医学磁共振成像的原理及应用

医学磁共振成的原理应用磁共振成像（MRI）是利用原子核在磁场内所产生的信号经重建成像的一种影像术。早在1946年Block和Purcell发现了物质的核磁共振现象并应用于化学分析上，而形成了核磁共振波谱学。1973年1auterbur发表了MRI成技术使核磁共振应用于临床医学领域为了准确反映其成像基础避兔与核素成像混淆现已将核磁共振成像改称为磁共振成像参与MRI的成像因素较多决号强度的参数至少有10个以上，只要有l个参数发生变化，就可在信号上得到反映。因此，MRI具极大的临床应用潜力。由于对MRI像的贡献，lauterbur与Mansfierd共获年的诺贝尔奖金第一节MRI成像基本原理与设备一、MRI成像基本原理所有含奇数质子的原子核均在其自旋过程中产生自旋磁动量，也称核磁矩，它具有方向性和力的效应，故以矢量来描述核磁矩的大小是原子核的固有特性它决定MRI信号的敏感性。氢的原子核最简单，只有单一的质子，故具有最强的磁矩，最易受外来磁场的影响并且氢质于在人体内分布最广含量最高因此医用MRI均选用H为靶原子核人体内的每一个氢质子可被视作为一个小磁体正常情况下这些小磁体自旋轴的分布1

和排列是杂乱无章的若此时将人体置人在一个强大磁场中这些小磁体的自旋轴必须按磁场磁力线的方向重新排列时的磁矩有二种取向：大部分顺磁力线排列，它们的位能低，状态稳；小部分逆磁力线排列，其位能高。两者的差称为剩余自旋，由剩余自旋产生的磁化矢量称为净磁化矢量称为平衡态宏观磁场化矢量M0。绝对温度不变的情况下，两种方向质子的比例取决于外加磁场强度。在MR的标系中，顺主磁场方向为Z轴或称纵轴，垂直于主磁场方向的平面为XY平面或称水平面，平衡态宏观磁化矢量M。此时Z轴以Larmor频自旋，如果额外再对M0施一个也以Larmor频率的射频脉冲使之产生共振此时M0会偏离Z轴向平面进动，从而形成横向磁化矢量，其偏离Z轴的角度称为翻转角翻转角的大小由射频脉冲的大小来决定能使翻”至XY平面的脉冲称之为90度脉冲。在外来射频脉冲的作用下M0除产生横向磁化矢量外，这些质子同向进动，相位趋向一致。当外来射频脉冲停止后，由M0产生的横向磁化矢量在晶格磁场（环境磁场）作用下，将由XY面逐渐回复到Z轴，同时以射频信号的形式放出能量质子自旋的相位一致性亦逐渐消失，并恢复到原来的状态。这些被释放出的，并进行了三维空间编码的射频信号被体外线圈接收计算机处理后重建成图像。2

在MRI的应用中常涉及如下几个概念：弛豫是指磁化矢量恢复到平衡态的过程磁化矢量越大，MRI测到的信号就越强。纵向弛豫称旋一晶格弛豫或T1弛豫90”射频脉冲停止后纵向磁

化逐渐恢复至平衡的过程，亦就是M0由XY面回复到Z的过程（图－2快慢用时间常数来表示，可定义为纵向磁化矢量从最小值恢复至平衡态的63％所经历的弛豫时间。不同的组织T1间不同，其纵向弛豫率的快慢亦不同，故产生了MR信号强度上的差别，们在图像上则表现为灰阶的差别于纵向弛豫是高能原子核释放能量恢复至低能态的过程以它必须通过有效途径将能量传递至周围环境（晶格）中去，晶格是影响其弛豫的决定因素。大分子物质（蛋白质）热运动频率太慢，而小分子物质（水）热运动太快，两者都不利于自旋能量的有效传递故其T1值MR信号强度低只有中等大小的分子（脂肪）其热运动频率接近Larmor频率，故能有效快速传递能量，所以TI短MR号强度高通过采集部分饱和的纵向磁化产生的MR号具有T1依赖性其重建的图像即为T1权图像。横向弛豫：又称为自旋一自旋弛豫或T2弛豫。横向弛豫的实质是在射频脉冲停止后子又恢复到原来各自相位上的过程，这种横向磁化逐渐衰减的过程称T2豫。T2为向弛豫时间常数，它等于横向磁化由最大值衰减至37％时所经历的3

