龜從同一起跑線上賽跑，在某一時間（TE/2）后，兔子跑在烏龜?shù)那懊?。?dāng)讓它們在同一時間向相反方向跑來，則兩者會同時回到起點(假設(shè)速度不變）。,四、自由感應(yīng)衰減,在得到信號自旋回波后，質(zhì)子再次失去相位一致性。正如前面所說的，較快的質(zhì)子位于前面。可以用另一個180゜脈沖再行實驗，并且再一個、再一個……如果繪制時間與信號強度曲線，就會得到一條曲線。,休息,五、偽

27、 影,MR與CT比較其優(yōu)點之一是偽影少。骨骼、大的鈣化、高密度造影物質(zhì)MR都不形成偽影。人體內(nèi)非鐵磁性金屬物體僅導(dǎo)致圖像輕微變形。按偽影形成的原因，偽影可分為三類。,（一）人體體內(nèi)因素形成的偽影,１．運動形成的偽影 MR信號采集時間比人體內(nèi)某些器官的生理運動，如心臟搏動、呼吸動和腸蠕動周期長，因而胸部和上腹部的圖像易受這些器官運動的影響。心臟和呼吸運動產(chǎn)生的偽影可以用心電圖門控及呼吸門控減少。,（一）人體體內(nèi)因素形成的偽影,１．

28、運動形成的偽影,（一）人體體內(nèi)因素形成的偽影,２．血液和腦脊液流動偽影動靜脈內(nèi)的血流均可產(chǎn)生偽影，前者為血管搏動引起；后者因血流緩慢形成。腦脊液在不同部位流速不同，產(chǎn)生不同信號的偽影。腦脊液的流動可造成相位編碼方向上的運動偽影。,（二）體外因素形成的偽影,１．金屬物體 非鐵磁性金屬物體產(chǎn)生和其形態(tài)相似的周圍繞以高信號的低信號區(qū)。鐵磁性物質(zhì)引起局部低信號區(qū)和圖像變形，偽影和正常圖像分界不清。此種偽影是金屬物質(zhì)受射頻磁場作用產(chǎn)生渦旋電

29、流所致。,（二）體外因素形成的偽影,２．靜電 靜電產(chǎn)生的偽影為互相交錯的帶狀高低信號帶，影響全部圖像。多見于為了保暖給病人蓋毛毯和尼龍類織物引起。為此，病人用的床單、衣服、保暖物品等必須用棉織品。,（三）MRI系統(tǒng)形成的偽影,１．化學(xué)位移偽影 此種偽影出現(xiàn)于脂肪和非脂肪（主要是含水的）器官之間。產(chǎn)生原因為水分子的質(zhì)子進動頻率比脂肪質(zhì)子進動頻率快。梯度磁場使這兩種物質(zhì)產(chǎn)生不同的進動頻率，并且編碼使鄰近兩種像素信號重疊。結(jié)果在

30、一側(cè)脂肪-水界面出現(xiàn)高信號帶，而另一側(cè)水-脂肪界面出現(xiàn)低信號帶。常見于腎-脂肪，膀胱-脂肪交界面。,（三）MRI系統(tǒng)形成的偽影,１．化學(xué)位移偽影 A腎橫軸位，T2加權(quán)像，腎和周圍脂肪組織分界雖然清楚，但在梯度磁場的高、低側(cè)分別可見白色和黑色的條狀偽影。Ｂ為化學(xué)位移和梯度磁場關(guān)系的線條圖。C膀胱周圍的化學(xué)位移偽影。,（三）MRI系統(tǒng)形成的偽影,２．折疊偽影 此種偽影為被檢物體的一部分處于成像范圍外的時候。偽影的特

