磁共振成像---方兴未艾的影像诊断术.doc

磁共振成像方兴未艾的影像诊断术 关键词：核磁共振成像 磁矩 共振吸收 病变诊断摘 要：磁共振成像术，是利用人体组织中某种原子核的核磁共振现象所得射频信号，经电子计算机处理，重建出人体某一层面的图像，并据此作出诊断这一技术于20世纪80年代初用于临床，它是一种非常有前途的非创伤性影像诊断手段Magnetic Resonance ImagingDeveloping diagnosis techniqueKeywords：nuclear magnetic resonance imaging， magnetic moment， resonance absorption， pathological changes diagnosisAbstract：The signal from the nuclear magnetic resonance of atoms in human body can be handled and re-establish come out some coat facial images with computer，This is the magnetic resonance imaging to diseases are made and have no any harm to bodyThe technology began to be used in clinic in the 80s of the 20 th century and is thought to have a splendid future 核磁共振成像（Nuclear magnetic resonance imaging，NMRI）术，从理论提出到临床应用经历了漫长的历史早在1915年质子电子核模型时期，艾伦（Allen）就曾预言：若核内带电成分处于某种转动状态，它们将具有磁矩1924年，在德国汉堡大学任教的泡利（Pauli）为了解释原子光谱的某些结构，提出原子核具有角动量（即自旋）的假说1933年，斯特恩（Stern）、依斯特曼（Estermann）、弗里施（OFrisch）首先用分子束方法由实验测得氢核（质子）的磁矩（）1946年布洛赫（Bloch）和珀塞尔（Purcell）分别发现，在静磁场中某些原子核可吸收一定频率的射频电磁波能量，并产生共振，这一现象称为核磁共振（Nuclear magnetic resonance，简称NMR）为此两人获得了1952年诺贝尔物理学奖此后，核磁共振波谱学一直广泛应用于物理、化学、生物学、地质学，成为研究物质结构、化学分析的有力工具1967年，杰克逊（Jackson）首次在活体中得到核磁共振信号1971年，美国纽约州立大学达马地安（Damadian）观察到肿瘤组织弛豫时间延长提出NMR可能成为诊断肿瘤的工具60年代末电子计算机断层成像技术（CT）发明后，立即有人研究NMR成像1972年，达马地安的同事劳特伯（Lauterber）用梯度磁场法得到一个水模型的质子NMR二维图像，这成为世界上第一个NMR图像1976年，英国诺丁汉大学的欣肖（Hinshaw）首先实现了人体手部成像，并于1980年推出世界上首台NMR成像商品机此后，相继得到植物、动物和人体的图像，技术日趋成熟；1983年美国放射协会建议，为了与放射性核素检查相区别，使用“磁共振成像（Magnetic resonance imaging，简称MRI）”命名这项技术1983年8月，我国广州医学院医学教授谢楠柱，利用赴美国参加AAPM第25届年会之机，参观了宾州大学医院的MRI装置，成为最早介绍这一技术的学者之一；11985年，由我国第一军医大学南方医院从美国引进了第一台磁共振成像机；1989年国内开始生产MRI机并投入临床应用，图像质量及扫描速度都达到了较好的水平 1 核磁共振的基本原理我们知道原子核是由质子、中子组成的，它们也像原子中兰姆（Lamb）发现的电子一样处于分裂的能级上；实验指出，电子、质子和中子除了轨道运动外还量子化地自旋运动，可用自旋量子数I来描写每个粒子都具有大小一定的自旋角动量LI，LI=，其中为自旋角动量磁量子数，是角动量单位电子、质子和中子的自旋量子数都为I=12原子核中质子或中子的自旋磁矩互相叠加，表现为原子核的自旋总磁矩，也称净自旋，其大小为：M=g，其中g为朗德（Land）因子自然界中大约有105种同位素的核，其自旋为整数或半整数，具有不为零的角动量和磁矩，从而可观察到MR信号人体组织中这类原子核有1H、13C、23Na、31P等，其中1H的含量最多，MR灵敏度最高，信号最强，目前用来成像的主要是1H氢原子核中只含一个质子，下面即以氢核（质子）为例解释MR现象2在通常情况下，由于热运动，氢核指向任意方向，磁矩互相抵消，宏观磁矩M =0如果将氢核置于外加恒定磁场B0中将按一定方向排列而显示磁矩，情况与将磁棒置于磁场中相似，这称为磁化磁矩为一矢量，称磁化矢量，是无数氢核共同作用的效果磁矩M可分解为与Z轴平行的分量M Z（纵向磁距），和与Z轴垂直的分量M XY（横向磁矩）因氢核自旋角动量磁量子数在Z轴方向上取两个值，所以磁矩在Z方向的投影值也只有两个3 在外加的稳定磁场B0中，由于氢核磁矩M I与B0的相互作用，将使氢核磁矩M与Z轴成角，从而使原有能级在磁场中分裂，即塞曼（Zeeman）分裂如氢核在Z轴方向分裂时，分裂出两个不同的塞曼能级，一条处于基态， 能量为负值；另一条处于激发态，能量为正值则两能量之差称为能级差当在与外磁场B0 的垂直方向上再加一个交变磁场（又称射频场），其频率为，调整 