[医学影像处理]磁共振成像基础

笔墨苍炎

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  磁共振信号是随时间变化的电流或电压。他们是由周期性震荡磁场诱导产生的波。波形反映磁共振信号的信息。
  磁共振信号都是正弦波和余弦波，可以从振幅、频率和相位这三个方面来描述和定义。

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一、振幅

  振幅也被称之为信号强度。在磁共振成像图像中，振幅反映像素的最终亮度。频率和相位决定图像的形状和空间细节。振幅是指波峰(或波谷）到静止平衡点的距离。振幅的常用单位是伏特(V)，通常采用毫伏特(mV)做单位。

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二、频率

  频率是指物质在1秒内完成的周期性变化的次数。用赫兹(Hertz)表示，记为Hz。1Hz即指在1秒内完成了一次周期性的变化。在磁共振成像技术中，通常采用千赫(1kHz=1,000Hz)或兆赫(1MHz=1,000,000 Hz)做单位。

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三、相位

  相位用来指定波形周期的起始位置。只有频率相同的波，他们的相位才具有可比性。相位用度来表示。一个完整的周期等于360度。两个频率相同的波相位的差叫做相位差或者相位移。

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四、脉冲

1、脉冲定义

  信号的无线传输不是通过改变电流来完成的，而是通过改变电磁辐射来实现的。在磁共振中，辐射不是连续的，而是被分割成一段一段的脉冲。这些脉冲可以被镶嵌在不同的脉冲序列中。
2、选择性脉冲和非选择性脉冲

  能否达到脉冲的预期作用效果取决于脉冲的形状。选择性脉冲常被用于在待测样品中选取一个切片，非选择性脉冲则可以激发整个待测样品。选择性脉冲和非选择性脉冲都用于三维成像中。
3、带宽

  带宽是指脉冲的频率范围。任何信号都有一定的带宽。一般来说，带宽与单位时间里传输或者接收的数据量是成正比的。在模拟系统中，带宽是指信号所包含的各种不同频率成分中，最高频率成分和最低频率成分之间的差异。
  两个能级间的能量差值与磁场强度成正比，而磁共振信号强度与分布在两个能级上原子核数目的差异成正比。因此，我们可以通过增大磁场强度来增大两个能级间的能量差，从而增大分布在两个能级上的原子核数目的差异，进而增强磁共振信号。

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五、MRI的基本硬件构成

  分为：主磁体、梯度系统、射频系统、计算机系统和谱仪、辅助设备
1、主磁体

(1)主磁体是产生磁场的装置

  MRI按磁场产生的方式分类
  主磁体分为永磁体和电磁体；电磁体又分为常导(已不常用)和超导
(2)MRI按主磁场强度分类：

  (场强的重要性：MRI信噪比与场强成正比)
  按场强分类：
  低场：小于0.5T
  中场：0.5T~1.0T
  高场：1.0T~2.0T(1.0T、1.5T、2.0T)
  超高强场：大于2.0T(3.0T、4.7T、7T)(临床上使用最多的是3.0T的磁共振设备)
(3)优缺点

  优点：提高SNR、加快速度、MRS、脂肪抑制、BOLD效应
  缺点：价格增高、噪音增加、SAR值升高(与场强平方成正比)、伪影增加
(4)高度均匀的磁场

  空间定位需要、提高信噪比、减少伪影、大视野扫描、频谱分析需要、脂肪抑制需要
2、梯度系统

(1)组成

  梯度放大器、梯度线圈
(2)作用

  空间定位、读出信号、扩散梯度场、流动补偿、流速编码…

(3)梯度系统的主要性能指标

  梯度系统是MRI的引擎
  梯度系统的性能将决定MRI速度
  主要性能指标：梯度场强、梯度切换率
(4)梯度场强

  假设有一台1.5T(1500mT)的磁共振设备，施加一个梯度场后。在梯度长中点位置保持梯度长不变，还是1500mT，头侧磁场强度增高为1510mT，足侧为1490mT，假设其为线性的，有效梯度场长度为50cm。
  梯度两端磁场强度差值为20mT，梯度场强为(1500mT-1490mT)/0.5M=40mT/M
  也就是说，梯度场强(mT/M)=梯度两端的磁场强度差值/梯度场的有效长度
(5)梯度切换率

  梯度场可用面积表示，通电后经历爬升时间达到的为梯度场强
  切换率=梯度场强度/爬升时间

  切换率越高，所需的爬升时间越短，成像速度越快
  梯度场的作用效果与其面积相关
  梯度场强越高，所需作用时间越短，成像速度越快
  从安全考虑，梯度场强和切换率有一定限制
3、射频系统

(1)组成

  射频发生器、放大器、射频通道、射频线圈
(2)作用(无线电天线)

  激发人体长生共振、接受MR信号
(3)射频线圈的分类(按作用)

  激励并接收：体线圈、头颅正交线圈
  仅接受(用体线圈激励)：表面线圈、相控阵表面线圈(提高信噪比)

(4)接受线圈的选用

Ⅰ、线圈特征

  线圈越小：视野越小，信噪比越高
  线圈距离组织越近：信噪比越高
  单位体积内线圈单位元数越多：信噪比越高
Ⅱ、选择原则

  适形：靠近成像组织
  适大：略大于目标成像范围，不宜过大
  大小合适的适形线圈可获得高信噪比
4、计算机系统及谱仪

  时钟、频率、数据的运算、控制扫描、显示图像
5、 其他辅助设备

  空调、检查台、冷却系统、激光相机