1、磁共振成像总论磁共振成像总论 magnetic resonance imaging，MRI 汕头大学医学院一附院放射科 刘 源 MRI的根本原理经典力学为主的根本原理经典力学为主、量子力学为辅的解量子力学为辅的解释释 一一、原子核原子核 核磁核磁 1.原子核的构成原子核的构成 质子和中子质子和中子-自旋自旋 磁场磁场-磁矩磁矩(大大小小，方向方向)2.原子核具备核磁的条件原子核具备核磁的条件 所含的质子或中子为奇数所含的质子或中子为奇数 3.净磁矩净磁矩M。的产生的产生 在外磁场在外磁场B0作用下作用下-净磁矩净磁矩M0“大磁针大磁针 顺方向的顺方向的“小磁针小磁针 逆方向的逆方向的“小磁针小
2、磁针 低能态低能态1 H 高能态高能态1 H 1 H 1 H 1 H 1 H 1 H 4.MRI选用的原子核选用的原子核 M0 的特性：的特性：=B。Larmor频率频率 共振频率共振频率 氢原子核氢原子核 1H 量多量多 “纯纯 检测敏感性检测敏感性 二二、磁共振的发生磁共振的发生 1、共振现象共振现象 2、在外磁场在外磁场B0作用下作用下 净磁矩净磁矩M0-共振频率共振频率=B0 客体共振频率客体共振频率 供体外力频率供体外力频率 3、射频脉冲射频脉冲RF 外加小磁场外加小磁场RF=M0吸收吸收RF能量能量 横向磁矩横向磁矩MXY 同相位同相位 MXY 4、磁共振信号磁共振信号MRS MX
3、Y垂直切割垂直切割B0感应电动势感应电动势接受线圈接受线圈 MRS 吸收吸收RF光子能量光子能量共振共振 低能态低能态1 H 高能态高能态1 H 放出能量放出能量光子光子，MRS 5.量子力学解释量子力学解释MR 三三、弛豫弛豫Relaxation 回复回复“自由自由的过程的过程 1.纵向弛豫纵向弛豫T1弛豫弛豫：M0MZ的恢复的恢复，“量变量变 高能态高能态1 H 低能态低能态1 H MRS、分子分子H2O热运动热运动 Brown运动运动磁波动磁波动 自旋自旋晶格弛豫晶格弛豫、热弛豫热弛豫 吸收吸收RF光子能量光子能量共振共振 低能态低能态1 H 高能态高能态1 H 放出能量放出能量光子光子
4、，MRS T1弛豫时间：弛豫时间：MZ恢复到恢复到 M0的的2/3所需所需的时间的时间 T1愈小愈小、M0恢复愈快恢复愈快 H2O热运动热运动Brown运动运动 T1长长 2.横向弛豫横向弛豫T2弛豫弛豫：MXY 的去相位的去相位(dephasing)，“质变质变；90oRF后瞬间，各后瞬间，各1 H的横向磁矩相位一致的横向磁矩相位一致方向、频率方向、频率，MXY最大最大 1 H周围环境使之旋进的方向、频率互变周围环境使之旋进的方向、频率互变；自旋；自旋-自旋弛豫，自旋弛豫，BO影响小，影响小，T2弛豫时间：弛豫时间：MXY 丧失丧失2/3所需的时间；所需的时间；T2愈大愈大、同相位时间长同相
5、位时间长 MXY持续时间愈长持续时间愈长 游离水游离水MXY 的去相位慢的去相位慢(纯纯)T2长；长；MXY与与S 一般组织一般组织T1 T2值值 MXY去相位明显快于去相位明显快于M0回复回复“先分散，后长高先分散，后长高 3、T1和和T2的弛豫过程，与信号的关系：的弛豫过程，与信号的关系：有效的有效的MXY减小，减小，T2直接影响直接影响MXY，T1-M0-MXY 四四、影响影响T1和和T2的物理因素的物理因素 H2O热运动热运动Brown运动运动 ，T1长长 1、温度的影响温度的影响 温度温度-H2O热运动热运动-接近接近-T1 2、分子大小的影响分子大小的影响 自由自由H2O -小分子
6、小分子-Brown运动运动 高高1H-低低1H 慢慢、固态蛋白固态蛋白 -大分子大分子-Brown运动运动 T1长长、M0恢复慢恢复慢。水化层水化层H2O，胆固醇胆固醇，蛋白液体蛋白液体 -中分子中分子-Brown运动运动 高高1H 低低1H 快快、T1短短、M0恢复快恢复快。3.顺磁性物质顺磁性物质 Fe3+Gd釓釓 T1 驰豫快，驰豫快，T1 缩短缩短 在在B0作用下带磁，作用下带磁，晶格磁波动晶格磁波动、高高1H 低低1H 快快 在在B0作用下带磁，作用下带磁，形成无数同向小磁针形成无数同向小磁针 促进促进M0恢复快恢复快 磁共振成像技术图像空间分辨力磁共振成像技术图像空间分辨力，比照分