31、點為偽影重疊于其圖像的對側(cè)，其解剖方位和信號強度完全同真正掃描物體影像相似，并和相位編碼方向一致。,（三）MRI系統(tǒng)形成的偽影,３．低信號偽影 偽影和真正的物體圖像相同，只是信號低和圖像方向相反，出現(xiàn)于掃描物體圖像的一側(cè)。產(chǎn)生原因為質(zhì)子共振頻率的正負端被錯誤采集或者是X、Ｙ軸磁化矢量錯誤放大。,七、MRI對比劑,（一）概述MRI具有很強的組織分辨能力。故在投入臨床應(yīng)用初期曾被認(rèn)為是一種不需要使用對比劑的“非創(chuàng)傷性”檢查方法。未

32、經(jīng)增強的MRI平掃尚有一些缺陷。在某些情況下，不能滿足人們對診斷疾病高敏感性和特異性的要求。,七、MRI對比劑,（一）概述MRI平掃在檢查組織功能活動方面亦有一定局限性。利用對比劑來獲得更完整的診斷信息開始受到重視。臨床常用的是以GD-DTPA為代表的釓（gadolinum， Gd）類順磁性對比劑。此類對比劑在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)現(xiàn)和定性診斷方面顯示出重要價值。,七、MRI對比劑,MR對比劑的功用與傳統(tǒng)X線對比劑，如碘制劑類

33、似；其作用機制原理卻不同。X線對比劑直接影響X線的吸收和穿透，增強效應(yīng)與局部對比劑的濃度成線性關(guān)系。絕大多數(shù)MR對比劑所選的元素就是根據(jù)它們所具有的縮短組織T1和T2時間的能力。一般說來，MR對比劑總是同時影響T1和T2，但程度卻不一定相同。在某一特定劑量范圍內(nèi)往往以一種影響占主導(dǎo)地位。,七、MRI對比劑,（二）MR對比劑的分類和作用機制MR對比劑有幾種分類方法，其中較常用的有按MR圖像信號的改變劃分為陽性、陰性對比劑；根據(jù)M

34、R特性區(qū)分為順磁性、鐵磁性和超順磁性對比劑；還有依據(jù)對比劑主要影響T1或T2，簡單分為T1增強劑和T2增強劑。,七、MRI對比劑,1．陽性對比劑構(gòu)成及作用原理陽性對比劑又可稱為順磁性或T1對比劑。由一些金屬元素，如錳（Mn），鐵（Fe）和釓（Gd）所組成。Gd含有７個不成對的核外電子。由于不成對核外電子的存在，使這些元素具有很強的順磁性。在外加磁場中，這些元素將干擾鄰近質(zhì)子的弛豫，導(dǎo)致T1和T2時間縮短。在順磁性物質(zhì)濃度較低時

35、，T1縮短的效應(yīng)占主導(dǎo)地位，引起MR信號增加。,七、MRI對比劑,1．陽性對比劑Gd類細胞外對比劑最主要應(yīng)用在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的MR成像。在正常情況下，顱內(nèi)無血腦屏障的結(jié)構(gòu)，如垂體、靜脈竇及其它顱內(nèi)血管顯示增強。在病理情況下，例如腫瘤、梗塞、感染、以及急性脫髓鞘病變等，血腦屏障遭到破壞。此時，對比劑即可穿過不完整的血腦屏障進入細胞外間隙，引起局部增強效應(yīng)。,七、MRI對比劑,陽性對比劑,腦膜瘤注射GD-DTPA前后對照,七、MRI對

36、比劑,1．陽性對比劑,椎管內(nèi)腫瘤及腰椎結(jié)核注射GD-DTPA前后對照,七、MRI對比劑,1．陽性對比劑 Gd類對比劑引起的不良反應(yīng)很少，發(fā)生率約1％。此類藥物無絕對禁忌證，但嚴(yán)重腎功能不良者應(yīng)慎用。,七、MRI對比劑,２．陰性對比劑 包括口服對比劑、單核－巨噬細胞系統(tǒng)對比劑等。陰性對比劑又稱為鐵磁性／超順磁性對比劑。用于口服對比劑的主要是氧化亞鐵，用來區(qū)分胃腸道和與其鄰近的腹腔或盆腔臟器的解剖結(jié)構(gòu)或病變。對于胃腸道本身的病變，使

