[科普中國]-核磁共振成像

核磁共振成像（英語：Nuclear Magnetic Resonance Imaging，簡稱NMRI），又稱自旋成像（英語：spin imaging），也稱磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，簡稱MRI），臺灣又稱磁振造影，香港又稱磁力共振成像，是利用核磁共振（nuclear magnetic resonance，簡稱NMR）原理，依據(jù)所釋放的能量在物質內部不同結構環(huán)境中不同的衰減，通過外加梯度磁場檢測所發(fā)射出的電磁波，即可得知構成這一物體原子核的位置和種類，據(jù)此可以繪制成物體內部的結構圖像。

將這種技術用于人體內部結構的成像，就產(chǎn)生出一種革命性的醫(yī)學診斷工具?？焖僮兓奶荻却艌龅膽?，大大加快了核磁共振成像的速度，使該技術在臨床診斷、科學研究的應用成為現(xiàn)實，極大地推動了醫(yī)學、神經(jīng)生理學和認知神經(jīng)科學的迅速發(fā)展。

從核磁共振現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)到MRI技術成熟這幾十年期間，有關核磁共振的研究領域曾在三個領域（物理學、化學、生理學或醫(yī)學）內獲得了6次諾貝爾獎，足以說明此領域及其衍生技術的重要性。

歷史發(fā)展磁共振成像是一種較新的醫(yī)學成像技術，國際上從一九八二年才正式用于臨床。它采用靜磁場和射頻磁場使人體組織成像，在成像過程中，既不用電子離輻射、也不用造影劑就可獲得高對比度的清晰圖像。它能夠從人體分子內部反映出人體器官失常和早期病變。它在很多地方優(yōu)于X線CT。雖然X-CT解決了人體影像重疊問題，但由于提供的圖像仍是組織對X射線吸收的空間分布圖像，不能夠提供人體器官的生理狀態(tài)信息。當病變組織與周圍正常組織的吸收系數(shù)相同時，就無法提供有價值的信息。只有當病變發(fā)展到改變了器官形態(tài)、位置和自身增大到給人以異常感覺時才能被發(fā)現(xiàn)。磁共振成像裝置除了具備X線CT的解剖類型特點即獲得無重疊的質子密度體層圖像之外，還可借助核磁共振原理精確地測出原子核弛豫時間T1和T2，能將人體組織中有關化學結構的信息反映出來。這些信息通過計算機重建的圖像是成分圖像（化學結構像），它有能力將同樣密度的不同組織和同一組織的不同化學結構通過影像顯示表征出來。這就便于區(qū)分腦中的灰質與白質，對組織壞死、惡性疾患和退化性疾病的早期診斷效果有極大的優(yōu)越性，其軟組織的對比度也更為精確。

早在1946年，美國哈佛大學的Edward Purcell和斯坦福大學的Felix Block領導的兩個研究小組發(fā)現(xiàn)了物質的核磁共振現(xiàn)象。他們二人于1952年被授予諾貝爾物理獎。核磁共振現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)以后，很快就形成一門新的邊緣學科，核磁共振波譜學。它可以使人們在不破壞樣品的情況下，通過核磁共振譜線的區(qū)別來確定各種分子結構。這就為臨床醫(yī)學提供了有利條件。1967年，Jasper Jackson第一次從活的動物身上測得信號，使NMR方法有可能用于人體測量。1971年，美國紐約州立大學的R.Damadian教授利用核磁共振譜儀對鼠的正常組織與癌變組織樣品的核磁共振特性進行的研究發(fā)現(xiàn)，正常組織與癌變組織中水質子的T1值有明顯的不同。在X-CT發(fā)明的同年，1972年，美國紐約州立大學石溪分校的Paul C. Lauterbur第一個作了以水為樣本的二維圖像，顯示了核磁共振CT的可能性，即自旋密度成像法。這些實驗都使用限定的非均勻磁場，典型辦法是使磁場強度沿空間坐標軸作線性變化，以識別從不同空間位置發(fā)出的核磁共振信號。1978年，核磁共振的圖像質量已達到X線CT的初期水平，并在醫(yī)院中進行人體試驗。并最后定名為磁共振成像(MRI)。1

