医学物理实验mri选做内容.docx

医学物理实验 MRI 选做内容 一、 加权像实验和研究 了解自旋回波序列 T1 加权像、T2 加权像和质子密度加权像的概念、条件和应用； 可以选择水、油等自制样品，做这几种加权像 二、 驰豫时间的测量和研究 测量实验用多种物质，比如芝麻、黄豆、绿豆、红豆等横向驰豫时间和纵向驰豫时间； 可以用饱和恢复法和反转恢复法测 T1 相关原理 一、磁共振加权成像 前面几节我们已经知道，不同的组织存在质子含量（质子密度）的差别、T1值差别及T2 值的差别，这正是常规MRI能够显示正常解剖结构及病变的基础。下面我们看看如果利用不 同组织间的这些差别来显示解剖和病变。 1.“加权”的含义 所谓加权即“突出重点”的意思，也即重点突出某方面特性。之所以要加权是因为在一般的成 像过程中，组织的各方面特性（例如：质子密度、T1 值、T2 值）均对 MR 信号有贡献，几 乎不可能得到仅纯粹反映组织一个特性的 MR 图像，我们可以利用成像参数的调整，使图 像主要反映组织某方面特性，而尽量抑制组织其他特性对 MR 信号的影响，这就是“加权”。 T1 加权成像（T1-weighted imaging，T1WI）是指这种成像方法重点突出组织纵向弛豫差别， 而尽量减少组织其他特性如横向弛豫等对图像的影响；T2 加权成像（T2-weighted imaging， T2WI）重点突出组织的横向弛豫差别；质子密度（proton density，PD）图像则主要反映组 织的质子含量差别。 下面来看看加权成像是如何实现的， 由于我们还没有涉及到具体的序列， 这里仅介绍MR 加权成像的基本原理，具体的参数设置将在脉冲序列一章中介绍。已如前述，MRI仪的接收 线圈不易检测到宏观纵向磁化矢量，而只能检测到旋转的宏观横向磁化矢量。这里还要补充 一点，在MR成像中，无论是什么序列，什么加权成像，在MR信号采集时刻，组织的宏观 横向磁化矢量越大，MR信号就越强。 2.质子密度加权成像 质子密度图主要反映不同组织间质子含量的差别。质子密度图很容易实现，以甲、乙两种组 织为例，甲组织质子含量高于乙质子，进入主磁场后，质子含量高的甲组织产生的宏观纵向 磁化矢量大于乙组织（图 12a） ；90°脉冲后甲组织产生的旋转宏观横向磁化矢量就大于乙组 织（图 12b），这时马上检测 MR 信号，甲组织产生的 MR 信号将高于乙组织（图 12c）。即 质子密度越高，MR 信号强度越大，这就是质子密度加权成像。 a b c 图12 质子密度加权成像示意图图a示由于甲组织的质子含量高于乙组织，进入主磁场所产生的宏观纵 向磁化矢量（Mz）将大于乙组织；图b示90°脉冲后，甲组织产生的宏观横向磁化矢量也大于乙组织；图c 示接收线圈探测甲组织的MR信号大于乙组织。 3.T2加权成像 T2WI 主要反映组织横向弛豫的差别。以甲、乙两种组织为例，假设这两种组织质子密度相 同，但甲组织的横向弛豫比乙组织慢（即甲组织的 T2 值长于乙组织） ，进入主磁场后由于 质子密度一样，甲乙两种组织产生的宏观纵向磁化矢量大小相同（图 13a），90°脉冲后产生 的宏观横向磁化矢量的大小也相同（图 13b），我们不马上检测 MR 信号；甲乙两种组织的 质子将发生横向弛豫，由于甲组织横向弛豫比乙组织慢，到一定时刻，甲组织衰减掉的宏观 横向磁化矢量少于乙组织，其残留的宏观横向磁化矢量将大于乙组织（图 13c），这时检测 MR 信号，甲组织的 MR 信号强度将高于乙组织（图 13d），这样就实现了 T2WI。在 T2WI 上， 组织的 T2 值越大，其 MR 信号强度越大。 图 13 T2 加权成像示意图图 a 示由于甲乙两种组织的质子密度相同，进入主磁场后产生的宏观纵向磁化矢 量（Mz）也相同；图 b 示 90°脉冲激发后两种组织产生的宏观横向磁化矢量（Mxy）也相同，但此时不探 测 MR 信号；图 c 示经过一定时间后，甲组织由于横向弛豫速度比乙组织慢，残留的横向磁化矢量（Mxy） 大于乙组织；图 d 示此时接收线圈探测到甲组织的 MR 信号强度大于乙组织。 图 14 T1 加权成像示意图图 a 示由于甲乙两种组织的质子密度相同，进入主磁场后产生的宏观纵向磁化矢 量（Mz）也相同；90°脉冲将使宏观纵向磁化矢量变成零，90°脉冲关闭后两种组织发生纵向弛豫（即 Mz 从零开始逐渐恢复），由于甲组织 T1 值比乙组织短，到图 b 所示的时刻，甲组织已经恢复的宏观纵向磁化 矢量大于乙组织；图 c 示施加第二个 90°脉冲后，甲乙两组织的纵向磁化矢量偏转到 XY 平面，甲组织产生 的宏观横向磁化矢量大于乙组织，此时立刻采集 MR 信号；图 d 示接收线圈探测到甲组织的 MR 信号强度 大于乙组织。 