37、用口服對比劑還利于顯示胃腸道壁的情況。,七、MRI對比劑,２．陰性對比劑單核－巨噬細胞系統(tǒng)對比劑主要集中在肝、脾、骨髓和淋巴系統(tǒng)。主要用于肝臟成像。MR成像選用T2加權(quán)序列，在圖像上正常肝組織的信號顯著降低，腫瘤組織則由于缺乏單核巨噬細胞（Kupffer細胞）而不受對比劑影響，呈相對高信號。單核－巨噬細胞系統(tǒng)對比劑突出的優(yōu)點是易于鑒別肝臟腫塊的良惡性。,七、MRI對比劑,２．陰性對比劑,男性，55歲，結(jié)腸癌肝轉(zhuǎn)移A、平掃時，病灶

38、很難識別 B、超順磁氧化鐵增強后，正常肝組織信號明顯下降，病灶顯示清楚。,第五節(jié) MRI的設(shè)備,磁共振成像系統(tǒng)主要由磁體、梯度系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)及計算機系統(tǒng)組成見。,一、磁 體,磁共振的磁體（Magnet）的主要作用是產(chǎn)生穩(wěn)定均勻的靜磁場使組織產(chǎn)生磁化。磁體有三種類型（一）常導(dǎo)型磁體（二）永磁型磁體（三）超導(dǎo)型磁體,一、磁 體,（一）常導(dǎo)型磁體（Resistive Magnet）常導(dǎo)型磁體的線圈由銅或鋁線繞制的線圈組成

39、，按線圈有無鐵芯可分為鐵芯常導(dǎo)型和空心常導(dǎo)型。常導(dǎo)型磁體制造工藝簡單且成本低，可以做成開放式磁體，磁場可以關(guān)閉。但磁場穩(wěn)定性差，電力消耗大，對電源穩(wěn)定性要求高，運行維護費用高。,一、磁 體,（二）永磁型磁體（Permanent Magnet） 永磁型磁體由鐵氧體或釹鐵硼等鐵磁性物質(zhì)及合金組成。該磁體對周圍環(huán)境影響小，屏蔽簡單，可做成開放式磁體，安裝及維護費用低，但場強較低，磁場的穩(wěn)定性和均勻性差，受環(huán)境溫度變化影響大，磁場

40、不能關(guān)閉。,一、磁 體,（二）永磁型磁體,一、磁 體,（三）超導(dǎo)型磁體（Superconducting Magnet）超導(dǎo)型磁體由某些特殊合金如鈮鈦合金導(dǎo)線（超導(dǎo)溫度8K）繞制成的超導(dǎo)線圈，當(dāng)放置于超導(dǎo)磁體的液氦（溫度4.2K，-269℃）當(dāng)中時，其導(dǎo)線的電阻降為0，線圈呈超導(dǎo)狀態(tài)，此時線圈導(dǎo)線中可通過強大的電流而不產(chǎn)生任何能量損耗。勵磁后可將電源斷開，超導(dǎo)線圈內(nèi)的電流恒定不變。超導(dǎo)磁體的磁場強度高，目前臨床應(yīng)用可達到

41、1.9Ｔ，磁場的穩(wěn)定性和均勻性好，磁場可以關(guān)閉。,一、磁 體,（三）超導(dǎo)型磁體示意圖,線圈位于鋁制作圓筒外面的溝內(nèi)， 圓筒兩端的線圈轉(zhuǎn)入，保持磁場均勻１．鋁制圓筒２．線圈３．鈮鈦合金線圈,一、磁 體,（三）超導(dǎo)型磁體超導(dǎo)磁體設(shè)計制造工藝復(fù)雜、成本高、維護費用高，消耗一定量的液氦，消耗的液氦要及時補充，否則達到一定程度時能引起”失超“，消耗大量液氦而造成更大的損失。,二、梯度系統(tǒng),梯度系統(tǒng)（gradient sys

