醫學影像設備MR授課課件醫學影像學物理理論技術診斷設備第一節概述MR基本原理（名詞解釋）當處于磁場中的物質受到射頻(RF)電磁波激勵時，如果RF電磁波的頻率與磁場強度的關系滿足拉莫爾方程，則組成物質的一些原子核會發生共振，即所謂的MR。通過測量和分析此MR信號，可得到物資結構中許多物理和化學信息。RF射頻脈沖用特定頻率的射頻脈沖（Radio

Frequency，RF）進行激發，作為小磁體的氫原子核吸收一定的能量而共振，即發生了磁共振現象。停止發射射頻脈沖，則被激發的氫原子核把所吸收的能量逐步釋放出來，其相位和能級都恢復到激發前的狀態。這一恢復過程稱為弛豫過程（Relaxation

Process），而恢復到原來平衡狀態所需的時間則稱之為弛豫時間（Relaxation

Time）。新技術新應用高場強高性能梯度開放型磁體軟線圈采集方法，編碼技術計算機重建磁共振發展EPI（回波平面成像）MRA磁共振介入消除偽影技術降噪技術大腦內靜脈前聯合終板漏斗隱窩視隱窩后聯合松果體下矢狀竇小腦后下動脈大腦大靜脈直竇丘腦間聯合乳頭體穹隆MRAMRA腹部動態增強掃描典型圖像大范圍掃描薄層高分辨率病灶細節一覽無遺血管結構同時顯示DTI偽影3.0T神經系統功能性圖像磁共振腦功能成像

–fMRI基于BOLD原理，GRE-EPI脈沖序列運動－相應中樞含氧血紅蛋白比例高，信號高休息－相應中樞含氧血紅蛋白比例低，信號低BOLD對比度3.0T=5to10%1.5T=1to2%3T1.5T降噪技術

螺旋槳（blade）MR特點無電離輻射危害多參數成像，可提供豐富的診斷信息高對比度成像MRI設備具有任意方向斷層的能力無需使用對比劑，可直接顯示心臟和血管無骨偽影干擾可進行功能、組織化學和生物學方面研究局限性成像速度慢對鈣化灶和骨皮質病灶不夠敏感禁忌癥相對較多偽影偽影時間長趨勢影像檢查向功能過渡影像檢查向治療過渡影像檢查和臨床結合－－劉翼清院士組成及工作原理主要系統主磁場：高度均勻，穩定靜磁場梯度發生器：產生一定開關形狀的梯度電流RF發射器：頻率合成、RF形成、放大電流RF接收器：前置放大，接收計算機：采集信號、處理、重建第二節磁體系統

一、概述１．對磁體的要求Ａ要有足夠的場強B需要一個大的孔徑＞0.8MC

要求很高的均勻度＜5PPMD

磁體系統要有較高的安全體系２．場強的分類Ａ低場0.3T以下B中場0.3~1.0TC高場1.0~1.5TD超高場1.5T以上磁體性能指標主磁體：永磁體、常導磁體和超導磁體性能指標：磁場強度、磁場均勻性、磁場穩定性、符合需要的有效孔徑磁體性能參數磁場強度－－主磁場、靜磁場永磁，電磁，超導提供磁場，提高SNR提高磁場強度－－采用超導磁體磁場均勻性均勻性：是指在特定容積限度內磁場的同一性，即穿過單位面積的磁力線是否相同。特定容積：通常取一個球形空間。單位：ppm（10－6）統一標準：對不同場強或同一場強不同設備進行比較一般：±2.5ppmMagnetdesign磁場強度50cmFOV,大多用6組線圈。N，D，d都需要經過嚴格的計算。超導線用量最優化N=匝數,D=線圈大小,d=線圈間距Activeshield磁力線范圍越小越好，以0.5mT做主要參考。增加一對activeshieldcoils，大大減小了磁體外磁場強度.

