《基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)MRI》PPT課件

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1、第五章第五章 磁共振成像與磁共振成像與功能磁共振成像原理功能磁共振成像原理 核磁共振成像技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史 核磁共振現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象發(fā)現(xiàn) PurcellPurcell等等, Bloch, Bloch等（等（ 19451945）; Physical Review,; Physical Review, 核磁共振現(xiàn)象引入醫(yī)學(xué)界核磁共振現(xiàn)象引入醫(yī)學(xué)界 DamadianDamadian（1971 1971 ）; ; ScienceScience, 171: 1151 -1153, 171: 1151 -1153 核磁共振成像核磁共振成像 LauterburLauterbur（19731973） ; ; N

2、atureNature, 242: 190 -191, 242: 190 -191 是利用原子核在磁場(chǎng)內(nèi)所產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)重建成像是利用原子核在磁場(chǎng)內(nèi)所產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)重建成像 的一種影像技術(shù)的一種影像技術(shù) 1974 Mansfield, Gradient optimization磁共振成像特點(diǎn)磁共振成像特點(diǎn)nMRI的軟組織對(duì)比分辨率最高nMRI具有任意方向直接切層的能力nMRI屬無(wú)創(chuàng)傷、無(wú)射線檢查nMRI成像參數(shù)多，成像潛力十分巨大。nMRI具有較高的空間分辨率 nMRI和檢查費(fèi)較昂貴，MRI對(duì)鈣化不敏感n速度慢，運(yùn)動(dòng)偽影綱要nMRI原理nfMRI原理nfMRI數(shù)據(jù)的基本處理MRI原理n預(yù)備知識(shí)預(yù)備

3、知識(shí)電磁波電磁波質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)磁體類型磁體類型線圈線圈波長(zhǎng)波長(zhǎng)10-13 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 (m)頻率頻率1022 1021 1020 1019 1018 1017 1016 1015 1014 1013 1012 1011 1010 109 108 (hz)AutoradiographySPECT PETCT/X-RayMRIBioluminescenceFluorescence電磁波-成像波段MRI原理n預(yù)備知識(shí)預(yù)備知識(shí)電磁波電磁波質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)磁體類型磁體類型

4、線圈線圈核磁共振成像（核磁共振成像（MRI）原理）原理將人體置入一個(gè)將人體置入一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)磁場(chǎng)中；中；對(duì)人體施加一個(gè)一定頻率的對(duì)人體施加一個(gè)一定頻率的交變射頻場(chǎng)交變射頻場(chǎng)，使被探測(cè)，使被探測(cè)的質(zhì)子共振并向外輻射能量；的質(zhì)子共振并向外輻射能量；在人體周圍的接收線圈中就會(huì)有感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生；在人體周圍的接收線圈中就會(huì)有感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生；接收信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，得到人體的斷層圖像；接收信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，得到人體的斷層圖像；圖像灰度圖像灰度代表磁共振信號(hào)的強(qiáng)度及弛豫時(shí)間代表磁共振信號(hào)的強(qiáng)度及弛豫時(shí)間T1T1和和T2T2磁場(chǎng)磁場(chǎng) 物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ) 具有自旋的原子核象地球一樣會(huì)繞著某條軸線作自旋轉(zhuǎn)動(dòng)。 如果某種

5、原子核中的質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)兩者之一為奇數(shù)，或兩者均為奇數(shù)，那么此原子核便具有自旋的特性。帶正電荷的質(zhì)子也繞同一軸線作轉(zhuǎn)動(dòng)。電荷的運(yùn)動(dòng)即是電流，即原子核在自旋時(shí)便產(chǎn)生環(huán)形電流。有電流便會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。常用磁矩來(lái)表示自旋特性包括磁場(chǎng)大小和旋轉(zhuǎn)速度。SNMagnetization在常規(guī)條件下，宏觀物質(zhì)中的原子核磁矩是無(wú)規(guī)則排列的，從而相互抵消，所以一般的宏觀物質(zhì)并不表現(xiàn)有磁性。 一般來(lái)說(shuō),宏觀物質(zhì)中均含有巨量的原子核數(shù)目,如在1立方厘米的水中約含有 原子核的數(shù)目為 個(gè)。1H2310質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)n自旋產(chǎn)生磁場(chǎng)帶電粒子自旋帶電粒子自旋磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁偶極矩磁偶極矩具有自旋的原子核的磁性與一個(gè)小磁棒的磁性相似

