MRI基本原理.ppt
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磁共振成像基本原理刘淼医学影像科医学影像科MRI基本原理基本原理难以理解难以理解非常重要非常重要非常重要非常重要学习学习MRI前应该掌握的知识前应该掌握的知识电学电学磁学磁学量子力学量子力学高等数学高等数学初中数学初中数学初中物理初中物理加减乘除加减乘除平方开方平方开方磁共振成像基本原理一个放射科医生对磁共振成像的理解一个放射科医生对磁共振成像的理解一、一、MRI扫描仪的扫描仪的基本硬件构成基本硬件构成一般的一般的MRI仪由以下几部分组成仪由以下几部分组成主磁体主磁体主磁体主磁体梯度线圈梯度线圈梯度线圈梯度线圈脉冲线圈脉冲线圈脉冲线圈脉冲线圈计算机系统计算机系统计算机系统计算机系统其他辅助设备其他辅助设备其他辅助设备其他辅助设备1、主磁体、主磁体分类分类磁场强度磁场强度磁场均匀度磁场均匀度MRI按磁场产生方式分类按磁场产生方式分类永磁永磁电磁电磁常导常导超导超导主主磁磁体体0.35T0.35T永磁磁体永磁磁体永磁磁体永磁磁体1.5T1.5T超导磁体超导磁体超导磁体超导磁体按磁体的外形可分为按磁体的外形可分为开放式磁体开放式磁体开放式磁体开放式磁体封闭式磁体封闭式磁体封闭式磁体封闭式磁体特殊外形磁体特殊外形磁体特殊外形磁体特殊外形磁体OpenMark3000OpenMark3000MR按主磁场的场强分类按主磁场的场强分类MRIMRI图像信噪比与主磁场场强成正比图像信噪比与主磁场场强成正比图像信噪比与主磁场场强成正比图像信噪比与主磁场场强成正比低场低场:
小于小于0.5T中场:
中场:
0.5T1.0T高场高场:
1.0T2.0T(1.0T、1.5T、2.0T)超高场强:
大于超高场强:
大于2.0T(3.0T、4.7T、7T)高斯(高斯(gauss,G)。
Gauss(1777-1855)11高斯为距离高斯为距离高斯为距离高斯为距离55安培电流的直导线安培电流的直导线安培电流的直导线安培电流的直导线11厘米处检测到的磁场强度厘米处检测到的磁场强度厘米处检测到的磁场强度厘米处检测到的磁场强度德国著名数学家,于德国著名数学家,于德国著名数学家,于德国著名数学家,于18321832年首次测量了地球的磁场。
年首次测量了地球的磁场。
年首次测量了地球的磁场。
年首次测量了地球的磁场。
55安培安培安培安培1厘米11高斯高斯高斯高斯地球的磁场强度分布图地球的磁场强度分布图特斯拉(特斯拉(特斯拉(特斯拉(Tesla,TTesla,T)NikolaTesla(1857-NikolaTesla(1857-1943),1943),奥地利电器工程奥地利电器工程奥地利电器工程奥地利电器工程师,物理学家,旋转磁师,物理学家,旋转磁师,物理学家,旋转磁师,物理学家,旋转磁场原理及其应用的先驱场原理及其应用的先驱场原理及其应用的先驱场原理及其应用的先驱者之一。
者之一。
者之一。
者之一。
1T=10000G主磁场的均匀度主磁场的均匀度MRIMRI要求磁场高度均匀,要求磁场高度均匀,要求磁场高度均匀,要求磁场高度均匀,?
