核磁共振成像简介1 姚红英

核磁共振成像的发展过程 核磁共振成像物理基础 核磁共振成像的图像重建 实验仪器及方法介绍 快速成像系列 磁共振血管成像

一、核磁共振成像的发展过程

背景简介 核磁共振波谱学 核磁共振成像学 液体高分子的化学成分和分子结构 固体高分辨率核磁共振波谱分析 900MHz 20T 化学、生物大分子、材料和制药 Felix Bloch Edward M. Purcell 核磁共振成像学 生物医学领域 10T 石油测井 寻找地下水源 Paul C. Lauterbur Sir P. Mansfield

磁共振成像的发生与发展 磁共振成像的萌芽期 1946年到1972年 1971年 Science “用NMR信号可诊断疾病” 磁共振成像的萌芽期 1946年到1972年 1971年 Science “用NMR信号可诊断疾病” “恶性组织中氢的T1时间延长” 1972年用NMR信号完全可以重建图像 1973年 NMR成像突然出现在人们面前 Raymond Damadian NMR开始作为分析工具，研究范围扩展到了生物领域；Damadian对植入恶性肿瘤的大鼠进行NMR实验发现二种组织的信号明显不同， Paul Lauterbur

磁共振成像的成熟期 1973年到1978年 达马迪安、FONAR成像法和他的Indomitable 坚定 执著 无所畏惧

磁共振成像的成熟期 1973年到1978年 1971年9月的一天 数周的实验弄清三个问题 长达几个月的研究 梯度场、劳特伯及其组合层析成像法 磁共振成像的成熟期 1973年到1978年 1971年9月的一天 数周的实验弄清三个问题 长达几个月的研究 梯度场、劳特伯及其组合层析成像法 1973年 《自然》发表 4mm的蛤蜊，活鼠 选择激发的NMR信号应能产生一个成像层区域；信号幅度要足够大可以通过傅里叶变换得到空间图像；主磁体要有一定的磁场均匀性以保证成像质量。 劳特伯首先创立了用一组投影得到NMR图像的方法

磁共振成像的成熟期 1973年到1978年

磁共振成像的发展期 1978年以后 研究方向的转折 商品化过程 传统放射学的新工具 磁共振成像的发展期 1978年以后 研究方向的转折 商品化过程 传统放射学的新工具 78年以后，磁共振成像技术全面发展。五个方面的转变：从人体成像实验系统的研究到工艺装置的研究；从局部成像的研究到全身成像研究；由实验研究过渡到临床应用研究；从侧重于成像理论研究转变为加快成像速度、提高信噪比、改善图像质量的研究；从大学、研究所的科研活动扩展到多厂商参与研究和开发的商业行为。

我国磁共振成像的临床应用和开发研究 萌芽探索期 1986 ~ 1990年 萌芽探索期 1986 ~ 1990年 1980年前后 国际上已商品化 放射学家、医学物理学家和生物医学、工程学家 广州医学院医学物理学教授谢楠柱1983年8月参加美国会议 同年11月美国史东尼克博士来华讲学 1984年 中国医学影像技术研究会 在北京成立 1984年底 中国科健有限公司成立 1987年1月 安科公司成立运作 ， 1990年初，首台ASP-015在河北应用

全面发展期 1991年至今 陆续引进一批1.0T、 1.5T 、2.0T 超导成像设备 一些大型教学医院引进3.0T临床研究型系统 全面发展期 1991年至今 陆续引进一批1.0T、 1.5T 、2.0T 超导成像设备 一些大型教学医院引进3.0T临床研究型系统 磁共振成像产业的起步和发展 安科公司 迈迪特公司 西门子迈迪特公司 宁波鑫高益磁材有限公司 沈阳东软数字医疗股份有限公司 北京万东医疗装备股份有限公司 西安蓝港数网股份有限公司 我国以低场永磁产品为主，水平达到世界先进水平