成像原理原子核自旋，有角動量。由于核帶電荷，它們的自旋就產(chǎn)生磁矩。當原子核置于靜磁場中，本來是隨機取向的雙極磁體受磁場力的作用，與磁場作同一取向。以質子即氫的主要同位素為例，它只能有兩種基本狀態(tài)：取向“平行”和“反向平行”，他們分別對應于低能和高能狀態(tài)。精確分析證明，自旋并不完全與磁場趨向一致，而是傾斜一個角度θ。這樣，雙極磁體開始環(huán)繞磁場進動。進動的頻率取決于磁場強度。也與原子核類型有關。它們之間的關系滿足拉莫爾關系：ω0=γB0，即進動角頻率ω0是磁場強度B0與磁旋比γ的積。γ是每種核素的一個基本物理常數(shù)。氫的主要同位素，質子，在人體中豐度大，而且它的磁矩便于檢測，因此最適合從它得到核磁共振圖像。

從宏觀上看，作進動的磁矩集合中，相位是隨機的。它們的合成取向就形成宏觀磁化，以磁矩M表示。就是這個宏觀磁矩在接收線圈中產(chǎn)生核磁共振信號。在大量氫核中，約有一半略多一點處于低等狀態(tài)?？梢宰C明，處于兩種基本能量狀態(tài)核子之間存在動態(tài)平衡，平衡狀態(tài)由磁場和溫度決定。當從較低能量狀態(tài)向較高能量狀態(tài)躍遷的核子數(shù)等于從較高能量狀態(tài)到較低能量狀態(tài)的核子數(shù)時，就達到“熱平衡”。如果向磁矩施加符合拉莫爾頻率的射頻能量，而這個能量等于較高和較低兩種基本能量狀態(tài)間磁場能量的差值，就能使磁矩從能量較低的“平行”狀態(tài)跳到能量較高“反向平行”狀態(tài)，就發(fā)生共振。

由于向磁矩施加拉莫頻率的能量能使磁矩發(fā)生共振，那么使用一個振幅為B1，而且與作進動的自旋同步（共振）的射頻場，當射頻磁場B1的作用方向與主磁場B0垂直，可使磁化向量M偏離靜止位置作螺旋運動，或稱章動，即經(jīng)射頻場的力迫使宏觀磁化向量環(huán)繞它作進動。如果各持續(xù)時間能使宏觀磁化向量旋轉90o角，他就落在與靜磁場垂直的平面內?？僧a(chǎn)生橫向磁化向量Mxy。如果在這橫向平面內放置一個接收線圈，該線圈就能切割磁力線產(chǎn)生感生電壓。當射頻磁場B1撤除后，宏觀磁化向量經(jīng)受靜磁場作用，就環(huán)繞它進動，稱為“自由進動”。因進動的頻率是拉莫爾頻率，所感生的電壓也具有相同頻率。由于橫向磁化向量是不恒定，它以特征時間常數(shù)衰減至零為此，它感生的電壓幅度也隨時間衰減，表現(xiàn)為阻尼振蕩，這種信號就稱為自由感應衰減信號(FID, Free Induction Decay)。信號的初始幅度與橫向磁化成正比，而橫向磁化與特定體元的組織中受激勵的核子數(shù)目成正比，于是，在磁共振圖像中可辨別氫原子密度的差異。

因為拉莫爾頻率與磁場強度成比例，如果磁場沿X軸成梯度改變，得到的共振頻率也顯然與體元在X軸的位置有關。而要得到同時投影在二個坐標軸X-Y上的信號，可以先加上梯度磁場GX，收集和變換得到的信號，再用磁場GY代替GX，重復這一過程。在實際情況下，信號是從大量空間位置點收集的，信號由許多頻率復合組成。利用數(shù)學分析方法，如富里葉變換，就不但能求出各個共振頻率，即相應的空間位置，還能求出相應的信號振幅，而信號振幅與特定空間位置的自旋密度成比例。所有核磁共振成像方法都以這原理為基礎。2

弛豫過程用梯度磁場對共振信號作空間編碼（定位）的辦法得到的圖像，實質上是人體組織內質子的密度圖。磁共振象素值反映的橫向磁化不但與質子數(shù)量有關，而且與它們的運動特性，即所謂“弛豫時間”有關。

