磁共振成像原理和功能磁共振

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胆固醇逐渐降低,磷脂逐渐增多,最后 形成成熟的髓鞘
在这个过程中,组织的各向异性不断增 加,利用DTI技术,可以定量分析不同部 位脑组织的各向异性程度,显示大脑的 发育过程
DTI在脑梗塞中的运用
DWI有助于临床诊断早期、超早期脑梗死的及 时诊断,而DTI在检测脑梗死后皮质脊髓束损 伤有着显著优势。 梗死区域的FA显著降低,早期平均ADC值降 低,后期增高。 与梗死区相联系的的同侧内囊、大脑脚和桥 脑处的皮质脊髓束FA较对侧显著降低,提示 脑梗死后远端的皮质脊髓束可能存在进行性 的Wallerian变性。 DTI在通过对梗死远端皮质脊髓束FA计算判 断其变性程度,并预测患者的运动功能转归。
o 同时以射频信号的形式放出能量 o 发出的射频信号被体外线圈接受 o 经计算机处理后重建成图像
磁共振检查技术
平扫(T1WI、T2WI、PDWI) 增强(T1WI) 动态增强(Dynamic MR) 磁共振血管造影(MRA) 脂肪抑制成像(STIR) 水抑制成像(FLAIR) 水成像(MRCP、MRU、MRM) 灌注成像(Perfusion) 弥散成像(Diffusion) 功能成像(function MR)
从宏观上讲,受激励的质子群发生核磁共振时,质子宏观 磁化矢量M不再与原来的主磁场平行,M的方向和值将离 开原来的平衡状态而发生变化,其变化程度取决于所施加 射频脉冲的强度和时间,二者越大,在射频脉冲停止时, M离开B0越远。
90射频脉冲
MRI的物理基础
核磁弛豫:脉冲停止后,宏观磁化矢量M又自 发恢复到平衡状态。
利用最大本征向量λ1对应 纤维束传导方向将大脑中神经 纤维束轨迹描出来,实现活体 查看和研究中枢以及周围神经 系统的神经通路的连接和连续 性。
方法:从一个设置的种子位置开始追踪,直至遇到 体素的FA值小于0.2 。
大脑发育及衰老
出生后大脑仍继续发育、髓鞘化 ,2岁左右基 本完成
遵循从下到上,从后到前,从中央到周 围的规律进行髓鞘化
水肿,但不能 排除肿瘤浸润。
模式3:患侧纤 维FA值相对于 对侧明显减低, 同时纤维的走 向发生改变。
提示:瘤周神经 纤维被肿瘤侵 犯。
模式4:患侧 纤维显示各 向同性或近 似同性,无 法看出走行 方向。
提示:神经纤 维被破坏, 仅见于恶性 肿瘤。
57Y,M,考虑左顶叶 胶质瘤
F,28Y,考虑右侧 额颞叶胶质瘤
频率段最宽,多超出MRI质子共振频率的范 围。如果水变成冰或者有物质(蛋白质) 溶解在内使其粘度升高,则热运动减低, 处于Larmor频率的磁动波较多,能更多地 激发被激励的质子,使T1缩短。
而脂肪、胆固醇等物质内1H,由于基本 没有热运动的影响,所以均呈短T1信号。
磁共振信号的产生
o 外来射频脉冲停止后,由M0产生的横向磁 化矢量由XY平面逐渐回复到Z轴
MRI的物理基础
生物组织中含有1H、13C、19F、23N百度文库、31P 等元素,有磁性的元素有百余种。
在现今,研究和使用的最多的是1H。
1H是磁化最高的原子核,可以得到较强的信 号(即SNR高);
1H占活体组织中原子数的2/3,数量丰富。
MRI时,均指的是1H原子核。
无外加磁场时,各个质 子以任意方向自旋,因而单 位体积内生物组织的宏观磁 矩M=0,若将生物组织置于 一个强大的外加磁场(B0) 中,则质子磁矩发生变化, 较多的质子磁矩与B0方向相 同,较少与之相反。因此, 出现与B0方向一致的净宏观 磁矩M0。
RA为各向异性和各向同性成分的比例 VR等于椭球体的体积与半径为平均扩散 率的球体体积之比。
两者的取值范围亦在0~1之间 ,RA的意 义与FA相似,越接近1说明水分子的各 向异性程度越高。而VR越接近1说明水 分子的弥散越趋于各向同性 。
VR图
白质纤维束示踪成像(fiber tractography)
因此只要计算6个变量 方法:
至少在6个不同非共线方向上施加敏感梯度,另 外再采集一幅具有同样参数而未施加敏感梯度的图像。 从弥散加权像和非弥散加权像的信号强度衰减差异中 可以得到6幅表观弥散系数图(ADC),得到一个六 元一次方程组,最后利用这些图可以求得每个体素的 有效弥散张量D 。
❤理论上6次就可以,但是由于噪声的存在, 方向越多,三维空间分布越均匀则数据越 准确。
BOLD成像原理
BOLD:blood oxygen level depend 血氧水平依赖成像
脱氧血红蛋白:顺磁性物质,引起加权信号减低。
氧合血红蛋白:逆磁性物质,引起加权信号增高。
当局部脑皮质在经特定的任务刺激(如感觉运动、 神经心理测试等)后,局部脑血流量增加,氧合 血红蛋白比例升高,故而神经元活动区的加权信 号高于非活动区。这种反映神经电活动的方法就 称为BOLD。
纵向弛豫:90°脉冲停止后,纵向弛化矢量 要逐渐恢复放到平衡状态,测量时间距终止 时间越长,所测到的磁化矢量信号幅度就越 大,Mz达到其最终平衡状态的63%的时间为 T1值。(通过释放已吸收的能量)
MRI的物理基础
横向弛豫:90°射频脉冲的的另一个作用是使质 子群在同一方位、同步旋进(相位一致),这时 横向磁化矢量Mxy最大。但射频脉冲停止后,质 子群同步旋进很快变成异步,相位失聚合,磁化 矢量相互抵消,Mxy很快由大变小至为0,称之为 去相位。Mxy衰减到原来值37%的时间为T2值。 (通过相位的改变导致矢量抵消)
DWI图像:利用扩散敏感梯度脉冲将 水分子弥散效应扩大,来研究不同组 织中水分子扩散运动的差异
其方法就是在常规的任意MRI序列上施 加对弥散敏感的梯度脉冲来获得
A
B
正常组织间隙 随机运动的水分子---低信号
组织内影响水分子弥散的因素
► 细胞内外的体积变化
► 水分子通过细胞膜的渗透作 用
► 细胞外间隙形态的改变
-水分子垂直于神经纤维 走向的弥散运动困难 -水分子平行于神经纤维 走向的弥散运动容易
❤要描述水分子的空间弥散情况 ,引入了张 量的概念,脑白质中每一个体素的各向异性 扩散过程就可以用张量D表示 。需要用一个 二维矩阵表示 :
二阶张量具有对称性, Dxy=Dyx Dxz=Dzx Dyz=Dzy
12个方向
42个方向
162个方向
642个方向
DTI的成像原理
DTI利用弥散张量中的各向异性扩 散的方向信息来追踪神经通路的走 行从而得到脑白质中神经纤维和功 能束的走行方向和立体形态。
DTI的量化参数
平均扩散率
指MR成像体素内各个方向扩散幅度的平均 值,代表了某一体素内水分子扩散的大小 或程度,通常所用的指标就是平均弥散系 数(average diffusion coefficient,ADC), 反应了水分子单位时间内扩散运动的范围, 单位是mm2/s,其值越大,说明水分子扩 散能力越强。
外界刺激→脑组织兴奋→ATP需求↑→血管扩张、 含氧血红蛋白↑→加权信号↑
MRI涉及讨论的主要为宏观磁化矢量的变化规律
MRI 的物理基础
原子核在外加磁场中自旋的同时, 还以一定的角度围绕外加磁场方向 进行旋转运动,这种运动称为进动。
沿B0旋进着的质子类似于在重力作 用下的陀螺。
进动频率亦称角频率(ω0),取决于外 加磁场强度(B0)和原子核的旋磁比(γ): 0 = 0
&
=
b=0
b=1000
ADC
► ADC反映了水分子的扩散运动的能力,指水
分子单位时间内扩散运动的范围,其值越高代
表水分子扩散能力越强。
磁共振扩张张量成像 DTI
DWI成像只在X、Y、Z轴三个方向上施 加敏感梯度 ,不能完全、正确地评价不 同组织在三维空间内的弥散情况,组织各 向异性程度往往被低估 。
脑白质中FA值与髓鞘的完整性、纤维的致密性 及平行性呈正相关 。
在FA图上,脑白质 为高信号,表现出 比较高的各向异性, 纤维排列最大程度 趋于一致时,FA值 也就越接近1,例如 胼胝体,而脑灰质 与脑脊液因趋向各 向同性表现为低信 号。
胼胝体>内囊后肢>内囊前肢>外囊>半卵圆中心
相对各向异性(relative anisotropy,RA) 和容积比(volume ratio,VR)
