医学影像系统原理5-MRI.ppt
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1、医学影像系统原理:磁共振成像技术,2,一、概论二、磁共振成像基本原理三、磁成像系统的构成,目录,3,GE 3T MRI Scanner,Animation from 3D MRI,4,不同成像谱段,5,非电离,电离,6,MRI,X-Ray,CT,Electromagnetic Radiation Energy,8,9,10,11,磁共振现象,磁共振成像的物理基础是核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)理论。NMR是一种射频波与核系统在外磁场中相互作用所表现出的共振特性,利用这一特性可以研究物质的微观结构。以不同的射频脉冲序列对生物组织进行激励,并用线圈检测组织
2、的弛豫和质子密度信息,显示来自人体层面内每个组织体素射频信号强度大小的像素阵列。,磁共振成像,磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)是利用生物体内磁性核(多数为氢核)在磁场中特性的表现而进行成像的高新技术。如今随着磁体、超导、低温、电子和计算机等相关技术的发展,磁共振成像技术已广泛应用于临床,成为现代医学影像领域中不可缺少的诊断手段之一。,12,磁共振成像的作用与影响,MRI是上世纪八十年代才发展起来的影像诊断技术。由于它彻底摆脱了电离辐射对人体的损害,又有多参数、多方位、大视野、组织特异性成像及对软组织有高分辨力等特点,它不仅能提供人体的解剖图像,还可反映
3、人体组织的生理生化信息,因此,医学界普遍认为:MRI是20世纪医学诊断领域最重要的进展之一,21世纪它将仍以一个新兴学科的面貌在工程技术学及医学诊断学两方面持续发展。,13,磁共振成像的历史,1946年,美国哈佛大学的Purcell及斯坦福大学的Bloch各自发现磁共振现象,由于这一现象在物理上、化学上具有重大的意义,Purcell和Bloch获1952年诺贝尔物理奖。从发现NMR到1980年应用到医学领域的成像技术,这中间经历了几代物理学家及医学家长达数十年的努力。,14,磁共振成像的历史,15,磁共振成像命名,磁共振成像技术的命名比较混乱。曾使用过的名称有:自旋成像法、自旋映像法、组合层析
4、摄影、NMR断层、NMR-CT、FONAR(场聚焦磁共振)和核磁共振成像(NMRI)等。1982年以后为了突出这一技术不产生电离辐射,同时又与放射性元素的核医学相区别,临床医生建议把“核磁共振成像术”简称为“磁共振成像(MRI)”。,16,磁共振成像特点:(一)多参数成像,由于MRI的信号是多种组织特征参数的可变函数,它所反映的病理生理基础较CT更广泛,具有更大的灵活性。MRI的信号强度与组织的弛豫时间、氢质子的密度、血液(或脑脊液)流动、化学位移及磁化率有关,其中驰豫时间,即T1和T2时间对图像对比起了重要作用,它是区分不同正常组织、正常与异常组织的主要诊断基础。因此,MRI的多参数成像,为
5、临床提供更多的诊断信息。,17,多参数成像,T1加权图像的对比:主要取决于不同组织的不同T1时间常数。T2加权图像的对比,主要依赖于不同组织的不同T2时间常数。质子密度N(H)对比:质子密度图像的对比,主要来源于不同组织的T2时间常数不同。T2*加权图像的对比,主要来源于组织磁化率的差异。相位对比:以相位关系表示图像的对比关系,常用以显示流体对比及流体与静态组织的对比。弥散对比:弥散加权图像的对比,主要取决于细胞分子的热运动速度。磁化传递对比:磁化传递对比,主要取决于大分子与小分子的相对比率。流动静止对比:流动增强效应与静态饱和之间的对比。流速对比:流动速度对应于信号强度所产生的图像对比。,1
6、8,19,磁共振成像特点:(二)多方位成像,自线性梯度磁场应用于MRI系统后,就不再用旋转样品或移动病人的方法来获得扫描层面,而是用Gx,Gy和Gz三个梯度或者三者的任意组合来确定层面,即实现了所谓的选择性激励。因此,MRI可获得人体横断面、冠状面、矢状面及任何方位断面的图像,有利于病变的三维定位及解剖结构的完整、连续显示,使医学界从三维空间上观察人体成为现实。,20,21,磁共振成像特点,(三)大视野成像 MRI在冠状面、矢状面和斜面等方向可产生大视野图像,对整体观察组织、器官的结构与病变的关系具有明显的优势,对临床术前定位具有重要意义。(四)组织特异性成像 通过使用特殊的脉冲序列特异性显示
7、水、脂、软骨及静态液和流体等组织。如水成像技术用于显示静态液;黑水技术可以区分结合水与自由水;脂肪激发可以专门用于显示脂肪;水激发及脂肪抑制可用于关节软骨的显示;TOF、PC可用于流体的显示。亦可采用不同的脉冲序列特异性的显示某种病理组织,监测病理演变过程,如血肿不同期的演变过程等。,22,磁共振成像特点:(三)人体能量代谢研究,任何生物组织在发生结构变化之前,首先要经过复杂的化学变化,然后才发生功能改变和组织学异常。但是,以往的影像诊断方法一般只提供单一的解剖学资料,没有组织特征和功能信息可利用。MRI的出现填补了上述两项空白,使疾病的诊断深入到分子生物学和组织学水平。如T1和T2弛豫时间及
8、其加权像本身就反映质子群周围的化学环境,即生理和生化信息的空间分布。又如,通过磁共振波谱(MRS,magnetic resonance spectroscopy)的研究亦可洞察组织器官的能量代谢情况,是目前唯一能对人体的组织代谢、生化环境及化合物进行定量分析的无创伤性方法。,(四)无电离辐射,即无创性检查,MRI系统的激励源为短波或超短波段的电磁波,波长在1m以上(小于300MHz),无电力辐射损伤。从成像所用的频率看,尽管MRI系统的峰值功率可达千瓦数量级,但平均功率仅为数瓦,完全低于推荐的非电离辐射的安全标准。可见,MRI是一种安全的检查方法,这是MRI能够迅速发展并被人们所接受的主要原因
