第七章磁共振成像(MRI)技术[设计]

• 1980年，阿勃亭（Aberdeen）领导的研究 小组发表了利用二维傅立叶变换对图像进行 重建的成像方法。该成像方法效率高、功能 多、形成的图像分辨力高、伪影小，目前医 用MRI设备均采用该算法。
• 1983年，MRI设备进入市场。
• MRI设备具有对软组织成像好的优点。把大 量的波谱分析技术运用到医用MRI设备上， 使MRI设备不仅可获得解剖学信息，而且可 获得其他方面的信息，如生理和生化方面的 信息。
• 1974年，曼斯菲尔德（Mansfield）研究出 脉冲梯度法选择成像断层的方法。
• 1975年，恩斯特（Ernst）研究出相位编 码的成像方法。
• 1977年，爱特斯坦（Edelstein）、赫切逊 （Hutchison）等研究出自旋扭曲（Spin Warp）成像法。
• 1977年，达马丁完成了首例动物活体肿瘤 检测成像，并获得首张人体活体MRI设备 图像。
MRI设备已成为最先进、最昂贵的现代化诊断设备之一。MRI设备既 是评价医院综合能力的一项重要指标，又是医院现代化程度和诊断水平 的标志。
核磁共振扫描现在已经成为一项常规的医学检查，全球估计共有 22000台全身核磁共振扫描仪投入使用，每年扫描总数超过6000万次。 本章将以临床应用型永磁开放式MRI设备为例，系统地介绍MRI设备的 构成和工作原理。
Χ=M/B或M= Χ·B
式中， Χ 为磁化率， B为磁场强度。 物质M的大小取决于其原子 结构。 X的正负表示物质的顺磁性。
(一)原子核的磁特性 原子是由原子核绕核运动的电子所组成，原子核又由带正电的质子和不带电的中
子组成。原子核绕其特定轴旋转的特性称为自旋。自旋过程中所产生的动量称为原 子核磁矩。
µ=γhI
式中，γ称为旋磁比常数，1H的γ=42.58MHZ/T h表示自选大小的物理单位,1h=1.054589×10-3 J·S I为自选量子数
（二）磁场对原子核磁矩的作用
在无外加磁场时，核磁矩是随机排列的。在外加磁场（B0）的作用下，磁矩沿着 外加磁场方向成平行或反向排列。沿着B0方向为低能态（上旋态），反向则为高能 态（下旋态）。
Mz 100%
63%
T1 T2
T3 T4
T5 时间
Mz=M0(1-e-t/T1)
100% 63%
脂肪
白质
脑脊液
Mz=M0(1-e-t/T1)
时间
（2）横向驰豫及横向驰豫时间
当射频脉冲关闭后，在静磁场的作用下，组织中的宏观横向磁化矢量将逐 渐恢复到激发前平衡状态，把这一过程称为横向驰豫，即T2驰豫。
• 重复时间（time of repetition，TR）、回波时间 （time of echo，TE）和反转时间（time of inversion，TI）决定图像的性质。即图像的权重 。层厚、平均采样次数、像素尺寸、有效视野和 层数决定扫描区域并控制图像信号的密度。各种 应用软件可获得不同性质和不同区域的MRI图像 ，而且成像速度快、有效抑制伪影、功能完善。
将所选择地层面在相互垂直的两个方向（X轴，Y轴）分别将其分割为相 同间隔的若干行及相同间距的若干列，形成具有相同体积的若干小立方体 ，即体素。
MR图像是由众多不同灰度值的矩形基本像单元组成，每个基本单元称 为一个像素。
构成整幅图像的像素的行数与列数的积称为图像的显示矩阵。
从每个体素的MR信号中获得与像素灰度值有关的数据并产生MR图像， MR图像重建是采用傅里叶变换的方法。