时间，它是衡

量组织横向磁化衰减快慢的一个尺度。T2值也是一个具有组织特异性的时间常数同组织以及正常组织和病理组织之间有不同的T2值。大分子（蛋白质和固体的分子晶格固定分子间的自旋一自旋作用相对恒定而持久故它们的横向弛豫衰减过程快，所以T2MR号强度低小分子及液体分子因具有快速平动性横向弛豫衰减过程变慢T值长（MR号强度高号主要依赖T2而重建的图像称为T2权图像。二、MRI

设备磁共振成像设备包括5个系统：磁体系统、梯度系统、射频系统、计算机及数据处理系统以及辅助设备部分。磁体分常导型永磁型和超导型三种目前常用的有超导型磁体和永磁体磁体性能的主要参数有磁场强度磁场均匀性、磁场稳定性等。常导型的线圈用铜、铝线绕成，磁场强度可达0.15T～0.3T；永磁型的磁体由磁性物质制成的磁砖所组成，较重，磁场强度偏低，最高可达0.3T；导型的线圈用银一钛合线绕成，医用MR设的磁场强度一般0.35T～3.OT梯度系统由梯度放大器及X、、三组梯度线圈组成。它的作用是修改主磁场，产生梯度磁场。其磁场强度虽只有主磁场的几百分之一梯度磁场为人体MRI号提供了空间定位的三维编码的可能于对图像空间分辨力的要求越来越高故对梯度磁场的要求也高目前梯度系统提供的梯度场强4

已高达60MTM。射频系统用来发射射频脉冲磁化的氢质子吸收能量而产生共振在弛豫过程中氢质子释放能量并发出MRI号后者被检测系统接收射频系统主要由发射与接收两部分组成其部件包括射频发射器、功率放大器、发射线圈、接收线圈以及噪声信号放大器等。MRI设备中的计算机系统主要包括模／数转换器、阵列处理机及用户计算机等。其数据采集、处理和图像显示，除图像重建由傅里叶变换代替了反投影外，其它与CT设备非常似。第二节MRI图像特点人体不同器官的正常组织与病理组织的T1值是相对固定的，而且它们之间有一定的差别T2值也是如此。这种组织间弛豫时间上的差别磁共振成像诊断的基础得注意的是，MRI影像虽然也以不同的灰度显示，但其反映的是MRI信号强度的不同或弛豫时间与T2的短，而不象CT图像，灰度反映的是组织密度。一般而言，组织信号强，图像所相应的部分就亮，组织信号弱，图像所相应的部分就暗，由组织反映出的不同的信号强度变化就构成组织器官之间正常组织和病理组织之间图像明暗的对比。MRI的图像若主要反映组织间特征参数时，为权像映的是组织间T1的差别有利于观察解剖构。若主要反映组织间T2特征参数时，则为T2加权像，T2WI对5

示病变组织较好还有一种称为质子密度加权像的图像其图像的对比主要依赖于组织的质子密度，又简称质于加权像。MRI是多参数成像，因此，在MRI成像技术中，采用不同的扫描序列和成像参数，可获得权像、权像和质子加权像典的自旋回SE列中调整重复时和回波时间（TE可得到上述三种图像。一般短TR、短TE可获得加权像；长长获得T2加权像，长TR、短TE获得质子加权像。第三节MRI检查技术MRI像技术有别于扫描，它不仅可行横断面，还可行冠状面矢状面以及任意斜面的直接成像同时还可获得多种类型的图像，如T1WI、T2WI等。若要获取些图像必须选择适当的脉冲序列和成像参数。一、序列技术成像的高敏感性基于正常组织与病理组织弛豫时间T1T2的不同，并受质子密度、脉冲序列的影响，常用的脉冲序列有：1自旋回波SE）序列

采用“90°-”脉冲组合形式构成特点为可消除由于磁场不均匀性所致的去相位效应，磁敏感伪影小。但其采集时间较长，尤其是T2加权成像，重T2加权时信噪比较低。该序列为MRI的基础序列。2.反转恢(IR）列

采用“180°-90°-”脉6

冲组合形式构成特点为具有较强的比反时TI）的反转恢复序列具有强的对比根据需要设定饱和特定组织产生具有特征性对比的图像，如短T1反转恢复（STIR体衰减反转恢复（）等序列。3．快速自旋回波（FSE）序列

