MRI成像原理及图像矩阵与空间分辨率

Struggle

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。
     

     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）。
     

     

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。
     

     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。
     

     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
     

     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。
 
     

     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。

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T1T2胼胝体38080桥　脑44575延　髓475100小　脑58590大　脑600100脑脊液1155145头　皮23560骨　髓32080参考

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)

来源：https://blog.csdn.net/gefeng1209/article/details/95068091
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