須增大磁場電流。勻場主動勻場被動勻場高斯儀勻場的重要性小鐵片的作用磁場的穩定性受磁體附近鐵磁性物資影響、環境溫度、勻場電源漂移磁場穩定性下降意味著單位時間內磁場變化率增高，影響圖像質量溫度影響－－永磁，電磁穩定性磁體類型永磁常導（電磁）超導BasisofMRI永磁型磁共振掃描儀的磁場是由多塊鐵磁物質產生優點：造價低維持費用低，不耗電、不耗冷凍劑缺點：太重，場強受限，一般只能達中低場永磁體構造BasisofMRI常導型磁共振掃描儀的磁場是由通電線圈產生的優點：磁場可被關閉

缺點：對環境要求高

費用較高（溫、濕、電）超導冷卻系統HeliumCompressorMagnetSystemSystemControlRefrigeratorColdHeadEmergencyMagnetStopAlarmBoxHeliumLevelMagnetStopShieldTempCustomerAlarmProcessorShieldTempERDUHeliumLevelCabinetTempMagnetMonitoringBasisofMRI超導型磁共振掃描儀的磁場是由標準溫度下通電線圈產生的優點：場強高、均勻穩定

圖像質量好

缺點：費用高（液氦、液氮）技術特性超導常導永磁（軛型）永磁（環型）磁場強度高低低低磁場方向軸向軸向（多數）垂直垂直或水平勻場好中中中有效容積50403535穩定性好取決于電源取決于溫度取決于溫度干擾明顯無低低梯度渦流場大小（取決于線圈）中低緊急停機時間失超切斷電源不可能去磁不可能去磁重量4~6噸1.5頓10~50噸6噸價格高低中低耗電少高無無冷卻液氦，液氮冷卻水風冷風冷勻場技術有源：加電流（使用輔助線圈）無源：加鐵片勻場調整分為無源勻場調整和有源勻場調整。第三節梯度磁場系統梯度？為什么要梯度？提供MR信號的空間位置信息，實現成像體素的空間定位。梯度磁場-為什么需要梯度磁場如果空間中所有的磁場都相等，即等于B0，那么空間中所有地方產生的信號的頻率都相同，其結果是無法分辨信號是由空間中的那一個點產生的，也就無法生成一幅平面的核磁共振圖像梯度磁場的作用就是使得空間中各點的磁場不同，根據拉莫公式，各點的進動頻率也就不同，這樣就可以分辨出空間各點的信號了梯度磁場是怎樣產生的？梯度磁場是由梯度線圈產生的，三組梯度線圈分別產生X、Y、Z三個方向的梯度磁場，分別記作GX，GY，GZ梯度磁場是線性的，即梯度場強隨坐標的增加而增大。梯度場強的單位是mT/m，例如GX=10mT/米，意義是沿X軸坐標增加1米，場強增加10mT梯度場參數磁場梯度梯度切換率工作周期梯度磁場梯度磁場是電流通過一定形狀結構的線圈產生的。梯度磁場是脈沖式的，需要較大的電流和功率，因此梯度磁場系統包括控制、高壓控制、高壓開關等電路組成梯度磁場組成梯度噪聲鞍形線圈—梯度線圈實體GradientCoils

Z-GradientXandYGradientCoilsxzyx-gradienty-gradientB0=1.0TBZ=10mT/m12345678910mT/m1.000011.000021.000031.000041.000051.000061.000071.000081.000091.0001梯度磁場有效容積梯度場線性梯度場強度梯度場切換率有效容積梯度場的有效容積又叫均勻容積。梯度線圈通常采用的鞍形線圈。有效容積就是指鞍形線圈所包容的、其梯度場能夠滿足一定線性要求的空間區域。這一區域一般位于磁體中心，并與主磁場的有效容積同心。梯度場線性它是衡量梯度場動態地、依次平穩遞增性能的指標。線性越好，表明梯度場越精確，空間定位、選層、翻轉激發也就越精確，圖像的質量就越好。梯度場強它是指梯度場能夠達到的最大值。在線圈一定時，梯度場的強度由梯度電流所決定，而梯度電流又受梯度放大器的功率限制。梯度場越強，就可采用越薄的掃描層厚，體素就越小，影像的空間分辨率就越高。切換率是指單位時間及單位長度內的梯度磁場強度變化量，常用每秒每米長度內磁場強度變化的毫特斯拉量來表示，切換率越高表明梯度磁場變化越快，即梯度線圈通電后梯度磁場達到預定值所需要時間（梯度上升時間）越短。梯度切換率梯度系統組成梯度磁場的分類完成一幅完整的核磁共振圖像，需要三個方向的梯度磁場相互配合，作用各不相同，梯度磁場的作用分別為：

1.選層梯度

2.相位編碼

3.頻率編碼?sliceselection?phaseencoding?frequencyencoding空間編碼在某一方向添加梯度磁場后，沿這個方向上各點的總磁場強度為：