6、。SN不同原子的核磁共振特性 含奇數(shù)質(zhì)子的原子核均在自旋過(guò)程中產(chǎn)含奇數(shù)質(zhì)子的原子核均在自旋過(guò)程中產(chǎn)生自旋磁動(dòng)量，即磁矩以矢量描述生自旋磁動(dòng)量，即磁矩以矢量描述 氫原子核只有單一質(zhì)子具有最強(qiáng)的磁矩，氫原子核只有單一質(zhì)子具有最強(qiáng)的磁矩，旋磁比高，信號(hào)靈敏度高旋磁比高，信號(hào)靈敏度高 氫質(zhì)子在人體內(nèi)分布廣，數(shù)量多，氫質(zhì)子在人體內(nèi)分布廣，數(shù)量多，MRIMRI均均選用氫為靶原子核選用氫為靶原子核單個(gè)原子核自旋在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)NS如果把一個(gè)小磁棒放入一個(gè)均勻的外磁場(chǎng)中，那么它們南北極相吸，保持不動(dòng)。 對(duì)于具有自旋的原子核，雖然它的磁性與小磁棒相似，但是由于它本身的自旋運(yùn)動(dòng)，所以它在磁場(chǎng)中的表現(xiàn)就與小磁棒不一樣

7、產(chǎn)生進(jìn)動(dòng) n陀螺：如果陀螺沒(méi)有自旋，那么它幾乎無(wú)法立起來(lái) ，但是如果陀螺在旋轉(zhuǎn)，那么即使陀螺的重心偏離支點(diǎn)，它也不會(huì)倒下去而會(huì)繞重力線作進(jìn)動(dòng)。質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)n外加磁場(chǎng)B000BB：進(jìn)動(dòng)角頻率：旋磁比：外磁場(chǎng)強(qiáng)度外加B0產(chǎn)生凈磁場(chǎng)在B0中質(zhì)子進(jìn)動(dòng) B0為主磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位Telsa 1 Telsa= 10,000 Gauss 約為地球磁場(chǎng)20,000倍00rB進(jìn)動(dòng)頻率拉莫拉莫(Lamor)公式公式MagnetizationLarmor頻率頻率 在外磁場(chǎng)作用下，自旋的質(zhì)子產(chǎn)生進(jìn)動(dòng) 進(jìn)動(dòng)頻率稱為L(zhǎng)armor 頻率 =*B0 為旋磁比,是質(zhì)子的固有特性 B0=1T, =42.58 MHz Larm

8、or頻率在 射頻（RF）范圍多個(gè)原子核自旋在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)n多個(gè)原子核自旋在磁場(chǎng)中呈現(xiàn)為兩種狀態(tài)，即量子力學(xué)說(shuō)中的兩種能級(jí)。（原子核的量子數(shù)不同，呈現(xiàn)的狀態(tài)數(shù)也不同）n順主磁場(chǎng)方向的為低能態(tài)，逆主磁場(chǎng)方向的為高能態(tài)。n兩種能態(tài)的原子核繞主磁場(chǎng)方向進(jìn)動(dòng)的角速度相同。SNB0順順逆逆進(jìn)動(dòng)（進(jìn)動(dòng)（Spin）與極化（）與極化（Polarization） 無(wú)外界作用時(shí)，質(zhì)子自旋，磁矢量朝向隨機(jī) 有外界磁場(chǎng) B0作用時(shí)，質(zhì)子會(huì)繞著磁場(chǎng)方向進(jìn)動(dòng)（極化）。進(jìn)動(dòng)的相位存在兩種情況： 平行（與B0同向）: 低能量, 原子數(shù)目多 反平行（與B0同向） : 高能量, 原子數(shù)目少 對(duì)齊后產(chǎn)生凈磁矩M兩種狀態(tài)為對(duì)應(yīng)高、低能

9、級(jí) 常溫下，低能量的粒子數(shù)多于處于高能量的粒子數(shù)。兩個(gè)方向的凈自旋產(chǎn)生的磁場(chǎng)稱為凈磁化，或磁化矢量，所以磁化矢量是十分微弱。 M0為穩(wěn)定狀態(tài)的磁化矢量強(qiáng)度。正向多，反向少M(fèi)0 與B0 方向一致。 由于檢測(cè)的是一定體積范圍內(nèi)所有質(zhì)子在磁場(chǎng)中的表現(xiàn)，所以測(cè)量總的磁矩：M磁化矢量強(qiáng)度磁化矢量強(qiáng)度M 反向少 正向多MagnetizationXYZXYM0再進(jìn)一步作矢量相加,在XY平面上由于大量的磁矩均勻分布從而全部相互抵消,在Z軸上則有一個(gè)分量M0 0,稱之為宏觀磁化矢量宏觀磁化矢量Magnetizationn把這些磁矩作矢量相加，即方向相反的互相抵消，那么可以得到只剩下低能態(tài)的磁矩均勻分布在錐面上。