在自由進動階段，磁化向量經(jīng)過一個稱為“弛豫”的過程，回到它的原始靜止位置。弛豫過程的特性由時間常數(shù)T1和T2描述。為了作簡單的熱力學模擬，提出“自旋溫度”的概念。認為經(jīng)射頻磁場激勵后的自旋是“熱”的，核子的環(huán)境便稱“晶格”，可把它的理解成一個熱容量很大的容器，通過“熱”接觸吸收核子多余的能量。自旋與晶格的絕“熱”十分有效，“熱”傳遞慢，弛豫時間就長。純水中，室溫下，質子的自學晶格馳豫時間約3秒，在生物組織中，它在幾百毫秒自約2秒之間。自旋晶格弛豫時間T1是縱向磁化向量MZ復位的過程，因此丁也叫縱向弛豫時間。復位過程遵守指數(shù)規(guī)律，90o度脈沖之后，經(jīng)過T1秒，復位到它靜止值的63%。

經(jīng)過射頻磁場激勵之后，除縱向磁化分量要恢復，橫向磁化分量MXY也要衰減，使信號逐漸消失。如果磁場是理想均勻的，即全部核子完全經(jīng)受同一磁場強度，這橫向磁化分量以常數(shù)T2衰減，它叫橫向或自旋-自旋弛豫時間。由于實際上的磁場的不均勻，F(xiàn)ID衰減過程的有效時間常數(shù)T2*要比T2短。

由于FID信號不表示縱向磁化向量，也不能正確表示橫向磁化分量衰減的實際時間常數(shù)，所以，實際測量是都是利用給予一定的脈沖序列（180度和90度射頻激勵脈沖組成一定的脈沖序列）來進行間接測量，以獲得T1加權的和T2加權的圖像。

選擇不同的脈沖序列和不同的成像時間，磁共振設備可形成質子密度圖像、加權的圖像和加權的圖像。找出正常組織與有病組織間弛豫時間差異的特點是很重要。

系統(tǒng)結構主要有三大基本構件組成，即磁體部分、磁共振波譜儀部分、數(shù)據(jù)處理和圖像重建部分。

磁體部分

磁體主要有主磁體（產(chǎn)生強大的靜磁場）、補償線圈（校正線圈）、射頻線圈和梯度線圈組成。

主磁體用以提供強大的靜磁場，而且要求較大的空間范圍（能容納病人），保持高度均勻的磁場強度。衡量磁體的性能有四條標準：磁場強度、時間穩(wěn)定性、均勻性、孔道尺寸。增加靜磁場強度可使檢測靈敏度提高，即掃描時間縮短和空間分辨率提高。但也會使射頻場的穿透深度減少。磁場強度為0.35T時，可以得到很好的空間分辨率，當前臨床上所用的較高的磁場強度為1.5T。

主磁體分三類：普通電磁體、永磁體和超導磁體。普通電磁體是利用較強的直流電流通過線圈產(chǎn)生磁場。維持一個主磁體磁場的耗電約為100kW。一般需要通電數(shù)小時后，磁場才能達到穩(wěn)定狀態(tài)。線圈中流過大電流將產(chǎn)生大量熱，要通過熱交換器以冷卻水散熱。永磁材料經(jīng)外部激勵電源一次充磁后，去掉激勵電源仍長期保持及磁性，磁場強度很易保持穩(wěn)定。因此，磁體維護簡便，維持費用最低。其缺點是重量較大，因而很難達到1T場強。當前場強限制在0.5T以下。超導磁體當前是用得比較多的。在超導狀態(tài)下，電流流過導體時沒有電阻損耗，從而不會使導體升溫。同樣直徑的導線在超導狀態(tài)下可以通過更大電流而不損壞。用超導材料制成的線圈通以強大電流可產(chǎn)生強大磁場，而且在外加電流切斷后，超導線圈中的電流仍保持不變，因而超導磁場極為穩(wěn)定。為了維持超導狀態(tài)，必須將超導線圈放在杜瓦罐中浸入液氦，液氦的溫度為4.7K。為減少液氦的蒸發(fā)消耗，在其外面的圓筒中還要設液氮(77.4K)緩沖層。在使用過程中要適時補充液氦及液氮。近年來由于真空保溫技術的進步，可省掉液氮的二級冷卻，單純使用液氦保持超導條件。

