磁共振成像

　　一種醫學影像診斷技術，亦稱核磁共振成像術。利用人體組織中某種原子核的核磁共振現象，將所得射頻信號經過電子電腦處理，重建出人體某一層面的圖像，並據此作出診斷。

　　歷史　1924年W.泡利為瞭解釋原子光譜的某些結構，提出原子核具有角動量（即自旋）的假說。1946年F.佈洛赫和E.M.珀塞爾分別發現，在靜磁場中某些原子核可吸收一定頻率的射頻電磁波能量，並產生共振，這一現象稱為核磁共振((NMR)。此後，核磁共振波譜學一直廣泛應用於物理、化學、生物學，甚至地質學，成為研究物質結構、化學分析的有力工具。1967年傑克遜首次在活體中得到 NMR信號。1971年R.達馬地安觀察到腫瘤組織弛豫時間延長，提出NMR可能成為診斷腫瘤的工具。60年代末電子計算機斷層成像技術(CT)發明後，立即有人研究 NMR成像。1972年P.C.勞特伯用梯度磁場法得到一個水模型的質子NMR二維圖像，這成為世界上第一個核磁共振圖像。此後，相繼得到植物、動物和人體的圖像，技術日趨成熟，80年代初始用於臨床。1983年美國放射協會建議使用磁共振成像命名這項技術。

　　NMR原理　原子核由質子和中子組成，它們均以自身為軸作高速旋轉，這稱為自旋。質子帶正電荷，自旋時產生磁場，也稱磁矩。中子雖為電荷中性，但由於表面電荷分佈不均勻，自旋時也產生磁矩。原子核中質子或中子的磁矩互相疊加，表現為原子核的總磁矩，也稱凈自旋。質子數或中子數均為偶數時，磁矩互相抵消。因此隻要質子數和中子數並非同時是偶數，原子核就有磁矩或凈自旋。人體組織中這類原子核有¹H、¹³C、²³Na、³¹P等，其中¹H的含量多，NMR靈敏度高，信號強，目前用來成像的主要是¹H。氫原子核中隻含一個質子，下面即以質子為例解釋NMR現象。

　　質子的磁化　一般情況下，由於熱運動，質子指向任意方向，磁矩互相抵消，宏觀磁矩M=0。如果將質子置於靜磁場中，質子將按一定方向排列，顯示磁矩，情況與將磁棒置於磁場中相似。這稱為磁化。磁矩為一矢量，稱磁化矢量，是無數質子共同作用的效果。達到平衡狀態時M＝M₀，方向與靜磁場方向Z軸一致。M可分解為與Z軸平行的分量M_Z(縱向磁矩)，和與Z軸垂直的分量M_XY(橫向磁矩)。平衡狀態時，M_Z＝M₀，M_XY＝0。

　　M的激發與拉莫爾頻率　磁矩M受一定外力，即偏離Z軸，與Z軸成一個角度θ，這稱為激發。此外力是一個與主磁場方向垂直的旋轉磁場，可借一個頻率一定的射頻脈沖來實現。θ的大小由脈沖強度和寬度決定。能使M偏轉90°或180°的脈沖即分別稱為90°或180°脈沖。M經過90°脈沖激發，則M位於 XY平面上，此時M_Z＝0；經過180°脈沖激發，M與磁場方面相反，此時M_Z＝-M₀，M_XY＝0。能使M激發的脈沖，其頻率必須符合下列公式（即拉莫爾公式）：

v=γB

其中v 稱為拉莫爾頻率，B₀為主磁場強度，γ為旋磁比。每種原子核均有特定的 γ，如氫原子核（質子）的 γ為42.58MHz/T，當磁場強度為1T時，v=42.58MHz 。

　　M的進動和核磁共振現象　M受激發，一旦偏離Z軸，除瞭以自身為軸自旋外，還以拉莫爾頻率象陀螺一樣繞Z軸轉動，這稱為進動。激發脈沖停止後，M繼續進動，並不立即回到平衡狀態。M進動時，橫向磁矩M_XY切割靜磁場磁力線，產生頻率為v的電磁波。綜上所述，用射頻脈沖激發一個處於靜磁場中的核系統，核系統能將所吸收的能量同樣以射頻電磁波形式釋放，這就是核磁共振現象。