42、tem）的作用是產(chǎn)生線性變化的梯度磁場，用于組織的空間定位。梯度系統(tǒng)主要由X、Y、Z三組梯度功率放大器及對應(yīng)的X、Y、Z三個方向的梯度線圈組成。,二、梯度系統(tǒng),梯度功率放大器對MRI控制器發(fā)出的梯度給定信號進行功率放大后，輸出給梯度系統(tǒng)的X、Y、Z線圈，在主磁場內(nèi)形成X、Y、Z三個方向相互垂直的線性梯度磁場。在磁共振成像中分別用于層面選擇、相位編碼及頻率編碼。,三、射頻系統(tǒng),射頻系統(tǒng)（RF system）用于發(fā)射射頻脈沖和接收MR信號，

43、射頻系統(tǒng)主要由三部分組成。（一）射頻發(fā)射機（二）射頻接收機 （三）射頻線圈,四、計算機系統(tǒng),磁共振的計算機系統(tǒng)（computer system）可分為硬件和軟件二大部分。（一）硬件部分由主計算機及陣列處理機、MR控制器等組成。其作用是進行系統(tǒng)控制，產(chǎn)生脈沖序列，完成磁共振系統(tǒng)的掃描，圖像采集、重建、顯示和存貯。,四、計算機系統(tǒng),（二）軟件系統(tǒng)磁共振計算機軟件可分為以下幾個部分。１．計算機操作系統(tǒng)軟件由計算機公司編制，用于

44、計算機運行管理。２．磁共振應(yīng)用軟件，用于MR系統(tǒng)的運行控制、病人數(shù)據(jù)的錄入、掃描序列的選擇和參數(shù)設(shè)定，病人掃描數(shù)據(jù)采集，存貯和圖像重建，以及各種圖像和數(shù)據(jù)的后處理等。,五、射頻屏蔽和磁屏蔽,（一）射頻屏蔽由于射頻脈沖的高頻信號可能對周圍的精密儀器產(chǎn)生干擾，影響其正常工作同時又要避免周圍的射頻信號對十分微弱的MR信號的干擾，以獲得良好圖像，所以安裝射頻屏蔽是非常必要的；射頻屏蔽一般安裝在掃描室內(nèi)，由薄銅板焊接成為整體，四壁及屋頂、地

45、面均需密封。觀察窗應(yīng)安裝銅網(wǎng)。,五、射頻屏蔽和磁屏蔽,（二）磁屏蔽由于磁體有強磁場，一方面可以對附近的精密儀器產(chǎn)生磁化，同時會對心臟起搏器和急救儀器磁化造成嚴(yán)重后果。另一方面為了防止掃描室外的大的鐵磁性物體如汽車等對磁場的干擾，影響圖像質(zhì)量，所以應(yīng)對磁體進行屏蔽。絕對禁止把鐵磁性物體帶人室內(nèi)，以免被磁體吸住破壞磁體，或者落人掃描室內(nèi)影響磁場均勻性。,,休息！,五、影響T1、T2的物理因素,人體組織中水分子之間是在經(jīng)常不停地運動著，間

46、互相碰撞，每次碰撞都使水分子運動速度及方向有所變化。每個氫核的小磁場每秒鐘也要經(jīng)歷無數(shù)次的波動。因此其共振頻率也在經(jīng)常不停地變化。,五、影響T1、T2的物理因素,所以組織內(nèi)由于水分子的劇烈運動，局部的內(nèi)磁場是極其復(fù)雜的，氫核對這種復(fù)雜的波動的內(nèi)磁場的反應(yīng)決定了在90°脈沖停止后其能量喪失的速度，以及相位失去一致性的速度。,五、影響T1、T2的物理因素,（一）溫度的影響 正常體溫情況下，水分子的運動頻率極快，遠遠超出一定場