采用“90°180°-180°-...”脉冲组合形式构成图像对比性特征与SE相似，磁敏感性更低，成像速度加快，使用大量180°射频脉冲，射频吸收量增大，其中T2权像中脂肪高信号现象是TSE与SE序列的最大区别。4梯度回波GRE）序列梯度回波技术中，激励脉冲小于90°，翻转脉冲不使用180°，取而代之的是一对极性相反的去相位梯度磁场及相位重聚梯度磁场，其方法与SE中率编码方向的去相位梯度及读出梯度的相位重聚方法相同于小翻转角使纵向磁化快速恢复，缩短了重复时间TR，也不会产生饱和效应，故使数据采集周期变短，提高了成像速度。其最常用的两个序列是快速小角度激发FLASH）序列和稳态进动快速成像（FISP序列。5快速梯度自旋回波TGSE）序TGSE是在TSE每个自旋回波的前面和后,产生若干个梯度回波，使180°翻转脉冲后形成一组梯度和自旋的混合回波信号而提高单位重复时间（TR的回波数。该序列具有SE及的对比特点，且较之具有更高的磁敏感性，采集速度进一步加快。7

6单次激发半傅里叶采集快速自旋回波（HASTE）序列该序列在一次激励脉冲后使用128个聚焦脉冲，采集128个回波信号，填写在240X256空间内。HASTE序列具有TSE列T2加图像的特征，每幅图像仅需一次激励便可完成数据采集高速采集可冻结呼吸及其它生理性运动因此该序列多用于有生理性运动器官的T2权成像。7平面回波成像EPI）EPI技术是迄今最快的MRI成像技术它是在一次射频脉冲激励后在极短的时间（～100ms）连续采集一系列梯度回波，用于重建一个平面的图像。EPI技术已在临床广泛应用，单次激发，以扩散像、灌注成像脑运动皮层功能成像为目前主要的应用领域多次激发EPI则在心脏快速成像、心脏电影、血管造影、腹部快速成像等领域取得进展。二、MR对比增强检查MRI影像具有良好的组织对比，但正常与异常组织的弛豫时间有较大的重叠特异性仍较差提高MRI影对比度，一方面着眼于选择适当的脉冲序列和成像参数更好地反映病变组织的实际大小程度及病变特征另一方面则致力于人为地改变组织的MRI特征性参数，即缩短弛豫时间MRI比剂可克服普通成像序列的限制它能改变组织和病变的弛豫时间从而提高组织与病变间的对比。MRI对比剂按增强类型可分为阳性对比剂（如钆-二乙8

三胺五乙酸，即Gd一DTPA）和阴性对比剂（如超顺磁氧化铁即SPIO)比剂在体内分布分为细胞外间隙对比Gd-DTPA细胞内分布或与细胞结合对比如肝细胞靶向性对比剂钆卞氧丙基四乙酸盐Gd—EOB-DTPA状内皮细胞向性对比剂（如SPIO和胃肠道磁共振对比剂。目前临床上最常用的MRI对比剂为Gd-DTPA。其用药剂量为0.lmmol／kg，用静脉内快速团注，约在60内注射完毕。对于垂体、肝脏及心脏、大血管等检查还可采用压力注射器行双期或动态扫描。常规选用T1WI序列，结合脂肪抑制或磁化传递等技术可增加对比效果。三、MR血管造影技术磁共振血管造影MRA）是对血管和血流信号特征显示的一种技术。MRA作为一种无创伤性的检查，与及常规放射学相比具有特殊的优势，它不需使用对比剂，流体的流动即是MRI像固有的生理对比剂。流体MRI像上的表现取决于其组织特征动速度动方向动方式及所使用的序列参。常用的MRA方法有时间飞（TOF法和相位对PC）法。三TOF法的主要优点是信号丢失少，空间分辨力高，采集时间短，它善于查出有信号丢失的病变如动脉瘤、血管狭窄等；二维TOF法可用于大容积筛选成像检查非复杂性慢流血管三维PC可用于分析可疑病变区的细节，检查流量与方向；二维PC法可用于显示需极短时间成像的病变，如单视角观察心动周9

期。近年来发展起来一种新的MRA法比增强（CE－MRA适用范围广，实用性强，方法是静脉内团注2～倍于常规剂量的GdDTPA比剂采用超短TRTE速梯度回波技术，三维采集，该方法对胸腹部及四肢血管的显示极其优越。四、MR电影成像技术磁共振电影（）成像技术是利用快速成像序列对运动脏器实施快速成像产生一系列运动过程的不同时（时相的“静态”图像将这些“静态”图像对应于脏器的运动过程依次连续显示，即产生了运动脏器的电影图像。MRC成像不仅具有很好的空间分辨力，更重要的是它具有优良的时间分辨力，对运动脏器的运动功能评价有重要价值。对于无固定周期运动的脏器，如膝关节、颠颌关节等，其MRC的方法是将其运动的范围分成若干相等的空间等分每一个等分点采集一幅图像后将每个空间位置的图像放在一个序列内连续显示即成为关节运动功能的电影图像。五、MR水成像技术磁共振水成像MRhydrography）技术主要是利用静态液体具有T2弛时间的特点用加权成像技术时，稀胆汁、胰液、尿液、脑脊液、内耳淋巴液、唾液、泪水等流动缓慢或相对静止的液体均呈高信号，而T2较短的实质器官及流动血液则表现为低信号，从而使含液体的器官显影。10