10、XYZXYZ宏觀磁化矢量宏觀磁化矢量M M0 0的大小與低能態(tài)和高能態(tài)的原的大小與低能態(tài)和高能態(tài)的原子核數(shù)目差成正比，即與主磁場(chǎng)強(qiáng)度和原子核子核數(shù)目差成正比，即與主磁場(chǎng)強(qiáng)度和原子核密度成正比。密度成正比。M M0 0的大小在一定程度上決定了磁共振信號(hào)的大的大小在一定程度上決定了磁共振信號(hào)的大小，也即是決定了圖像信噪比的好壞。小，也即是決定了圖像信噪比的好壞。所以一般地說(shuō)，主磁場(chǎng)強(qiáng)度越高，圖像越好；所以一般地說(shuō)，主磁場(chǎng)強(qiáng)度越高，圖像越好；另外，圖像中某種組織的信號(hào)高低與這種組織另外，圖像中某種組織的信號(hào)高低與這種組織的原子核密度有直接關(guān)系。的原子核密度有直接關(guān)系。質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)n外加磁場(chǎng)B

11、0 在在Z方向產(chǎn)生凈磁化方向產(chǎn)生凈磁化矢量矢量M0。 在在XY平面內(nèi)沒(méi)有產(chǎn)平面內(nèi)沒(méi)有產(chǎn)生凈磁化矢量。生凈磁化矢量。磁化矢量磁化矢量M0不會(huì)發(fā)生進(jìn)動(dòng)！不會(huì)發(fā)生進(jìn)動(dòng)！磁矩分解 不同原子的自旋方向是不同的，故不同原子的磁化方向也不同 將M 分解為Mz 和 Mxy 不同原子磁矩的平均值稱為凈磁矩 若Mxy相互抵消，凈磁矩由Mz給出 若Mz=0, 凈磁矩為MxyMRI原理原理n預(yù)備知識(shí)預(yù)備知識(shí)電磁波電磁波質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)磁體類型磁體類型線圈線圈磁體類型n超高場(chǎng)（4.07.0 T）n高場(chǎng)（1.53.0 T）n中場(chǎng)（0.51.4 T）n低場(chǎng)（0.20.4 T）n超低場(chǎng)（B1，所以，所以0 11很慢，可以

12、對(duì)很慢，可以對(duì)1(1= 1*t)的大小進(jìn)行控制的大小進(jìn)行控制射頻脈沖n共振導(dǎo)致的宏觀結(jié)果射頻脈沖n90射頻脈沖（微觀變化）n如果我們?cè)谛D(zhuǎn)坐標(biāo)系里看，橫向磁化矢量是不動(dòng)的；而在物理坐標(biāo)系里看，橫向磁化矢量與單個(gè)的原子核磁矩一樣是在不停地繞著Z軸以拉莫爾頻率轉(zhuǎn)動(dòng)的。如果放置一個(gè)場(chǎng)方向在XY平面內(nèi)的接收線圈，那么Mxy在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中便會(huì)切割接收線圈，從而在接收線圈內(nèi)便會(huì)感應(yīng)到一個(gè)大小與Mxy成正比、周期以拉莫爾頻率變化的信號(hào)。此信號(hào)就是核磁共振信號(hào)。射頻脈沖n90射頻脈沖（宏觀變化）Magnetic Resonance - Transmitn這兩種變化使得一方面自旋體系在Z軸上的分量不斷減小，另一方

13、面在XY平面上的分量不斷增加。合成的結(jié)果就是宏觀磁化矢量繞施加射頻場(chǎng)的方向作轉(zhuǎn)動(dòng)。XYXYXY橫向磁化矢量Mxy（紅色箭頭）不斷增大。Magnetic Resonance - TransmitZXYM0ZXYM0ZXYM0ZXYM0MzMxyMz為縱向磁化矢量，為縱向磁化矢量，Mxy為橫向磁化矢量。為橫向磁化矢量。n宏觀磁化矢量繞施加射頻場(chǎng)的方向作轉(zhuǎn)動(dòng)的速宏觀磁化矢量繞施加射頻場(chǎng)的方向作轉(zhuǎn)動(dòng)的速度取決于射頻場(chǎng)的強(qiáng)度，即度取決于射頻場(chǎng)的強(qiáng)度，即 , 其中其中H為射頻場(chǎng)強(qiáng)度，為射頻場(chǎng)強(qiáng)度， 為旋磁比為旋磁比HHMagnetic Resonance - TransmittHZXYM0ZXYM090度

14、脈沖度脈沖180度脈沖度脈沖n 在磁共振成像系統(tǒng)中用于激發(fā)原子核自旋體系的通常為一個(gè)射頻脈沖。在磁共振成像系統(tǒng)中用于激發(fā)原子核自旋體系的通常為一個(gè)射頻脈沖。射頻脈沖作用的結(jié)果是使宏觀磁化矢量偏離射頻脈沖作用的結(jié)果是使宏觀磁化矢量偏離Z軸一個(gè)角度軸一個(gè)角度 （t為射頻脈沖作用時(shí)間）。一般就用此角度來(lái)表征此射頻脈沖。常用的為射頻脈沖作用時(shí)間）。一般就用此角度來(lái)表征此射頻脈沖。常用的射頻脈沖有射頻脈沖有90度脈沖和度脈沖和180度脈沖，即分別使磁化矢量偏到度脈沖，即分別使磁化矢量偏到XY平面平面和負(fù)和負(fù)Z軸。軸。Magnetic Resonance - Transmit橫向磁化矢量（90o脈沖）Ma

