医学影像物理学实验课件.ppt

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1、医学影像物理学实 验,实验仪器,MRIjx磁共振成像仪,MRIjx磁共振成像仪的硬件构成 MRIjx磁共振成像仪在硬件上体现为5个相对独立的机柜：工控机 射频单元 梯度单元 磁体单元 显示器 在实验期间保持恒温系统处于工作状态。,严格按下面的顺序开机和关机 （1）开机 1）启动计算机； 2）在计算机桌面上启动应用程序MRIjx； 3）开启射频单元电源； 4）打开梯度放大器机箱电源开关。,（2）关机 1）关闭梯度放大器机箱电源开关 2）关闭射频单元电源； 3）退出应用程序MRIJX； 4）关闭计算机。,MRIjx的主要性能指标,1、磁场强度：0.5T；2、共振频率：23MHz+O1(偏移量）；3

2、、磁极直径：165mm；4、磁极间隙：38mm；5、磁场均匀度：优于15ppm；6、磁场稳定度：开机4小时后磁场达到稳定；7、梯度磁场：X，Y，Z方向6Gauss/cm；,1、为什么 要调节主磁场的均匀性 要得到质量好的MR图像，主磁场的均匀性一定要好。 MRIjx实验仪的成像空间很小，为10mm 10mm 10mm。在该范围内要将主磁场的均匀性调好。,准备实验 电子匀场,2、匀场方式：有源匀场方式 有源匀场方式主要是根据通电线圈在线圈周围会产生磁场，通过给不同方向的线圈施加合适的电流产生的微小磁场来对主磁场的不均匀性进行校正。,3、原理 主磁场均匀性越差，横向弛豫进行得越快，FID信号的拖尾

3、越短。当主磁场均匀性越高时，横向弛豫进行得越慢，FID的信号拖尾越长。,4、实验步骤 （1）找FID信号 （2）经过FFT变换，显示FID信号的频谱。 （3）点击“kHz”按钮使测量单位以ppm为单位，选择曲线在频率方向上的测量范围，再点击“测量谱线距离”测出信号峰的半高宽度。 （4）点击“GS”单次采集信号，分别缓慢地调整梯度电子柜面板上的GX Shim、GY Shim、GZ Shim电位器旋钮，使FID信号衰减变慢，拖尾最长，此时，主磁场的均匀性最好。 （5）重复（3）。,测谱线的半高宽度,1、为什么 要进行自动增益 对于实际的磁共振系统来说，通常所产生的磁共振信号都非常微弱，并伴有噪声，

4、因此，对接收到的磁共振信号都要进行放大处理。 需要进行自动增益调整的原因有二个：一是在信号幅值较小时，可以放大信号，提高信噪比。二是信号幅值不是越大越好，这是因为磁共振信号最后经过相敏检波后需要被AD转换器采集成数字信号才能送到K空间进行存储。而每个ADC都有一个转换范围，即能够转换的最高幅值，超过该幅值的信号会被截止掉。,准备实验 自动增益,2、自动增益调整的方法 MRIjx磁共振成像仪采用了两种增益方式，一种是通过软件对采集后的MR信号进行前放增益的调整，本实验装置可以实现四档增益调整；另外一种是通过仪器面板上的增益调节旋钮，直接改变二级放大器件的增益。 同学们在做实验时，不要动仪器面板上

5、的增益调节旋钮，只需了解如何通过软件对增益进行调整。 在功能选项卡上选“采样”选项，改变接收机增益RG的等级。,增益等级RG=1时，信号未失真。,增益等级RG=4时，信号失真。,1、磁共振发生的条件 磁共振成像的基本条件是被成像样品必须处在磁共振状态，此时才能检测到最大的MR信号。 施加的射频电磁波的频率与样品中自旋核的拉莫尔进动频率相等时发生磁共振现象。 2、测量拉莫尔频率的方法 自动方法：当样品所处的主磁场一定时，样品中自旋核的拉莫尔角频率是一个固定值。 施加的RF电磁波有一定的带宽，当拉莫尔频率被包含在其中时，可观察到FID信号。,准备实验 确定磁共振中心频率,对FID信号进行傅里叶变换

6、: FT 时域信号 频域信号 S（t1,t2,） S(1, 2,),频域信号中对应幅度最大的频率值为拉莫尔频率。若不在中心处，表示RF脉冲的中心频率偏离拉莫尔频率，需要将中心频率设置为找到的拉莫尔频率。 当RF脉冲的中心频率偏离拉莫尔频率时，系统处在偏置共振状态，在旋转坐标系（旋转频率与RF脉冲的中心频率相同）观察FID信号，FID的幅度随时间按指数规律减小，FID信号的频率是中心频率与拉莫尔频率之差。当RF脉冲的中心频率与拉莫尔频率相等时，系统处在共振状态， FID信号不再振荡，是一条呈指数递减规律的曲线。,共振与偏共振状态下FID信号的形状及其频谱,饱和恢复测T1序列,原理：饱和恢复测T1

