MRI检查与诊断技术-PPT.ppt
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1、MRI检查与诊断技术检查与诊断技术第一章第一章 总论总论池州市人民医院影像教研室 钱彬第一节第一节 磁共振成像技术概述磁共振成像技术概述n n磁共振实际上应称核磁共振(NMR)n n核指NMR主要涉及到原子核n n为了与使用放射性元素的核医学相区别,突出NMR不产生电离辐射的优点,避免“核”引起人们的误解和恐惧,而通称磁共振磁共振磁共振成像磁共振成像 一种生物磁自旋成像技术,利用原子核(氢核)自旋运动的特点,在外加磁场内,用射频脉冲激发后产生信号,用探测器(接收线圈)检测并输入计算机,经过处理转换在屏幕上显示图像 英文简称MRI(magnetic resonance imaging)一、一、磁
2、共振成像技术发展史n n19461946年美国哈弗大学的年美国哈弗大学的E.PurcellE.Purcell及斯坦福大学的及斯坦福大学的F.BlochF.Bloch领领导的两个研究小组各自独立的发现了核磁共振现象,导的两个研究小组各自独立的发现了核磁共振现象,PurcellPurcell和和BlochBloch两人共同获得两人共同获得19521952年诺贝尔物理奖,主要用年诺贝尔物理奖,主要用于磁共振波谱,研究物质的分子结构于磁共振波谱,研究物质的分子结构n n19711971年美国纽约州立大学的年美国纽约州立大学的R.damadianR.damadian用用MRSMRS仪对老鼠的仪对老鼠的正
3、常组织和癌变组织样品研究发现,癌变组织样品正常组织和癌变组织样品研究发现,癌变组织样品T1T1、T2T2弛豫时间值比正常组织长弛豫时间值比正常组织长n n19731973年美国纽约州立大学的年美国纽约州立大学的LauterburLauterbur利用梯度磁场进行空利用梯度磁场进行空间定位,用两个充水试管获得了第一幅核磁共振图像间定位,用两个充水试管获得了第一幅核磁共振图像磁共振成像技术发展史n n19741974年年19801980年年MRIMRI得到不断发展,研究出梯度选层方得到不断发展,研究出梯度选层方法、相位编码成像方法、自旋回波成像方法以及二维傅法、相位编码成像方法、自旋回波成像方法以
4、及二维傅里叶变换的成像方法里叶变换的成像方法n n19781978年在英国取得了第一幅人体头部的磁共振图像,同年在英国取得了第一幅人体头部的磁共振图像,同一年又取得了人体第一幅胸部、腹部磁共振图像一年又取得了人体第一幅胸部、腹部磁共振图像n n19801980年磁共振机开始应用于临床年磁共振机开始应用于临床二、磁共振成像技术在临床诊断中的应用二、磁共振成像技术在临床诊断中的应用MRIMRI优点优点n n没有电离辐射损伤没有电离辐射损伤n n多参数成像多参数成像n n软组织分辨率更高软组织分辨率更高n n多方位成像多方位成像n n血管成像无需造影剂血管成像无需造影剂n n磁共振功能成像磁共振功能
5、成像MRI不足n n检查时间相对较长检查时间相对较长n n识别钙化有限度识别钙化有限度n n运行、检查费用较高运行、检查费用较高MRI在临床的应用在临床的应用n n中枢神经系统中枢神经系统:对于脑肿瘤、脑血管病、感染性疾病、对于脑肿瘤、脑血管病、感染性疾病、脑变性疾病、脑白质病、颅脑先天发育异常等具有极高敏脑变性疾病、脑白质病、颅脑先天发育异常等具有极高敏感性感性n n椎管内病变:椎管内病变:脊髓肿瘤、血管性病变、外伤、畸形为首脊髓肿瘤、血管性病变、外伤、畸形为首选方法选方法n n腹部及盆腔:腹部及盆腔:实质性脏器占位、前列腺实质性脏器占位、前列腺n n胸部:胸部:纵膈占位、心脏大血管病变、乳