7、辨比照分辨力力 一一、如何确定如何确定MRI的来源的来源 一一层面的选择层面的选择 1.MXY产生产生1H共振共振条件条件 RF=B0 2.梯度磁场梯度磁场ZGZ GZB0 不同频率的不同频率的RF 特定层面特定层面1H鼓励鼓励、共振共振 3.层厚的影响因素层厚的影响因素 RF的带宽的带宽 GZ的强度的强度 层厚层厚 二二体素信号确实定体素信号确实定 1、频率编码频率编码 2、相位编码相位编码 M0-GZ、RF 相应层面相应层面MXY -GY沿沿Y方向方向1H有有不同不同 各各1H同相位同相位 MXY旋进速度不同旋进速度不同 同频率同频率 一定时间后一定时间后 GX 沿沿X方向方向1H有不同有
8、不同 沿沿Y方向不同方向不同1H 的的MXY MXY旋进频率不同旋进频率不同 位置不同位置不同相位不同相位不同 三三空间定位及傅立叶转换空间定位及傅立叶转换 GZ-某一层面产生某一层面产生MXY GX-MXY旋进频率不同旋进频率不同 GY-MXY旋进相位不同旋进相位不同 不影响不影响MXY大小大小 某一层面不同的体素某一层面不同的体素，有不同频率有不同频率、相位相位 MRSFID 二二、脉冲序列和扫描参数脉冲序列和扫描参数-组织信号比照组织信号比照 脉冲序列脉冲序列(pulse sequence)：RF如何鼓励如何鼓励M0、产生产生MXY，何时采集何时采集S 一 局部饱和脉冲序列 TR(tim
9、e of repetition)900RF M0 900RF MXY M0 MXY M0 MXY 二二 反转恢复脉冲序列反转恢复脉冲序列 TItime of inversion 1800RF M0=0 900RF MXY=0 M0 M0 M0 M0 MXY TI某组织某组织T1时时，该组织无信号；脂肪抑制图像；该组织无信号；脂肪抑制图像；STIR 三三自旋回波脉冲序列自旋回波脉冲序列spin echo,SE 鼓励与采集别离鼓励与采集别离 三自旋回波脉冲序列spin echo,SE TR TE(time of echo)900RF 1800RF S 900RF M0-MXY-MXY0-MXY-M
10、0-单个单个SE 多个多个SE 四快速成像序列 MRI图像的特点图像的特点 一、组织的一、组织的MR特性特性-1H、T1、T2、等、等 表达方法表达方法 -sequence，序列序列 weighted image,WI，权重权重 一一质子密度质子密度NH 1.如何反映组织如何反映组织NH差异质子加权像差异质子加权像，NHWI M0-MXY -M0-MXY RF S RF S TE TE TR 长长TR-不管不管T1快慢快慢，下一次下一次RF各组织各组织M0接近接近，T1影响很小；影响很小；短短TE-不管不管T2快慢快慢，接收信号时接收信号时MXY均较大均较大，T2影响较小；影响较小；SMXY大
11、小大小 M0NH 2.NH小的组织结构小的组织结构 如含气腔如含气腔、骨皮质骨皮质、钙化灶钙化灶、一般肌腱韧带一般肌腱韧带 NH-M0-MXY小小 任何序列其信号均低任何序列其信号均低小小 T2W I T1W I T1WI T2WI 二二T1弛豫时间弛豫时间T1加权像加权像，T1WI M0、MXY -M0、MXY RF S RF S TE TE TR 短短TE-不管不管T2快慢快慢，接收信号时接收信号时MXY均较大均较大，减小减小T2影响；影响；短短TR-下一次下一次RF时时 T1短短、弛豫快弛豫快、M0恢复快恢复快M0大大、MXY大大、S强；强；T1长长、弛豫慢弛豫慢、M0恢复慢恢复慢M0小
