MRI基本原理与设备
MRI基本原理与设备-MRI成像基础
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(一)MRI技术的产生与基本原理
1．MRI技术的产生与基本原理 MRI检查技术是在物理学领域发现磁共振现象的基础上，于20世纪70年代继CT之后，借助电子计算机技术和图像重建数学的进展和成果而发展起来的一种新型医学影像检查技术。
MRI是通过对主磁体内静磁场(即外磁场)中的人体施加某种特定频率的射频脉冲(RF脉冲)，使人体组织中的氢核(即质子)受到激励而发生磁共振现象；当终止RF脉冲后，质子在弛豫过程中感应出MR信号；经过对MR信号的接收、空间编码和图像重建等处理过程，产生出MR图像。MR图像是数字化图像。人体内氢核丰富，而且用它进行MRI的成像效果最好，因此目前MRI常规用氢核来成像。
2．质子的纵向磁化单数质子的原子核具有自旋特性，产生小的磁场。但是人体进入静磁场(即外磁场)前，体内质子的磁矩排列无序，质子总的净磁矢量为零，进入静磁场后，质子的磁矩则呈有序排列，产生一个与外磁场磁力线方向一致的净磁矢量，称为纵向磁化。
3．质子的进动频率与Larmor公式在静磁场中，有序排列的质子作快速的锥形旋转，称进动，其频率即每秒进动的次数取决于质子的性质以及它所处的外加磁场场强。场强越强，进动频率越快。例如，氢质子在场强1tesla时进动频率为42.58mHz，1.5tesla时则为63.87mHz。
当向静磁场中的人体发射与质子进动频率相同的RF脉冲时，就能将RF脉冲能量传递给质子而出现磁共振现象，这个频率就称为共振频率。共振频率可由Larmor公式算出。
Larmor公式：ω0=γ.β0（其中ω0：进动频率(Hz)；γ：旋磁比；β0：外磁场强度，场强单位为特斯拉(Tesla,T)。）
4．磁共振现象质子受到RF脉冲的激励，原来处在低能级的自旋被激发，即吸收电磁波的能量而改变能量状态，由低能级跃迁到高能级，这种现象就是磁共振现象。
5．质子的弛豫与弛豫时间当磁共振现象发生时，纵向磁化强度减少，产生横向磁化分量。处于不平衡状态。终止RF脉冲后，质子系统恢复到原来的平衡状态，这个过程称为弛豫。弛豫可以分为两种：纵向磁化恢复到原来状态，其过程称为纵向弛豫；横向磁化逐渐消失，其过程称为横向弛豫。
纵向磁化由零恢复到原来数值的63％所需时间，为纵向弛豫时间，简称T1。横向磁化由最大减小到最大值的37％所需的时间，为横向弛豫时间，简称T2。T1与T2是反映物质特征的时间常数。
6·MR信号的产生与MR图像弛豫过程是磁力线不断变化的过程，可以感应邻近的接收线圈，出现电信号。弛豫的速度决定了电信号的强弱。
由于氢质子在不同组织中的环境不一致，影响了它弛豫的速度，使得人体正常组织之间、正常组织与病理组织之间在弛豫时间产生差别，这是形成磁共振影像对比的基础。不同组织间弛豫时间有差别时的信号强度也产生差别，这些信号强度的差别表现在图像中灰度的不同，这样组成的图像就是磁共振图像。
7·脉冲序列与信号加权 MRI是通过一定的脉冲序列实现的。所谓脉冲序列就是用以产生磁共振信号的不同扫描参数的组合。在脉冲序列中，两次RF激励脉冲之间的间隔时间称重复时间(repetition time)，简称T R。T R的长短决定着在MR图像上能否显示出组织间在T1上的差别，即T R决定Tt信号加权。T R越短，T1信号对比越强；而使用长TR时则不能获得这种信号对比。在脉冲序列中，从RF激励脉冲开始至采集回波的时间间隔称为回波时间(ech0 tim e)，
简称TE。TE的长短决定着在MR图像上能否显示出组织间在T2 上的差别，即TE决定T2信
号加权。TE时间越长，T2信号对比越强，使用短TE时则不能获得这种信号对比。
自旋回波(spin echo，SE)脉冲序列是临床最常用的脉冲序列之一。在SE序列中，选用短