　　M的弛豫　激勵脈沖停止後，核系統將所吸收的能量釋放出來，M逐漸回到平衡狀態的過程稱恢復或弛豫。這一過程分別由M的兩個分量M_Z和M_XY的弛豫來表述。

　　① 縱向弛豫時間T₁。M被90。脈沖激發後，M_Z的弛豫符合下列公式：

式中t表示脈沖停止後經過的時間，T₁是一個時間常數。當t＝T₁時，

＝0. 63M ₀。因此， T ₁可以定義為：構成某物質的某種原子核，經過90°脈沖激發後，縱向磁矩恢復到平衡狀態磁矩的63％時，所需時間為該物質的 T ₁，也稱縱向弛豫時間。同一種原子核在不同的物質中有不同的 T ₁，這是因為 T ₁反映自旋原子核和周圍環境的能量轉移過程。構成物質的原子統稱為晶格，故 T ₁亦稱自旋－晶格弛豫時間。以質子為例， T ₁在固體中最長，可達數分鐘甚至數小時，純水為3秒，含有蛋白質的生物體液則較短，脂肪最短。 T ₁也受靜磁場強度影響，場強較高時， T ₁亦較長。

　　② 橫向弛豫時間T₂。M_XY的弛豫用下列公式表示：

式中 T₂是另一個時間常數。當 t=T₂時，M_XY=M₀e^-1=0.37M₀。因此，T₂可以定義為：構成某物質的某種原子核，經過90°脈沖激發後，橫向磁矩減小到最大值的37％時，所需時間為該物質的T₂，也稱橫向弛豫時間。T₂反映自旋原子核之間的能量轉移過程，亦稱自旋－自旋弛豫時間。以質子為例，純水T₂最長，含蛋白質的水較短，脂肪界於兩者之間，固體T₂最短。

　　NMR信號的產生和獲取　在靜磁場內核系統的適當位置上放置一個線圈，作為激發脈沖的發射線圈，一般還用此線圈兼作 NMR信號的接收線圈。激發脈沖停止後，立即在線圈中感應出一個強度逐漸衰減的NMR信號，稱為自由感應衰減信號(FID)。FID的起始強度受自旋原子核密度的影響，也就是說參加共振的原子核越多，信號越強。如果按照一定間隔連續施加90°脈沖，第二次以後的FID起始強度還決定於M_Z的恢復程度，M_Z恢復越多，信號越強；M_Z的恢復程度決定於T₁，因此T₁越短，M_Z越容易恢復，信號越強。FID的衰減決定於T₂^*，T₂^*越長，衰減越慢。FID的包絡曲線即以T₂為常數的指數曲線。FID衰減趨於零後，這時再施加一個180。脈沖，經過一段時間，可獲得一個從弱而強再變弱的射頻信號，稱為回波。若重復施加180°脈沖，每次均可獲得一個回波，隻是回波的峰值逐漸減小。連接回波峰值的包絡曲線即以T₂為常數的指數曲線。T₂越長，回波峰值減小越慢。

　　為瞭獲取NMR信號，進行各種分析或常數的測定，按照設定的程序對核系統施加激發脈沖，並取得FID或回波，這樣的程序稱為脈沖序列。常用的脈沖序列有：

　　① 部分恢復序列（PR序列）。按照一定間隔，連續施加90°脈沖，並收集FID。脈沖間隔稱重復時間(TR)，信號強度受質子密度和T₁影響，與T₂無關。

　　② 反轉恢復序列(IR序列)。先施加一個180°脈沖，使M_Z＝－M₀，M_XY＝0，隔一定時間(稱為反轉時間TR)再施加一個90°脈沖，然後收集FID。兩組脈沖的間隔仍為TR。信號強度仍決定於質子密度和T₁，與T₂無關。

　　③ 自旋回波序列（SE序列）。先施加一個90°脈沖，隔一定時間再施加一個180°脈沖，再隔一定時間收集出現的回波。90°脈沖開始到回波峰值這段時間稱回波時間(TE)。回波信號強度除受質子密度影響外，還受T₁和T₂的雙重影響，但影響程度隨TR和TE的改變而改變。TR越短、TE越短，受T₁影響大；反之，則受T₂影響大。

　　由於FID的收集比較困難，在PR和IR序列實際應用時，常常是在90°脈沖後再加一個180°脈沖，然後收集其回波。這樣的PR序列同短TE的SE序列是一樣的。

　　磁共振成像技術　磁共振圖像的每幅圖像都由多個相同大小的最小單元（像素）組成。每個像素相當於人體相對應部位一定體積的組織，稱體素。

　　成像的條件　形成人體某種圖像，首先要測定每個體素相應的物理或化學常數，此常數要能反映出人體生理或病理變化；其次要確定每個數值所對應體素的空間位置，即要有定位信息。

