磁共振成像(MRI)

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5.计算机及数字处理

计算机是仅次于磁体的昂贵部件,其性能要求大 大高于X线CT所有的计算机。计算机外部设备主 要包括阵列处理机(用于数据处理及二维傅立叶 转换)、磁盘(500兆内存,1.2兆速)、磁带机 (存储图像和原始数据)、MR处理器(表格存储 器、时控板及海量存储器)、图像存储显示器 (MR图像和原始数据存在磁盘、软盘和磁带里, 通过显示屏随时显示)和操作台。操作台分为主 诊断台和卫星诊断台。主诊断台控制扫描,卫星 诊断台评价图像,部分功能可以同时在两个诊断 台上进行。
(四)图像重建

重建是MRI的第二个重要阶段,它将采集阶 段获得的复合信号转换成图像,其过程由 阵列处理机或计算机完成。傅立叶转换是 重建MRI最常用的方法,其功能主要是将信 号从时间域值转换成频率域值。傅立叶转 换在相位方向上必须将整套复合信号与其 位相特征结合起来,才能组成一排排像素 (图1-19)
2.磁体

(1)磁体种类 全身MR成像所用的磁体分为阻抗型(常导 型)、超导型和永磁型。
①常导型

常导型磁体由电流产生磁场,导线为几组 铜或铝线线圈缠绕成圆桶状,它们具有明 显的电阻,故又称为阻抗型电磁体。这种 磁体造价低、工艺简单、重量轻、可现场 安装、通过切断电源可随时关闭磁场,但 耗电量大(30~60KW)、产热量大、场强 低、磁场均匀性易受室温变化的干扰。
(2)磁屏蔽

较强大的固定磁场会明显地影响周围环境, 必须有适当的屏蔽对磁体及其磁场加以保 护,否则会对附近的设备设施如X线机、X 线CT、影像增强器、电视监视器、心电图 仪、脑电图机、电脑及其它机械电子产品 等产生不良影响,对内置芯片的病人产生 严重后果;相反,这些物品也会影响磁共 振机的磁场均匀性,造成MRI质量的下降。 磁屏蔽可用铁来吸收磁力线,也可用超导 线圈来抵消磁体远场的磁场作用。
3.磁场梯度


梯度磁场是由梯度线圈产生的,它为MR成像提供层面选 择的信息。梯度线圈位于磁体圆桶的低温控制器内,所产 生的梯度磁力线可与B○磁力线平行或垂直,其强度一般 为0.1~1.0高斯/cm。梯度磁场可随时开关,但其幅度和速 率必须精确调制。 梯度磁场的方向与三维轴线(X,Y,Z)方向一致,但联 合使用可获得任意斜轴(任意轴向)的图像。在X,Y,Z 三个轴向上的磁场梯度可以对冠状、矢状或轴面进行层面 选择。其中之一作为层面选择时,则另外两个分别作为频 率编码和相位编码。频率编码和相位编码可对任何一个体 素(体内某点)进行精确的空间定位,而在施加梯度磁场 后每个体素与像素是对应的,它们发出的MR信号幅度就 是图像上的黑白灰度。
(三)层面选择

每个MRI平面都代表一层组织,其部位、方 向和厚度可由操作者选定。目前,常用两 种方法选择包括在厚度内的特殊组织。最 常用的方法是采用选择性激励,在信号采 集过程中形成层面,这种方法通常称为二 维(2-D)成像。三维(3-D)或容积成像 是另一种成像方法,其层面是在图像重建 过程中形成的。
4.射频线圈

射频磁场是由射频线圈以无线电波的形式 发射的,所以,射频磁场又称射频脉冲。 射频系统发射射频脉冲,使磁化的氢质子 吸收能量产生共振,这一过程称激励;在 弛豫过程中,氢质子释放能量并发出MR信 号,后者被检测系统所接受。因此,射频 系统主要由发射和接受两部分组成。其部 件包括发射器、功能放大器、发射线圈、 接收线圈和低噪信号音放大器等。
磁共振成像(MRI)
邓立新 河南农业大学牧医工程学院
wk.baidu.com
概念

磁共振(Magnetic Resonance, MR)实际上是 指核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NMR),只是因为害怕人们对“核”的误 解和恐惧才简称为磁共振。Bloch和Purcell (美国,1946)发现MR现象并于1952年获 得诺贝尔物理学奖。
三、MRI检查技术及图像分析

