核磁共振成像实验(MRI) 物理学系 陈宏辉 11307110201 甘家雨 11307110221

实验装置 MRI中用到的磁场系统 静磁场 (Static Field),提供 原子核能级的分裂 梯度场 (Gradient Fields), 用于空间分辨 射频场(Radiofrequency transmitter Field),用于在 仪器与样品间传递能量信 号-仪器发射RF来激发样品 磁共振，样品磁共振后发 出RF信号被仪器接受 Gs——选层梯度磁场(Gradient of Slice Selection) Gf——频率梯度磁场(Gradient of Frequency-Encoding) Gp——相位梯度磁场(Gradient of Phase-Encoding) Slice——0,1,2分别对应x,y,z轴

采样的几个参数与成像结果的关系 视野(Field of View) (FOV)X=SW/γGX, (FOV)Y=NE/(2D1*γGY) 空间分辨率（P） PX= SW/(γGX*TD),PY=NE/(2D1*γGY*NE) 线性度 (FOV)X=(FOV)Y——保证图像空间形状 若GX=GY,则NE=2D1*SW 信噪比（SNR）

Spin Echo-Tissue Contrast 自旋回波权重像——理论 Spin Echo-Tissue Contrast 𝑆𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑦=𝐴𝑁 𝐻 ∗( 𝑒 − 𝑇𝐸 𝑇2 )∗(1− 𝑒 − 𝑇𝑅 𝑇1 ) 质子密度加权像 T1加权像 T2加权像

Spin Echo-Tissue Contrast Signal Intensity =AN(H)*(e-TE/T2) *(1 - e-TR/T1)

自旋回波权重像——结果 TR=100ms TR=300ms TR=500ms 𝐶𝑁𝑅= 𝜇𝑜𝑖𝑙−𝜇𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 𝜎𝑜𝑖𝑙+𝜎𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 CNR=9.0 SNR=30.4 TR=100ms TR=300ms TR=500ms CNR=9.2 SNR=37.0 CNR=8.6 SNR=37.7 𝐶𝑁𝑅= 𝜇𝑜𝑖𝑙−𝜇𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 𝜎𝑜𝑖𝑙+𝜎𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 TR=1200ms TR=2500ms CNR=6.1 SNR=40.9 CNR=3.65 SNR=39.8

反转恢复成像——理论 Inversion Recovery Imaging 180x——90x——180y脉冲 𝑆𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑦=𝐴𝑁 𝐻 ∗( 𝑒 − 𝑇𝐸 𝑇2 )∗(1− 𝑒 − 𝑇𝑅 𝑇1 )∗(1−2 𝑒 − 𝑇𝐼 𝑇1 )

反转恢复成像——理论 反转恢复成像对比自旋回波成像 Inversion Recovery Imaging 反转恢复成像对比自旋回波成像 在T1加权时，设置合适的反转时间(The Inversion Time),当 TI设定为目标组织T1的ln2倍时，可以使其反转恢复正好处于 零点（Null Point），从而在成像中消除目标组织的信号，获 得更好的组织间分辨力.在医学上常用于消除脂肪的影像.

实验中芝麻的反转恢复T1实测值是101.4ms，因此理论上TI 在70ms左右将会消去芝麻的成像信号而保留外部水的信号. 反转恢复成像——结果 TI=100μs TI=500μs TI=1000μs TI=20000μs TI=70000μs TI=200000μs 实验中芝麻的反转恢复T1实测值是101.4ms，因此理论上TI 在70ms左右将会消去芝麻的成像信号而保留外部水的信号.

MR成像质量评价 信噪比 Signal-to-Noise Ratio 常用于MR成像质量评价的参数： Parameters to describe the image 信噪比 Signal-to-Noise Ratio 空间分辨率 Resolution 对比度 Tissue Contrast 视野/扫描野 Coverage 扫描时间 Scan Duration

图像信噪比（Signal-to-Noise Ratio）计算基于以下公式[3] 信号区域的平均值与背景噪声的标准差之比 MR成像质量评价——信噪比计算 图像信噪比（Signal-to-Noise Ratio）计算基于以下公式[3] 信号区域的平均值与背景噪声的标准差之比 在LabVIEW环境中读取图像的RGB像素数组（MRI灰度图像的RGB 三值相等），先剪切出感兴趣的区域，再计算感兴趣区域像素值的 平均值μ或标准偏差σ.