表1-5-1a 人体正常与病变组织的T1值（ms）
表1-5-1b 正常颅脑组织的T1值和T2值（ms）
四 磁共振信号的产生
射频脉冲停止后，纵向磁化矢量转向横向磁化矢量。正如一个XY平 面内的旋转磁体可以在接收线圈内产生感应电压，这个随时间波动的电 压即MR信号。
Z
Z
MZ Y
B0
M0
M
MX
X
X
Y
五 磁共振信号的空间定位
MR信号是宏观磁化矢量经激发后在线圈内感应出的信号，是自选 信号的总和，无空间位置信息，不能形成图像，必须对其进行空间编码 及图像重建才能得到MR图像。MRI的空间编码技术是采用梯度磁场， 以达到选层和体素编码的目的。
梯度在物理学上是指在一定方向上强度随空间的变化率，梯度是一 个矢量。在MR技术上，梯度磁场是指在一定方向上磁场强度的变化情 况，即在一定方向上场强与位置成正比例变化。
=100000/100006
二、核磁共振的量子物理学理论
由于磁场对自旋系统的量子化作用，使自旋系统产生低能态与高能态的级差△E。 若射频的能量△Er恰好等于该能级差△E，则低能态自旋可吸收其能量跃迁至高能态 ；射频停止后，自旋系统将释放出能量并恢复至平衡态。
三、驰豫
驰豫是指自旋系统由激发态恢复至其平衡态的过程，也就是纵向磁化恢复和横向 磁化衰减的过程。
Z
B0
Mxy
M
Mz
X Y
（1）纵向驰豫及纵向驰豫时间
当射频脉冲关闭后，在静磁场的作用下，组织中的宏观纵向磁化矢量将逐 渐恢复到激发前平衡状态，把这一过程称为纵向驰豫，即T1驰豫。
Mz=M0(1-e-t/T1)
令t=T1，则Mz=0.63M0. 由此，定义T1是指纵向磁化矢量从最小值恢复至平衡态的63%所经历的驰豫 时间，或者说，每经过一个T1时间则纵向磁化恢复其剩余量的63%。
在MRI基础上，梯度磁场是指在一定方向上磁场强度的变化情况及在一定方向 上场强与位置呈正比Baidu Nhomakorabea变化。
为了得到任意层面的空间信息，MRI系统在X、Y、Z三个坐标方向均使用梯度 磁场，它们分别被称为GX梯度、GY梯度、GZ梯度，其作用是完成梯度磁场对 自旋的空间编码。
Z
梯 度 磁 场
X Y
六、MRI图像的重建
其能级差为： ΔE=γhB0 其中h为普朗克常量
在温度和外加磁场不变的情况下，两种能态：低能他E(+1/2)和高能态 （E-1/2）处于平衡状态。 平衡态质子自旋磁距遵循波尔兹曼分布：
N(-1/2)/ N(+1/2)=e-ΔE/kT
对于质子ΔE=γhB0，令 T=300K,B0=1Tesla,则： N(-1/2)/ N(+1/2)=e-ΔE/kT
第一节 概 述 一、发展简史
•
MR现象于1946年第一次由布洛赫（
F.Bloch）
• 领导的斯坦福大学研究小组和伯塞尔(E.Purcell ）
• 领导的哈佛大学研究小组分别在水与石蜡中独
• 立地观察到。因此，布洛赫和伯塞尔共同获得
• 了1952年的诺贝尔物理学奖。随后，人们利用 MRI技术进行了多领域的应用。MRI设备早期
决定水与脂肪的分离成像，能引起化学位移伪 影。组织参数v和波动可用来进行血管成像， 能引起运动伪影。
• 2．设备参数 它是成像所依赖的设备及成像过程 的测量条件参数。设备参数主要有磁场强度、梯 度磁场强度和切换率、线圈特性（包含发射和接 收）、测量条件。根据诊断目的的不同，可以选 择不同的参数来产生所需要的MRI图像。
MXY=MXYmaxe-t/T2