12、小、MXY小小、S弱；弱；T1弛豫弛豫-M0恢复恢复-MXY大小大小 短T1组织成份：脂肪组织、胆固醇、高蛋白囊液、血栓 长T1组织成份：游离水T1最长、肿瘤、炎症、梗死游离水 相对 三三T2弛豫时间弛豫时间 T2加权像加权像，T2WI M0、MXY-MXY-M0、MXY-MXY RF S RF S TE TE TR 长长TR-不管不管T1快慢快慢，下一次下一次RF各组织各组织m0接近接近，减小减小T1影响；影响；长长TE-接收接收S时：时：T2短短、弛豫快弛豫快、MXY小小、S强；强；T2长长、弛豫慢弛豫慢、MXY大大、S弱；弱；长T2组织结构：游离水T2最长、一般囊肿；肿瘤、炎症、梗死游离
13、水，相对性、敏感性 四四小结小结 SE序列序列 TR、TE长短对显示组织长短对显示组织NH、T1、T2 特性的影响：特性的影响：长长TR-消除消除、减小减小T1影响；影响；短短TR-短短T1者者，M0大大，MXY大大，S强；强；长长T1者者，M0小小，MXY小小，S弱；弱；短短TE-消除消除、减小减小T2影响；影响；长长TE-长长T2者者，MXY保存长保存长、大大，S强；强；短短T2者者，MXY保存短保存短、小小，S弱；弱；TR TE WI 长长（1500-2500mS）短短（15-45 mS）N（H）WI 长长 长长（60-150 mS）T2 WI 短短（200-800 mS）短短 T1 W
14、I 短短 长长 组织 T1 WI T2 WI 组织 T1 WI T2 WI 脂肪 很亮 中等亮 椎间盘 正常 中度亮 亮 囊肿 水样 很暗 很亮 变性 中度黑 黑 蛋白 亮 很亮 肺 黑 黑 脑 白质 亮 中度黑 肝 正常 中度亮 黑 灰质 中度黑 中度亮 肝癌 黑 中度亮 CSF 很黑 很亮 血管瘤 黑 亮 骨 黄骨髓 很亮 中等黑 胰 中度亮 黑 红骨髓 中度亮 较暗 脾 黑 亮 骨皮质 很黑 很黑 血肿 急性 中度黑 黑 软骨 纤维 很黑 很黑 亚急性 边缘亮 亮 透明 中间 中间 慢性 边缘黑 边缘黑 肌腱、韧带 很黑 很黑 肌肉 黑 黑 局部组织的局部组织的MR信号信号 二二、流动效
15、应流动效应flow-effect,flow void effect 一一无或低信号无或低信号 1.正常流速正常流速10cm/s和流速快和流速快 1H受激发受激发-信号录取过程尚未完成信号录取过程尚未完成，1H已流出该层面已流出该层面。2、涡流 1H相位一致性丧失；900RF 1800反转聚焦 MXY、T2 血管外MXY 形成 血管内流入M0 二二高信号高信号MRA)流动相关增强流动相关增强(flow-related enhancement)TOFtime of flight，时间飞越法时间飞越法：血流相对慢：血流相对慢、TR短；短；1、“新鲜新鲜的磁化的磁化1HM0进入层面进入层面，能完成一整
16、个能完成一整个RF、S录取；录取；2、血管外血管外经屡次经屡次RF 短短TR，M0恢复小恢复小 反复900RF M0 PCA(phase contrast angiography，相位比照法，相位比照法 固定组织质子经二个极性相反的梯度脉冲，固定组织质子经二个极性相反的梯度脉冲，MXY相位抵消，相位抵消，血管内因流入影响小。血管内因流入影响小。三三、伪影伪影artifact 一一体内因素体内因素 1、运动伪影运动伪影 心脏跳动心脏跳动-心电门控；心电门控；呼吸运动呼吸运动-呼吸门控；呼吸门控；大血管波动；大血管波动；肠蠕动；肠蠕动；2、血流和血流和CSF流动伪影流动伪影 二二体外因素体外因素 1、金属物体金属物体 2、静电静电 三三MR系统形成的伪影系统形成的伪影 1、化学移位伪影化学移位伪影chemical shift artifact 2、折叠伪影折叠伪影(wrap-around artifact)3、低信号伪影低信号伪影(low-intensity artifact)四四、门控门控Gating Control 五五、MR造影剂造影剂CONTRAST 顺磁性物质顺磁性物质param