15、gnetic Resonance - Transmit射頻脈沖的作用總結(jié)n在自旋體系中加射頻場(chǎng)，也稱B1場(chǎng)；n當(dāng)射頻場(chǎng)的頻率等于拉摩頻率時(shí)，會(huì)發(fā)生共振吸收；n射頻脈沖可控制能量的大小，等效成翻轉(zhuǎn)角的概念；n加射頻脈沖后可產(chǎn)生橫向磁化矢量，只有橫向磁化矢量才能被接收線圈探測(cè)到；n在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中考察磁共振現(xiàn)象更直觀。MRI成像原理n層面選擇n射頻脈沖（90）n弛豫時(shí)間（T1，T2和T2*）n信號(hào)接收弛豫弛豫n原子核自旋體系受到射頻脈沖激發(fā)后，宏觀磁化矢量偏離Z軸，這種狀態(tài)稱為非熱平衡態(tài)。這是一種非穩(wěn)定狀態(tài)，它要向熱平衡態(tài)轉(zhuǎn)換，在射頻脈沖結(jié)束后，這種轉(zhuǎn)換并不是立刻完成的，而是需要一定的時(shí)間，即有一個(gè)

16、過(guò)程。這種轉(zhuǎn)換的過(guò)程就叫做弛豫。n物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，馳豫過(guò)程便不同，這可以說(shuō)是MRI具有強(qiáng)大生命力的最主要原因之一。弛豫時(shí)間n關(guān)閉90脈沖后？n橫向的B1消失，只有B0 作用自旋質(zhì)子恢復(fù)狀態(tài)，Mz增加；自旋質(zhì)子橫向失相位，Mxy減小。兩個(gè)過(guò)程是相互獨(dú)立的！兩個(gè)過(guò)程是相互獨(dú)立的！Relaxation一般把馳豫分為兩種，詳細(xì)介紹如下。隨著脈沖作用時(shí)間長(zhǎng)，高能態(tài)質(zhì)子多，縱向磁矩小，同相質(zhì)子多，水平磁矩增大，反之，亦然?？v向磁矩恢復(fù)橫向磁矩減小弛豫時(shí)間nT1弛豫時(shí)間Mz恢復(fù)時(shí)間nT2弛豫時(shí)間Mxy衰減時(shí)間nT2*弛豫時(shí)間/T10( )M (1)tzte/T20M ( )MtxyteT2T2的衰減速度要比的

17、衰減速度要比T1T1的恢復(fù)速度快的恢復(fù)速度快5 51010倍！倍！n 縱向弛豫指的是縱向磁化 Mz 矢量Mz從非熱平衡態(tài)向熱 平衡態(tài)轉(zhuǎn)換的過(guò)程。n 在熱平衡態(tài)時(shí)Mz=M0，而 在90度脈沖之后Mz等于零。 n它最終要恢復(fù)到M0 ，恢復(fù) 的過(guò)程可以表示為 n式中T1為常數(shù)，被稱為縱向弛豫時(shí)間，即Mz 從0恢復(fù)到M0 的約63%時(shí)所需要的時(shí)間。n有點(diǎn)像電容充電常數(shù) Relaxation縱向馳豫、又名T1馳豫或自旋-晶格馳豫M063%T1/ 10(1)t TzMMen物質(zhì)結(jié)構(gòu)或人體組織不同，T1值也各不相同。nT1值還與主磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，對(duì)同一種物質(zhì)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，主磁場(chǎng)越強(qiáng)，T1值越大。脂肪白質(zhì)灰質(zhì)腦積液

18、n 這種弛豫之所以叫縱向弛豫和T1弛豫是顯而易見(jiàn)的。n 為什么又叫做自旋-晶格弛豫呢？因?yàn)樵谏漕l脈沖結(jié)束后，處于高能態(tài)的原子核向周圍的晶格（晶格會(huì)以各種不同的頻率振動(dòng)，有的振動(dòng)頻率正好是拉莫爾頻率，則會(huì)與原子核自旋交換能量）釋放能量而跳回低能態(tài)，隨著低能態(tài)原子核數(shù)目的不斷增多、而高能態(tài)原子核數(shù)目的不斷減少，縱向磁化矢量Mz便不斷擴(kuò)大，最終達(dá)到M0 。n大多數(shù)能量轉(zhuǎn)移到分子運(yùn)動(dòng)nT1：縱向弛豫的特征時(shí)間nT1在很大程度上與粒子大小有關(guān)nT1的典型值從100ms到2000msnT1與主磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)Relaxation橫向馳豫指的是橫向磁化矢量Mxy從非熱平衡態(tài)向熱平衡態(tài)轉(zhuǎn)換的過(guò)程。在熱平衡態(tài)時(shí)Mx

