生物医学工程基础四-生物医学图象.ppt
2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,1,生物医学图象(Biomedical Imaging),生物医学工程基础（四）核磁共振成象Lin Jiangli(Associate Prof.)（2007.11）,Imaging technologies are changing the way science is done(R.P.Crease,Science,Vol.261,July 1993),2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,2,核磁共振成象（MRI：Magnetic Resonance Imaging）,MRI完成于80年代，对医学成像产生意义深远的影响,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,3,核磁共振成象（MRI：Magnetic Resonance Imaging）,磁共振图像也是通过计算机处理后产生的图像。与CT不同的是，CT图中每个像素的数值代表的是人体组织中某一个体素对X线的衰减；而在磁共振图像中，每个像素的值代表的是从某个体素来的磁共振信号的强度，它与共振核子的密度有关。,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,4,对人体无创伤、无电离辐射，安全；可以较容易地获得人体组织不同断面的图像图像分辨率高（分辨率可达0.5mm）可以不注射造影剂,对血管成像对人体可以做出形态和功能两方面的诊断（fMRI：磁共振功能成像）,MRI的突出优点,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,5,主要内容,MRI的历史与MRI的概况核磁共振现象 驰豫时间 MRI的信号检测核空间定位MRI成像原理MRI成像设备组成,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,6,一、History核磁共振现象的发现,1946年美国Stanford大学的Felix Bloch费利克斯布洛赫及哈佛大学Edward Purcell爱德华珀塞尔各自首次发现核磁共振现象，并因此于1952获得诺贝尔奖。19501970，NMR发展成为物理与化学的重要分析仪器。到70年代后期，对人体的成像才获得成功,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,7,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,8,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,9,History：NMR诊断的想法,1971年，美国SUNY-Brooklyn的医生Raymond Damadian利用磁共振波谱仪对小鼠研究，发现组织与肿瘤的核磁共振T1、T2弛豫时间不同，癌变组织的T1，T2弛豫时间比正常组织长；而引发用NMR诊断的想法。1969，提出MR scanner 的设想；1971，“tumor detecting by MR”,T1,T21977，第一台MRI，1978，Fonar 公司1980，上市,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,10,History：MRI出现,1973-Paul Lauterbur（保罗劳特布尔）首先以小试管样本示范MRI。他发表于3/16/1973 Nature的论文 Image formation by induced local interaction;examples employing magnetic resonance。Nature的编辑原先将此文退稿，理由是不具有科学价值。在此文中，Lauterbur描述了如何用迭加于强磁场上的弱梯度磁场来得到两支装水试管的空间位置。,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,11,History：FT MRI,1975年，瑞士ETH-Zurich物理化学教授Richard Ernst 建议应用相位编码、频率编码、Fourier转换之技术于MRI，而沿用至今。Richard Ernst:FT MRINobel Prize,1991获得诺贝尔化学奖,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,12,History：EPI,1977年，Raymond Damadian 示范全身MRI。1977年，英国Nottingham大学物理教授Peter Mansfield彼得曼斯菲尔德开发出回波平面成像(echo-planar imaging,EPI)法，后来发展到可达录像速率(30 ms/影像)的成像法。,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,13,History：MRI走向临床,1980运用Ernst的技术于人体成像，单一影像约需5 min取得。1984年 美国FDA批准核磁共振使用于临床；1986 中国成立安科公司1986成像时间缩到约5 sec。1986开发出NMR显微镜。1987用于制作一心脏周期的实时影片。1987美国GE公司完成核磁共振血管影像法(MRA)，不需使用对比剂便可得到血液流动的影像。1993开发出功能MRI(fMRI)，用于观察人脑各部位的功能。,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,14,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2003,Paul C.Lauterbur保罗劳特布尔University of Illinois Urbana,IL,USA,Peter Mansfield 彼得曼斯菲尔德University of Nottingham,School of Physics and Astronomy Nottingham,United Kingdom,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,15,Paul C.Lauterbur Prize Award Photo,Sir Peter Mansfield Prize Award Photo,10/6,2003,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,16,2003年诺贝尔生理学或医学奖成果,正确而及时的诊断对于患者而言至关重要。核磁共振成像技术的普及挽救了很多患者的生命。这种方法精确度高，可以获得患者身体内部结构的立体图像。根据现有实验结果，它对身体没有损害。2003年诺贝尔生理学或医学奖表彰的就是这一领域的奠基性成果。瑞典卡罗林斯卡医学院日决定，把2003年诺贝尔生理学或医学奖授予现年74岁的美国科学家保罗劳特布尔和现年70岁的英国科学家彼得曼斯菲尔德，以表彰他们在核磁共振成像技术领域的突破性成就。