7、序列结构如图所示。 当序列重复时间D0足够长时，可使在每个脉冲周期结束时,即下一个脉冲周期开始前，纵向磁化强度Mz完全恢复到M0。,扰相(dephasing)梯度场的作用是让横向弛豫迅速结束，消除横向强化强度对测量FID信号的影响。,第一个900脉冲后的纵向弛豫为:经时间D1后施加第二个900射频脉冲，将此时的纵向磁化强度Mz倒向xy平面。在第二个900度射频脉冲结束后立即采集FID信号，FID信号的大小与Mz成正比。在不同的时间间隔D1情况下，施加第二个900射频脉冲，并记录FID信号幅值，该值约为MZ。 记录多组数据，用成像仪提供的软件拟合生成 曲线，最终确定T1的值。,实验步骤： 1、调

8、整实验环境。 2、利用硬脉冲FID序列确定900RF脉冲的宽度。 3、利用饱和恢复序列测T1。,硬脉冲CPMG序列测量T2 实验原理 硬脉冲CPMG序列测饱和恢复测T2序列结构如图所示：,脉冲之后，分别在 时施加 脉冲，在 时刻，即 时得到相应回波信号的最大值： 根据测量的一组回波信号的幅值，用实验仪提供的软件拟合 曲线，最终确定T2的值。,实验步骤： 1、调整实验环境。 2、利用硬脉冲FID序列确定900RF脉冲、1800RF脉冲的宽度。 3、利用硬脉冲回波序列，观察回波信号，通过合理设置序列参数D1、采集参数TD、SW，使回波峰值出现在采样窗口的中心。 4、利用硬脉冲CPMG序列测T2。通

9、过合理设置序列参数D1、D2、采样参数TD、脉冲个数C1、采样频率SW，使回波链完全出现在信号窗口，而FID信号尽量少进入信号窗口。,硬脉冲回波序列 采样选项卡,如何设置参数才能完成第3步？,硬脉冲CPMG序列 采样选项卡,如何设置参数才能完成第4步？,5、在保证一定信噪比的前提下，回波数越多，拟合的结果越准确。选择C1较大，如100、200等，重复上面的实验。,自旋回波序列成像,MRIjx磁共振成像仪的磁体单元产生主磁场、梯度磁场、接收磁共振信号。中间的柱形圆孔是成像区域，用来放置样品试管。磁体的坐标轴取向如右图所示。 垂直x、y、z三方向的断层图像如图下图所示。,自旋回波脉冲成像序列中，各

10、参数如下所示：D0：重复时间TR；D1：为相位编码时间；D2：相位平衡梯度施加时间；D3：代表射频脉冲结束到开始采样的延迟；D4和D5：T2加权成像参数， 一般设为100us；SP1、SP2 ：分别是90和180脉冲的脉冲宽度；,自旋回波序列时序图,实验软件,成像参数设置 序列参数D0、D1、D2、D4、D5值由图像的加权性质决定。 D0为序列重复时间TR，D1为相位编码时间，D4、D5为T2加权成像参数。 D0=TR D1+D4=TE/2 根据成像样品的T1、T2值及图像的加权性质，设置D0、D1、D4、D5的值。 D2=SP1/2,加权成像,物质的、T1、T2不同，加权即突出某个参数对图像

11、对比的影响，医学上常用来区分不同组织。,不是很长的合适的TR，T1加权,不是很短的合适的TE，T2加权,（1）T1加权像 取不是很长的合适长度的TR，即D0T1；很短的TE值，一般固定D4值为100s，取D1T1；很短的TE值，一般固定D4值为100s，取D1T1；不是很短的合适长度的TE值，通过选取合适的D1、D4、D5值，使TET2。 本实验要求对某种样品分别得到T1加权图像和质子密度加权图像。,二维成像：先选层(选与 x轴垂直的断层)选层磁场梯度+软脉冲激发,对选层方向: 断层厚度由 决定。RF脉冲的带宽及选层梯度共同决定了断层厚度。需要设置的参数： （1）SP1、SP2 射频脉冲的带宽

12、由90 和180 软脉冲的脉冲宽度SP1 、SP2 决定。一般选SP1=SP2=1200s。 （2） SLICE （3）选层梯度的幅值 若SLICE选0，设置GxAmp（%），该值越大，层厚越小，该值越小，层厚越大。,空间编码：使层内不同位置的自旋需携带不同的信息。频率编码和相位编码测量信号为回波信号：完整覆盖K空间,对频率编码方向，一次回波信号测量即可覆盖Kz空间。对相位编码方向，通过分步改变GPE实现Ky空间覆盖。,参数设置,频率编码，在时间域采集，采样频率SW、编码梯度Gz相位编码，分步采集，步数NE1、编码时间D1、编码梯度Gy离散傅里叶变换，视野FOV为编码的实空间范围要使成像不失真

13、，需要调节参数使(FOV)z=(FOV)y需要设置的参数：TD、SW、 GzAmp（%）、NE1、D1、 GyAmp（%）,GzAmp（%）、 GyAmp（%）值的设置 为了避免出现反迭伪影，FOVA，选择合适的FOV,计算出相应的Gz、Gy。 成像物体在水平方向的尺寸约为1.2cm，在竖直方向的尺寸不大于2cm。 一般情况：,实验步骤： 1、调整实验环境。 2、利用软脉冲FID序列确定900软脉冲、1800软脉冲的幅值。 3、利用软脉冲回波序列，观察回波信号，通过合理设置序列参数D1、采集参数TD、SW，使回波峰值出现在采样窗口的中心。 4、利用自旋回波序列成像。要求选某种样品得到两种不同断