6、腺纵膈占位、心脏大血管病变、乳腺n n四肢关节:四肢关节:肌肉、肌腱、韧带、软骨肌肉、肌腱、韧带、软骨n n软组织:软组织:肿瘤、血管性病变肿瘤、血管性病变第二节第二节 磁共振成像原理磁共振成像原理n n电学电学n n磁学磁学n n量子力学量子力学n n高等数学高等数学n n初高中数学初高中数学n n初高中物理初高中物理n n加减乘除加减乘除n n平方开方平方开方学习MRI前应该掌握的知识具有磁性原子核,处于静磁场中,施加射频脉冲(RF),原子核吸收RF能量,产生磁共振现象三个基本条件:磁性原子核 静磁场(外磁场)射频脉冲(RF)二、磁共振现象二、磁共振现象条件一:原子核自旋与磁矩条件一:原子
7、核自旋与磁矩n n物质:由分子组成n n分子:由原子组成n n原子:由一个原子核和数目不等的电子组成n n原子核:由数目不等的质子和中子组成,质子带正电荷,中子不带电,电子带负电荷物质物质分子分子原子原子原子核原子核电子电子质子质子中子中子原子的结构原子的结构电子:负电荷电子:负电荷电子:负电荷电子:负电荷中子:无电荷中子:无电荷中子:无电荷中子:无电荷质子:正电荷质子:正电荷质子:正电荷质子:正电荷n n自旋:自旋:自旋:自旋:原子核固有物理属性,原子核固有物理属性,带电质子以一定频率绕自身轴带电质子以一定频率绕自身轴高速旋转高速旋转n n通电的环形线圈周围都有通电的环形线圈周围都有磁场存在
8、。转动的质子也磁场存在。转动的质子也相当于一个小磁体,周围相当于一个小磁体,周围形成微小环形电流,具有形成微小环形电流,具有自身的南、北极及磁力,自身的南、北极及磁力,质子自身具有磁性,在其质子自身具有磁性,在其周围产生磁场,并具有自周围产生磁场,并具有自身磁矩身磁矩n n磁矩:磁矩:磁矩:磁矩:矢量,具有方向和大小,矢量,具有方向和大小,方向可由环形电流的法拉第右方向可由环形电流的法拉第右手定则确定手定则确定原子核自旋法法拉拉第第定定律律原子核自旋产生磁矩地磁地磁磁铁磁铁核磁核磁所有的原子核都可产生核磁吗?所有的原子核都可产生核磁吗?质子为偶数,中子为偶数质子为偶数,中子为偶数质子为偶数,中
9、子为偶数质子为偶数,中子为偶数不产生核磁不产生核磁不产生核磁不产生核磁质子为奇数,中子为奇数质子为奇数,中子为奇数质子为奇数,中子为奇数质子为奇数,中子为奇数质子为奇数,中子为偶数质子为奇数,中子为偶数质子为奇数,中子为偶数质子为奇数,中子为偶数质子为偶数,中子为奇数质子为偶数,中子为奇数质子为偶数,中子为奇数质子为偶数,中子为奇数产生核磁产生核磁产生核磁产生核磁结论:质子数和中子数至少一个为奇数这样的原子核包括:1H、13C、19F、23Na、31P等百余种元素目前生物组织的目前生物组织的MRIMRI成像主要成像主要为为1 1H H成像,氢原子核也称为氢成像,氢原子核也称为氢质子,质子,1
10、1H H的磁共振图像也称的磁共振图像也称为质子像为质子像人体磁共振成像选择人体磁共振成像选择1 1H H的理由:的理由:n n氢原子核最简单,只含有一个质子,氢原子核最简单,只含有一个质子,一个电子,不含中子一个电子,不含中子nn1 1HH是人体中最多的原子核,约占人是人体中最多的原子核,约占人体中总原子核的体中总原子核的2/32/3以上以上nn1 1HH的磁化率在人体磁性原子核中是的磁化率在人体磁性原子核中是最高的最高的何种原子核用于何种原子核用于MR成像?成像?条件二:静磁场条件二:静磁场把人体放进大磁场n n静磁场是由磁共振仪器的主磁体产生n n其强度与方向不变,强度单位B0n n主磁体