4.T1加权成像 T1WI 主要反映组织纵向弛豫的差别。我们还是以甲、乙两种组织为例，假设这两种组织质 子密度相同，但甲组织的纵向弛豫比乙组织快（即甲组织的 T1 值短于乙组织） 。进入主磁 场后由于质子密度一样，甲乙两种组织产生的纵向磁化矢量大小相同（图 14a） ，90°脉冲后 产生的宏观横向磁化矢量的大小也相同，我们先不去理会这种横向磁化矢量，也不马上检测 MR 信号。射频脉冲关闭后，甲乙两种组织将发生纵向弛豫，由于甲组织的纵向弛豫比乙组 织快，过一定时间以后，甲组织已经恢复的宏观纵向磁化矢量将大于乙组织（图 14b）。由 于接收线圈不能检测到这种纵向磁化矢量的差别，必须使用第二个 90°脉冲。第二个 90°脉 冲后，甲、乙两组织的宏观纵向磁化矢量将发生偏转，产生宏观横向磁化矢量，因为这时甲 组织的纵向磁化矢量大于乙组织，其产生的横向磁化矢量将大于乙组织（图 14c），这时马 上检测 MR 信号，甲组织产生的 MR 信号将高于乙组织（图 14d） ，这样就实现了 T1WI。 在 T1WI 上，组织的 T1 值越小，其 MR 信号强度越大。 5.SE 序列三种加权像的条件 SE序列是MR成像的经典序列，也是常规序列。利用SE序列可以进行T1加权成像、T2加权 成像及质子密度加权成像。SE序列中，组织的纵向弛豫特性（即T1值）在图像中所充当的 角色，也就是说图像的T1成分主要由重复的时间（TR）决定；组织的横向弛豫特性（及T2 值）在图像中所充当的角色，也就是说图像的T2成分主要由回波时间（TE）决定。如果选 用的TR很长，在下一个90°脉冲激发前各种组织的纵向弛豫已经完成，则图像的对比几乎不 受组织纵向弛豫的影响，即选用很长的TR可以基本剔除组织的T1值对图像对比的影响（图 21a）。如果选用的TE很短，每一次90°脉冲产生的宏观横向磁化矢量还没来得及发生横向 弛豫就已经采集信号，则图像的对比几乎不受组织横向弛豫的影响，即选用很短的TE可以 基本剔除组织的T2值对图像对比的影响（图21b）。 通过对SE序列的TR和TE调整，我们可以决定在MR图像中所含有的T1和T2成分，获得不同 的加权图像。下面让我们看看怎样利用TR和TE的调整来完成SE序列的加权成像。 （1）T1加权成像 在 SE 序列中如果我们选用一个很短的 TE 基本剔除了组织 T2 值对图像对比的影响（图 22b），而选择一个合适短的 TR，这样在每一次 90°脉冲激发前不同的组织由于纵向弛豫的 快慢不同，已经恢复的宏观纵向磁化矢量就不同（图 22a），90°脉冲后产生的宏观横向磁化 矢量就不同，这时马上利用 180°脉冲产生回波（选用很短 TE） ，采集的 MR 信号主要反映 组织纵向弛豫的差别（即 T1 值不同），所以是 T1WI。 图22 SE序列T1WI示意图细曲线为甲组织的弛豫曲线，粗曲线为乙组织的弛豫曲线，假设甲乙两种组 织的质子密度相同。选用一个合适短的TR，这样在每一个（除第一个）90°脉冲施加前（图a向下空箭）， 由于纵向弛豫快（T1值短）甲组织已经恢复的宏观纵向磁化矢量大于乙组织，两者之间的宏观纵向磁化矢 量差别即为T1对比（两条横虚线之间的距离）。90°脉冲将使这种宏观纵向磁化矢量的差别偏转，成为宏观 横向磁化矢量的差别，这时立刻用180°复相脉冲产生自旋回波来记录这种宏观横向磁化矢量的差别，而实 际上这种宏观横向磁化矢量的差别是由于纵向弛豫不同造成的，因此所得到的图像为T1WI。选用很短的TE （图b向下空箭）是为了尽量减少组织横向弛豫对图像对比的污染。 SE 序列 T1WI 应该选用最短的 TE，一般为 8～20 ms。根据所需要的 T1 权重选用不同的 TR，TR 一般为 200～600 ms。在一定的范围内 TR 越短 T1 权重越重。 （2）T2加权成像 SE序列中如果选用很长的TR，这样保证每一次90°脉冲激发前各种组织的纵向磁化矢量都已 经回到平衡状态，就可以基本剔除组织的纵向弛豫对图像对比的影响。90°脉冲激发后，各 组织的宏观横向磁化矢量将由于T2弛豫而发生衰减，由于各组织的T2弛豫快慢不一，在某 同一时刻，各组织残留的宏观横向磁化矢量就会存在差别，我们利用180°脉冲在一个合适的 时刻（合适长的TE）产生一个自旋回波，这样采集的MR信号主要反映各种组织残留宏观横 向磁化矢量的差别，也即T2弛豫差别，得到的图像就是T2WI（图23）。 