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1、磁共振成像原理及临床应用,湖南省肿瘤医院放诊科 向往,绝大多数原子核都具有围绕自身轴线做旋转运动的特性，称之为自旋特性。质子自旋就相当于正电荷在环形线路中流动即环形电流产生磁场，即核磁。若原子核含有的质子数为偶数，则其自旋产生的磁场相互抵消，为非磁性。反之，若为奇数，则具有磁性。,MRI 的物理基础,生物组织中含有1H、13C、19F、23Na、31P等元素，有磁性的元素有百余种。在现今，研究和使用的最多的是1H。1H是磁化最高的原子核，可以得到较强的信号（即SNR高）；1H占活体组织中原子数的2/3，数量丰富。MRI时，均指的是1H原子核。,MRI的物理基础,无外加磁场时，各个质子以任意方向
2、自旋，因而单位体积内生物组织的宏观磁矩M=0，若将生物组织置于一个强大的外加磁场（B0）中，则质子磁矩发生变化，较多的质子磁矩与B0方向相同，较少与之相反。因此，出现与B0方向一致的净宏观磁矩M0。,MRI涉及讨论的主要为宏观磁化矢量的变化规律,原子核在外加磁场中自旋的同时，还以一定的角度围绕外加磁场方向进行旋转运动，这种运动称为进动。沿B0旋进着的质子类似于在重力作用下的陀螺。进动频率亦称角频率(0)，取决于外加磁场强度(B0)和原子核的旋磁比()：0=0上述方程式称为拉莫尔方程，其角频率又称为拉莫尔频率。旋磁比()是原子核的固有特性，仅与原子核的种类有关。,MRI 的物理基础,MRI的物理
3、基础,能量从一个客体或系统传送至另一个，而接受者以供应者相同的频率振动。这种能量传送只有在驱动者能量频率与被激励系统的振荡频率相一致时才能发生。在MR成像中，被激励者为组织中的1H团，激励者为射频脉冲。在B0中，以Larmor频率施加射频脉冲，被激励质子从低能态跃迁到高能态，出现核磁共振。从宏观上讲，受激励的质子群发生核磁共振时，质子宏观磁化矢量M不再与原来的主磁场平行，M的方向和值将离开原来的平衡状态而发生变化，其变化程度取决于所施加射频脉冲的强度和时间，二者越大，在射频脉冲停止时，M离开B0越远。,90射频脉冲,MRI的物理基础,核磁弛豫：脉冲停止后，宏观磁化矢量M又自发恢复到平衡状态。纵
4、向弛豫：90脉冲停止后，纵向弛化矢量要逐渐恢复放到平衡状态，测量时间距终止时间越长，所测到的磁化矢量信号幅度就越大，Mz达到其最终平衡状态的63%的时间为T1值。（通过释放已吸收的能量）,MRI的物理基础,横向弛豫：90射频脉冲的的另一个作用是使质子群在同一方位、同步旋进（相位一致），这时横向磁化矢量Mxy最大。但射频脉冲停止后，质子群同步旋进很快变成异步，相位失聚合，磁化矢量相互抵消，Mxy很快由大变小至为0，称之为去相位。Mxy衰减到原来值37%的时间为T2值。（通过相位的改变导致矢量抵消）只有Larmor频率的磁动波与B0作用垂直时，被激励的高能态质子方能放出能量，回到低能态，即T1弛豫
5、；各种频率、任意方向的磁动波均可使质子群的旋进频率及方位发生改变，即T2弛豫。,T1、T2弛豫过程同时进行,MRI的物理基础,弛豫与生物组织理化因素的关系 人体体温环境下，纯水分子热运动覆盖的频率段最宽，多超出MRI质子共振频率的范围。如果水变成冰或者有物质（蛋白质）溶解在内使其粘度升高，则热运动减低，处于Larmor频率的磁动波较多，能更多地激发被激励的质子，使T1缩短。而脂肪、胆固醇等物质内1H，由于基本没有热运动的影响，所以均呈短T1信号。,磁共振信号的产生,外来射频脉冲停止后，由M0产生的横向磁化矢量由XY平面逐渐回复到Z轴同时以射频信号的形式放出能量发出的射频信号被体外线圈接受经计算