11、类型:超导、常导、永磁n n静磁场强度(B0):0.15-3.0Tn n目前临床上最常用的是超导MRI系统主磁体外形主磁体外形开放式开放式封闭式封闭式垂直坐标系n n用用X X、Y Y、Z Z坐标系来坐标系来描述磁场的位置描述磁场的位置n nZ Z代表代表B BOO方向,即磁方向,即磁力线方向,常与体轴力线方向,常与体轴一致一致n nX-YX-Y平面代表垂直于磁平面代表垂直于磁场方向的平面,三个场方向的平面,三个轴相互垂直轴相互垂直进入主磁场前质子核磁状态进入主磁场前质子核磁状态n n人体内的质子不计其人体内的质子不计其数,产生无数个小磁数,产生无数个小磁场,这种小磁场的排场,这种小磁场的排列
12、是无序杂乱无章的,列是无序杂乱无章的,方向各异,使每个质方向各异,使每个质子产生的小磁矩相互子产生的小磁矩相互抵消,抵消,n n因此,人体自然状态因此,人体自然状态下并无磁性,即没有下并无磁性,即没有宏观磁化矢量的产生宏观磁化矢量的产生进入主磁场后质子核磁状态进入主磁场后质子核磁状态n n进入主磁场后,人体内的质子产生的小磁场不再是杂乱进入主磁场后,人体内的质子产生的小磁场不再是杂乱无章,呈有规律排列。一种是无章,呈有规律排列。一种是与主磁场平行且方向相同与主磁场平行且方向相同;另一种是另一种是与主磁场平行但方向相反与主磁场平行但方向相反。处于平行同向的质。处于平行同向的质子略多于处于平行反向
13、的质子子略多于处于平行反向的质子n n从量子物理学的角度来说,这两种核磁状态代表质子的从量子物理学的角度来说,这两种核磁状态代表质子的能量差别。平行同向的质子处于低能级,因此受主磁场能量差别。平行同向的质子处于低能级,因此受主磁场的束缚,其磁化矢量的方向与主磁场的方向一致;平行的束缚,其磁化矢量的方向与主磁场的方向一致;平行反向的质子处于高能级,能够对抗主磁场的作用,其磁反向的质子处于高能级,能够对抗主磁场的作用,其磁化矢量尽管与主磁场平行但方向相反化矢量尽管与主磁场平行但方向相反n n由于处于低能级的质子略多于处于高能级的质子,因此由于处于低能级的质子略多于处于高能级的质子,因此进入主磁场后
14、,人体产生了一个与主磁场方向一致的宏进入主磁场后,人体产生了一个与主磁场方向一致的宏观纵向磁化矢量(观纵向磁化矢量(MMo o)平行同向的质子略多于平行反向的质子平行同向的质子略多于平行反向的质子低能状态低能状态高能状态高能状态处于高能状态太费劲,并非人人都能做到处于高能状态太费劲,并非人人都能做到处处于于低低能能状状态态略略多多一一点点进入主磁场后质子核磁状态进入主磁场后质子核磁状态l l进动进动n n进入主磁场后,无论是处于高能级的质子还是处于低能级进入主磁场后,无论是处于高能级的质子还是处于低能级的质子,其磁化矢量并非完全与主磁场方向平行,而总是的质子,其磁化矢量并非完全与主磁场方向平行
15、,而总是与主与主 磁场有一定角度磁场有一定角度n n质子除了自旋运动外,还绕主磁场轴进行旋转摆动,我们质子除了自旋运动外,还绕主磁场轴进行旋转摆动,我们把质子的这种旋转摆动称为把质子的这种旋转摆动称为进动进动进动是质子小磁场与主磁场相互作用的结果进动是质子小磁场与主磁场相互作用的结果进动进动n n进动运动就像一个进动运动就像一个垂直旋转着的陀螺,垂直旋转着的陀螺,用小锤对着它的顶用小锤对着它的顶端撞击一下,陀螺端撞击一下,陀螺出现了倾斜,自旋出现了倾斜,自旋轴偏离重力线方向,轴偏离重力线方向,与重力线形成夹角,与重力线形成夹角,并绕重力线旋转并绕重力线旋转自旋核的进动自旋核的进动n n一个氢质