TR(通常小于500ms)、短TE(通常小于30m s)所获图像的影像对比主要由T1信号对比所决定，
此种图像称为T1加权像(T1WI)；选用长TR(通常大于1500ms)、长TE(通常大于80ms)所
获图像的影像对比主要由T2信号对比决定，此种图像称为T2加权像(T2WI)；选用长TR、短
TE所获图像的影像对比，即不由T1信号对比所决定，也不由T2信号对比所决定，而主要由组
织间质子密度差别所决定，此种图像称为质子密度加权像(PDWI)。
(二)MR设备
MR设备主要包括主磁体、梯度线圈、射频系统、模拟转换器、计算机、磁盘与磁带机等。
1·磁体类型主磁体主要用于提供静磁场，场强单位为特斯拉(T)。通常用主磁体类型来表示
MRI设备的类型。主磁体可被分为以下三种。
永久磁体：永久带有磁性，运作时不耗能，但热稳定性差，场强低，一般低于0．3T，重量
大。
阻抗磁体：也称常导磁体或电磁体。只有当线圈通过电流时才有磁性，耗电能。电流通过线
圈时因阻力而生热，必须冷却。场强一般也不高。
超导磁体：主线圈由超导材料制成。只要通一次电，电流就持久地在线圈内流动并产生一个
恒定磁场。超导磁体的优点是场强高而且均匀。
2·梯度线圈梯度线圈用于产生梯度场，在MR成像中用于选层和信号的空间定位。
3·射频系统射频系统用于发射RF脉冲以激励体内质子产生MR信号，在接收MR信号时又
用作MR信号的接收器。
4·其他系统包括模拟转换器、计算机、磁盘与磁带机等，用于数据处理、图像重建、显示与
存储。
MRI图像特点-MRI成像基础
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(一)多参数成像
MRI是多参数成像，其成像参数主要包括T1 、T2和质子密度等。在MRI检查中，可分别获取同一解剖部位或层面的T1WI、T2WI、PDWI等多种图像，从而有利于显示正常组织与病变组织。而包括CT在内的X线成像，只有密度一个参数，仅能获得密度对比一种图像。在MRI中，T1加权图像(T1WI)上的影像对比主要反映的是组织问T1的差别；T2加图像(T2WI)上的影像对比主要反映的是组织间T2的差别；PDWI上的影像对比主要反映的是组织间质子密度的差别。这种多参数成像有利于组织性质的确定。例如，在CT图像中，如果两种组织之间的X线吸收率无差别，在图像上就没有密度的差别，我们就无法辨认两者。在磁共振图像中，即使两种组织的T1没有差别，我们还可以通过T2的差别来区分两者。这就显示出多种成像参数比一种成像参数的优越性。
在T1WI中，T1越长，信号强度越低，亮度就越低，相反短T1的组织则表现为高信号，即高亮度。在T2WI 中，T2越长，信号强度就越高，表现为高亮度；相反短T2的组织则表现为低亮度。
表4—1列出几种正常组织、成分在T1WI和T2WI的信号强度和影像灰度。
表4—1几种正常组织、成分的信号强度和影像灰度
(二)多方位成像
MRI不必调整受检者的体位，仅仅改变不同梯度线圈的作用，就可以分别获得人体横断面(轴位)、冠状面、矢状面及任意倾斜层面图像，有利于解剖结构和病变的三维显示和定位。
(三)流动效应
体内流动的液体中的质子与周围处于静止状态的质子相比，在MR图像上表现出特殊的信号特征，称流动效应。血管内快速流动的血液，在MR成像过程中虽受到RF脉冲激励，但由于终止RF脉冲后与采集信号之问存在着时间差，使得当采集信号时，受激励的血液已经流出成像层面，因而接收不到该部分血液的信号，使流动的血液无论在T1加权图像还是T2加权图像上都表现为无信号的低亮度。这一现象称为流空现象。血液的流空现象使血管在磁共振图像上更加容易确认。
MRI检查技术-MRI成像基础
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(一)脉冲序列