SE 序列 T2WI 应该选择很长的 TR，以尽量消除组织纵向弛豫对图像对比的污染。当然 TR 的延长将成比例的增加 MR 信号的采样时间，因此利用 SE 序列进行 T2WI 时 TR 也不宜过 长，一般在场强为 0.5 T 以下的低场机，TR 选择 1500 ～2000 ms，在 1.0 T 到 1.5 T 的高场 机一般 TR 选择 2 000～2 500 ms。选择不同的 TE 则可得到不同的权重的 T2WI，TE 一般为 50～150 ms，TE 越长 T2 权重越重。 图 23 SE 序列 T2WI 示意图细曲线为甲组织的弛豫曲线，粗曲线为乙组织的弛豫曲线，假设甲乙两种组织 的质子密度相同。选用一个很长的 TR，这样在每一个 90°脉冲施加前（图 a 向下空箭），甲、乙两种组织的 纵向磁化矢量都回到平衡状态。90°脉冲产生的宏观横向磁化矢量就不会带有 T1 弛豫信息。90°脉冲后，甲 乙两组织将发生 T2 弛豫，由于甲组织 T2 弛豫快，到 TE 时刻（图 b 向下空箭）甲组织残留的宏观磁化矢 量将小于乙组织，这种宏观横向磁化矢量的差别即为 T2 对比（图 b 两条横虚线之间的距离），这样甲组织 产生的 MR 信号强度将小于乙组织。这时图像的对比主要是由于甲乙两组织的 T2 弛豫不同造成的，因此 为 T2WI。 （3）质子密度（proton density，PD）加权成像 SE序列中，如果选择很长的TR基本剔除了组织纵向弛豫对图像对比的影响（图20a），这样 每次90°脉冲前不同组织间的宏观纵向磁化矢量差别即为质子密度差别，90°脉冲后把这种宏 观纵向磁化矢量的差别变成宏观横向磁化矢量的差别，这时利用180°复相脉冲马上产生一个 自旋回波（选择很短的TE），基本剔除组织横向弛豫对图像对比的影响（图21b）。这样得 到的每一个MR信号的对比实际上来自各组织的质子密度差异，因此采用长TR、短TE得到 的是质子密度加权成像。利用SE序列进行质子密度加权成像，TR应该与T2WI的TR相似， 而TE应该与T1WI的TE相似。 正如我们在本章第六节提到的，所谓加权成像，实际上是重点突出某方面特性，也就是说图 像的对比主要决定于组织的某项特性（如 T1 值、T2 值、质子密度等），但实际上组织其他 方面的特性还是会影响到图像的对比的。如 T1WI 主要是突出不同组织间 T1 弛豫差别，但 实际上组织的质子密度和 T2 弛豫同样会影响到图像的对比。首先我们在介绍 T1WI 先假设 不同组织间质子密度相同，但实际上不同组织的质子密度是不同的，因此在 T1WI 中质子密 度的差别也会影响图像的对比；另外尽管我们尽量采用最短的 TE，但采集回波毕竟是需要 时间的，在 SE 序列中 TE 最短也需要 8～10 ms，尽管很短，但在这段时间组织的横向弛豫 还是不可避免要发生的，因此 T1WI 的图像对比还是会受到组织 T2 弛豫差别的影响。我们 可以把这种质子密度和 T2 弛豫对 T1WI 对比的影响称为“污染”。同样 T2WI 的对比将受到 组织 T1 弛豫及质子密度差异的污染， 而质子密度加权图像的对比也将受到组织 T1 弛豫和 T2 弛豫差别的污染。我们在利用 SE 序列进行加权成像时，一般只能做到尽量减少污染，而做 不到完全剔除污染。 附录： T1 and T2 –weighted MR Images T1 weighted T2 weighted Proton Density Weighted Bright regions indicate tissues Brigh tregions indicate tissues Bright regions indicate with short T1(faster restoration) with long T2(slower decay)and tissues with high proton and dark regions indicate long dark regions indicate short densities T1(slower restoration) T2(faster decay) 二、 饱和恢复法和反转恢复法测 T1 参考资料 【1】 mri 常规技术和新技术.pdf 【2】 核磁共振成像技术实验教程，汪红志等，科学教育出版社，北京 2008