诺贝尔奖评选委员会认为，用一种精确的、非入侵的方法对人体内部器官进行成像，对于医学诊断、治疗和康复非常重要。这两位科学家的成果对核磁共振成像技术的问世起到了奠基性的作用。,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,17,2003年诺贝尔生理学或医学奖成果,原子是由电子和原子核组成的。原子核带正电，它们可以在磁场中旋转。磁场的强度和方向决定原子核旋转的频率和方向。在磁场中旋转的原子核有一个特点，即可以吸收频率与其旋转频率相同的电磁波，使原子核的能量增加，当原子核恢复原状时，就会把多余的能量以电磁波的形式释放出来。这一现象如同拉小提琴时琴弓与琴弦的共振一样，因而被成为核磁共振。1946年美国科学家费利克斯布洛赫和爱德华珀塞尔首先发现了核磁共振现象，他们因此获得了1952年的诺贝尔物理学奖。核磁共振现象为成像技术提供了一种新思路。物质是由原子组成的，而原子的主要部分是原子核。如果把物体放置在磁场中，用适当的电磁波照射它，然后分析它释放的电磁波就可以得知构成这一物体的原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的精确立体图像。如果把这种技术用于人体内部结构的成像，就可获得一种非常重要的诊断工具。,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,18,2003年诺贝尔生理学或医学奖成果,然而从原理到实际应用往往有漫长的距离。20世纪70年代初期，核磁共振成像技术研究才取得了突破。1973年，美国科学家保罗劳特布尔发现，把物体放置在一个稳定的磁场中，然后再加上一个不均匀的磁场（即有梯度的磁场），再用适当的电磁波照射这一物体，这样根据物体释放出的电磁波就可以绘制成物体某个截面的内部图像。随后，英国科学家彼得曼斯菲尔德又进一步验证和改进了这种方法，并发现不均匀磁场的快速变化可以使上述方法能更快地绘制成物体内部结构图像。此外，他还证明了可以用数学方法分析这种方法获得的数据，为利用计算机快速绘制图像奠定了基础。在这两位科学家成果的基础上，第一台医用核磁共振成像仪于20世纪80年代初问世。后来，为了避免人们把这种技术误解为核技术，一些科学家把核磁共振成像技术的“核”字去掉，称为其为“磁共振成像技术”，英文缩写即MRI。,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,19,2003年诺贝尔生理学或医学奖成果,核磁共振成像技术的最大优点是能够在对身体没有损害的前提下，快速地获得患者身体内部结构的高精确度立体图像。利用这种技术，可以诊断以前无法诊断的疾病，特别是脑和脊髓部位的病变；可以为患者需要手术的部位准确定位，特别是脑手术更离不开这种定位手段；可以更准确地跟踪患者体内的癌变情况，为更好地治疗癌症奠定基础。此外，由于使用这种技术时不直接接触被诊断者的身体，因而还可以减轻患者的痛苦。目前核磁共振成像仪在全世界得到初步普及，已成为最重要的诊断工具之一。2002年，全世界使用的核磁共振成像仪共有2.2万台，利用它们共进行了约6000万人次的检查。,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,20,第一台MRI装置 1977,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,21,世界上第一张 MRI 图象1978年 英国取得了第一幅人体头部的磁共振图像；,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,22,MRI：设备和图象,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,23,Example：Head Image,Bone and air are invisible.Fat and marrow（骨髓）are bright.muscle are dark.Blood vessels are bright.Grey matter is darker than white matter.,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,24,多参数成像,T1 ContrastTE=14 msTR=400 ms,T2 ContrastTE=100 msTR=1500 ms,Proton DensityTE=14 msTR=1500 ms,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,25,多截面成像,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,26,MRA核磁血管造影,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,27,fMRI功能成像,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,28,MR显微镜,100mm,100mm,体积分辨率需提高 109 倍,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,29,Example of a MR Image,A CT image of the brain compared to an MRI,CT MR,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,30,T1 weighted contrast,Dark on T1-weighted image:increased water,as in edema（水肿）,tumor,infarction（梗塞）,inflammation（炎症）,infection（感染）Fast flowing blood,Bright on T1-weighted image:fat protein-rich fluid slowly flowing blood,T1,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,31,T2 weighted contrast,increased water,as in edema,tumor,infarction,inflammation,infection,subdural collection Slow flowing blood,Dark on T2-weighted image:low proton density,calcification钙化,fibrous（纤维化）tissue protein-rich fluid Fast flowing blood,T2,Bright on T2-weighted image:,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,32,Contrast between normal tissues:MR T1 CT,T1,T2,CT,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,33,MRI Brain,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,34,MRI Brain Cancer,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,35,MRI 3D,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,36,射频辐射对机体是否有不良影响,射频辐射对机体会产生不同程度的不良影响，其影响的大小主要与辐射频率、电磁场强度，波的性质(脉冲或连续波)、暴露时间、机体与辐射源的距离和方位、暴怒部位和大小、组织含水量、有无脂肪层、散热能力以及有无防护措施等因素有关，其中频率是个主要的因素。