MRI较之于其它影像技术的主要优势是显示对比 度低的病灶。MR的敏感性主要取决于病灶与周围 正常组织的对比度和用以显示组织固有对比度的 MR成像技术。
②超导型

超导型磁体也是由电流和导线产生磁场, 与常导型的差别在于导线为超导材料制成、 无或少有电阻。导线置于液氦中(4.2○K), 其外围真空,再外为液氮层(77○K)及第 二真空层。超导型磁体的优点是场强高、 磁场稳定均匀、磁场象常导型一样可随时 关闭、磁场强度可调节,但冷冻剂(液氦) 昂贵、工艺复杂、造价高。
(五)三维容积成像

三维成像又称容积成像。这种成像方法的 每一次RF脉冲将激励组织的全部容积,而 不是单独激励一个层厚。容积成像很耗费 时间,它需要较长的采集时间,因为成像 周期的数目很大。另外,容积成像的图像 重建过程也很长,因为还需要其它数据。 三维成像的优点是能够重建较薄的连续性 层面,从而提高信噪比。
(一)磁共振的概念

“核”是指MRI涉及到的目标原子核(靶核,主要指氢原子 核),与核周围的电子层关系不大。“磁”是指外加磁场, 即①MR发生在一个巨大的外磁场孔腔内,它能产生一个 恒定不变地强大磁场(B○);②在静磁场上按时叠加一 个小的射频磁场已进行和激励并诱发磁共振(B1);③叠 加另一个小的梯度磁场以进行空间描记并制成图像。“共 振”是借指宏观现象解释微观现象,当两个音叉的固有频 率相同,一个静止的音叉在另一个振动的音叉的不断的作 用下即可引起同步振动。核子间能量的不断吸收和释放亦 可引起振动,当质子释放或获得的能量恰好等于质子能级 差时,质子就会在高能级和低能级间来回运动。这种升降 运动是在一个磁场中进行的,故称为核磁共振(NMR)。
(三)磁共振设备

磁共振设备相当复杂,但基本上是由MR信 号发射和采集系统、数据处理和图像显示 等部分组成。
1.磁场



磁场是由运动电荷产生的,运动电流与导线长度的乘积即 产生一个小磁场(dB),导线总长度所产生的磁场称为总 磁场。环形导线产生的磁场见图1-18。 稳定的外磁场(B○)是磁共振的基本条件。磁场强度与 MR图像质量相关,一般认为,自由信号衰减(FID)的信 噪比(SNR)越高,MR图像质量越好,但纵向弛豫时间 (T1)和成像周期的重复时间(TR)的比值(纵向弛豫 量)、射频脉冲强度等均影响着MR图像质量。 驰豫过程中能量不可逆性地转移到其它正在共振的氢质 子上,使其相位的一致性丧失称为T2弛豫。此过程中净磁 化矢量先从静磁场B○的垂直线上开始衰减,故又称横向 弛豫。弛豫过程中能量不可逆地散布于动物体周围组织的 “晶格”中,化为热能或诱发分子运动的过程称为T1弛豫。 这一过程中能量逐步返回到静磁场B○方向上,故又称为 纵向弛豫。
(一)成像质量

成像质量即是解剖分辨率,其主要决定因素是每 一个组织体素的大小(空间分辨率)。由于每一 个体素在MRI上均由一个像素亮点代表,体内所 有的结构实质上都是叠加在一起的。每个具体体 素的大小均由三个因素决定,即视野大小、矩阵 大小和层厚。其中任何一个因素均可由操作者在 扫描中选定。减少体素的大小可改善空中分辨率, 但成像质量可受到信噪比的限制。所以,要获得 高的成像质量就必须妥善处理信噪比与空间分辨 率这两个重要的成像因素的关系。
二、磁共振成像特征

MR1反映动物体特定层面包含的组织特征。 在成像过程中,采用选择性激励、相位编 码和频率编码三种功能在动物体内创造一 个特殊的层面,同时在该层面内创建一个 具体的体素,每个相应体素的信号强度决 定了像素的阵列,即决定了像素的亮度。 这三种成像功能在磁场中是通过暂时性磁 场梯度来完成的。在磁体孔洞壁内有三套 磁场梯度线圈,它们的功能可以随时转换, 借以转动成像平面。
一、磁共振的成像原理与设备

根据高斯(Gauss)学说,电和磁是同一回事,可 统称为电磁。电荷沿导线运动或质子沿轴线自旋 即可产生磁场;用导线切割磁力线亦可产生电流。 任何原子核内均含有核子(质子和中子),核子 自旋产生自旋磁场。具有偶数核子的原子核自旋 磁场相互抵消,不能形成核磁共振现象;具有奇 数核子的原子核在自旋过程中才能磁矩或磁场, 如1H、13C、19F、31P等,因而才能作为磁共振 图像的靶子,其中以1H更优。
③永磁型