47、強下質(zhì)子的Larmor頻率。如果將溫度減低，水分子的運動頻率減慢，接近于共振的Larmor頻率，使T1弛豫更有效，T1縮短了。,五、影響T1、T2的物理因素,（二）大分子的影響水的分子小、運動快，頻 率也高。大分子如蛋白質(zhì)運動很 慢，在其表面可以吸附 很多水分子，組成水化 層。,五、影響T1、T2的物理因素,（二）大分子的影響由于體積及重量的原因，大分子的運動是很緩慢的，遠遠低于共振頻率，而小的水分子的運動又極快

48、，遠遠超過共振頻率，但靠近大分子表面水化層內(nèi)的水分子其運動速度大大減慢了，當(dāng)大分子表面水分子的運動頻率接近于Larmor頻率時，T1弛豫有效，T1縮短。如果不一致時，T1延長。,五、影響T1、T2的物理因素,（二）大分子的影響純凈的水分子很小，運動太快，不符合共振頻率，因此T1長；腦脊液猶如純凈的水，其T1長；但當(dāng)有梗阻性腦積水時，腦壓增高，腦積液透過室管膜滲透到腦室周圍的組織間隙，使水腫區(qū)質(zhì)子所處的環(huán)境與腦室內(nèi)的腦脊液不同，腦室

49、旁組織間隙內(nèi)的水處在水化層，水分子圍繞髓鞘內(nèi)的蛋白分子運動，T1縮短。,五、影響T1、T2的物理因素,（二）大分子的影響膽固醇是一個中等大小的分子，其共振頻率接近于磁共振掃描機場強下質(zhì)子的共振頻率，故其T1短。,五、影響T1、T2的物理因素,（三）順磁性物質(zhì)的影響一個元素其外層電子數(shù)決定其原子價與化學(xué)特性，外層電子數(shù)為雙數(shù)者，該原子即不是順磁性的，在外層中任何一層的電子數(shù)為奇數(shù)時即為順磁性原子；例如Fe2+，為非順磁性的，而Fe3

50、+則為順磁性原子；釓在原子核的外層軌道上有7個不成對的電子，因此順磁性很強。,五、影響T1、T2的物理因素,（三）順磁性物質(zhì)的影響在正常體溫的溶液中，順磁性的原子或分子與其他原子及分子一起進行任意的運動，由于它們磁性很強，很低的濃度對鄰近磁性較弱的原子即有較大的影響。它們對各種不同頻率的波動均起強化作用，包括共振的Larmor頻率在內(nèi)。,五、影響T1、T2的物理因素,（三）順磁性物質(zhì)的影響在此頻率條件下促使更多的氫核釋放能量，使

51、T1縮短，如前面所提到的任何頻率的波動均可使氫核的進動頻率失去相位一致性。由于順磁性原子，對鄰近原子的磁場引起了波動，從而使更快地失去相位一致性，T2縮短。,五、影響T1、T2的物理因素,（三）順磁性物質(zhì)的影響急性腦出血時，新鮮血液中所含的血紅蛋白中的鐵是Fe2+，所產(chǎn)生的信號與周圍腦組織不易區(qū)分；數(shù)日后，在正常體溫下，血紅蛋白還原成正血紅蛋白，其中的鐵為Fe3+，為順磁性的，故使T1縮短，在T1加權(quán)的磁共振圖像上為高信號。,第三

52、節(jié) MRI成像技術(shù),一、空間編碼與梯度磁場,在磁共振成像中怎樣選定層面，又怎樣確定一個層面中各個體素內(nèi)氫質(zhì)子的密度以及其位置，這就需要在靜磁場內(nèi)沿X-Y-Z-軸三個互相垂直的方向各附加一個梯度磁場來完成，我們稱之為Gx，Gy，Gz。,一、空間編碼與梯度磁場,這就像將三角鋼琴的88個鍵盤看成是從長到短排列成梯形的88根琴弦，琴弦的長度與聲音波長的關(guān)系和磁場強度與質(zhì)子共振頻率的關(guān)系相似，于靜磁場內(nèi)疊加這樣的梯形磁場或梯度磁場，其強度遠遠低