9、之一。,23,24,磁共振成像特点:(五)无骨伪影干扰,各种投射性成像技术往往因气体和骨骼的重叠而形成伪影,给某些部位病变的诊断带来困难。例如,行头颅X射线CT扫描时,就经常在岩骨、枕骨粗隆等处出现条状伪影,影响后颅凹的观察。MRI无此类骨伪影。穹窿和颅底的骨结构也不影响磁共振颅脑成像,从而使后颅凹的肿瘤得以显示。,25,磁共振成像局限性,(一)成像速度慢 MRI系统成像速度的快慢一般是相对于同时期X射线CT的成像速度而言的。成像速度慢是MRI的主要缺点,使得该检查的适应症大为减少。例如,它不适合于运动性器官、危重病人、噪动、丧失自制能力等患者的检查。,开放式磁共振成像系统,国产开放式磁共振成
10、像系统(0.3T),28,(二)对钙化灶和骨皮质病灶不够敏感,钙化灶在发现病变和定性诊断方面均有一定作用,但磁共振图像上钙化通常却表现为低信号。另外,由于骨质中氢质子(或水)的含量较低,骨的信号同样比较弱,使得骨皮质病变不能充分显影,对骨细节的观察也就比较困难。例如,岩骨是以皮质骨为主的结构,加上其中气化的乳突蜂窝,它在磁共振图像上将表现为典型的低信号区。,(三)图像易受多种伪影影响,MRI的伪影主要来自设备、运动和金属异物三个方面。常见的有化学位移伪影、卷褶伪影、截断伪影、非自主性运动伪影、自主性运动伪影、流动伪影、静电伪影、非铁磁性金属伪影和铁磁性金属伪影等。,29,(四)禁忌症多,MRI
11、系统的强磁场和射频场有可能使心脏起搏器失灵,也容易使各种体内金属性植人物移位。在激励电磁波作用下,体内的金属还会因为发热而造成伤害。因此,植有心脏起搏器的病人、安装假肢或人工髋关节的病人、疑有眼球异物的病人以及动脉瘤银夹结扎术后的病人等都是严禁行MRI检查的,装有假牙的病人不能进行颌面水平的MRI检查。放置宫内节育环的患者如在检查中发现不适感应立刻停止检查。如受检部位在盆部,金属节育环造成的伪影也可能使检查失败。,30,31,磁共振成像的局限性,(五)定量诊断困难 对通常采用的质子密度、T1和T2加权像,其权重值尚难精确测定。因此,MRI还不能像X射线CT那样在图像上进行定量诊断。,32,磁共
12、振成像物理学原理,所谓磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)就是利用生物体内特定原子磁性核在磁场中所表现出的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高新技术。其物理基础为磁共振理论,其本质是一种能级间跃迁的量子效应。,Synopsis of MRI,1)Put subject in big magnetic field 2)Transmit radio waves into subject 2-10 ms 3)Turn off radio wave transmitter 4)Receive radio waves re-transmitted
13、 by subject 5)Convert measured RF data to image,Many factors contribute to MR imaging,Quantum properties of nuclear spinsRadio frequency(RF)excitation propertiesTissue relaxation propertiesMagnetic field strength and gradientsTiming of gradients,RF pulses,and signal detection,What kinds of nuclei ca
14、n be used for NMR?,Nucleus needs to have 2 properties:Spin ChargeNuclei are made of protons and neutrons Both have spin Protons have chargePairs of spins tend to cancel,so only atoms with an odd number of protons or neutrons have spin Good MR nuclei are 1H,13C,19F,23Na,31P,36,Hydrogen atoms are best
15、 for MRI,Biological tissues are predominantly 12C,16O,1H,and 14NHydrogen atom is the only major species that is MR sensitiveHydrogen is the most abundant atom in the bodyThe majority of hydrogen is in water(H2O)Essentially all MRI is hydrogen(proton)imaging,Nuclear Magnetic Resonance Visible Nuclei,
16、Resonance frequencies of common nuclei,Note:Resonance at 1.5T=Larmor frequency X 1.5,40,A Single Proton,+,+,+,There is electric charge on the surface of the proton,thus creating a small current loop and generating magnetic moment m.,The proton also has mass which generates anangular momentumJ when i
17、t is spinning.,J,m,Thus proton“magnet”differs from the magnetic bar in that it also possesses angular momentum caused by spinning.,Magnetic Moment,I,B,F,L,F=IBL,B,L,W,t=IBLW=IBA,m=tmax/B=IA,t=m B=m B sinq,Force,Torque,Angular Momentum,J=mw=mvr,m=g J m is the magnetic momentg is called gyromagnetic r