6、机处理后重建成图像,磁共振检查技术平扫（T1WI、T2WI、PDWI）增强（T1WI）动态增强（Dynamic MR）磁共振血管造影（MRA）脂肪抑制成像（STIR)水抑制成像（FLAIR）水成像（MRCP、MRU、MRM）灌注成像（Perfusion）弥散成像（Diffusion）功能成像（function MR）,PDWI T2WI T1WI SE序列 FSTIR序列,后交通支动脉瘤,3D-MRA,3D-CEMRA的时间分辨率（胸腹部）,FLAIR抑水序列,磁共振胰胆管造影（MRCP）3D-重T2WI（水成像）,磁共振弥散加权成像DWI,磁共振弥散加权成像DWI,MR图像：组织T1、T2驰
7、豫时间、H1的密度、分子弥散运动 DWI图像：利用扩散敏感梯度脉冲将水分子弥散效应扩大，来研究不同组织中水分子扩散运动的差异其方法就是在常规的任意MRI序列上施加对弥散敏感的梯度脉冲来获得,组织内影响水分子弥散的因素 细胞内外的体积变化水分子通过细胞膜的渗透作用细胞外间隙形态的改变,肿瘤组织细胞比例增高高信号,通过两个以上不同弥散敏感梯度值（b值）的弥散加权象，可计算出弥散敏感梯度方向上水分子的表观弥散系数（apparent diffusion coefficient ADC）ADC=In(S低/S高)/(b高-b低),DWI评估弥散的参数,ADC反映了水分子的扩散运动的能力，指水分子单位时间
8、内扩散运动的范围，其值越高代表水分子扩散能力越强。,磁共振扩张张量成像DTI,DWI成像只在X、Y、Z轴三个方向上施加敏感梯度，不能完全、正确地评价不同组织在三维空间内的弥散情况，组织各向异性程度往往被低估。,DTI则可以在三维空间内定量分析组织内水分子的弥散的特性。,均质介质中水分子的运动是无序随机运动，即向各个方向运动的几率是相同，即具有各向同性（isotropy）,在人体组织中，水分子的运动由于受到组织细胞结构的影响，在各个方向弥散程度是不同的，具有方向依赖性，即具有各向异性(anisotropy),磁共振弥散加权成像DTI,水分子垂直于神经纤维走向的弥散运动困难水分子平行于神经纤维走向
9、的弥散运动容易,要描述水分子的空间弥散情况，引入了张量的概念，脑白质中每一个体素的各向异性扩散过程就可以用张量D表示。需要用一个二维矩阵表示：,二阶张量具有对称性，DxyDyx Dxz=Dzx Dyz=Dzy 因此只要计算6个变量 方法：至少在6个不同非共线方向上施加敏感梯度，另外再采集一幅具有同样参数而未施加敏感梯度的图像。从弥散加权像和非弥散加权像的信号强度衰减差异中可以得到6幅表观弥散系数图（ADC），得到一个六元一次方程组，最后利用这些图可以求得每个体素的有效弥散张量D。,理论上6次就可以，但是由于噪声的存在，方向越多，三维空间分布越均匀则数据越准确。,12个方向,42个方向,162个
10、方向,642个方向,DTI的成像原理,DTI利用弥散张量中的各向异性扩散的方向信息来追踪神经通路的走行从而得到脑白质中神经纤维和功能束的走行方向和立体形态。,DTI的量化参数,平均扩散率 指MR成像体素内各个方向扩散幅度的平均值，代表了某一体素内水分子扩散的大小或程度，通常所用的指标就是平均弥散系数（average diffusion coefficient，ADC），反应了水分子单位时间内扩散运动的范围，单位是mm2/s，其值越大，说明水分子扩散能力越强。,正常的ADC图,部分各向异性指数（fractional anisotropy，FA）是分析各向异性最常用的参数，指弥散的各向异性部分与弥
11、散张量总值的比值，反应了各向异性成分占整个弥散张量的比例，取值在01之间，0代表了最大各向同性的弥散，比如在完全均质介质中的水分子弥散，1代表了假想下最大各向异性的弥散。脑白质中FA值与髓鞘的完整性、纤维的致密性及平行性呈正相关。,各向异性指数,在FA图上，脑白质为高信号，表现出比较高的各向异性，纤维排列最大程度趋于一致时，FA值也就越接近1，例如胼胝体，而脑灰质与脑脊液因趋向各向同性表现为低信号。,胼胝体内囊后肢内囊前肢外囊半卵圆中心,相对各向异性（relative anisotropy，RA）和容积比（volume ratio，VR）RA为各向异性和各向同性成分的比例 VR等于椭球体的体积