二、核磁共振成像物理基础

核磁共振及其成像 磁共振成像的基本原理 共振特性 发射RF信号 物质的物理化学性质 在成像中这种RF信号也携带组织的空间信息 磁共振(MR)图像就是一个显示来自人体层面内每个组织体素的RF信号强度大小的像素的阵列 亮度----信号强度 信号强度----核密度,T1, T2 与磁场和RF能量相互作用的组织构成成份都是单个原子核-----核磁共振 磁共振成像的基本原理

人体组织中的磁性核 具有磁性核的同位素

成像周期 产生一幅图像需要几个步骤：加脉冲；产生梯度场；检测信号获得信号所需要的总时间：TR，NE， NS 决定产生一幅图像所需要的周期个数的因素

E = h h = E = gINB0 E = E2-E1 射频脉冲 radio frequency pulse, RF 核磁共振 核磁共振现象 原子核在外磁场作用下发生能级分裂,在一定射频场作用下吸收其能量发生能级跃迁的现象. 塞曼能级分裂 E = E2-E1 射频脉冲 radio frequency pulse, RF E = h 核磁共振 h = E = gINB0

核自旋 磁共振 Larmor进动频率 0= B0  - 回磁比 Mz Mxy E 射频脉冲B1, ω, t 17

磁化过程 磁化强度矢量 组织体素的浓度 核素的磁化灵敏度 磁场强度 由单个原子核的校直导致组织体素的磁化

磁化强度矢量M M =∑ 质子系统的纵向磁化

 =  B1 0 = B0 纵向磁化减小 纵向磁化向xOy平面翻转 与产生横向磁化

90脉冲 180脉冲  =  B1

主要设备 射频线圈 乳腺线圈 肩关节线圈 膝关节线圈 头部线圈 体部线圈

弛豫过程 松弛 、舒张、放松. 自然界的固有属性. 非平衡态到平衡态. 纵向磁化 平衡态 Ｍ０ 横向磁化 非平衡状态 M

弛豫的分类 自旋-晶格弛豫，纵向弛豫 自旋-自旋弛豫，横向弛豫 自旋核周围局部场的任何波动，只要其频率与自旋核的共振 频率相当，均可引起核系统的弛豫。能量传递的过程。 自旋-晶格弛豫，纵向弛豫 一个自旋核与环境交换能量的过程 自旋-自旋弛豫，横向弛豫 高能态的核将能量传递给低能态的核

纵向弛豫时间T1 弛豫过程中纵向磁化的生长 在每个成像周期开始时，纵向磁化被一个RF脉冲减小到零。 然后在这周期内让它弛豫。在弛豫阶段，测量其磁场强度并作为像素的强度或亮度，周期就终止了。 纵向弛豫的快慢主要取决于自旋的原子核与周围分子(固体中的晶格、液体中的同类分子或溶剂分子)之间的相互作用情况。进动的质子有自己的磁场，周围晶格也有自己的磁场，只有磁场的波动与拉莫尔频率接近时，能量传递越有效。水分子很小，运动很快，T1长；而中等大小的分子如脂肪，T1短。固体分子的热运动受到限制，不能有效的产生自旋-晶格弛豫，其T1就很长。液体的T1较小。 弛豫过程中纵向磁化的生长