19、y=0；而90度脈沖后Mxy=M0，最終要恢復(fù)到零?；謴?fù)的過(guò)程可以表示為： MxyM037%M0T2式中式中T2為常數(shù)，被稱為橫向弛豫時(shí)間，即為常數(shù)，被稱為橫向弛豫時(shí)間，即Mxy 從從M0 衰減到衰減到M0 的約的約37%時(shí)所需要的時(shí)間。時(shí)所需要的時(shí)間。 /T20M ( )MtxyteRelaxationn不同的物質(zhì)結(jié)構(gòu)或人體組織，其T2值也各不相同。n對(duì)同一種物質(zhì)來(lái)說(shuō)，其T2值與主磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系不大。Mxy腦積液白質(zhì)脂肪灰質(zhì)Relaxationn 從物理機(jī)制上來(lái)說(shuō)，橫向弛豫之所以會(huì)發(fā)生是因?yàn)樵雍俗孕c自旋間相互影響而造成的。假如主磁場(chǎng)是完全均勻的，那么各個(gè)自旋的進(jìn)動(dòng)頻率就一樣，如果沒(méi)有別的

20、原因， Mxy是不會(huì)減小的?？墒怯捎诿總€(gè)自旋體相當(dāng)于一個(gè)微小的磁體，從而影響其它自旋體所處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，反過(guò)來(lái)其它自旋也會(huì)影響這個(gè)自旋體所處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，這樣相互影響的結(jié)果就使得各個(gè)自旋所處的場(chǎng)強(qiáng)互不相同。Relaxationn 各個(gè)自旋所處的場(chǎng)強(qiáng)不同，即是它們的進(jìn)動(dòng)頻率各不相各個(gè)自旋所處的場(chǎng)強(qiáng)不同，即是它們的進(jìn)動(dòng)頻率各不相同，從而使得各自旋磁矩的方向（又稱相位）會(huì)慢慢散開(kāi)，同，從而使得各自旋磁矩的方向（又稱相位）會(huì)慢慢散開(kāi)，即即Mxy慢慢變小。最終均勻分布時(shí)慢慢變小。最終均勻分布時(shí)Mxy便等于零。便等于零。XYXY MxyXY弛豫時(shí)間nT2衰減根本原因：橫向失相位n自旋間的相互作用nT2*衰減根

21、本原因：橫向失相位n自旋間的相互作用n外磁場(chǎng)的不均勻性T2T2* *衰減要快于衰減要快于T2T2衰減衰減! !n一般說(shuō)來(lái)，一種組織的一般說(shuō)來(lái)，一種組織的T2值小于其值小于其T1值。值。nT1值較大的組織，其值較大的組織，其T2值一般也較大；即值一般也較大；即T1值與值與T2值有某種程度上的相關(guān)性。值有某種程度上的相關(guān)性。 組織組織 T1（1.5T）T1（0.5T） T2 肝肝 490 323 43 腎腎 650 449 58 脾脾 780 554 62 脂肪脂肪 260 215 84 腦灰質(zhì)腦灰質(zhì) 920 656 101 腦白質(zhì)腦白質(zhì) 790 539 92 腦脊液腦脊液 4000 4000 2

22、000 骨骼肌骨骼肌 870 600 47弛豫時(shí)間nT2衰減 t0 t1 t2 t3 t4MRI成像原理n層面選擇n射頻脈沖（90）n弛豫時(shí)間（T1，T2和T2*）n信號(hào)接收信號(hào)的接收線圈線圈接收接收 信號(hào) 檢測(cè)A: 磁化強(qiáng)度矢量磁化強(qiáng)度矢量, Larmor 頻率頻率B: RF 脈沖脈沖, 脈沖功率脈沖功率, 探頭探頭, 電擊放電電擊放電C: 磁化強(qiáng)度矢量進(jìn)動(dòng)磁化強(qiáng)度矢量進(jìn)動(dòng), 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系, 接接收器收器,前置放大器前置放大器D: 接收器增益值接收器增益值, 弛預(yù)時(shí)間弛預(yù)時(shí)間 (T1,T2)E: 傅立葉轉(zhuǎn)換傅立葉轉(zhuǎn)換, 正交檢測(cè)正交檢測(cè), 頻率掃描寬頻率掃描寬度度, 折反峰折反峰 f