16、子处在一个氢质子处在BoBo中如中如陀螺样旋进,它的磁矩轴陀螺样旋进,它的磁矩轴倾斜,且绕倾斜,且绕BoBo方向旋转,方向旋转,与与BoBo间有一个夹角,为间有一个夹角,为旋进角旋进角进入主磁场后质子核磁状态进入主磁场后质子核磁状态n n进动频率(Larmor频率)n n计算公式:B 代表代表LarmorLarmor频率,频率,为磁旋比(为磁旋比(对于某一种原子核来说是个常对于某一种原子核来说是个常数,质子的数,质子的 约为约为42.5mH42.5mHZ Z/T/T),),B B为主磁场的场强,单位为特斯为主磁场的场强,单位为特斯拉(拉(T T),),n n从式中可以看出,从式中可以看出,质子
17、的进动质子的进动质子的进动质子的进动频率与主磁场强度呈正比。频率与主磁场强度呈正比。频率与主磁场强度呈正比。频率与主磁场强度呈正比。进入主磁场后质子核磁状态进入主磁场后质子核磁状态n n由于进动的存在,质子自旋产由于进动的存在,质子自旋产生的小磁场可以分解成两个部生的小磁场可以分解成两个部分:分:n n1 1)方向恒定的纵向磁化分矢量)方向恒定的纵向磁化分矢量(沿主磁场方向)(沿主磁场方向)n n2 2)以主磁场方向即)以主磁场方向即Z Z轴为中心,轴为中心,在在XYXY平面旋转的横向磁化分矢平面旋转的横向磁化分矢量量n n纵向磁化分矢量产生一个与主纵向磁化分矢量产生一个与主磁场同向的宏观纵向
18、磁化矢量磁场同向的宏观纵向磁化矢量(MMOO)n n横向磁化分矢量相互抵消,因横向磁化分矢量相互抵消,因而没有宏观横向磁化矢量而没有宏观横向磁化矢量(M(MXYXY)n n平衡态时在平衡态时在B Bo o中的质子群中的质子群n nMMXYXY=0=0n nMM0 0=M=MZ Z静磁场中人体组织获得磁化静磁场中人体组织获得磁化n n人体进入静磁场后,经过质子有序排列,组织宏观上产人体进入静磁场后,经过质子有序排列,组织宏观上产生了一个纵向磁化矢量生了一个纵向磁化矢量MMZ Z,组织有了磁性组织有了磁性n n纵向磁化矢量纵向磁化矢量MMZ Z不是振荡磁场,无法测定不是振荡磁场,无法测定n n振荡
19、磁场是一种随时间而变化的磁场,它的磁场变化可振荡磁场是一种随时间而变化的磁场,它的磁场变化可在天线内感应产生电压,用电流表可以测定在天线内感应产生电压,用电流表可以测定n n纵向磁化矢量纵向磁化矢量MMZ Z不移动,也不旋转,因此无法记录不移动,也不旋转,因此无法记录条件三:射频脉冲(条件三:射频脉冲(RF)进入主磁场后人体被进入主磁场后人体被进入主磁场后人体被进入主磁场后人体被磁化了,产生纵向宏磁化了,产生纵向宏磁化了,产生纵向宏磁化了,产生纵向宏观磁化矢量观磁化矢量观磁化矢量观磁化矢量不同的组织由于氢质不同的组织由于氢质不同的组织由于氢质不同的组织由于氢质子含量的不同,宏观子含量的不同,宏
20、观子含量的不同,宏观子含量的不同,宏观磁化矢量也不同磁化矢量也不同磁化矢量也不同磁化矢量也不同磁共振不能检测出纵磁共振不能检测出纵磁共振不能检测出纵磁共振不能检测出纵向磁化矢量向磁化矢量向磁化矢量向磁化矢量MR能检测到怎样的磁化矢量呢?能检测到怎样的磁化矢量呢?n nMMZ Z不是振荡磁场,无法单独检测,不能用于成像不是振荡磁场,无法单独检测,不能用于成像n n如果要检测质子的自旋,收集信号,只有在垂直于静磁如果要检测质子的自旋,收集信号,只有在垂直于静磁场场BoBo方向的横向平面有静磁化矢量方向的横向平面有静磁化矢量n n为了设法检测到特定质子群的静磁化矢量,并用于成像,为了设法检测到特定质