主磁場場強B0+該點的梯度場強在某一方向添加梯度磁場后，這個方向上各點的磁場強度就各不相同，且與坐標值成線性關系。根據拉莫公式，各點的進動頻率也就不同，這樣各點的信號頻率也就與坐標成此線性關系，經過付利葉變換確定各點信號的頻率后，就可也反推出該點的坐標選層核磁共振圖像是一種斷層成像，我們只需要我們選定的層面內的信號，這就要求只有在我們選定的層內的原子核被激發，即只有這些凈磁化矢量M施加90°脈沖或其它角度的脈沖。為了達到這一目的，需要添加選層梯度。添加了選層梯度磁場后，各層面內的拉莫頻率就各不相同，這樣只有與B1場頻率相同的那一層內原子核會被激發，形成90°脈沖或其它角度的脈沖。方位不同，選層梯度不同軸位：矢狀位：冠狀位：Z軸X軸（左右方向）Y軸（前后方向）層厚的選擇兩個因素可以影響層厚的選擇：

1.射頻脈沖的帶寬—CT的X線束

2.選層梯度磁場的大小梯度場越大，層越薄！GradientB0BGradient0相位編碼和頻率編碼添加選層梯度后，選定的層面內的原子核被激發，為了分辨這一層內各點的信號，需要先后在不同的方向上添加相位編碼和頻率編碼。添加相位編碼和頻率編碼的方法是在相位方向上和頻率方向上（可交換）先后添加梯度磁場

Gradientsphaseencoding?sliceselection?frequencyencoding

priortophaseencodephaseencodepostphaseencodePhaseEncoding

Phase

GySliceGzSpatialEncoding

PhaseEncodingmaximumpositiveamplitudesminimumpositiveamplitudesminimumnegativeamplitudesmaximumnegativeamplitudesAmplitudeand/orpolarityvarywitheveryTR

Gradients?phaseencoding?sliceselection?frequencyencoding相位編碼和頻率編碼SliceGzGxFrequency相位編碼和頻率編碼

GySliceGzPhaseGxFrequency雙梯度模式梯度場如果沒有梯度場？不能定層不能成像沒有分辨率，圖像模糊第四節射頻系統RF：用于建立RF場用于建立RF場的線圈叫發射線圈，用于檢測MR信號的RF線圈叫接收線圈能量傳遞微波RF系統方框圖RF線圈發射，接收，表面對于接收線圈，最重要的是SNR，其次是信號響應均勻性新線圈TIM線圈技術線圈毯多通道第五節計算機系統控制，處理，重建，傳輸，存儲ProcessorConfigurationInformationFlowinanMRSystemHostImagerSequence&

parametersSystem

CommandsControlsignalsDigitalizedMR-SignalGradientpulsesRFpulsesComputedImageSystem

ControlDataAcquisitionMR-SignalDataMeasurementSystem框圖ImageReconstructionProcessorSoundMMCRawLinkSCSIU160LVDCD-ROM3.5FloppyMotherboard2GBGraphic

CardAGPPCI-BusSwitchLANPentium4Keyboard+MouseAdapterHostPCIRcvrMeas.

ControlCPUSystemRawDataMeas.

ControlMRIRCPU第七章超聲成像設備第一節概述第二節A型和M型超聲診斷儀第三節B型超聲診斷儀第四節超聲多普勒成像儀重點，掌握，熟悉，了解超聲回波第一節概述超聲診斷儀，是利用超聲波作為信息載體，將人體內部的結構成像的設備，其影像信息與人體實際結構有著空間和時間分布上的對應關系。多普勒成像是利用回波的多普勒頻移，用于對心腦血管疾病的診斷。技術，儀器，發展心臟三維胎兒三維第一節概述基本物理量c＝fλ1540m/s

超聲波的基本概念超聲是一種高頻機械波為什么叫超聲人耳的聽覺范圍：20～2萬HZ超聲波的基本概念聲源

我們把能發出聲音的東西叫做聲源。振動是產生聲波的根源。

在超聲成像中，探頭晶片發射時即產生超聲，所以探頭晶片就是聲源。介質聲源和接收聲音之間的空間充滿了氣體(空氣)，或是液體，或是固體，即有種傳播聲音的媒介物——介質。聲波必須在介質中傳播，在真空中聲波是不能傳播的。超聲波的應用范圍