,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,37,不同频率的射频电磁波，对机体的不良影响也不同，其危害随频率的加大而递增。射频电磁波按波长主要分为：中、短波频段(俗称高频电磁场)和超短波与微波。高频辐射对机体的影响较小，主要影响表现在：引起神经衰弱综合征和心血管系统的植物神经功能失调 微波辐射对机体的影响较大，其影响主要表现在热作用和非热作用两个方面。,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,38,二、磁共振现象,原子核中包含高速旋转的中子和质子移动的带电粒子能够产生磁场质子具有自旋的性质，由于质子是带正电的，它的自旋将产生一个小小的磁场，称为磁矩。中子具有自旋的性质，中子虽然为电中性的，但在它的体积内各电荷分量的分布是不均匀的，因此当它自旋时，也能产生磁矩。,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,39,自旋磁矩,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,40,净自旋,当原子核中含有奇数个中子或奇数个质子或两者都为奇数时，这个原子核就存在一个净自旋。要想产生磁共振现象，所观察样本的原子核必须具有净自旋。氢的主要同位素（质子）在人体中丰度大，而且它的磁矩便于检测，因此，常用它来获得磁共振图像。,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,41,原子核（质子）进动,氢核（质子）自旋产生一个小小的磁场，产生磁矩矢量,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,42,进动（Spin）与极化（Polarization）,无外界作用时，质子自旋，磁矢量朝向随机有外界磁场 B0作用时，质子会绕着磁场方向进动（极化）。进动的相位存在两种情况：平行（与B0同向）:低能量,原子数目多反平行（与B0同向）:高能量,原子数目少对齐后产生净磁矩M,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,43,特例：M位于x-y平面内,The Induced signal in the coil,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,44,Larmor频率,在外磁场作用下，自旋的质子产生进动进动频率称为Larmor 频率=*B0为旋磁比,是质子的固有特性B0=1T,=42.58 MHzLarmor频率在 射频（RF）范围,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,45,净磁矩（Net Magnetization）,不同原子的自旋方向是不同的，故不同原子的磁化方向也不同将M 分解为Mz 和 Mxy不同原子磁矩的平均值称为净磁矩若Mxy相互抵消，净磁矩由Mz给出若Mz=0,净磁矩为Mxy,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,46,净磁矩,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,47,核磁共振（NMR）,在外加磁场B0作用的同时，施加脉冲射频场的作用当RF的频率合适（取决于B0）时，进动的相位趋向一致，当完全一致时就发生核磁共振，原子由低能态激发到高能态共振时，质子大量吸收交变场的能量，同时向外辐射能量，此即为成像信号两种可能的激发 90脉冲:自旋从平行方向至垂直方向(lower RF)180脉冲:自旋从平行方向至反平行方向(higher RF),2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,48,不同原子的核磁共振特性,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,49,驰豫时间（Relaxations Times）,脉冲B1作用之后,被激发的自旋渐渐恢复到低能态，同时向外辐射RF信号，此过程成为驰豫。MRI通过测量两个驰豫时间信号成像T1:90RF作用之后，Mz恢复到平衡态的63%所需要的时间T2:90RF作用之后，Mxy衰减到原始静磁矩的37%所需要的时间T1和T2对不同的组织是不同的，因此可以反映解剖结构的信息,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,50,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,51,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,52,驰豫是一个能量转化、恢复的过程。在弛豫过程中，横向弛豫和纵向弛豫同时进行。90脉冲停止之后，净磁化矢量(M)以螺旋的形式上升，趋向Bo；横向磁化矢量由最大逐渐变为零，而纵向磁化矢量则逐渐由零恢复成最大值。,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,53,不同组织的驰豫时间,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,54,MRI的信号检测与空间定位,需要检测3D空间中每一点的T1和 T2通过施加梯度磁场定位空间点，并使B0 沿z轴方向在z方向施加线性梯度场Gx(与B0相比很小)Z方向的不同点受到不同的磁场(B0+Gx)作用，受激后不同的射频信号现代MRI系统有三个沿坐标轴方向的线圈，产生三个梯度场给出激发的RF，就可以获得空间位置,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,55,因为拉莫尔频率与磁场强度成正比，因此，如果设计一个外加磁场沿着直角坐标的x轴成梯度改变，那么所得到的共振频率也显然与体元在x轴的位置有关。