23、olding B0MB0MRF pulseReceiverFTS(t)S( )AECBDNMR 信號(hào)被稱為自由衰減信號(hào) (Free Induction Decay 或 FID).此信號(hào)并不能象COS涵數(shù)一樣保持同樣的振輻持續(xù)下去,而是以指數(shù)的方式衰減為零. 此一現(xiàn)象是由所謂的自旋-自旋弛預(yù)造成.(T2 relaxation)自由衰減信號(hào)(Free Induction Decay)*Magnetic Resonance PhenomenonWith relaxation掃描參數(shù)掃描參數(shù) 重復(fù)時(shí)間（重復(fù)時(shí)間（Repetition Time, TR）:為兩為兩次次RF激發(fā)間隔的時(shí)間；多次測(cè)量，提高激

24、發(fā)間隔的時(shí)間；多次測(cè)量，提高信號(hào)噪聲比信號(hào)噪聲比 回波時(shí)間（回波時(shí)間（Echo Time, TE）：為激發(fā)）：為激發(fā)后到測(cè)量回波的時(shí)間；后到測(cè)量回波的時(shí)間； 翻轉(zhuǎn)角（翻轉(zhuǎn)角（Flip Angle，F(xiàn)A）：）：RF的角度的角度自旋回波自旋回波SESpin echo 最基本的序列：最基本的序列： 90180 信號(hào)信號(hào) 9090RFRF激發(fā)產(chǎn)生橫向磁化激發(fā)產(chǎn)生橫向磁化 MxyMxy，由于磁場(chǎng)不，由于磁場(chǎng)不均勻，致同步的質(zhì)子群變?yōu)楫惒剑辔环稚⒕鶆?，致同步的質(zhì)子群變?yōu)楫惒剑辔环稚?80180 RFRF使質(zhì)子群離散的相位重聚使質(zhì)子群離散的相位重聚，使，使MxyMxy在在TETE時(shí)間達(dá)到最大值，并產(chǎn)生回

25、波時(shí)間達(dá)到最大值，并產(chǎn)生回波對(duì)對(duì)T2T2敏感，敏感，TETE大了大了Magnetic Resonance Phenomenonn90度脈沖后，自旋會(huì)逐漸散相，T2*nTE/2時(shí)，180度脈沖使橫向磁化矢量沿作用軸翻轉(zhuǎn)nTE時(shí)刻所有自旋的相位又重新回聚，產(chǎn)生回波n該回波可以被接收線圈接收到1. Equilibrium2. 90 Pulset=03. Spin D ephasing4. 180 Pulset=TE/25. Spin echot=TETE優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 回波出現(xiàn)時(shí)間滯后，且時(shí)間長(zhǎng)，易于采樣回波出現(xiàn)時(shí)間滯后，且時(shí)間長(zhǎng)，易于采樣12/()(1)RETTTTFIDN Hee加權(quán)像加權(quán)像調(diào)節(jié)調(diào)

26、節(jié)TR和和TE，得到突出某個(gè)參數(shù)的，得到突出某個(gè)參數(shù)的 圖像，為加權(quán)像圖像，為加權(quán)像 質(zhì)子密度（質(zhì)子密度（Proton densityProton density， PDPD）加權(quán)像：）加權(quán)像： 主要反映組織質(zhì)子密度的差別；主要反映組織質(zhì)子密度的差別； T2 T2加權(quán)像（加權(quán)像（T2WIT2WI）：主要反映組織）：主要反映組織T2T2的差別；的差別； T1 T1加權(quán)像（加權(quán)像（T1WIT1WI）：主要反映組織）：主要反映組織T1T1的差別；的差別； 在某些特殊序列中還可以有其它種類的加權(quán)像。在某些特殊序列中還可以有其它種類的加權(quán)像。 以自旋回波法分析得到以自旋回波法分析得到P,T1,T2P,T

27、1,T2圖像的條件？圖像的條件？加權(quán)像（加權(quán)像（Weighted Image,WI）TR TE WI 長(zhǎng)長(zhǎng) 短短 PD-WI 長(zhǎng)長(zhǎng) 長(zhǎng)長(zhǎng) T2-WI 短短 短短 T1-WI 短短 長(zhǎng)長(zhǎng) 無(wú)加權(quán)因素?zé)o加權(quán)因素21/)1)(TTTTEReeHNFIDMRI主要以主要以T1，T2為成像基礎(chǔ)為成像基礎(chǔ)（對(duì)比度高于質(zhì)子密度）（對(duì)比度高于質(zhì)子密度）T1加權(quán)成像加權(quán)成像(T1WI) T1值越值越 縱向磁化矢量縱向磁化矢量恢復(fù)越恢復(fù)越 MR信號(hào)強(qiáng)度信號(hào)強(qiáng)度越越（） T1值越值越 縱向磁化矢量縱向磁化矢量恢復(fù)越恢復(fù)越 MR信號(hào)強(qiáng)度信號(hào)強(qiáng)度越越（）的的T1值約為值約為毫秒毫秒 MR信號(hào)信號(hào)（白）（白）的的T1值約