永磁型磁体由铁磁物质构成,制造时诱发 出较强的磁场。其磁力线垂直于孔洞和动 物体长轴。永磁型磁体造价和维护费用低、 不耗电也不消耗冷冻剂、边缘磁场小、磁 力线垂直于孔洞(可使用螺线管射频线圈、 有助于提高信噪比),但场强低(0.3~ 0.35T)、重量过大、磁场稳定性差(要求 室温波动在1℃以内)、磁场不能关闭。
(二)信噪比(SNR)

MRI实际上是组织发出的射频信号(RF)地形图。 每个像素的宽度与相应组织体素发出的射频信号 强度呈正比。但是,动物体产生的散乱的射频发 射波在像素信号强度上造成杂乱的变化,这就是 MRI上见到的噪音。噪音的存在降低了MRI质量, 减弱了低对比度组织结构的能见度,延长了图像 采集时间。为了获得高于特殊噪音水平的信号强 度,必须采用一定的最小的体素,而这又限制了 空间分辨率,进而限制了细微结构图像的质量。 解决这一问题的方法是相应增加检测的次数(如 激励、采集、数据处理或平均次数),将这些重 复的检测叠加并形成单一图像。
(二)磁共振原理

动物体在强大的外界磁场(B○)的作用下,可获得MR图像,而体内 的氢质子亦发生一系列变化。在无外加磁场(B○)的作用下,平常 状态下人体内氢质子杂乱无章的排列,磁矩方向不一致,所产生的磁 力相互抵消。在外加磁场(B○)的作用下,自旋质子的磁矩将按量 子力学规律纷纷从无序状态向外磁场磁力线方向有序地排列,其中, 多数处于低能级质子的磁矩与B○的磁力线同向;少数高能级质子磁 矩与B○磁矩方向相反,最后达到动态平衡。当通过表面线圈从与B○ 磁力线垂直的方向施加射频(RF)磁场(RF脉冲)时,受检部位的 氢质子从中吸收能量并向XY平面偏转,这一过程称作激励 (Stimulation);射频磁场中断后氢质子释放出所吸收的能量而重新 回到Z轴的自旋方向上,这一过程称驰豫(Relaxation),释放的电磁 能量以无线电波的形式发射出来并转化为MR信号。在梯度磁场的辅 助作用下,MR信号形成MR图像。

多数MRI方法均不能产生边缘清晰锐利的层 面图像。磁场梯度的均匀性、RF脉冲的特 殊形状及层厚等使层厚周边的组织对RF脉 冲也会起反应,因而,影响了MRI边缘的清 晰度。
(八)磁弛豫现象

磁共振成像中的软组织及其病变的对比度 主要取决于T1与T2弛豫时间的差异。正常 组织与病变组织的弛豫特征均取决于其共 振频率,MRI对比度的根源是组织驰豫差异 的分子基础,即取决于亲水大分子结构的 运动状态。
(4)均匀线圈

无论何种磁体都不能使孔洞内的磁场完全均匀一 致;另外,磁体周围的铁磁性物质也会进一步影 响磁场的均一性,因而,磁体内磁场的均一性必 须得到调整。被动调整是在磁体孔洞内贴补金属 小片,主动调整则是使用匀场线圈。匀场线圈是 一种复杂的带电线圈,位于磁体孔洞内,产生较 小的磁场以调节外磁场的不均一性。匀场线圈可 以是常导型也可以是超导型。常导型线圈的电流 由匀场电源提供。动物体也会减弱 磁场的均匀性, 因而应对匀场线圈进行不定期调整。磁体孔洞内 的均匀度应少于50ppm,且均匀度越小越好。
(3)射频屏蔽

磁共振机的射频脉冲可对临近的精密仪器产生干 扰,外界射频信号也会影响磁共振机的射频脉冲, 而人体发出的MR信号非常微弱,因而就影响了 MR图像的质量。射频屏蔽的方法是使用铜铝合金 或不锈钢板安置在扫描室的六个面上,门窗严密 合缝且叠加,整个屏蔽间于建筑物绝缘,只有一 点接地。射频屏蔽使外界射频信号如电视、广播、 计算机噪音、无线电话、步话机、汽车发动机等 发出的干扰波被受到阻挡并接地短路。
(六)多层面成像


多层面成像可以同时显示不同的解剖层面, 在每一个成像周期中每一层面均被依次激 励。第一个RF脉冲从第一层组织中激励并 读出,其它层面依此类推。多层面图像不 增加采集时间。一定脉冲所能获得的层面 数受成像周期(TR)和回波时间(TE)的 限制: 最大层面数=TR/(TE+常数)
(七)层面外形
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