医学影像学/MRI的成像基本原理与设备

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一、磁共振现象与MRI

含单数质子的原子核,例如人体内广泛存在的氢原子核,其质子有自旋运动,带正电,产生磁矩,有如一个小磁体(图1-5-1)。小磁体自旋轴的排列无一定规律。但如在均匀的强磁场中,则小磁体的自旋轴将按磁场磁力线的方向重新排列(图1-5-2)。在这种状态下,

质子带正电荷


图1-5-1 质子带正电荷,它们像地球一样在不停地绕轴旋转,并有自己的磁场

用特定频率的射频脉冲(radionfrequency,RF)进行激发,作为小磁体的氢原子核吸收一定量的能而共振,即发生了磁共振现象。停止发射射频脉冲,则被激发的氢原子核把所吸收的能逐步释放出来,其相位和能级都恢复到激发前的状态。这一恢复过程称为弛豫过程(relaxationprocess),而恢复到原来平衡状态所需的时间则称之为弛豫时间(relaxationtime)。有两种弛豫时间,一种是自旋-晶格弛豫时间(spin-lattice relaxationtime)又称纵向弛豫时间(longitudinal relaxation time)反映自旋核把吸收的能传给周围晶格所需要的时间,也是90°射频脉冲质子由纵向磁化转到横向磁化之后再恢复到纵向磁化激发前状态所需时间,称T1。另一种是自旋-自旋弛豫时间(spin-spin relaxation time),又称横向弛豫时间(transverse relaxation time)反映横向磁化衰减、丧失的过程,也即是横向磁化所维持的时间,称T2。T2衰减是由共振质子之间相互磁化作用所引起,与T1不同,它引起相位的变化。

质子排列


图1-5-2 正常情况下,质子处于杂乱无章的排列状态。当把它们放入一个强外磁场中,就会发生改变。它们仅在平行或反平行于外磁场两个方向上排列

人体不同器官的正常组织与病理组织的T1是相对固定的,而且它们之间有一定的差别,T2也是如此(表1-5-1a、b)。这种组织间弛豫时间上的差别,是MRI的成像基础。有如CT时,组织间吸收系数(CT值)差别是CT成像基础的道理。但MRI不像CT只有一个参数,即吸收系数,而是有T1、T2和自旋核密度(P)等几个参数,其中T1与T2尤为重要。因此,获得选定层面中各种组织的T1(或T2)值,就可获得该层面中包括各种组织影像的图像。

MRI的成像方法也与CT相似。有如把检查层面分成Nx,Ny,Nz……一定数量的小体积,即体素,用接收器收集信息,数字化后输入计算机处理,获得每个体素的T1值(或T2值),进行空间编码。用转换器将每个T值转为模拟灰度,而重建图像。

表1-5-1a 人体正常与病变组织的T1值(ms)

140~170 脑膜 200~300
180~200 肝癌 300~450
300~340 肝血管瘤 340~370
胆汁 250~300 胰腺 275~400
血液 340~370 肾癌 400~450
脂肪 60~80 肺脓 肿 400~500
肌肉 120~140 膀胱 200~240

表1-5-1b 正常颅脑的T1与T2值(ms)

组 织 T1 T2
胼胝体 380 80
桥 脑 445 75
延 髓 475 100
小 脑 585 90
大 脑 600 100
脑脊液 1155 145
头 皮 235 60
骨 髓 320 80

二、MRI设备

MRI的成像系统包括MR信号产生和数据采集与处理及图像显示两部分。MR信号的产生是来自大孔径,具有三维空间编码的MR波谱仪,而数据处理及图像显示部分,则与CT扫描装置相似。

MRI设备包括磁体、梯度线圈、供电部分、射频发射器及MR信号接收器,这些部分负责MR信号产生、探测与编码;模拟转换器、计算机、磁盘与磁带机等,则负责数据处理、图像重建、显示与存储(图1-5-3)。

磁体有常导型、超导型和永磁型三种,直接关系到磁场强度、均匀度和稳定性,并影响MRI的图像质量。因此,非常重要。通常用磁体类型来说明MRI设备的类型。常导型的线圈用铜、铝线绕成,磁场强度最高可达0.15~0.3T*,超导型的线圈用铌-钛合金线绕成,磁场强度一般为0.35~2.0T,用液氦及液氮冷却;永磁型的磁体由用磁性物质制成的磁砖所组成,较重,磁场强度偏低,最高达0.3T。

梯度线圈,修改主磁场,产生梯度磁场。其磁场强度虽只有主磁场的几百分。但梯度磁场为人体MR信号提供了空间定位的三维编码的可能,梯度场由X、Y、Z三个梯度磁场线圈组成,并有驱动器以便在扫描过程中快速改变磁场的方向与强度,迅速完成三维编码。

MRI设备基本结构示意图


图1-5-3 MRI设备基本结构示意图

射频发射器与MR信号接收器为射频系统,射频发射器是为了产生临床检查目的不同的脉冲序列,以激发人体内氢原子核产生MR信号。射频发射器及射频线圈很象一个短波发射台及发射天线,向人体发射脉冲,人体内氢原子核相当一台收音机接收脉冲。脉冲停止发射后,人体氢原子核变成一个短波发射台,而MR信号接受器则成为一台收音机接收MR信号。脉冲序列发射完全在计算机控制之下。

MRI设备中的数据采集、处理和图像显示,除图像重建由Fourier变换代替了反投影以外,与CT设备非常相似。

32 磁共振成像 | MRI图像特点 32
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