28、為值約為毫秒毫秒 ，MR信號(hào)信號(hào)（黑）（黑） T2值值 橫向磁化矢量減橫向磁化矢量減少少 MR信號(hào)信號(hào) T2值值 橫向磁化矢量減橫向磁化矢量減少少 MR信號(hào)信號(hào)T2值約為值約為毫秒毫秒 MR信號(hào)信號(hào)T2值約為值約為毫秒毫秒 MR信號(hào)信號(hào) 人體大多數(shù)病變的T1值、T2值均較相應(yīng)的正常組織大，在T1WI上比正常組織“黑”，在T2WI上比正常組織“白”。疾病組織的T1，T2大于正常組織，圖像特點(diǎn)如何？正常人體組織的正常人體組織的T1 T2值（值（ms） 組織組織 T1（1.5T）T1（0.5T） T2 肝肝 490 323 43 腎腎 650 449 58 脾脾 780 554 62 脂肪脂肪 26

29、0 215 84 腦灰質(zhì)腦灰質(zhì) 920 656 101 腦白質(zhì)腦白質(zhì) 790 539 92 腦脊液腦脊液 4000 4000 2000 骨骼肌骨骼肌 870 600 47如何區(qū)分如何區(qū)分T1WI、T2WI：水水（如腦脊液、（如腦脊液、尿液）呈尿液）呈低信號(hào)（黑）低信號(hào)（黑）脂肪脂肪呈呈很高信號(hào)（很白）很高信號(hào)（很白）：水水呈呈很高信號(hào)很高信號(hào)（很白）（很白），脂肪脂肪信號(hào)降信號(hào)降低（低（灰白灰白）。）。Gradient field and its function頻率編碼梯度頻率編碼梯度 解決如何對(duì)一個(gè)平面內(nèi)定位（解決如何對(duì)一個(gè)平面內(nèi)定位（X，Y）關(guān)Z梯度，開(kāi)X梯度相位編碼梯度-1n為了得到二

30、維圖像，在每次激發(fā)后、數(shù)據(jù)采集前需要在片層內(nèi)與頻率編碼頻率編碼方向垂直的方向上加相位編碼相位編碼梯度n每次激發(fā)后加載的相位編碼梯度都不同，一般從正的最大每次改變一個(gè)固定的小量，直到負(fù)的最大為止 相位編碼梯度-2n加相位編碼后，采集到的數(shù)據(jù)變?yōu)槎S矩陣（matrix）,二維矩陣的每行數(shù)據(jù)相位編碼相同但頻率編碼不同，每列數(shù)據(jù)頻率編碼相同但相位編碼不同；n每列數(shù)據(jù)的相臨采樣點(diǎn)的相位差為 nky相位編碼坐標(biāo)，區(qū)分Y方向信息，不同t、Gp 對(duì)應(yīng)不同的Y. r. Gp. y= n相位編碼：每次用不同的磁場(chǎng)梯度增益或時(shí)間變化，對(duì)應(yīng)不同垂直空間，進(jìn)行垂直方向編碼。頻率編碼方向n成像序列在數(shù)據(jù)采集時(shí)加有頻率編碼

31、梯度n在頻率編碼方向相臨采樣點(diǎn)間的相位差為nkx 頻率編碼坐標(biāo)，相當(dāng)于對(duì)時(shí)間編碼（位置）n 或梯度場(chǎng)編碼n x方向的梯度大小不變，不同位置對(duì)應(yīng)不同頻率Gradient field and its function片層的初始狀態(tài)片層的初始狀態(tài)Gradient field and its function加相位編碼梯度之后的狀態(tài)加相位編碼梯度之后的狀態(tài)磁場(chǎng)大相位大Gradient field and its function加頻率編碼梯度加頻率編碼梯度n頻率和相位編碼后，每個(gè)位置對(duì)應(yīng)不同的相位和頻率，因此，采集數(shù)據(jù)后，在k空間形成數(shù)據(jù)集。K空間K空間與真實(shí)空間的關(guān)系n采集到的二維矩陣是二維K空間n

32、通過(guò)二維傅立葉變換得到二維真實(shí)空間的數(shù)據(jù)，n圖像K空間理解為真實(shí)空間的傅立葉變換鏡像空間yyyxxxyyxxtrGktrGkyGxG,綱要nMRI原理nfMRI原理nfMRI數(shù)據(jù)的基本處理綱要nMRI原理nfMRI原理神經(jīng)元BOLD信號(hào)nfMRI數(shù)據(jù)的基本處理fMRI原理n功能MRI成像廣義的功能MRI成像（FMRI）狹義的功能MRI成像（fMRI）nfMRI特指BOLD-fMRI神經(jīng)元n大腦皮層皮層表面積2500cm3，厚24cm。人腦中共有1000億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，皮層中含有140億個(gè)。神經(jīng)元n神經(jīng)細(xì)胞神經(jīng)元通過(guò)軸突/樹(shù)突，以神經(jīng)遞質(zhì)作為媒介進(jìn)行信息傳遞。神經(jīng)元n突出連接神經(jīng)遞質(zhì)釋放是由動(dòng)作電