12、与半径为平均扩散率的球体体积之比。两者的取值范围亦在01之间，RA的意义与FA相似，越接近1说明水分子的各向异性程度越高。而VR越接近1说明水分子的弥散越趋于各向同性。,VR图,白质纤维束示踪成像（fiber tractography）,利用最大本征向量1对应纤维束传导方向将大脑中神经纤维束轨迹描出来，实现活体查看和研究中枢以及周围神经系统的神经通路的连接和连续性。,方法：从一个设置的种子位置开始追踪，直至遇到体素的FA值小于0.2。,大脑发育及衰老,出生后大脑仍继续发育、髓鞘化，2岁左右基本完成遵循从下到上，从后到前，从中央到周围的规律进行髓鞘化胆固醇逐渐降低，磷脂逐渐增多，最后形成成熟的髓
13、鞘在这个过程中，组织的各向异性不断增加，利用DTI技术，可以定量分析不同部位脑组织的各向异性程度，显示大脑的发育过程,DTI在脑梗塞中的运用,DWI有助于临床诊断早期、超早期脑梗死的及时诊断，而DTI在检测脑梗死后皮质脊髓束损伤有着显著优势。梗死区域的FA显著降低，早期平均ADC值降低，后期增高。与梗死区相联系的的同侧内囊、大脑脚和桥脑处的皮质脊髓束FA较对侧显著降低，提示脑梗死后远端的皮质脊髓束可能存在进行性的Wallerian变性。DTI在通过对梗死远端皮质脊髓束FA计算判断其变性程度，并预测患者的运动功能转归。,DTI在脑肿瘤中的应用,定量分析肿瘤组织特点以鉴别肿瘤的级别，鉴别正常的白质
14、纤维、水肿及肿瘤区域。测量瘤周的水肿的平均ADC值和FA值以分析鉴别转移瘤和胶质瘤。显示白质纤维和肿瘤的相互关系，利于指导外科手术，这是DTI技术较有临床价值和应用的前景。,目前将肿瘤和白质纤维的关系分为4种模式,提示：肿瘤挤压周围神经纤维束，但未见明显的神经纤维束中断征象，提示肿瘤为良性或侵袭性低的肿瘤,模式1：纤维位置或方向发生改变，患侧纤维的FA值相对于对侧正常或轻微降低（25）。,模式2：患侧纤维FA值相对于对侧明显降低（25），同时纤维位置和方向正常。提示：瘤周发生水肿，但不能排除肿瘤浸润。,模式3：患侧纤维FA值相对于对侧明显减低，同时纤维的走向发生改变。提示：瘤周神经纤维被肿瘤侵
15、犯。,模式4：患侧纤维显示各向同性或近似同性，无法看出走行方向。提示：神经纤维被破坏，仅见于恶性肿瘤。,57Y,M,考虑左顶叶胶质瘤,F，28Y，考虑右侧额颞叶胶质瘤,左侧颞部脑膜瘤,磁共振灌注加权成像PWI,DWI病灶PWI病灶 缺血半暗带DWI病灶PWI病灶 梗死,磁敏感加权成像SWI,SWI成像原理,SWI是一种利用不同组织间的磁敏感性差异而成像的技术，对小静脉、微出血和铁沉积更敏感。成像基础：组织间磁敏感度差异和BOLD效应,BOLD成像原理,BOLD：blood oxygen level depend 血氧水平依赖成像脱氧血红蛋白：顺磁性物质，引起加权信号减低。氧合血红蛋白：逆磁性物
16、质，引起加权信号增高。当局部脑皮质在经特定的任务刺激（如感觉运动、神经心理测试等）后，局部脑血流量增加，氧合血红蛋白比例升高，故而神经元活动区的加权信号高于非活动区。这种反映神经电活动的方法就称为BOLD。外界刺激脑组织兴奋ATP需求血管扩张、含氧血红蛋白加权信号,BOLD的临床应用,确定肿瘤与脑功能区的关系，指导手术。检测癫痫异常放电部位。神经功能区的定位。只有你想不到，没有它做不到。,SWI成像原理顺磁性物质成像,含70%去氧血红蛋白的静脉血引起磁场的不均匀性导致：T2*时间缩短和血管与周围组织的磁化率差异引起的相位差加大两种效应。,SWI在CNS的临床应用,血管源性病变,CNS,肿瘤性病
17、变,钙化性疾病,神经退行性疾病,颅脑外伤性疾病,其他疾病,血管源性病变,血管源性病变海绵状血管瘤动静脉畸形Sturge-Weber综合征毛细血管扩张症淀粉样脑血管病（CAA）高血压脑出血脑梗死及出血,血管源性病变,7岁，多发出血和未出血的海绵状血管瘤,血管源性病变,桥脑海绵状血管瘤,血管源性病变,左侧顶枕叶动静脉畸形,血管源性病变,左侧小脑静脉畸形,左侧基底节静脉畸形,血管源性病变,放射性毛细血管扩张症,血管源性病变,皮层静脉梗塞,肿瘤性病变,肿瘤性病变SWI可以显示肿瘤的边界、引流静脉、瘤内出血及钙化等,肿瘤性病变,T1-post,Flair,SWI,Glioma multiforme AV