　　梯度磁場　MRI的空間信息來自梯度磁場。梯度磁場是磁場強度在某一方向上呈線性改變的磁場。將電流通入兩個相反設置的線圈，可產生兩個極性相反的磁場，如果將這組線圈放在靜磁場內，三個磁場相疊加，即形成一個梯度磁場。如果在 X、Y、Z三個互相垂直的方向上各放置一組梯度線圈，形成三個互相垂直的梯度磁場，分別調節各組線圈的電流，即可按照要求調節空間各點的磁場強度。由於共振頻率與質子所處位置的磁場強度成正比，這時收集的MR信號即帶有定位信息。

　　成像方法　收集磁共振信號，經過電子計算機處理，即可重建出圖像。磁共振成像的方法有多種，在分辨率、成像時間、信號噪聲比等方面各有不同。從數據收集方面區分有點、線、平面、容積成像法等，從數據處理方面區分有投影重建法、傅裡葉變換法等。

　　磁共振成像裝置　由5個部分組成。①磁體。由主磁體、梯度線圈、射頻線圈等三部分組成。主磁體用以產生靜磁場。磁場強度單位為T（特斯拉）或G（高斯）。1T=10000G。根據場強區分，MRI裝置分為高場（≥1T）、中場(≥0.5T)、低場(≥0.1T)和超低場(＜0.1T)。MRI發展早期多追求高場，認為可以兼作波譜分析，同時場強增加可提高信噪比，改善圖像質量。但從對人體的安全性考慮，場強不宜超過2T。適宜成像的場強對波譜分析來說還不夠高，實踐證明很難兩者兼顧。此外，高場對圖像質量改善有限，而帶來很多缺點，如成本高、成像時間延長、人體射頻吸收增加等問題，反而得不償失。因此綜合考慮以中場較為理想。根據磁場產生方式區分，有常規電磁體、永磁體和超導電磁體三種。常規電磁體主磁場線圈使用普通銅導線，成本較低，但隻能達到低場強，且耗電高，磁場均勻性、穩定性都較差，不可能得到高質量圖像。永磁體系由磁性材料制成，不耗電，維持費用也較低，各種性能均高於常規電磁體，但成本仍較高，且場強度低、重量大、調整困難、熱穩定性差。超導電磁體線圈用超導材料制成，浸在液氦內，除成本較高外，其他性能都是最好的，根據需要，高、中、低場都能做到。如果設置液氦回收裝置，維持費用也較低，是比較理想的機型。梯度線圈置於主磁場線圈之內，共三組，用以產生三個互相垂直的梯度磁場，並要求有高線性度。每組線圈由獨立電源供電，通斷時間小於1毫秒。射頻線圈置於梯度線圈內，用以發射激發脈沖，一般還兼作MR信號的接收線圈。②脈沖發生和信號收集系統。可分為三部分，梯度場驅動器用以產生梯度場電壓，供給梯度線圈，並有控制器。能精確、迅速通斷。射頻發生器用以產生激發脈沖、並按一定脈沖序列發送給射頻線圈。射頻接收器，接收MR信號並放大。③數據處理系統。由一至數臺電子計算機組成，進行信息運算、處理、調度和系統的控制。④操作和圖像顯示裝置。進行機器操作控制及圖像的顯示、分析、處理及記錄。⑤電源系統。產生各種電壓，供給各個部件。

　　應用　MR圖像的亮度和反差受多個參數影響。這些參數分為兩大類。一類是可以人為設定的掃描參數，為TR、TE等。另一類是反映人體組織性質的參數，如質子密度、T₁、T₂、流動效應和化學位移。質子密度反映人體解剖結構，T₁、T₂和化學位移主要反映人體生物化學情況，流動效應可顯示血流情況和血管內病變，用以測定血流方向及速度。實際應用時利用掃描參數的改變加強組織某一參數對圖像的影響。例如短TR序列圖像，除反映一定程度質子密度外，也反映體素的T₁分佈，稱為T₁加權像；長TR長TE的SE序列圖像，反映體素的T₂分佈，稱為T₂加權像。