在MR成像中常用的脉冲序列有SE序列、梯度回波(GRE)脉冲序列、反转恢复(IR)脉冲序
列等。其中SE序列最常用，该序列的过程是：90。RF脉冲—等待TE/2—180。复相位脉冲—
等待TE/2—记录信号。
(二)脂肪抑制
脂肪抑制是利用特殊技术将图像上由脂肪成分形成的高信号抑制下去，使其信号强度减低，
而非脂肪成分的高信号不被抑制，保持不变，用以验证高信号区是否是脂肪组织。例如在脂肪抑
制T1WI图像上，脂肪成分的高信号被抑制，使其信号强度减低，而其他高信号成分，如脑内
血肿中的正铁血红蛋白、含顺磁性黑色素颗粒的黑色素瘤等，其高信号不被抑制，仍呈高信号。
一用来确认脂肪成分的存在，二可以显示那些被脂肪高信号掩盖的组织成分。
(三)磁共振血管成像(MR angiography，MRA)
MR血管成像(MRA)是使血管成像的MRI技术，早期它无需向血管内注入对比剂即可使血
管显影，检查过程简单、安全，属于无创性检查。常用的技术有时间飞跃(TOF)法、相位对比(PC)
法。采用三维图像后处理．可获取类似血管造影的效果。但目前MRA的空间分辨力有限，对显
示小的血管病变不够满意，而且容易受血流方向、速度和湍流的影响出现某些假象。目前，新的
应用对比剂的快速增强MRA(CE—MRA)已经实现，可以避免血流改变对血管形态的影响，而且
空间分辨力也有明显提高。
(四)水成像
MR水成像是采用长TE技术获取重T2WI，合用脂肪抑制技术，使含水器官显影。
目前MR水成像技术主要包括：MR胰胆管造影(MRCP)、MR尿路造影(MRU)、MR脊髓造
影(MRM)、MR内耳迷路成像、MR涎腺成像等。其优点是无创、简单、影像较清楚。只要有软
件，在中、低场强MRI机上也可完成。
(五)功能成像
应用不同的扫描技术，用图像来表现功能方面的改变，成为功能成像。主要包括弥散成像
(DI)、灌注成像(PI)和血氧水平依赖成像(BOLD)等。
1．弥散成像利用正常组织与病理织之间水弥散程度和方向的差别成像的技术，可以获得弥散加权像(DWI)，计算弥散指数(ADC)。主要用于诊断早期缺血性脑卒中、鉴别新鲜与陈旧梗死，判断囊液的成分，肿瘤性质的鉴别等方面。
2．灌注成像是静脉快速注入Gd—DTPA进行动态。MR扫描，借以评价毛细血管床的状态与功能。l艋床上主要用于肿瘤和心、脑缺血性病变的诊断。
3．血氧水平依赖成像是根据局部脑活动可以改变局部脑组织的血液中含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白的比例，利用这个差别形成信号，来标记正在活动的那部分脑组织。目前可用来判断不同脑功能的解剖位置。例如听觉、视觉、认知等方面的定位等研究。
4．MR波谱标记活体组织的波谱，根据波谱中化学成分的改变来进一步确定病变组织的性质。
(六)MRI安全性
一般而言，场强低于3.0T的MRI机对人体是安全的。但体内带有金属异物、人工铁磁性关节、动脉瘤夹等铁磁性物质的病人不应行MRI检查，带有心脏起搏器的病人绝对禁止行MRI
检查，正在进行生命监护的危重病人不应行MRI检查。孕妇尤其是早期妊娠妇女也应慎用。
(七)MRI的主要优点
与包括CT在内的X线检查技术相比，MRI具有以下显著优点：
1．不使用电离辐射，无电离损伤；
2．软组织分辨力极佳；
3．可行轴、冠、矢及任意倾斜层面的多方位成像；
4．多参数成像，对显示解剖结构和病变敏感；
5．除能显示形态学组织学的改变外，还可进行生物化学和代谢功能方面的研究。
(八)MRI的主要限度
MRI检查的限度主要表现在对带有心脏起搏器或体内带有铁磁性物质的病人不能进行检查；正在进行生命监护的危重病人不能进行检查；对钙化的显示远不如CT，难以对以病理性钙化为特征的病变作诊断；对质子密度低的结构如肺、皮质骨显示不佳；虽然先进的MRI设备能进行快速成像，但常规扫描信号采集时间仍较长；设备成本昂贵，检查费用较高也是限制因素之一。