18、ID BOLD 0.5 x 1.0 x 2.0 mm3,肿瘤性病变,SWI,T1+contrast,Hemorrhage into Glioma,肿瘤性病变,右侧脑室肿瘤静脉分布和出血灶,颅脑外伤性疾病,颅脑外伤性疾病弥漫性轴索损伤（DAI）外伤性脑出血及梗死,颅脑外伤性疾病,弥漫性轴索损伤DAI,颅脑外伤性疾病,弥漫性轴索损伤DAI,神经退行性疾病,神经退行性疾病以脑内铁质沉积增多为特征Alzheimers diseaseParkinsons disease多发性硬化（MS）,其他疾病,白血病脑内出血灶,其他疾病,大脑常染色体显性动脉病合并皮层下梗塞及脑白质病,CADASIL，50岁,正常对
19、照,其他疾病,狼疮脑病,其他疾病,肝豆状核变性,其他疾病,25岁，女性，双侧颈动脉炎,放疗后脑损伤,脑静脉较对侧变细，分支减少,其他疾病,磁共振波谱成像MRS,MRI&MRS比较,在本质上，MRS与MRI相同，其物理原理是相同的；不同的是，数据处理和数据显示方式的差别。MRI扫描后，获得的信号被用于产生一个灰阶图像，如矢状、横轴和冠状等。MRS扫描后，获得的信号通过快速傅立叶转换（Fourier Transform）产生一个质子成分按频率分布的波谱图，而此波谱图显示了构成该图像的各组成成分。,对于具有相同原子序数的原子核，即使它们是在理想均匀的磁场中，进行精确地测量，其共振频率也不完全相同，而
20、是在一个较窄的频率范围内。这种差异是由于原子核处于不同的化合物中，受到原子核周围的电子影响所致。1H在不同基团中的共振频率不同,MRS 的物理基础,化学位移（chemical shift）用于表示化合物中各组成成分的原子核共振的波峰位置。实际应用中，此频率数值并非用其绝对值（Hz，赫兹）表示，而是用一个相对值ppm表示。,化学位移的表示方法,将接收线圈接收到的磁共振信号通过傅立叶转换，描绘成直角坐标中按频率分布的函数曲线，就得到磁共振波谱图。其中，纵坐标表示信号强度，横坐标表示共振频率。,磁共振波谱图,MRS得到代谢物分布图能反映很多特征，特别在脑胶质瘤诊断的方面，如：新血管形成，细胞增多、核
21、多型性和局部坏死等组织学特征。MRS像能够提供脑局部区域代谢物量，为制定手术计划(组织切除)提供信息。,N-乙酰基天门冬氨酸（NAA）:仅存在于神经元内，而不会出现于胶质细胞，是神经元密度和生存的标志。肌酸（Cr）:脑细胞能量依赖系统的标志。胆碱（Cho）:细胞膜磷脂代谢的成分之一，参与细胞膜的合成和蜕变，从而反映细胞膜的更新细胞增殖活跃恶性病变。,乳酸（Lac）：提示脑内无氧糖酵解过程加强。脂质（Lip）：此峰多见于坏死的脑肿瘤中，与乳酸峰位置接近，可通过改变TE将二者鉴别。,治疗前 治疗后,肿瘤 正常 肿瘤 正常,颅内常见病变的代谢物特征,疾病 NAA Cr Cho Lac Lip aa肿
22、瘤-脓肿 梗死-MS-癫痫-结核瘤-,MRS,31P 三磷酸腺苷，磷酸肌酸，磷酸一脂，细胞内外PH值1H 乳酸盐、N-乙酰基天门冬酸，脂质。13C 用13C标记的化合物的代谢产物19F 用19F标记的药物代谢产物，细胞内游离Na+14N,15N 氨离子、氨基酸23Na 细胞内、外Na+的含量39K 细胞内、外K+的含量,P-MRS,信号最高的磷酸肌酸(PCr)的磷原子核的峰。它是高能缓冲化合物。、由三磷酸腺苷(ATP)的磷核产生。ATP为能量代谢中心媒介。-ATP来确定ATP浓度,P在代谢过程中的重要作用有极大作用。,小结,磁共振成像原理目前分为三大方面：质子共振成像、磁敏感性差异成像及波谱分析成像。三者均是基于分子乃至原子层面的成像方法，是真正意义上的分子成像。且体内磁性原子数目及种类众多，成像方法多样且具有很大的随意性，所以发展迅速、发展空间非常大。,加油！,Thank you for your attention！,