14、面的T1加权像和质子密度加权像。,K空间与图像空间的关系,对K空间的数据进行傅里叶逆变换，即可得到重建图像。 称傅里叶变换过程中用于重建图像的空间长度为视野（field of view，FOV）,图像的空间分辨率和噪声,图像的空间分辨率和信噪比是评价医学图像质量的两个重要参数。 1、空间分辨率 图像的空间分辨率由像素大小 、 及层厚 决定。 断层层厚由 决定，减小射频脉冲的带宽及增加选层梯度都可以减小层厚，提高层间分辨率。 设重建NxNy像素的图像:,、,成像视野FOV、图像矩阵NxNy共同决定了断层内的空间分辨率。,2、信噪比 MR图像的信噪比与场强、组织特征、线圈的选择等因素有关。 信噪比

15、还与成像参数的设置有关，如成像视野FOV、成像矩阵NxNy 、重复测量次数NEX、层厚、信号采集的带宽（采样频率）BW、射频脉冲重复时间TR、回波时间TE等。,若成像平面在xy平面上,（1）重复测量次数NEX对信噪比的影响 为了提高图像的SNR可进行多次重复测量，信号取多次测量的平均值。平均后信号的强度不变，但噪声降低了，信噪比提高到单次测量的 倍。 （2）相位编码步数Ny 对信噪比的影响 当成像视野FOV保持不变时，SNR与 N成反比。减少y，SNR提高，扫描时间缩短，但像素的尺寸增大，空间分辨率下降。 （3）采样点数Nx对信噪比的影响 当成像视野FOV一定时，SNR与 Nx成反比。减少采样

16、点数，SNR提高，扫描时间不变，但像素的尺寸增大，空间分辨率下降。,（4）采样频率对信噪比的影响 当成像视野一定时，SNR与 BW成反比。带宽（采样频率）越小，噪声越少，SNR提高。但在采样点数不变的前提下，采样时间变长了，致使成像序列的最短回波时间TE延长。 （5）层厚对信噪比的影响 SNR与层厚 成正比，随着层厚的增加，用于成像的自旋核增多，信号增强，SNR提高。但层厚的增加会使部分容积效应造成的伪影增加，从而影响一些细节的显示。,（6）视野FOV对信噪比的影响 在其他参数不变的前提下，增大FOV可提高信噪比，但会造成像素尺寸增大，图像的空间分辨率下降。 （7）TR和TE对信噪比的影响 重

17、复时间TR越长，自旋核系统的纵向弛豫恢复越完全，用来激励进入水平面的磁化强度越大，信号增强，信噪比增大。TE越短，横向磁化强度的衰减越不明显，能得到较强信号，有较好的信噪比。,一、实验原理 1、超声测距原理 超声换能器向目标物体发射脉冲超声波，当超声换能器正对着目标物体时，接收到的回波信号强度将最大。测量发射脉冲到接收回波之间经历的时间t。根据超声波在介质中的传播速度v，确定目标物体离超声换能器的距离L为,A超与M超成像原理实验,2、影响超声回波强度的主要因素 （1）声束对界面入射角的大小。 （2）界面两侧介质声阻抗的差别。 （3）界面的线度与声波波长的相对关系。 （4）界面的粗糙度。 （5）

18、声束从发射到产生回波的过程中，传播的距离、通过介质的种类及通过界面的数量等。 （6）超声波的频率。 （7）发射超声波的强度。,3、水中声速的测量 改变目标物体离超声换能器的距离得到不同的接收回波时间差，用时差法测量水中声速。假设目标物体到超声换能器的垂直距离为S1时，脉冲发射到接收回波的时间为t1。改变目标物体到超声换能器的垂直距离为S2，此时脉冲发射波到接收回波的时间为t2。水中超声波的传播速度为,二、实验内容、观察回波波形、测量物体的厚度、观察多次回波、测量水中声速、模拟超图像,一、实验原理 1、如何测纵向分辨力? 纵向分辨力 指沿超声波传播方向上能分辨的两点之间的最小距离。,B超成像原理,脉冲回波型超声成像仪存在一个最小探测深度d，离超声换能器的距离小于d的区域称为盲区。,2、伪影 超声成像技术是建立在三个物理假设基础上的。实际情况下，三个物理假设难以满足，造成了图像与实际组织情况的不一致，形成伪像。 1）混响伪像 2）切片厚度伪像（部分容积效应） 3）旁瓣伪像 4）声影,5）后方回声增强 6）折射声影 7）多途径反射伪像 8）镜面伪像 9）透镜效应伪像 10）声速失真,四、实验内容与步骤 1、测量纵向分辨力 2、对表面不规则的有机玻璃样品断面成像 3、对有机玻璃制成的大圆筒样品断面成像,