53、于靜磁場的強度。它啟動的時間必須與射頻脈沖相配合。,（一）層面的選擇,在磁共振成像中有兩種方法進行層面選擇；一是二維成像（2-D），又稱選擇性激勵，是最常見的選層方法； 一種是三維成像（3-D），又稱體積成像，即在給射頻脈沖激勵時，不施加梯度磁場。因此整個解剖部位受到激勵，層面的形成是在圖像重建過程中進行的。,（一）層面的選擇,做橫斷層成像是沿人體長軸（Z-軸）在靜磁場內(nèi)加一梯度磁場，稱Z軸梯度（Gz），使磁場強度從足側(cè)向頭側(cè)逐漸

54、增強。梯度磁場的場強很弱，每1cm場強改變只為0.0001Ｔ。在1.0Ｔ的掃描系統(tǒng)中，每cm的改變只是0.01％。,（一）層面的選擇,有了這樣的梯度磁場，就可以對人體內(nèi)的氫質(zhì)了做空間編碼。質(zhì)于的共振頻率與它們在梯度磁場內(nèi)的位置有關(guān)。,（一）層面的選擇,例如將受檢部位頭，置于1.0Ｔ的靜磁場的中央，由于靠足側(cè)磁場弱，靠頭側(cè)磁場強，如果射頻脈沖頻率為42.6MHz，那么只有在1.0Ｔ處的一個層面內(nèi)的質(zhì)子能受激勵，鄰近層面內(nèi)的質(zhì)于不受激勵。

55、這樣就可將組織內(nèi)各層面分開。,（一）層面的選擇,根據(jù)Larmor公式，質(zhì)子進動頻率與磁場強度成正比（ω０＝γＢ０）；在實際應(yīng)用中允許ω０有一個偏差范圍±Δω，即帶寬；在射頻脈沖作用時只有符合ω０±Δω范圍內(nèi)的質(zhì)子才受激勵，產(chǎn)生磁共振的信號；,（一）層面的選擇,每個層面厚度取決于梯度磁場的強度與射頻脈沖的帶寬。不難理解，當(dāng)Δω不變，梯度磁場越強，層面的厚度越薄，反之層面越厚。當(dāng)梯度磁場恒定，Δω越大，層面厚度越厚，

56、Δω越小，層面越薄。,在圖a與c，使用了同一帶寬的RF脈沖，其頻率64一65mHz，然而，c的梯度場較大，因此，層面較a薄。,（一）層面的選擇,（一）層面的選擇,如果只有Gz，只能做層面的選擇，收到的是整個一層內(nèi)所有質(zhì)子的信號，但尚不能確定該層面內(nèi)某一信號來自此層的哪一處，要解決這個問題就需要疊加新的梯度，作質(zhì)子的頻率編碼及相位編碼。,（二）頻率編碼,頻率編碼是沿X-軸疊加一個梯度磁場，即X-軸梯度（簡稱Gx），磁場強度從人體的右端至左

57、端逐漸增強。,（二）頻率編碼,當(dāng)人體一層面已經(jīng)受射頻脈沖激勵后X軸梯度開始啟動，在第一個梯度磁場Gz關(guān)閉后，質(zhì)子按同一頻率共振，不用第二次激勵。啟動Gx，質(zhì)子根據(jù)其在第二個梯度磁場內(nèi)的不同位置，按新的共振頻率進行共振，發(fā)出信號。在場強較弱的一端，共振頻率低，在場強高的一端，其共振頻率較高，從而將一個橫斷面內(nèi)的組織分成若干個行，每一行內(nèi)的質(zhì)子其共振頻率相同。,（三）相位編碼,在靜磁場內(nèi)沿ｙ軸疊加一梯度，即y軸梯度（簡稱Gy），從人體的