,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,56,用梯度磁场实现定位空间,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,57,核磁共振成像（MRI）原理,将人体置入一个强磁场中；对人体施加一个一定频率的交变射频场，使被探测的质子共振并向外辐射能量；在人体周围的接收线圈中就会有感应电势产生；接收到电信号经过计算机处理后，得到人体的断层图像；图像灰度代表磁共振信号的强度及弛豫时间T1和T2 典型的MRI对氢核（或质子）成像氢核在人体组织中普遍存在氢核产生强的磁共振信号,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,58,Bloch Equation,若M受某种影响偏离 的方向，则M将绕 进动，进动的角频率为：,微观,宏观,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,59,MRI成像原理,成像方法概述磁共振成像的空间定位层面选择相位编码频率编码梯度周期与成像时序图像重建,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,60,1D and 2D Imaging,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,61,梯度场在空间定位中的作用,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,62,磁共振成像的空间定位层面选择,应用选择性激发（Selective Excitation）用一个有限带宽（窄带）的射频脉冲，仅对共振频率在该频带范围的质子进行共振激发,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,63,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,64,Gradient Fields,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,65,相位编码与频率编码,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,66,Sequence,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,67,Pulse sequence,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,68,MRI:Driving through K-space,kx(t)and ky(t)give the position to record v(t)in K-space,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,69,Spin-echo,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,70,梯度施加时序,(SE序列为例,采集矩阵128*128),2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,71,Why CP Spin echo makes an echo,This animation shows the rotating frame coordinates.The two RF pulses(p/2&p)tip about the rotating x axis.The arrows are magnetization at various points in the sample.Most arrows precess faster or slower than the rotating frame.,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,72,MRI的三要素,静态磁场梯度磁场射频电磁场,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,73,静磁场的作用：,在静磁场B0的作用下，磁轴原为任意取向的自旋质子，将依外磁场的方向重新取向，并依拉摩尔方程（Larmour Equation）的规律，以新的角速度（自旋频率）自旋，产生自旋质子的“进动”运动。因此，静磁场的作用是使自旋质子进动。,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,74,射频电磁场的作用：,具有一定进动频率的自旋质子，当受到相同频率（拉摩尔频率）的脉冲电磁波（射频脉冲）B1呈一定的方向进行“激励”时，部分低能态的自旋质子，则可吸收脉冲电磁波的能量，“逆转”为高能态质子。一旦射频脉冲处于暂停的瞬时，由低能态逆转为高能态的自旋质子，将会回复为低能态质子，并将它们所吸收的能量，以电磁波的形式，重新释放到质子的周围环境。这时，在质子周围（受检人体周围）如果置有探测器，便可检测到电磁波信号、即磁共振信号。上述过程，也就是自旋质子的磁共振现象。因此，射频电磁场的作用是产生磁共振。,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,75,梯度磁场的作用：,为了检测3D空间中每一点的T1和 T2，施加梯度磁场定位空间点，并使B0 沿z轴方向。在z方向施加线性梯度场Gz(与B0相比很小)，Z方向的不同点受到不同的磁场(B0+Gz)作用，受激后不同的射频信号，从而定位来自不同空间点（Z方向）的信号。同理，在X、Y方向也施加线性梯度场，以全面实现信号源的空间定位。因此，梯度场的作用是实现磁共振信号源的空间定位。,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,76,图像重建,二维与三维的图像通过傅立叶变换进行重建。为了获得有高信噪比的图像，整个步骤需要重复多次。以自旋回波为例，二维傅立叶变换的成像原理：自由感应衰减（FID）代表叠加在一起的正弦震荡，需要用数学方法将振幅随时间变化的函数转化成为振幅按频率分布变化的函数，这个按频率分布变化的函数即为磁共振波谱，而这个转换称为傅立叶变换。由于傅立叶变换可以区分FID，将频率和相位分离开，因此，只要沿某层面互相垂直的两个方向分别进行编码，就可以得到某一单个体元的信息。多个这样的体元则构成了一个矩阵。再通过计算机算出体元的灰阶值，便可获得一帧磁共振图像。,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,77,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,78,Compare CT and MRI,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,79,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,80,MRI 的组成,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,81,MRI设备组成,2023/10/2,四川大学材料学院生物医学工程系,82,fMRI原理,功能成像方法（fMRI）主要是根据测量到的大脑各个区域的耗氧量，来判断某个区域是否处于活动之中。耗氧量越大，说明活动越厉害。此方法主要用于定位大脑的各个功能区，比如说视觉区，简单说就是区分哪一块大脑皮质对视觉起反应。,