21、子群的静磁化矢量,并用于成像,需使静磁化矢量偏离需使静磁化矢量偏离BoBo方向方向n n为了达到这个目的,在为了达到这个目的,在MRIMRI中采用了射频脉冲中采用了射频脉冲MR不能检测到纵向磁化矢量,不能检测到纵向磁化矢量,但能检测到但能检测到旋转旋转的横向磁化矢量的横向磁化矢量如何才能产生横向宏观磁化矢量?如何才能产生横向宏观磁化矢量?射频脉冲的作用射频脉冲的作用n n共振共振n n排列起一组音叉,敲击一个音叉振动排列起一组音叉,敲击一个音叉振动发音时,组内与之音调相同的音叉就发音时,组内与之音调相同的音叉就会吸收能量振动发音,这个过程叫做会吸收能量振动发音,这个过程叫做“共振共振”n n共
22、振共振:能量从一个振动着的物体传递:能量从一个振动着的物体传递到另一个物体,后者以与前者相同的到另一个物体,后者以与前者相同的频率振动。共振的条件是相同的频率,频率振动。共振的条件是相同的频率,实质是能量的传递实质是能量的传递n n照此原理,将电磁波的能量发射到质照此原理,将电磁波的能量发射到质子群上,一旦子群上,一旦MM加大偏转角并产生旋加大偏转角并产生旋转,即可达到产生振荡磁场的目的转,即可达到产生振荡磁场的目的共振共振n n条件:频率一致n n实质:能量传递射频脉冲(射频脉冲(RF)n n射频脉冲射频脉冲(radio frequencyradio frequency,RFRF)系统产生能
23、量)系统产生能量激发激发质子共振,质子共振,并并接受接受质子释放的能量质子释放的能量组成:射频放大器射频通道脉冲线圈:发射线圈 接收线圈作用:激发人体产生共振(广播电台的发射天线)采集MR信号(收音机的接收天线)RF系统包括下列组件:n n脉冲线圈的分类脉冲线圈的分类n n按作用分两类按作用分两类n n激发并采集激发并采集激发并采集激发并采集MRIMRI信号(体线圈)信号(体线圈)信号(体线圈)信号(体线圈)n n仅采集仅采集仅采集仅采集MRIMRI信号,激发采用体线圈进行(绝大信号,激发采用体线圈进行(绝大信号,激发采用体线圈进行(绝大信号,激发采用体线圈进行(绝大多数表面线圈)多数表面线圈
24、)多数表面线圈)多数表面线圈)按与检查部位的关系分:按与检查部位的关系分:体线圈体线圈表面线圈表面线圈第一代为线性极化表面线圈第一代为线性极化表面线圈第二代为圆形极化表面线圈第二代为圆形极化表面线圈第三代为圆形极化相控阵线圈第三代为圆形极化相控阵线圈第四代为一体化全景相控阵线圈第四代为一体化全景相控阵线圈射频脉冲(射频脉冲(RF)条件)条件n nRFRF的频率与质子的进动频的频率与质子的进动频率相同率相同n n激发:激发:RFRF把能量传递给低能级把能量传递给低能级质子的过程(共振)质子的过程(共振)n n质子群共振后生成质子群共振后生成横向磁化矢量横向磁化矢量n nMRIMRI信号检测是在信
25、号检测是在XYXY平面进行的,平面进行的,射频脉冲的种类射频脉冲的种类根据根据RFRF激发后静磁化矢激发后静磁化矢量偏转的角度量偏转的角度n n9090o o射频脉冲射频脉冲n n180180o o射频脉冲射频脉冲n n小角度射频脉冲小角度射频脉冲令偏转角达令偏转角达9090o o的射频脉的射频脉冲称为冲称为9090o o射频脉冲射频脉冲n nRFRF脉冲作用后,静磁化矢脉冲作用后,静磁化矢量量MMo o翻转翻转9090o o到到XYXY平面上平面上n n垂直方向:垂直方向:MMZ Z=o on n水平方向:水平方向:MMXYXY最大,大小最大,大小等于等于MMo o宏观效应宏观效应射频脉冲激
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