58、前方向后方場強逐漸減弱。,（三）相位編碼,例如在一個4×4陣列的組織層面中，當(dāng)Gy=0，即沒有梯度時，每個體積元內(nèi)，氫質(zhì)子進動頻率一致，磁矩指向同一方向，即相位一致，所有體積元均發(fā)出同一射頻信號。,（三）相位編碼,當(dāng)Gy短暫作用時，磁場強度從前向后逐漸減弱。上排體積元比下排體積元處于較強的場強，質(zhì)子進動速率比下排者快，相位不同。當(dāng)Gy關(guān)閉時，所有體積元均處于同一場強中，質(zhì)子的磁矢量按相同速率進動，然而相位仍保持Gy關(guān)閉時的

59、位置，所有體積元發(fā)出的信號是同一頻率，但每一橫排內(nèi)的體積元其信號的相位與其余橫排內(nèi)的體積元所發(fā)出的信號相位不一致。,（三）相位編碼,（a）短暫地打開梯度場。(b)進動頻率從頂部到底部依次減低，這一進動頻率的差別持續(xù)時間很短。當(dāng)關(guān)掉梯度場時，所有的質(zhì)子再次經(jīng)歷相同的場強，并再次具有相同的頻率。(c)這些質(zhì)子略微失去相位一致性，結(jié)果，它們以不同的相位，相同的頻率發(fā)出各自的信號，因此可加以鑒別，相應(yīng)的梯度稱為相位編碼梯度。,二、脈沖序列與

60、掃描參數(shù),磁共振成像需要進一步了解組織特性，包括局部T1、T2弛豫時間、質(zhì)子密度以及血流對成像的作用。單個RF脈沖不能解決這些問題，需要采用所謂脈沖序列對病人進行掃描。脈沖序列是由一系列不同強度的射頻脈沖的組合，例如90°和/或180°脈沖。磁共振的信號不但取決于這些脈沖的強度，而且取決于各脈沖間的時間間隔和組成方式。,二、脈沖序列與掃描參數(shù),從一個脈沖序列到下一個脈沖序列的重復(fù)，其間的時間間隔稱為重復(fù)時間(T

61、R)。這些參數(shù)稱為掃描參數(shù)。改變這些參數(shù)可以改變組織T1、T2弛豫時間或質(zhì)子密度對圖像亮度的響以及組織間的信號對比。,二、脈沖序列與掃描參數(shù),目前臨床上應(yīng)用的脈沖序列有部分飽和（partial saturation, PS），反轉(zhuǎn)恢復(fù)（inversion recovery, IR），自旋回波（spin echo, SE）以及快掃描或梯度回波(gradient echo, GE)等序列。,二、脈沖序列與掃描參數(shù),自旋回波脈沖序列自旋回

62、波脈沖序列（SE序列） 這是最常用的磁共振掃描技術(shù)，它是由一個90°脈沖與若干個180°脈沖組成。,二、脈沖序列與掃描參數(shù),自旋回波脈沖序列由于人體的內(nèi)在磁場的不均衡，一個回波比前一個回波信號低。在用自旋回波技術(shù)時，組織間信號的對比取決于所選用的時間參數(shù)，即TR與TE。還取決于組織的T1及T2弛豫時間。質(zhì)子密度對信號強度及組織間信號的對比也有影響。,自旋回波序列T1與T2弛豫時間與組織對比的關(guān)系組織A的T2

63、比組織B長，在時間2時組織間的對比要比在時間1大。.如果組織A的T2較短，對比就會根據(jù)信號采集時間而變化，在時間3時組織A的信號較B大，在時間4時二者信號相等，在時間5時組織A的信號低于組織B,二、脈沖序列與掃描參數(shù),二、脈沖序列與掃描參數(shù),短/長TR或TE實際是什么？ 請記?。篢1為一時間常數(shù)，并非一種組織獲得其縱向磁化所需要的時間。長TR大約是短TR的3倍。小于600msec的TR被認(rèn)為是短TR，長于1500msec的TR則為長