在20到100KHz的頻率范圍內，很多動物都用超聲波進行交流、導航及追捕它們的獵物。

從100KHz（105Hz）到1MHz（106Hz），超聲波最重要的應用就是聲吶（聲音導航及測距）。

2.5MHz到5MHz的頻率用于心臟、腹部及軟組織成像。這些頻率能穿透組織可到達20-15cm的深度。

5-10MHZ的頻率的超聲波可以用于小器官的成像，例如：腮腺、甲狀腺、頸部血管及眼睛顯像，它只需要4-5cm的穿透深度。

10-30MHz用于皮膚及血管內檢查，可以獲得高分辯力的圖像。

40-100MHz用于生物顯微鏡成像，對眼活組織表面下的顯微診斷。超聲的傳播一、超聲在介質中傳播超聲波在介質中傳播時，一般有類似于幾何光學和物理光學的特點幾何光學有什么特點？直線傳播、折射、反射、透射、衍射、散射超聲的反射和折射反射：當一束平面超聲波達到聲阻抗不同的兩種介質的大界面時，在兩介質的界面上將發生反射大界面：界面寬度遠大于聲束直徑反射系數聲壓反射系數：當超聲波垂直投射到兩種聲阻抗不同的介質界面上時，在不考慮超聲吸收的情況下，聲壓反射系數聲強反射系數：當超聲垂直投射到兩種聲阻抗不同的介質界面上時，聲強的反射系數聲壓，聲強聲壓：壓強瞬時的值和無聲壓的差聲強：聲波的強度。超聲傳播過程中單位時間內通過單位橫截面積的周期平均能量聲阻抗：是聲介質的力學特征量。聲阻抗在聲波的傳播中起重要作用。

Z=ρ×c聲壓、聲強、阻抗由于超聲波是機械波，是有能量的，所以有聲壓。

利用聲壓特性可以改變顯像聲強，超聲能量強度。尤其是現在的生物效應。重視聲強。聲阻抗Z等于它的密度ρ和超聲在其中的速度C的乘積，即：

Z=ρ×C

超聲的反射超聲波傳播過程中，當遇到兩種聲阻抗不同的界面時，改變聲波傳播的方向，形成反射。界面兩種聲阻抗相交接的部位構成界面；反射是在界面上進行；垂直入射時，反射效果最佳；人體組織內引起超聲波反射的條件是人體組織的聲阻抗存在差異。阻抗差別越大，反射越強；引起反射的最小阻抗差異為千分之一。在超聲檢查部位涂上超聲耦合劑是為了使探頭與檢查部位聲阻抗匹配良好。X1X2反射和透射超聲耦合劑的作用超聲波類型及轉換固體中傳播的波可以由縱波轉換為橫波人體中傳播的波是縱波超聲波是機械波，滿足光學的特性具有折射，反射，透射特性利用透射特性，接受回來的超聲波成像縱波的定義當介質的粒子運動平行于聲波傳播方向時的發射波稱為縱波橫波的定義當介質的粒子運動垂直于聲波傳播方向時的發射波稱為橫波水的波紋超聲波類型發射超聲波方式分為：

連續波

脈沖波通常情況下，采用脈沖波，連續多普勒采用的是連續發射方式人體正常組織的聲阻抗

組織器官密度g/cm3聲速

m/s聲阻抗（×105

瑞利）大腦

1.03815401.588脂肪0.95514761.410軟組織1.01615001.590肌肉1.07415681.648肝臟1.05015701.648顱骨1.65833605.570胎體1.02315051.579羊水1.01314741.463血液

1.05515701.656眼晶體1.13616501.874肺及腸腔氣體0.001293320.000428聲阻抗的差異人體聲阻抗大致分為三類：低聲阻的氣體或充氣組織中等聲阻的軟組織高阻抗的骨，鈣化，等超聲的透射超聲波垂直入射或傾斜入射到兩種介質的界面上是，有部分超聲能量穿過介質界面，進入下一介質中，此即透射。通過界面后的聲束方向可能會改變，其角度大小依折射率而定。超聲成像利用了超聲的透射特性，穿過這個組織后，再反射回來得到信息，成像超聲的衍射和散射衍射：當超聲波長和界面（障礙物）的線徑相近時，超聲會繞過這一界面（障礙物）的邊緣，幾乎無阻礙地向前傳播。散射：超聲在介質內傳播過程中，遇到地界面或障礙物地線徑小于超聲的波長時，超聲波將發生散射現象。（紅細胞，組織結構等）超聲根據什么成像？大界面的反射回聲強度觀察臟器的輪廓，利用超聲的散射才能弄清楚臟器內部的病變超聲探頭