　　掃描時三個梯度磁場的值可任意設定，因此不用移動病人即可對病變處作空間定位，取得任意層面的圖像，對顯示病變非常有利。

　　MR對人體無電離輻射損害，但靜磁場、梯度磁場和射頻電磁場有可能對人體產生影響，靜磁場對人體的影響尚不十分清楚，至少在2T以下尚未觀察到對人體的明顯不利影響。梯度磁場的迅速通斷，對視網膜可引起閃光感覺，對心、腦也可能有潛在危害，規定的人體耐受限度是20T/秒，但實際應用時遠未達到此數值。射頻脈沖產生的電磁場可在人體組織中產生熱，產熱與頻率平方成正比，規定的限度是0.4瓦/千克體重。因此一般情況下MR對人體基本無害，但體內若有金屬假體或手術金屬夾，MR能使其產熱或發生移位。此外，MR也能幹擾起搏器的正常工作。這些都是MRI的禁忌癥。

　　臨床　MRI是以人體內氫核的弛豫時間加權密度像作為診斷依據，其他原子構成的組織（如骨）無直接顯示，要通過周圍或間隔中的軟組織間接顯示，對被水包圍的病變組織顯示也不太清楚；又由於重復時間TR長，致使成像時間很長，運動組織的成像往往較困難。正是這種特點，使得MRI不能代替CT或其他影像診斷，各種方法各有所長。MRI在臨床上主要用於以下部位。

　　① 頭部。MRI可清晰分辨腦灰質和白質、對多發性硬化等一類脫髓鞘病優於CT。對腦外傷、腦出血、腦梗塞、腦腫瘤等同CT類似，但可顯示CT為等密度的硬膜下血腫。腦梗塞或腦腫瘤的早期，CT還不能查出時，MRI有可能顯示，而對鈣化和腦膜瘤MRI顯示不好。腦幹及小腦病變的 MRI圖像由於沒有偽影是首選檢查方法。

　　② 脊柱。MRI不需要造影劑即能清晰區分脊髓、硬膜囊和硬膜外脂肪。對腫瘤，脊髓空洞癥，脫髓鞘病變等均有較高診斷價值。對外傷，雖然MRI顯示骨折或脫位不如常規X射線或CT，但能觀察脊髓損傷情況。MRI顯示椎間盤也較好，可以分辨纖維環和髓核，特別是矢狀面圖像可以同時顯示多個椎間盤突出（見圖）。

椎間盤突出的磁共振圖像T₁加權像）示頸_5～6椎骨間的椎間盤突出，脊髓受壓（箭頭處）

　　③ 四肢。骨皮質為無信號區，骨髓腔在T₁加權像上為高強信號。MRI對骨質本身病變顯示不如常規X射線或CT。對軟組織及肌肉病變包括腫瘤及炎癥都能清晰顯示，特別是早期急性骨髓炎，MRI是一種靈敏度很高的檢查方法。此外，MRI也是檢查膝關節半月板病變的首選方法。

　　④ 盆腔。對直腸及泌尿生殖系統MRI優於CT，因沒有輻射損害，特別適用於孕婦及胎兒檢查。

　　⑤ 胸部。對肺的檢查不如常規X射線，對縱隔檢查則優於CT，不用造影劑即可分辨縱隔血管和腫物，采用心電門控技術後不僅可顯示心肌、心腔病變，還可計算出一些心臟血流指數，是很有價值的心血管檢查技術。

　　⑥ 腹部。主要用於肝、胰、脾、腎等實質臟器，總的來說，不比CT更好。

　　特殊技術　包括以下幾點：

　　① 對比劑使用順磁性物質加入核系統中時，弛豫時間顯著降低，故可作為MRI的對比劑，常用的是釓的化合物，如Gd-DTPA。用法與CT使用的碘對比劑類似，一般用於顯示腦膜瘤、聽神經瘤，以及區別腦瘤同周圍水腫。

　　② 門控技術。為瞭減少心跳或呼吸運動造成的偽影，可以在每次心臟搏動周期或呼吸周期的同一時刻激發原子核，也就是由心動周期或呼吸周期決定脈沖重復時間，這稱為門控。

　　③ 表面線圈。檢查身體比較小的、表淺的部位時，可將接收線圈做成所檢查部位的形狀，直接貼在身體表面加強與信號之間的耦合，稱為表面線圈，此線圈可增加信號接收的靈敏度，提高信噪比和圖像的空間分辨率。