64、TR（僅為一個粗略的概）。短TE是盡可能短的TE，長TE大約也是短TE的3倍。少于30msec為短TE，大于80msec為長TE。,二、脈沖序列與掃描參數(shù),使用自旋回波序列時，通過連接某一組織的T1與T2曲線，就有可能測定該組織的信號強度。在時間TR后的縱向磁化量等於開始時的橫向磁化量，因為它被傾斜了90゜。這一橫向磁化立即開始消失， 其速率由橫向弛豫時間決定， 因而也由T2曲線決定。在時間TE后的組織信號強度 可以

65、從TE處（開始於TR后） 的T2曲線上推斷出。,二、脈沖序列與掃描參數(shù),選擇長TR會發(fā)生什么呢？使用長TR，縱向磁化時間T1的差別不再重要了，因為所有組織的縱向磁化都己憲全恢復(fù)。當(dāng)我們只等待一個非常短的TE時，由T2不同所致的信號強度差別還未顯示出來。因此，所得圖象既非T1加權(quán)， 也非T2加權(quán)，而主要由組織 的質(zhì)子密度決定，稱為質(zhì)子 密度像。,二、脈沖序列與掃描參數(shù),使用長TR、長TE又會發(fā)生什么呢？使用長TR

66、，T1差別不明顯。然而，使用長TE， T2差別將突出地顯示出來。因此，圖象是T2加權(quán)象。,二、脈沖序列與掃描參數(shù),使用短TR、短TE又會發(fā)生什么呢？使用短TR，組織的縱向磁化還未完全恢復(fù)，因此，T1（它決定縱向磁化恢復(fù)的速度）差別將以信號強度的差別顯示出來。短TE時，T2差別不能真正地顯示出來。因此，圖象是T1加權(quán)象。,第四節(jié)MRI圖像的特點,一、組織的MR特性決定MR圖像的組織參數(shù)有三個，即被檢組織的質(zhì)子密度、T1弛豫時間、T2弛

67、豫時間。它們代表被檢組織的組織特征，非人為所能控制和選擇的。對MR圖像的影響可從下列公式中看出： I＝KM0f1（T1）f2（T2）I為信號強度，Ｋ為常數(shù)，Ｍ0為被檢組織的磁化矢量，f1為T1的函數(shù)，f2為T2的函數(shù)，質(zhì)子密度的信息包括在Ｍ0內(nèi)，即單位體積內(nèi)質(zhì)子越多，Ｍ0越大。,一、組織的MR特性,（一）質(zhì)子密度（N(H)）氫原子核是由單一質(zhì)子組成，所以單位體積內(nèi)質(zhì)子數(shù)目越多，產(chǎn)生的MR信號也就越強，而含質(zhì)子少的組織或區(qū)

68、域（如含氣腔），不產(chǎn)生MR信號，或信號很弱。但是一般組織間，質(zhì)于密度相差不 很多，所以產(chǎn)生的MR信號差別在 圖像上形成的灰階很難用肉眼區(qū) 別，因而質(zhì)子密度成像和T1、T2 成像比較，其意義相對小。,一、組織的MR特性,（二）T1弛豫時間T1弛豫時間短的組織，縱向磁比恢復(fù)得快；T1弛豫時間長的組織，縱向磁化恢復(fù)得慢?？v向磁化恢復(fù)得多及快的組織產(chǎn)生的MR信號強；反之，則弱。,一、組織的MR特性,（二）T1弛豫時間如

69、脂肪和腦脊液相比，主磁場強度為0.3Ｔ時，脂肪和腦脊液的T1弛豫時間分別為240ms和1150ms。二者產(chǎn)生的MR信號可代入公式進行比較,故在單純T1成像中，脂肪呈白色（高信號），腦脊液呈黑色（低信號）。,一、組織的MR特性,（三）T2弛豫時間T2弛豫時間長的組織，橫向磁化強度衰減得慢，信號就強。反之，T2弛時間短的組織，橫向磁化強度衰減得快，信號就弱。仍以主磁場強度0.3Ｔ為例，取脂肪組 織和腦脊液T2弛豫時間和信號的關(guān)系