補償線圈的作用是補償主磁場線圈，使其產(chǎn)生的靜磁場逼近理想均勻磁場。由于精度要求高而且校準工作極其繁瑣，一般是以計算機輔助進行，需要多次測量、多次計算和修正才能達到要求。一般是采取各種形狀的線圈并根據(jù)具體情況，通以不同電流，以彌補基礎場的不均勻處。

射頻線圈是用于向人體輻射出指定頻率和一定功率的射頻電磁波，用以激勵器原子核的共振的。這種線圈應和主磁場相互垂直，并且盡可能在人體形成較均勻地射頻場，并使它盡量接近人體以使發(fā)射和接收過程具有較高的效率。有的射頻線圈包括發(fā)射線圈和接受線圈二部分，也有的收、發(fā)兼用。此外，還有頭部接收線圈、肢體線圈，頸線圈、脊椎線圈、眼窩線圈、胸線圈等多種專用的表面線圈，以提高轉換效率和圖像質量。

梯度線圈需要特定的梯度電源。它與專用的梯度線圈嚴格匹配，電源穩(wěn)定度要求萬分之一。梯度電源和補償電源一般都采用水冷卻。另外，主磁場的逸散磁場對周圍影響很大，主要影響對象是各種磁盤、圖像顯示器、影像增強器和戴起搏器的病人等。外界磁性物體對主磁體均勻度也有影響。

磁共振波譜儀部分

主要包括射頻發(fā)射部分和一套磁共振信號的接收系統(tǒng)。發(fā)射部分相當于一部無線電發(fā)射機，它是波形和頻譜精密可調的單邊帶發(fā)射裝置，其峰值發(fā)射功率有數(shù)百瓦至十五千瓦可調。接收系統(tǒng)用來接收人體反映出來的自由感應衰減信號。由于這種信號極微弱，故要求接收系統(tǒng)的總增益很高，噪聲必須很低。一般波譜儀都采用超外差式接收系統(tǒng)，其主要增益可取之中頻放大器。由于中頻放大器工作在與發(fā)射系統(tǒng)不同的頻段上，可避免發(fā)射直接干擾。在預放大器與中放器之間設有一個接收門，實際上也就是一個射頻開關，它主要是在發(fā)射系統(tǒng)工作瞬間關閉，防止強大的射頻發(fā)射信號進入接收系統(tǒng)。經(jīng)中頻放大后的FID信號一般幅值都超過0.5伏，可進行檢波。檢波后，信號還要進行放大和濾波。

數(shù)據(jù)處理和圖像重建部分

磁共振信號首先通過變換器變?yōu)閿?shù)字量，并存入暫存器。圖像處理機按所需方法處理原始數(shù)據(jù)，獲得磁共振的不同參數(shù)圖像，并存入圖像存儲器。這種圖像可根據(jù)需要進行一系列的后置處理。后置處理內容分為兩大類：其一是通用的圖像處理，其二是磁共振專用的圖像處理，如計算T1值、T2值、質子密度的。至少應采用三十二位陣列處理機。經(jīng)重建后的圖像依次送入高分辨率的顯示裝置，也可存入磁盤和通過多幅照相機制成硬拷貝。

控制臺一般是由主診斷控制臺和輔助診斷控制臺，兩個臺可提高病人流通量。顯示器也有兩個，一個是字符顯示器，菜單式操作軟件也在此顯示。另一個是高分辨率大屏幕圖像顯示器。

整個系統(tǒng)由主計算機控制。系統(tǒng)工作時，主計算機同時控制個單片機系統(tǒng)工作。

技術應用MRI在醫(yī)學上的應用檢查目的

偵測及診斷心臟疾病、腦血管意外及血管疾病

胸腔及腹腔的器官疾病的偵測與診斷

診斷及評價、追蹤腫瘤的情況及功能上的障礙

MRI被廣泛運用在運動相關傷害的診斷上，對近骨骼和骨骼周圍的軟組織，包括韌帶與肌肉，可呈現(xiàn)清晰影像，因此在脊椎及關節(jié)問題上，是極具敏感的檢查。