式中，Mxymax是驰豫过程开始时横向磁化矢量Mxy的最大值。令t=T2，则 Mxy=0.37M0. 由此，定义T2是射频脉冲停止后，横向磁化矢量衰减至最大值的37%所经历的 时间，也就是说，每过一个T2时间，横向磁化减少至其剩余值的37%。
Mxy 100%
37%
T2 2T2 3T2 MXY=MXYmaxe-t/T2
第七章 磁共振成像（MRI） 技术
生物医学工程教研室
• 磁共振成像是利用射频脉冲对置于磁场中 的含有自旋非零原子核的物质进行激发，产 生核磁共振，利用感应线圈采集磁共振信号 ，按一定数学方法进行处理而建立图像的一 种成像技术。
• MRI（magnetic resonance imaging）设 备是利用生物体的磁性核（主要是氢核）在 磁场中所表现出的MR特性来进行成像的设备 。随着超导技术、磁体技术、电子技术、计 算机技术和材料科学的进步，MRI设备得到 飞速的发展。
MRI设备的缺点为： ①成像速度慢 ②对钙化灶和骨皮质病灶不够敏感 ③图像易受多种伪影影响 ④禁忌症多 ⑤定量诊断困难
三、主要技术参数
•
与其它影像设备相比，影响MRI图像的信
号强度或图像密度的参数较多。这些参数大体
可分为组织参数和设备参数两大类。
• 1．组织参数 它是人体的内在信息参数。组 织参数主要有质子密度（ρ）、纵向驰豫时间 （T1）、横向驰豫时间（T2）、化学位移（σ ）、液体流速（v）和波动。其中，组织参数 ρ、T1和T2决定图像信号的密度。组织参数σ
第二节 磁共振成像的物理学原理
磁共振成像（MRI)是利用生物体内特定原子磁体性核在磁场中表现出核磁共振 作用而产生信号，经空间编码、重建而获得图像的一种技术。其物理基础为核磁共 振理论，其本质是一种能级见跃迁的量子效应。
一、磁场对样体的磁化作用
样体经磁场作用后在磁场方向上产生磁矩的过程称为磁化，其大小称为磁化强度 （M）。
幅度
幅度
时间
频率
时间
Mxy 100%
37%
脂肪
白质
脑脊液
时间
MXY=MXYmaxe-t/T2
人体不同器官的正常组织与病理组织的T1是相对固定的，而且它们之间有一定 的差别，T2也是如此（表1-5-1a、b）。这种组织间弛豫时间上的差别，是MRI的 成像基础。有如CT时，组织间吸收系数（CT值）差别是CT成像基础的道理。但 MRI不像CT只有一个参数，即吸收系数，而是有T1、T2和自旋核密度（P）等几 个参数，其中T1与T2尤为重要。因此，获得选定层面中各种组织的T1（或T2）值 ，就可获得该层面中包括各种组织影像的图像。
• 集中在物理和化学方面，用来确定化学成分、
• 1971年，达马丁（Damadian）发现了MRI 的一个重要参数—T1。肿瘤组织的T1值远 大于相应正常组织的T1值。此结果预示着 MRI设备在医学诊断中的广阔应用前景。
• 1973年，受CT图像重建的启示，纽约州立 大学的劳特布尔（Lauterbur）在《Nature 》杂志上发表了MRI设备空间定位方法（均 匀静磁场上迭加梯度磁场）。利用MRI模型 （两个并排在一起的充水试管）的四个一 维投影，成功的获得了第一幅MRI模型的二 维图像。
二、主要特点及临床应用
•
MRI与CT各有优点，可以互相补充。通
过MRI设备与CT扫描机的性能比较和临床应
用比较，可以看出：MRI设备的优点为：
• ①多参数成像，可提供丰富的诊断信息
• ②多方位成像
• ③大视野成像
• ④组织特异性成像
• ⑤人体能量代谢研究
• ⑥无电离辐射，即无创性检查
• ⑦无骨伪影干扰