作为一种安全无需对比剂无创伤性的影像学检查手段，水成像技术已经提供了有价值的诊断信息，在某种程度上可代替诊断性ERCP、PTC、IVP、线椎管造影、线涎管造影及泪道造影等传统检查。MR水成像技术包括MR胰胆管成像（MRCP泌尿系成像（MRU椎管成像（MRM内耳成像、MR腺管成像、MR泪道成及MR脑室系统成像等（图44b～d六、脑功能成像脑功能性磁共振成fMRI提人脑部的功能信息，为MRI技术又开启了一个全新的研究领域括扩散成DI灌注成像PI和脑活动功能成像，三种不同功能成像的生理基础不同。1扩散成像

当前DI要用于脑缺血的检查是由于脑细胞及不同神经束的缺血改变，导致水分子的扩散运动受限，这种扩散受限可以通过扩散加权成像DWI显示出来。DWI在对早期脑梗死的检查中有重要临床价值组织在急性或超急性梗死期首先出现细胞毒性水肿使局部梗死区组织的自由水减少，表观扩散系数ADC）显著下降，因而在DWI表现为高信号区，但这在常规T1、T2加权成像上的变不明显。DWI技术可由快速梯度回波序列完成，但在EPI术中表现得更为完善。2灌注成像PI通过引人顺磁性对比剂，使成像组织11

的T1、T2值缩短，同时利用超快速成像方法获得成像的时分辨力。通过静脉团注顺磁性对比剂后周围组织微循环的T1、值的变化率计算组织血流灌注功能或者以血液为内源性示踪通过利用动脉血液的自旋反转或饱和方法,示脑组织局部信号的微小变化，而计算局部组织的血流灌注功能。PI可用于肝脏病变的早期诊断、肾功能灌注以及心脏的灌注分析等。3脑活动功能成像

是利用脑活动区域局部血液中氧合血红蛋白与去氧血红蛋白比例的变化，所引起局部组织T2*的改变，从而在T2*加权像上可以反映出脑组织局部活动功能的成像技术一技术又称之为血氧水平依赖性MRBOLDMRI它是通过刺激周围神经激活相应皮层中枢使中枢区域的血流量增加，进而引起血氧浓度及磁化率的改变而获得的。七、MR波谱技术磁共振波（技术是利用MR中的化学位移现象来测定分子组成及空间分布的一种检测方法着临床MRI成像技术的发展，MRS与MRI互渗透，产生了活体磁共振波谱分析技术及波谱成像技术而对一些由于体内代谢物含量改变所致的疾病有一定的诊断价值。在均匀磁场中种元素的同一种原子由于其化学结构的差异，其共振频率也不相同，这种频率差异称化学位移。MRS实际上就是某种原子的化学位移分布图。其横轴表示化学位移，纵轴表示各种具有不同化学位移原子的相对含量。12

目前常用的局部1H波技术，是由一个层面选择激励脉冲紧跟二个层面选择重聚脉冲三者相互垂直完成“定域”共振，使兴趣区的1H原子产生共振，其余区域则不产生信号。定域序列的一个主要特点是能在定域区产生局部匀场冲间隔时间决定回波时间1H波

谱中时间通常为20ms～30ms，此时质子波谱具有最确定的相位而产生最佳分辨的质子共振波谱。第四节MRI断的临床应用由于MRI磁场对电子器件及铁磁性物质的作用些患者不宜行此项检查如置有心脏起搏器的患者颅脑手术后动脉夹存留的患者铁磁性植人物（如枪炮伤后弹片存留及眼内金属异物等心脏手术后，换有人工金属瓣膜患者；金属假肢、关节患者；体内有胰岛素泵、神经刺激器患者，以及妊娠三个月以内的早孕患者等均应视为MRI检查的禁忌证。MRI的多方位、多参数、多轴倾斜切层对中枢神经系统病变的定位定性诊断极其优越对中枢神经系统疾病的诊断中，除对颅骨骨折及颅内急性出血不敏感外其它如对脑部肿瘤颅内感染血管病变白质病变发育畸形退行性病变、脑室及蛛网膜下腔病变脑挫伤颅内亚急性