因MRI沒有輻射暴露的危險，因此經(jīng)常被使用在生殖系統(tǒng)、乳房、骨盆及膀胱病的偵測及診斷上。

原理概述

氫核是人體成像的首選核種：人體各種組織含有大量的水和碳氫化合物，所以氫核的核磁共振靈活度高、信號強，這是人們首選氫核作為人體成像元素的原因。NMR信號強度與樣品中氫核密度有關，人體中各種組織間含水比例不同，即含氫核數(shù)的多少不同，則NMR信號強度有差異，利用這種差異作為特征量，把各種組織分開，這就是氫核密度的核磁共振圖像。人體不同組織之間、正常組織與該組織中的病變組織之間氫核密度、弛豫時間T1、T2三個參數(shù)的差異，是MRI用于臨床診斷最主要的物理基礎。

當施加一射頻脈沖信號時，氫核能態(tài)發(fā)生變化，射頻過后，氫核返回初始能態(tài)，共振產(chǎn)生的電磁波便發(fā)射出來。原子核振動的微小差別可以被精確地檢測到，經(jīng)過進一步的計算機處理，即可能獲得反應組織化學結構組成的三維圖像，從中我們可以獲得包括組織中水分差異以及水分子運動的信息。這樣，病理變化就能被記錄下來。

人體2/3的重量為水分，如此高的比例正是磁共振成像技術能被廣泛應用于醫(yī)學診斷的基礎。人體內器官和組織中的水分并不相同，很多疾病的病理過程會導致水分形態(tài)的變化，即可由磁共振圖像反應出來。

MRI所獲得的圖像非常清晰精細，大大提高了醫(yī)生的診斷效率，避免了剖胸或剖腹探查診斷的手術。由于MRI不使用對人體有害的X射線和易引起過敏反應的造影劑，因此對人體沒有損害。MRI可對人體各部位多角度、多平面成像，其分辨力高，能更客觀更具體地顯示人體內的解剖組織及相鄰關系，對病灶能更好地進行定位定性。對全身各系統(tǒng)疾病的診斷，尤其是早期腫瘤的診斷有很大的價值。

磁共振成像的優(yōu)點

與1901年獲得諾貝爾物理學獎的普通X射線或1979年獲得諾貝爾醫(yī)學獎的計算機層析成像（computerized tomography,CT）相比，磁共振成像的最大優(yōu)點是它是當前少有的對人體沒有任何傷害的安全、快速、準確的臨床診斷方法。如今全球每年至少有6000萬病例利用核磁共振成像技術進行檢查。具體說來有以下幾點：

對軟組織有很好的分辨力。對膀胱、直腸、子宮、陰道、骨、關節(jié)、肌肉等部位的檢查比CT優(yōu)勝；

各種參數(shù)都可以用來成像，多個成像參數(shù)能提供豐富的診斷信息，這使得醫(yī)療診斷和對人體內代謝和功能的研究方便、有效。例如肝炎和肝硬化的T1值變大，而肝癌的T1值更大，作T1加權圖像，可區(qū)別肝部良性腫瘤與惡性腫瘤；

通過調節(jié)磁場可自由選擇所需剖面。能得到其它成像技術所不能接近或難以接近部位的圖像。對于椎間盤和脊髓，可作矢狀面、冠狀面、橫斷面成像，可以看到神經(jīng)根、脊髓和神經(jīng)節(jié)等。不像CT只能獲取與人體長軸垂直的橫斷面；