MR成像质量评价——信噪比计算 自编程序的界面

𝜇𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙=192.73 𝜎𝑏𝑎𝑐𝑘𝑔𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑=9.51 𝑆𝑁𝑅=20.26 MR成像质量评价——信噪比计算 剪切部分 512X512 Row #0 Row #130 Row #200 𝜇𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙=192.73 Row #300 𝜎𝑏𝑎𝑐𝑘𝑔𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑=9.51 𝑆𝑁𝑅=20.26 512X512 Column#200 Column#250

MR成像质量评价——信噪比理论公式[2] MR成像的信噪比在理论上与以下参数有关： 体素大小 Voxel Volume 再采样次数 Number of Excitations 相位编码步数 Phase-encoding Steps 采样带宽 Bandwidth

因此调整再采样次数可以在扫描时间与成像质量间作出取舍 MR成像质量评价——再采样次数 𝑆𝑁𝑅∝ 𝑁𝐸𝑋 𝑆𝑐𝑎𝑛 𝐷𝑢𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛∝𝑁𝐸𝑋 根据统计理论，两次MRI采样相加会使有效信号幅度变为2倍， 使随机噪声强度变为 2 倍[2]，因此信噪比提高 2 倍，但是两次采 样也会使采样时间加倍. 因此调整再采样次数可以在扫描时间与成像质量间作出取舍

MR成像质量评价——再采样次数 油成像 NEX=2 SNR=14.4 NEX=4 SNR=20.5 NEX=8 SNR=30.8

𝑆𝑁𝑅∝ 𝑁𝐸𝑋 MR成像质量评价——再采样次数 在一定再采样次数范围内， 信噪比与再采样次数关系 符合给出的公式. NEX=2 SNR=14.4 NEX=4 SNR=20.5 NEX=8 SNR=30.8 NEX=16 SNR=42.3 NEX=32 SNR=59.5 NEX=64 SNR=71.7 在一定再采样次数范围内， 信噪比与再采样次数关系 符合给出的公式. 超过一定范围再采样次数 继续增大时，信噪比还会 继续增加，但不再符合公 式. 𝑆𝑁𝑅∝ 𝑁𝐸𝑋

选层梯度(Gradient of Slice Selection)作用原理 MR成像质量评价——选层梯度 选层梯度(Gradient of Slice Selection)作用原理 较低梯度 较厚选层 软脉冲特定激发频率范围△f Y-Axis B-Ext F=ϒB 较薄选层 较高梯度

选层梯度(Gradient of Slice Selection)对信噪比的影响 MR成像质量评价——选层梯度 选层梯度(Gradient of Slice Selection)对信噪比的影响 选层梯度较小时，选择的层较厚，激发的氢原子多，信号强度就较 大，在SNR定量描述中主要影响体素大小 𝑉𝑜𝑥𝑒𝑙 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒∝𝑆𝑙𝑖𝑐𝑒 𝑇ℎ𝑖𝑐𝑘𝑛𝑒𝑠𝑠 那么 𝑉𝑜𝑥𝑒𝑙 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒∝1/𝐺𝑠 因此 𝑆𝑁𝑅∝1/𝐺𝑠

选层梯度(Gradient of Slice Selection)对信噪比的影响 成像结果： MR成像质量评价——选层梯度 油成像 选层梯度(Gradient of Slice Selection)对信噪比的影响 成像结果： Gs=5% SNR=63.6 Gs=10% SNR=54.4 Gs=20% SNR=28.0 Gs=40% SNR=13.4 Gs=80% SNR=5.9

选层梯度(Gradient of Slice Selection)对信噪比的影响 拟合结果： MR成像质量评价——选层梯度 选层梯度(Gradient of Slice Selection)对信噪比的影响 拟合结果： Gs=5% 相对层厚=16 SNR=63.6 Gs=10% 相对层厚=8 SNR=54.4 Gs=20% 相对层厚=4 SNR=28.0 Gs=40% 相对层厚=2 SNR=13.4 Gs=80% 相对层厚=1 SNR=5.9 𝑆𝑁𝑅∝1/𝐺𝑠 在一定选层梯度范围内， 信噪比与选层梯度大小关 系符合给出的公式. 超过一定范围的选层梯度 继续减小时，信噪比还会 继续增加，但不再符合公 式.

MR成像质量评价——选层梯度 芝麻成像 选层梯度(Gradient of Slice Selection)对空间分辨率的影响 较厚的选层虽然可以增大信号强度，但是由于选层的增厚， 会产生部分体积假影(Partial Volume Artifacts).造成成像的 空间分辨力下降. Gs=5% Gs=10% Gs=40% Gs=80%

MR成像质量评价——相位编码步数 油成像 𝑆𝑁𝑅∝(𝑉𝑜𝑥𝑒𝑙 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒) 𝑁𝑝 𝑉𝑜𝑥𝑒𝑙 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒∝1/𝑁𝑝 𝑆𝑁𝑅∝ 1/𝑁𝑝 𝑆𝑁𝑅∝(𝑉𝑜𝑥𝑒𝑙 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒) 𝑁𝑝 𝑉𝑜𝑥𝑒𝑙 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒∝1/𝑁𝑝 𝑆𝑁𝑅∝ 1/𝑁𝑝 在所选参数范围内，信噪 比与相位编码步数的关系 符合给出的公式 Np=64 SNR=41.9 Np=128 SNR=28.0 Np=256 SNR=18.9 D1=1000μs D1=2000μs D1=4000μs

参考文献： [1] 汪红龙等. 核磁共振成像技术实验教程 [2] Hashemi, R. H. et al 参考文献： [1] 汪红龙等. 核磁共振成像技术实验教程 [2] Hashemi, R.H. et al. MRI:the Basics[M]. [3] Signal-to-noise ratio (imaging)[OL]. http://en.wikipedia.org/wiki/Signal_to_noise_ratio_(imaging)

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