18、atio.It is a constant for a given nucleus.,The magnetic moment and angular momentum are vectors lying along the spin axis.They satisfy the following equation:,Magnetic Moment&Angular Moment,How do protons interact with a magnetic field?,Moving(spinning)charged particle generates its own little magne
19、tic fieldSuch particles will tend to line up with external magnetic field lines(think of iron filings around a magnet)Spinning particles with mass have angular momentumAngular momentum resists attempts to change the spin orientation(think of a gyroscope),48,Flash demo of spinning protons in Chapter
20、2,The energy difference between the two alignment states depends on the nucleus,D E=g h Bo=h nh is Planck constantn=g/2p Bo g/2p is known as Larmor frequency,g/2p=42.57 MHz/Tesla for proton,Lamor Precession,50,51,52,A Mechanical Analogy:A Swing set,Person sitting on swing at rest is“aligned”with ext
21、ernally imposed force field(gravity)To get the person up high,you could simply supply enough force to overcome gravity and lift him(and the swing)up Analogous to forcing M over by turning on a huge static B1.The other way is to push back and forth with a tiny force,synchronously with the natural osc
22、illations of the swing.Analogous to using a tiny RF B1 over a period of time to slowly flip M over.,g,If M is not parallel to B,then it precesses clockwise aroundthe direction of B.“Normal”(fully relaxed)situation has M parallel to B,and therefore does not precess,Precession,This is like a gyroscope
23、,56,Flash demo of proton like a gyroscope in Chapter 4,MRI uses a combination of Magnetic and Electromagnetic Fields,NMR measures the net magnetization of atomic nuclei in the presence of magnetic fieldsMagnetization can be manipulated by changing the magnetic field environment(static,gradient,and R
24、F fields)Static magnetic fields dont change(0.1 ppm/hr):The main field is static and(nearly)homogeneousRF(radio frequency)fields are electromagnetic fields that oscillate at radio frequencies(tens of millions of times per second)Gradient magnetic fields change gradually over space and can change qui
25、ckly over time(thousands of times per second).,Radio Frequency Fields,RF electromagnetic fields are used to manipulate the magnetization of specific types of atoms This is because some atomic nuclei are sensitive to magnetic fields and their magnetic properties are tuned to particular RF frequencies
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