只有Larmor频率的磁动波与B0作用垂直时,被激 励的高能态质子方能放出能量,回到低能态,即 T1弛豫;
各种频率、任意方向的磁动波均可使质子群的旋 进频率及方位发生改变,即T2弛豫。
T1、T2弛豫过程同时进行
MRI的物理基础
弛豫与生物组织理化因素的关系 人体体温环境下,纯水分子热运动覆盖的
磁共振成像原理及临 床应用
湖南省肿瘤医院放诊科 向往
MRI 的物理基础
绝大多数原子核都具有围 绕自身轴线做旋转运动的 特性,称之为自旋特性。
质子自旋就相当于正电荷 在环形线路中流动→即环 形电流→产生磁场,即核 磁。
若原子核含有的质子数为 偶数,则其自旋产生的磁 场相互抵消,为非磁性。 反之,若为奇数,则具有 磁性。
左侧颞部脑膜瘤
磁共振灌注加权成像 PWI
DWI病灶<PWI病灶 ——缺血半暗带
DWI病灶≥PWI病灶 ——梗死
磁敏感加权成像 SWI
SWI成像原理
SWI是一种利用不同组织间的磁敏感性差 异而成像的技术,对小静脉、微出血和铁 沉积更敏感。
成像基础:组织间磁敏感度差异和BOLD 效应
细胞毒性水肿的组织 运动受限的水分子---高信号
肿瘤组织细胞比例增高—高信号
DWI评估弥散的参数
通过两个以上不同弥散敏感梯度值( b值)的弥散 加权象,可计算出弥散敏感梯度方向上水分子的表观 弥散系数(apparent diffusion coefficient ADC)
ADC=In(S低/S高)/(b高-b低)
PDWI
T2WI
SE序列
T1WI FSTIR序列
3D - MRA 后交通支动脉瘤
3D-CEMRA的时间分辨率(胸腹部)
FLAIR 抑水序列
磁共振胰胆管造影 (MRCP)
3D-重T2WI (水成像)
磁共振弥散加权成像 DWI
磁共振弥散加权成像DWI
MR图像:组织T1、T2驰豫时间、H1 的密度、分子弥散运动
DTI则可以在三维空间内定量分析组 织内水分子的弥散的特性。
磁共振弥散加权成像DTI
均质介质中水分子的运动是无 序随机运动,即向各个方向运 动的几率是相同,即具有各向 同性(isotropy)
►在人体组织中,水分子的运 动由于受到组织细胞结构的影 响,在各个方向弥散程度是不 同的,具有方向依赖性,即具 有各向异性(anisotropy)
DTI在脑肿瘤中的应用
1. 定量分析肿瘤组织特点以鉴别肿瘤的级别, 鉴别正常的白质纤维、水肿及肿瘤区域。
2. 测量瘤周的水肿的平均ADC值和FA值以 分析鉴别转移瘤和胶质瘤。
3. 显示白质纤维和肿瘤的相互关系,利于指 导外科手术,这是DTI技术较有临床价值 和应用的前景。
目前将肿瘤和白质纤维的关系分为 4种模式
模式1:纤维位置
或方向发生改变, 患侧纤维的FA值相 对于对侧正常或轻 微降低(<25%)。
提示:肿瘤挤压
周围神经纤维 束,但未见明 显的神经纤维 束中断征象, 提示肿瘤为良 性或侵袭性低 的肿瘤
模式2:患侧纤
维FA值相对于 对侧明显降低 (>25%), 同时纤维位置 和方向正常。
提示:瘤周发生
上述方程式称为拉莫尔方程,其角 频率又称为拉莫尔频率。
旋磁比(γ)是原子核的固有特性,仅 与原子核的种类有关。
MRI的物理基础
能量从一个客体或系统传送至另一个,而接受者以供应者 相同的频率振动。这种能量传送只有在驱动者能量频率与 被激励系统的振荡频率相一致时才能发生。
在MR成像中,被激励者为组织中的1H团,激励者为射频 脉冲。在B0中,以Larmor频率施加射频脉冲,被激励质子 从低能态跃迁到高能态,出现核磁共振。
正常的ADC图
各向异性指数
部分各向异性指数(fractional anisotropy, FA )是 分析各向异性最常用的参数,指弥散的各向异性部 分与弥散张量总值的比值,反应了各向异性成分占 整个弥散张量的比例,取值在0~1之间,0代表了最 大各向同性的弥散,比如在完全均质介质中的水分 子弥散,1代表了假想下最大各向异性的弥散 。
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