MRI成像原理

1. 磁共振现象

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1-1)。小磁体自旋轴的排列无一定规律。

MRI成像原理_第1张图片 图1-1 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

 

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1-2)。

MRI成像原理_第2张图片 MRI成像原理_第3张图片图1-2 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

在这种状态下,用特定频率的射频脉冲进行激发,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).

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:

  • 自旋-晶格弛豫时间(spin-lattice relaxationtime)又称纵向弛豫时间(longitudinal relaxation time)称T1

  • 自旋-自旋弛豫时间(spin-spin relaxation time),又称横向弛豫时间(transverse relaxation time), 称T2

2 . 磁共振成像

组织间 弛豫时间上的差别,是磁共振成像的成像基础。有如组织间吸收系数(CT值)差别是 CT 成像基础的道理

磁共振成像的成像过程:与CT 相似,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。

MRI成像原理_第4张图片 图2-1 实现整个人体成像的步骤是:首先用数学方法将整个人体分成若干个体积单元、然后在每个体积单元内进行信号累加,从而得到一系列呈现不同灰度的体素。利用体素的灰度值可以构建由像素组成的图像

理论上,体素尺寸可以像一个细胞那样小。但是,实际上体素尺寸却不可能无限小,因为有很多限制因素,最主要限制因素是计算机容量和单个体素所能被检测的信号。因此,形成物体一个片层的256×256×1体素阵列可以转换成一副像素阵列为256×256的图像。这种256×256像素阵列称之为图像矩阵。 

 

  • T1加权像(T1weighted image,T1WI),反映组织间T1的差别,常用于看解剖结构。

  • T2加权像(T2weighted image,T2WI),反映组织间T2的差别,常用于看组织病变。

  • T1 像和T2像的区分:水在T1 像中是低信号(呈黑色),在T2 像中是高信号(呈白色)

3. 图像矩阵和视野

图像矩阵取决于x-和y-方向上的像素数量。x-方向上梯度的陡峭程度和y-方向梯度的相位编码步级数决定图像矩阵。像素数量和图像矩阵确定了,视野也就确定了,参见图3-1。

MRI成像原理_第5张图片 图3-1 此图中的图像矩阵为6×6,形成有36个像素的网格。通常在磁共振成像中,视野矩阵至少为256×256。一般,对整个人体成像的像素和体素要比只对头部成像的大一些。

如果视野包含整个头部、边长为25.6cm,图像矩阵为256×256矩阵,那么一个像素尺寸就为1mm。如果视野边长为12.8cm、图像矩阵还是256*256,那么一个像素尺寸就为0.5mm,也即空间分辨率为0.5mm。

4. 空间分辨率与部分容积效应

和其他数字成像技术一样,磁共振成像技术中体素和像素尺寸也会影响空间分辨率和对比度。

体素内所有的解剖学结构都会影响最终图像的信号强度。如果体素较大,体素内就有很多不同的结构和组织。在最终的像素中,这些结构就无法被区分。如果体素较小,单个像素内所包含的结构就很少,因此,空间分辨率和对比度都要好一些。

数据采集和重建技术决定不同的体素形状。

  • 各向同性重建:重建体素时,使用三边长度一样的立方体
  • 各向异性重建:重建体素时,使用的立方体一边长度大于另外两边

在图像平板中,这两种形状的体素看起来可能相同,但是,图像内容和所计算的灰度却不同,参见

MRI成像原理_第6张图片 图4-1 各向同性体素与各向异性体素的片层厚度不同(a),因此它们的信号强度也不同(b)

不同结构的信号累加在一起会导致图像模糊,这就是部分体积效应。像素越小,部分容积效应就能更好地被抑制,参见图4-2。

但是,体素越大,信号会越好,信噪比也会越好。一般,最终体素或者像素的尺寸由信噪比决定。视野、片层厚度和成像时间相同时,图像矩阵从128×128增加到256×256,信噪比会降低为原来的四分之一。因此,必须有足够高的信噪比以增加分辨率。

 

MRI成像原理_第7张图片 图4-2 空间分辨率和部分容积效应:矩阵为(a)256×256(b)128×128(c)64×64(d)32×32。像素尺寸越大,部分容积效应越明显,无法显示解剖学细微结构

5.  空间分辨力相关的概念

任何脉冲序列在实际应用中都会涉及到空间分辨率的问题,实际上空间分辨率就是指图像像素所代表体素的实际大小,体素越小空间分辨率越高,体素越大空间分辨率越低。空间分辨率受层厚、层间距、扫描矩阵、视野等因素影响。

 

1. 层厚 (slicethickness)是由层面选择梯度场强和射频脉冲的带宽来决定的,在二维图像中,层厚即被激发层面的厚度。层厚越薄,图像在层面选择方向的空间分辨率越高,但由于体素体积变小,图像的信噪比降低。因此在选择层厚的时候既要考虑到空间分辨率,也要考虑到图像信噪比。

2. 层间距(slicegap)是指相邻两个层面之间的距离。MRI的层间距与CT的层间距(slice interval)概念不同。CT的层间距是指相邻的两个层面厚度中心的间距,如层厚和层间距均为25px,实际上是一层接着一层,两层之间没有间隔。而MR成像时,如果层厚为25px,层间距为12.5px,则两层之间有厚度为12.5px的组织没有成像。MR的层面成像是通过选择性的射频脉冲来实现的,由于受梯度场线性、射频脉冲的频率特性等影响,实际上扫描层面附近的质子也会受到激励,这样就会造成层面之间的信号相互影响(下图),我们把这种效应称为层间干扰(cross talk)或层间污染(cross contamination)。为了减少层间污染,二维MR成像时往往需要一定的层间距。

MRI成像原理_第8张图片

3. 矩阵(matrix)是指MR图像层面内行和列的数目,也就是频率编码和相位编码方向上的像素数目。频率编码方向上的像素多少不直接影响图像采集时间;而相位编码方向的像素数目决定于相位编码的步级数,因而数目越大,图像采集时间越长。MR图像的像素与成像体素是一一对应的。在其他成像参数不变的前提下,矩阵越大,成像体素越小,图像层面内的空间分辨率越高。

4. 视野(fieldof view,FOV)是指MR成像的实际范围,即图像区域在频率编码方向和相位编码方向的实际尺寸,如30 cm×30 cm,因而是个面积概念。在矩阵不变的情况下,FOV越大,成像体素越大,图像层面内的空间分辨力降低。

5. 矩形FOV 一般的FOV是正方形的,但有些解剖部位各方向径线是不同的,如腹部横断面的前后径明显短于左右径,如果采用正方形FOV,前后方向有较大的区域空间编码是浪费的,如果采用前后径短左右径长的矩形FOV,如750px×40 cm,则可充分利用FOV。矩形FOV的短径只能选择在相位编码方向上,采用矩形FOV后,在空间分辨力保持不变的情况下,需要进行的相位编码步级数减少,因而采集时间成比例缩短。

6. 正常颅脑组织的MRI图像强度值

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

参考

MRI 成像原理简介

磁共振图像的基本术语

MRI扫描参数的基本概念

附录:MRI成像原理漫画图

来源:Jinaffe长璟鹿(知乎)

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