對人體沒有電離輻射損傷；

原則上所有自旋不為零的核元素都可以用以成像，例如氫（H）、碳（C）、氮（N和N）、磷（P）等。

MRI的缺點及可能存在的危害

雖然MRI對患者沒有致命性的損傷，但還是給患者帶來了一些不適感。在MRI診斷前應當采取必要的措施，把這種負面影響降到最低限度。其缺點主要有：

和CT一樣，MRI也是解剖性影像診斷，很多病變單憑核磁共振檢查仍難以確診，不像內窺鏡可同時獲得影像和病理兩方面的診斷；

對肺部的檢查不優(yōu)于X射線或CT檢查，對肝臟、胰腺、腎上腺、前列腺的檢查不比CT優(yōu)越，但費用要高昂得多；

對胃腸道的病變不如內窺鏡檢查；

掃描時間長，空間分辨力不夠理想；

由于強磁場的原因，MRI對諸如體內有磁金屬或起搏器的特殊病人不能適用。

MRI系統(tǒng)可能對人體造成傷害的因素主要包括以下方面：

強靜磁場：在有鐵磁性物質存在的情況下，不論是埋植在患者體內還是在磁場范圍內，都可能是危險因素；

隨時間變化的梯度場：可在受試者體內誘導產(chǎn)生電場而興奮神經(jīng)或肌肉。外周神經(jīng)興奮是梯度場安全的上限指標。在足夠強度下，可以產(chǎn)生外周神經(jīng)興奮（如刺痛或叩擊感），甚至引起心臟興奮或心室振顫；

射頻場（RF）的致熱效應：在MRI聚焦或測量過程中所用到的大角度射頻場發(fā)射，其電磁能量在患者組織內轉化成熱能，使組織溫度升高。RF的致熱效應需要進一步探討，臨床掃描儀對于射頻能量有所謂“特定吸收率”（specific absorption rate, SAR）的限制；

噪聲：MRI運行過程中產(chǎn)生的各種噪聲，可能使某些患者的聽力受到損傷；3

MRI在化學領域的應用MRI在化學領域的應用沒有醫(yī)學領域那么廣泛，主要是因為技術上的難題及成像材料上的困難，當前主要應用于以下幾個方面：

在高分子化學領域，如碳纖維增強環(huán)氧樹脂的研究、固態(tài)反應的空間有向性研究、聚合物中溶劑擴散的研究、聚合物硫化及彈性體的均勻性研究等；

在金屬陶瓷中，通過對多孔結構的研究來檢測陶瓷制品中存在的沙眼；

在火箭燃料中，用于探測固體燃料中的缺陷以及填充物、增塑劑和推進劑的分布情況；

在石油化學方面，主要側重于研究流體在巖石中的分布狀態(tài)和流通性以及對油藏描述與強化采油機理的研究。

磁共振成像的其他進展核磁共振分析技術是通過核磁共振譜線特征參數(shù)（如譜線寬度、譜線輪廓形狀、譜線面積、譜線位置等）的測定來分析物質的分子結構與性質。它可以不破壞被測樣品的內部結構，是一種完全無損的檢測方法。同時，它具有非常高的分辨本領和精確度，而且可以用于測量的核也比較多，所有這些都優(yōu)于其它測量方法。因此，核磁共振技術在物理、化學、醫(yī)療、石油化工、考古等方面獲得了廣泛的應用。

磁共振顯微術（MR microscopy, MRM/μMRI）是MRI技術中稍微晚一些發(fā)展起來的技術，MRM最高空間分辨率是4μm，已經(jīng)可以接近一般光學顯微鏡像的水平。MRM已經(jīng)非常普遍地用作疾病和藥物的動物模型研究。

活體磁共振能譜（in vivo MR spectroscopy, MRS）能夠測定動物或人體某一指定部位的NMR譜，從而直接辨認和分析其中的化學成分。

未來展望人腦是如何思維的，一直是個謎。而且是科學家們關注的重要課題。而利用MRI的腦功能成像則有助于我們在活體和整體水平上研究人的思維。其中，關于盲童的手能否代替眼睛的研究，是一個很好的樣本。正常人能見到藍天碧水，然后在大腦里構成圖像，形成意境，而從未見過世界的盲童，用手也能摸文字，文字告訴他大千世界，盲童是否也能“看”到呢？專家通過功能性MRI，掃描正常和盲童的大腦，發(fā)現(xiàn)盲童也會像正常人一樣，在大腦的視皮質部有很好的激活區(qū)。由此可以初步得出結論，盲童通過認知教育，手是可以代替眼睛“看”到外面世界的。

本詞條內容貢獻者為:

李曉林 - 教授 - 西南大學