具有不同T1值的组织的纵向弛豫的比较 同一时间，具有最短T1的组织却具有最大的磁化 所以具有短T1的组织在T1加权像中是亮的

T1对比度 为了产生T1加权像，TR值选得等于组织的T1值，在组织恢复到磁化强度的63%时图像就被快摄下来 两种组织之间T1对比度的形成

质子密度对比度 TR为三倍的T1, 可以产生质子密度对比度 质子密度对比度的形成 两种组织情况T1和质子密度对比度的比较

横向弛豫时间T2 横向磁化很快会衰减 横向弛豫时间T2，T2比T1短 具有最短T2值的组织要比其他组织衰减快

纵向分量要回家，横向分量要散伙； 散伙得快，回家得慢。 ＭＺ　　Ｍ０　　　　ＭＸＹ　　０

综合弛豫轨迹 90 脉冲后磁化强度矢量的弛豫

自由感应衰减信号 FID

自旋回波信号 Spin Echo

用于成像的信号是采集线圈中的感应电动势 B =0 M  = BS

T2对比度 选择长TE就会得到T2对比度，但要兼顾信号强度 T2对比度的形成

图像对比度 T1加权像的条件 短TR 和短TE T2加权像的条件 长TR和长TE 质子密度加权像的条件 长TR和短TE 单个组织的亮度和不同组织间的对比度是由TR和TE之间的关系以及组织的基本特性(即质子密度、T1和T2)所决定。在大多数MR图像中，对比度并不是由某一组织持性决定的，而是由三个组织因素共同决定的。 T1加权像的条件 短TR 和短TE T2加权像的条件 长TR和长TE 质子密度加权像的条件 长TR和短TE 各种情况发生的序列和决定图像对比度的因素

脑灰质、脑白质和脑脊液

加权图像 脑白质 脑灰质 脑脊液 T1(ms)/WI 515/白 817/灰 1900/黑 T2(ms)/WI 74/灰 87/灰白 T1WI T2WI PDWI 脑白质 脑灰质 脑脊液 T1(ms)/WI 515/白 817/灰 1900/黑 T2(ms)/WI 74/灰 87/灰白 250/白

核磁共振信号的有关概念 软脉冲和硬脉冲 90°脉冲和180°脉冲 FID信号 SE信号 感生电动势，核磁共振信号MR 化学位移和磁共振谱

软脉冲和硬脉冲

90°脉冲和180°脉冲  =  B1

FID信号(Free Induction Decay) 自由感应衰减信号

SE信号 Spin Echo 自旋回波信号

感生电动势，核磁共振信号MR

化学位移和磁共振谱  = -s =  −s s  测试样品自旋核共振频率 s 标准样品自旋核共振频率 化学位移（Chemical shift） 均匀静磁场中，处于不同化学环境下的同一种自旋核会受到不同磁场B的作用，因而会有不同的共振频率，这种共振频率的差异称为化学位移（chemical shift）  = -s =  −s s  测试样品自旋核共振频率 s 标准样品自旋核共振频率 化学位移是核磁共振波谱分析的主要对象 唯一可观察载体细胞代谢变化的非损伤检测技术

MRS分析 如图 乙基苯的质子谱线 乙基苯有C6H6、CH2、CH3三个原子团 三个原子团中氢核结合状态不同 谱线位移程度不同 三种氢核产生 如图 乙基苯的质子谱线 乙基苯有C6H6、CH2、CH3三个原子团 三个原子团中氢核结合状态不同 三种氢核产生 三条共振吸收谱线 谱线位移程度不同 TMS为四甲基硅(CH3)4Si(tetramethylsilane)，作为参考物质，因为它只有一个吸收峰，屏蔽作用高，固定射频频率时，信号出现在高场区，而其他化合物出现在低场区。 乙基苯的质子核共振谱线

MRS分析的应用 MRS 技术观测细胞代谢的医学基础 细胞中物质和能量的代谢变化 早于组织学结构改变 MRS出现异常早于MRI图像异常 对细胞能量代谢的观测 对疾病的早期诊断、鉴别性诊断、病理分期、判断预后及治疗效果会有重大作用 目前较先进的MRI装置均附有MRS功能

如何用MR信号形成图像？ 图像重建

作业1 1、如何理解加权像？ 2、简述SE序列时序和180脉冲的作用 3、试分析自旋回波T1加权、T2加权的条件及图像对比度形成原理 长TR, 短TE B.短TR , 短TE C.长TR ,长TE D.短TR , 长TE

参考书 1、赵喜平. 磁共振成像 北京: 科学出版社, 2004, 11 2、 Perry Sprawls. Jr. 医学成像的物理原理 北京:高等教育出版社, 1993, 4 3、 熊国欣, 李立本. 核磁共振成像原理 北京: 科学出版社, 2007, 8 4、 吉强, 洪洋 . 医学影像物理学 北京:人民卫生出版社, 2013, 9

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