33、位到達(dá)軸突末梢所觸發(fā)的。神經(jīng)元n動(dòng)作電位神經(jīng)元n電流注入低于閾值超過(guò)閾值繼續(xù)增加神經(jīng)元n神經(jīng)反應(yīng)綱要nMRI原理nfMRI原理神經(jīng)元BOLD信號(hào)測(cè)量nfMRI數(shù)據(jù)的基本處理BOLD信號(hào)測(cè)量n局部腦區(qū)的激活局部腦組織耗氧量增加（需氧）血流速度增加血流量增加含氧量的增加 （供氧）（氧合血紅蛋白濃度的增加）BOLD信號(hào)測(cè)量供氧量供氧量 需氧量需氧量氧合血紅蛋白濃度的增加氧合血紅蛋白濃度的增加Oxyhemoglobin DeoxyhemoglobinRestActivationNormal blood flowHigh blood flowBOLD信號(hào)測(cè)量n怎么測(cè)量BOLD信號(hào)的強(qiáng)度？氧合血紅蛋白具有

34、逆磁性延長(zhǎng)T2*的時(shí)間采用T2*成像時(shí)，信號(hào)增強(qiáng)BOLD信號(hào)測(cè)量n信號(hào)對(duì)比BOLD信號(hào)測(cè)量nBOLD的時(shí)間過(guò)程BOLD信號(hào)測(cè)量n實(shí)際的EPI成像綱要nMRI原理nfMRI原理nfMRI數(shù)據(jù)的基本處理fMRI Data AnalysisPreprocessingSPMsFunctional dataTemplatesSmoothednormalised dataDesign matrixVariance componentsContrastsThresholdingParameterestimatesGeneralisedlinear model綱要nMRI原理nfMRI原理nfMRI數(shù)據(jù)的基本

35、處理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)預(yù)處理功能區(qū)提取實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(a) 實(shí)驗(yàn)刺激，(b) Session，(c) Trial圖像的獲取n利用3. 0 T的磁共振掃描儀（GE Signa Excite System, American）n功能像的獲取：被試任務(wù)期間獲得180幅全腦T2*加權(quán)的軸向圖像。掃描序列為標(biāo)準(zhǔn)的EPI序列。(36 contiguous axial slices, slice thickness 4 mm, TR=3000 ms, TE=30 ms, FOV=240 mm, flip angle=90, matrix size 64*64)。n結(jié)構(gòu)像的獲?。?D T1加權(quán) 軸向圖 (voxel size

36、: 1mm1mm1mm, matrix size: 256256156 綱要nMRI原理nfMRI原理nfMRI數(shù)據(jù)的基本處理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)預(yù)處理功能區(qū)提取預(yù)處理n時(shí)間校準(zhǔn) (Slice Timing)n空間配準(zhǔn) (Alignment)n空間歸一化 (Normalization)n空間濾波 (Smoothing)預(yù)處理nSlice Timing0 100 200 300 400 500 600 700 800 ms 通過(guò)通過(guò)slice timing，使每個(gè)，使每個(gè)slice好像在同一個(gè)時(shí)好像在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上獲得（間點(diǎn)上獲得（400 ms）綱要nMRI原理nfMRI原理nfMRI數(shù)據(jù)的基本處理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

37、預(yù)處理功能區(qū)提取Face vs. Noise PictureEach epoch 10 scanswith 3 sec TR在Face和Noise任務(wù)之間存在 BOLD 信號(hào)強(qiáng)度的變化嗎？BOLD 信號(hào)時(shí)間過(guò)程O(píng)ne sessionfMRI exampleIntensityTimeRegression model=b b1b b2+errorx1x2e eeN(0, seN(0, s2 2I) I)(error is normal andindependently and identically distributed)Hypothesis test: b1 = 0?(using t-stat

38、istic)General case在Face和Noise任務(wù)之間存在 BOLD 信號(hào)強(qiáng)度的變化嗎？Regression model=+1b2bYe11xb22xbGeneral caseY = b b1 1 X1 1 b b2 2 X2 2 e e(1,1,1)(x1, x2, x3)X1 1X2 2OY1x11b b1 1 e e1Y2= x21+ e e2Y3x31b b2 2 e e3DATA(Y1, Y2, Y3)Ydesign spaceGeometrical perspectiveRaw fMRI timeseriesResiduals highpass filtered (and scaled)fitted high-pass filterAdjusted datafitted box-carFitted & adjusted data激活區(qū)提取n腦激活區(qū)的定位(40, -58, -12)