換能器匹配層聲透鏡壓電晶片背襯快探頭的使用和保養安全性能消毒注意事項超聲診斷儀電路第二節A,M電路A型，時間掃描M型：超聲心動圖第三節B超重要基礎數字掃描轉換器（DSC）。數字掃描轉換器是借助數字電路技術和存儲媒介，把以不同掃描方式所獲得的超聲圖像信息，通過數控IC存貯器存入超聲信息，然后變成標準的電視掃描制式進行圖像文字顯示。在DSC中對超聲信息還要進行插補，以增加超聲信息線密度。

DSC主體是IC圖像存貯器，圖像具有16、64級灰階或256級灰階。DSC中也就是可將線性掃描、凸陣掃描、扇形掃描、圓形掃描等不同掃描格式變換成用標準電視制式顯示，有利于圖像質量的提高、顯示穩定（克服圖像閃爍）、記錄裝置的標準化。

DSC的另一作用可以使回聲數據存入存貯器后進行圖像插補處理，以增加信息密度，提高圖像的清晰度。

在超聲診斷儀的數字掃描轉換器中，涉及到電子技術方面的概念、定義和公式，在這里作一簡要說明。①像素（像點、像元）。圖像中一個最小的基本單元叫做圖像的像素或像點（Pixel）。②圖像（Imaging）。若干像點的集合便組成圖像（也往往稱影像）。圖像中像素愈多，其空間分辨率愈高。③灰階（GreyScale）。圖像中像素的亮度等級，由黑到白可分為256級灰階，但人眼一般只能分辨出16級左右灰階。所以B型超聲診斷儀常采用64級灰階。灰階級數愈多，其圖像對比分辨率愈好。一幅超聲圖像的質量，一般取決于像素的多少和灰階級數。④存貯容量（MemoryCapacity）。一個存貯器容量包括了像素與存貯位數的乘積。如圖像按N行（Row）、M列（Column）排列，則行與列的交點就構成了一個像素。如256行、512列，則總像素為B=NM。N、M一般表示為2的整倍數。如27=128，28=256。灰階級數G=2m為存貯位數即比特（bit）。通常超聲診斷儀的存貯容量用B表示：即B=NMm

如m=6bit，N=256,M=512

則B=256×512×6bit

這臺超聲診斷儀的圖像具有B=256×512個像素和G=64級灰階。所以當m=4時，則G=16；m=5時，則G=32；m=6時，則G=64；m=7時，則G=128；m=8時，則G=256。由于顯像屏幕的亮度正比于DSC中像素的灰階值，故回聲信號越強，對應的灰階數也高，則顯示的圖像越亮，顯像屏幕從相當于黑點的零級灰階輸了，變化到相當于白點的最高灰階級輸出。存儲器及圖象轉換⑤標準電視制式。目前電視制式有多種，但普通采用的有兩種。其一，是NTSC制式，規格是掃描525行，60場/30幀（隔行掃描），美國、日本、西歐一些國家采用；其二，是PAL制式，規格是掃描625行，50場/25幀（隔行掃描），我國采用的就是這種PAL。凡屬我國使用的電視機、錄像機、攝像機等均為這種標準電視制式。第四節多普勒多普勒是什么？能帶來什么？好處？彩超？多譜勒原理多譜勒效應

V=速度

C=聲速

fd=多譜勒頻移

f0=探頭頻率探頭血管VV0V0=VХCOSθV=C2COSθХfdf0多普勒角度影響血流方向與超聲束之間的夾角θ稱為多普勒角。角度越小誤差越小。臨床診斷時，多普勒角度小于600，小角度掃查，測得的血流速度相對準確。請參考P220計算多普勒頻移超聲多普勒診斷儀主要作用探查血流狀態，區分層流和湍流鑒別液性暗區的性質檢測血流速度估計壓差估計血流量彩色血流顯像

彩超發展歷史與臨床應用1、1983年11月Aloka公司在世界范圍內首次推出適用于臨床的彩超SSD-880，從此彩色血流顯像技術實用化、商品化，這是彩色多普勒血流顯像技術發展的起始階段——首臺彩色顯像裝置問世。

2、1989年以后彩色多普勒血流顯像儀在技術上，功能上都有了很大的突破，多數都可達到全身性應用檢查，他們的設計原理大致相同，基本上都屬檢測多普勒頻移的范圍。這是彩超技術發展的第二階段——改進和提高階段，在這段時間，彩超的臨床應用得到很大的發展，