空间定位需要空间定位需要空间定位需要空间定位需要频谱分析(各种代谢物之间的共振频率频谱分析(各种代谢物之间的共振频率频谱分析(各种代谢物之间的共振频率频谱分析(各种代谢物之间的共振频率相差极小)相差极小)相差极小)相差极小)脂肪抑制(脂肪和水分子中的氢质子共脂肪抑制(脂肪和水分子中的氢质子共脂肪抑制(脂肪和水分子中的氢质子共脂肪抑制(脂肪和水分子中的氢质子共振频率很接近)振频率很接近)振频率很接近)振频率很接近)50厘米球表面均匀度应该控制在厘米球表面均匀度应该控制在3PPM45厘米球体均匀度可控制在厘米球体均匀度可控制在1PPM磁场均匀度磁场均匀度-频率半高宽频率半高宽2、梯度线圈、梯度线圈作用:
作用:
作用:
作用:
空间定位空间定位空间定位空间定位产生信号产生信号产生信号产生信号其他作用其他作用其他作用其他作用梯度线圈性能的提梯度线圈性能的提梯度线圈性能的提梯度线圈性能的提高高高高磁共振成磁共振成磁共振成磁共振成像速度加快像速度加快像速度加快像速度加快没有梯度磁场的进没有梯度磁场的进没有梯度磁场的进没有梯度磁场的进步就没有快速、步就没有快速、步就没有快速、步就没有快速、超快速成像技术超快速成像技术超快速成像技术超快速成像技术梯度、梯度磁场梯度、梯度磁场梯度磁场的产生梯度磁场的产生ZZ轴方向梯度磁场的产轴方向梯度磁场的产轴方向梯度磁场的产轴方向梯度磁场的产生生生生XX、YY、ZZ轴上梯度磁场的产生轴上梯度磁场的产生轴上梯度磁场的产生轴上梯度磁场的产生梯度线圈性能指标梯度线圈性能指标梯度场强梯度场强25/60mT/m切换率切换率120/200mT/m.ms有效梯度场长度有效梯度场长度有效梯度场长度有效梯度场长度50cm50cm梯度两端磁梯度两端磁梯度两端磁梯度两端磁场强度差值场强度差值场强度差值场强度差值梯度场中点梯度场中点梯度场中点梯度场中点梯度场强(梯度场强(梯度场强(梯度场强(mT/MmT/M)梯度场两端的磁场强度差值)梯度场两端的磁场强度差值)梯度场两端的磁场强度差值)梯度场两端的磁场强度差值/梯度场的长度梯度场的长度梯度场的长度梯度场的长度1000mT1000mT1010mT1010mT990mT990mT梯度场强(梯度场强(梯度场强(梯度场强(1010mT-990mT1010mT-990mT)/0.5M=/0.5M=40mT/M40mT/M1000mT1000mT梯度场强梯度场强梯度场强梯度场强爬升时间爬升时间爬升时间爬升时间切换率梯度场预定强度切换率梯度场预定强度切换率梯度场预定强度切换率梯度场预定强度/爬升时间爬升时间爬升时间爬升时间3、脉冲线圈、脉冲线圈脉冲线圈的作用脉冲线圈的作用脉冲线圈的作用脉冲线圈的作用如同无线电波的天线如同无线电波的天线如同无线电波的天线如同无线电波的天线激发人体产生共振(广激发人体产生共振(广激发人体产生共振(广激发人体产生共振(广播电台的发射天线)播电台的发射天线)播电台的发射天线)播电台的发射天线)采集采集采集采集MRMR信号(收音机信号(收音机信号(收音机信号(收音机的天线)的天线)的天线)的天线)脉冲线圈的分类脉冲线圈的分类按作用分两类按作用分两类按作用分两类按作用分两类激发并采集激发并采集激发并采集激发并采集MRIMRI信号(体线圈)信号(体线圈)信号(体线圈)信号(体线圈)仅采集仅采集仅采集仅采集MRIMRI信号,激发采用体线信号,激发采用体线信号,激发采用体线信号,激发采用体线圈进行圈进行圈进行圈进行(绝大多数表面线圈绝大多数表面线圈绝大多数表面线圈绝大多数表面线圈)按与检查部位的关系分按与检查部位的关系分体线圈体线圈表面线圈表面线圈第一代为线性极化表面线圈第一代为线性极化表面线圈第一代为线性极化表面线圈第一代为线性极化表面线圈第二代为圆形极化表面线圈第二代为圆形极化表面线圈第二代为圆形极化表面线圈第二代为圆形极化表面线圈第三代为圆形极化相控阵线圈第三代为圆形极化相控阵线圈第三代为圆形极化相控阵线圈第三代为圆形极化相控阵线圈第四代为一体化全景相控阵线圈第四代为一体化全景相控阵线圈第四代为一体化全景相控阵线圈第四代为一体化全景相控阵线圈接收线圈与MRI图像SNR密切相关接收线圈离身体越近,所接收到的信号越强接收线圈离身体越近,所接收到的信号越强接收线圈离身体越近,所接收到的信号越强接收线圈离身体越近,所接收到的信号越强线圈内体积越小,所接收到的噪声越低线圈内体积越小,所接收到的噪声越低线圈内体积越小,所接收到的噪声越低线圈内体积越小,所接收到的噪声越低3D-FFE3D-FFEMatrix512512Matrix512512FOV2.5cmFOV2.5cm利利用用2.3cm显显微微线线圈圈采采集集的的指指纹纹MR图像图像4、计算机系统及谱仪、计算机系统及谱仪数据的运算数据的运算控制扫描控制扫描显示图像显示图像5、其他辅助设备、其他辅助设备空调空调检查台检查台激光照相机激光照相机液液氦氦及及水水冷冷却系统却系统自自动动洗洗片片机机等等二、二、MRI的物理学原理的物理学原理1、人体、人体MR成像的物质基础成像的物质基础原子的结构原子的结构电子:
负电荷电子:
负电荷电子:
负电荷电子:
负电荷中子:
无电荷中子:
无电荷中子:
无电荷中子:
无电荷质子:
正电荷质子:
正电荷质子:
正电荷质子:
正电荷原子核总是绕着自身的轴旋转原子核总是绕着自身的轴旋转原子核总是绕着自身的轴旋转原子核总是绕着自身的轴旋转自旋自旋(Spin)地球自转产生磁场地球自转产生磁场地球自转产生磁场地球自转产生磁场原子核总是不停地按一定频率绕着自身的原子核总是不停地按一定频率绕着自身的原子核总是不停地按一定频率绕着自身的原子核总是不停地按一定频率绕着自身的轴发生轴发生轴发生轴发生自旋自旋(Spin)原子核的质子带正电荷,其自旋产生的磁原子核的质子带正电荷,其自旋产生的磁原子核的质子带正电荷,其自旋产生的磁原子核的质子带正电荷,其自旋产生的磁场称为场称为场称为场称为核磁核磁核磁核磁,因而以前把磁共振成像称为,因而以前把磁共振成像称为,因而以前把磁共振成像称为,因而以前把磁共振成像称为核磁共振成像核磁共振成像核磁共振成像核磁共振成像(NMRINMRI)。
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自旋与核磁自旋与核磁地磁、地磁、磁铁磁铁、核磁核磁示意图示意图原原子子核核自自旋旋产产生生核核磁磁核磁就是原子核自旋产生的磁场核磁就是原子核自旋产生的磁场非常重要非常重要所有的原子核都可产生核磁吗?
所有的原子核都可产生核磁吗?
质子为偶数质子为偶数质子为偶数质子为偶数,中子为偶数,中子为偶数,中子为偶数,中子为偶数质子为奇数质子为奇数质子为奇数质子为奇数,中子为奇数,中子为奇数,中子为奇数,中子为奇数质子为奇数质子为奇数质子为奇数质子为奇数,中子为偶数,中子为偶数,中子为偶数,中子为偶数质子为偶数质子为偶数质子为偶数质子为偶数,中子为奇数,中子为奇数,中子为奇数,中子为奇数产生核磁产生核磁产生核磁产生核磁不产生核磁不产生核磁不产生核磁不产生核磁用于人体用于人体MRI的为的为1H(氢质子),原因有:
(氢质子),原因有:
1、1H的磁化率很高;的磁化率很高;2、1H占人体原子的绝大多数。
占人体原子的绝大多数。
通常所指的通常所指的MRI为氢质子的为氢质子的MR图像。
图像。
何种原子核用于人体何种原子核用于人体MR成像?
成像?
人体元素人体元素人体元素人体元素11HH14N31P13C23Na39K17O2H19F摩尔浓度摩尔浓度摩尔浓度摩尔浓度99.01.60.350.10.0780.0450.0310.0150.0066相对磁化率相对磁化率相对磁化率相对磁化率1.00.0830.0660.0160.0930.00050.0290.0960.83人体内有无数个氢质子(每毫升水含氢人体内有无数个氢质子(每毫升水含氢质子质子31022)每个氢质子都自旋产生核磁现象每个氢质子都自旋产生核磁现象人体象一块大磁铁吗?
人体象一块大磁铁吗?
通常情况下人体内氢质子的核磁状态通常情况下人体内氢质子的核磁状态通常情况下,尽管每个质子自旋均产生一个小的通常情况下,尽管每个质子自旋均产生一个小的通常情况下,尽管每个质子自旋均产生一个小的通常情况下,尽管每个质子自旋均产生一个小的磁场,但呈磁场,但呈磁场,但呈磁场,但呈随机无序随机无序随机无序随机无序排列,磁化矢量相互抵消,排列,磁化矢量相互抵消,排列,磁化矢量相互抵消,排列,磁化矢量相互抵消,人体人体人体人体并不表现出宏观磁化矢量。
并不表现出宏观磁化矢量。
并不表现出宏观磁化矢量。
并不表现出宏观磁化矢量。
把人体放进大磁场22、人体进入主磁体发生了什么、人体进入主磁体发生了什么?
没没有有外外加加磁磁场场的的情情况况下下,质质子子自自旋旋产产生生核核磁磁,每每个个氢氢质质子子都都是是一一个个“小小磁磁铁铁”,但但由由于于排排列列杂杂乱乱无无章章,磁磁场场相相互互抵抵消消,人人体体并并不不表表现现出出宏宏观的磁
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