值，使其发生共振吸收，处于基态的核将吸收射频磁场的能量而跃迁到相邻的激发态上去，这种现象就称为磁共振（MR）42 磁共振图像信号的产生和获取如果磁矩M受一个与主磁场方向垂直的射频脉冲作用时，将偏离Z轴与Z成一个角度的大小由脉冲强度和宽度决定能使偏转900或1800的脉冲分别称为900脉冲（图1）或1800脉冲（图2）M经过900脉冲激发，则M位于XY平面上，此时M z0；经过1800脉冲激发，M与磁场方向相反，此时M Z=M 0，M XY0M受激发，一旦偏离Z轴除了以自身为轴自旋外，还以拉莫尔（Larmor）频率象陀螺一样绕Z轴转动这称为拉莫尔进动激发脉冲停止后，M继续进动，并不立即回到平衡状态M进动时，横向磁矩M XY切割静磁场磁力线，产 （图1） （图2）生频率为的电磁波由此可见，用射频脉冲激发一个处于静磁场中的核系统，核系统能将所吸收的能量同样以射频电磁波形式释放 M当外加射频脉冲停止后，M逐渐回到平衡状态的过程称恢复或弛豫这一过程分别由M的两个分量M Z和M XY的弛豫来表述M被900脉冲激发后，M Z的弛豫符合下列公式：M Z= M 0(1)90o脉冲的FID信号(图3)式中t表示脉冲停止后经过的时间，T1是一个时间常数当t=T1时；因此，T1可定义为：构成某物质的某种原子核，经过900脉冲激发后，纵向磁矩恢复到平衡状态磁矩的63时所需的时间，也称纵向弛豫时间同一种原子核在不同的物质中有不同的T1，这是因为T1反映自旋原子核和周围环境的能量转移过程构成物质的原子统称为晶格，故T1亦称自旋晶格弛豫时间以质子为例，T1在固 体中最长，可达数分钟甚至数小时，纯水为3秒含有蛋白质的生物体液则较短，脂肪最短T1也受静磁场强度影响，场强较高时，T1亦较长M XY的弛豫用下列公式表示：M XY= M 0式中T2是另一个时间常数当t= T2时，M XY= M 0e-1=037 M 0因此，T2可以定义为：构成某物质的某种原子核，经过900脉冲激发后，横向磁矩减小到最大值的37时，所需时间，也称横向弛豫时间T2反映自旋原子核之间的能量转移过程，亦称自旋自旋弛豫时间以质子为例，纯水T2最长，含蛋白质的水较短，脂肪界于两者之间，固体T2最短t在静磁场内核系统的适当位置上放置一个线圈，作为激发脉冲前发射线圈（如图4），一般还用此线圈兼作MR信号的接收线圈激发脉冲停止后，立即在线圈中感应出一个强度逐渐衰减的MR信号称为自由感区衰减信号（FID）(图3)为了获取MR信号，进行各种分析或常数的测定，按照设定的程序对核系统施加激发脉冲，并取得自由感区衰减信号或回波，这样的程序称为脉冲序列常用的脉冲序列有：若按照一定间隔，连续施加90o脉冲，并收集自由感区衰减信号；脉冲间隔称重复时间（TR），信号强度受质子密度和T1影响，与T2无关，称为部分恢复序列（PR序列）若先施加一个 1800脉冲，使M ZM 0，M XY=0，隔一定时间（称为反转时间TR）再施加一个90o脉冲，然后收集自由感区衰减信号，两组脉冲的间隔仍为TR信号强度仍决定于质子密度和T1，与T2无关，称为反转恢复序列（IR序列）若先施加一个90o脉冲，隔一定时间再施加一个1800脉冲，再隔一定时间收集出现的回波，称为自旋回波序列（SE序列）90o脉冲开始到回波峰值这段时间称回波时间仍为（TE）回波信号强度除受质子密度影响外，还受T1和T2的双重影响，但影响程度随TR和TE的改变而改变TR越短，TE越短，受T1影响大；反之，则受T2影响大由于自由感区衰减信号的收集比较困难，在部分恢复序列（PR）和反转恢复序列（IR）到实际应用时，常常是在90o脉冲后再加一个180o脉冲，然后收集其回波5MR图像的亮度和反差受多个参数影响这些参数分为两大类一类是可以人为设定的扫描参数，为TR、TE等另一类是反映人体组织性质的参数，如质子密度、T1、T2、流动效应和化学位移质子密度反映人体解剖结构，T1、T2和化学位移主要反映人体生物化学情况，流动效应可显示血流情况和血管内病变，用以测定血流方向及速度；实际应用时，利用扫描参数的改变来加强组织某一参数对图像产生影响，这一方法被称为参数加权法，利用加权法产生的图像叫加权像，例如有质子密度加权像、T2加权像、T1加权像；所谓质子密度加权像：就是选用比受检组织T1显著长的TR（15002500ms），那么质子群磁化（率）在下一个周期的90o脉冲到来时已全部得到恢复，这时回波信号幅度与组织T1无关，而与组织的质子密度和T2有关同时，如果选用比受检组织及明显短的TE（1525ms），则回波信号幅度与质子密度有关，这种图像被称为质子密度加权图像由于多数生物组织质子数量相差不大，信号强度主要由T2决定，故有的人将质子密度加权像又称为轻度T2加权像T2加权像：是选用比组织T1显著长的TR（15002500ms），又选用与生物组织及相似的时间为TE（90120ms），则两个不同T2组织的信号强度的差别明显，TE越长，这种差别越显著，此即为T2加权像在实际工作中，采用双回波法，TR（15002500ms），TE（1525ms、90120ms）；可分别获得质子密度加权像和T2加权像T1加权像：是选用TR（500ms）、TE（1525ms），反映是组织不同T1信号强度的差别，即为T1加权像同时还可采用多回波序列：所谓多回波序列，就是在回波产生之后再给第二个180o脉冲，将会以上述同样的方式在同样的间隔时间内产生第二个回波；同理，第三、第四个180o脉冲 （图4 为SE多回波序列）可分别产生第三和第四个回波信号，只不过回波信号的幅值会越来越小（图4）随着TE的延长，T2加权的作用越趋显著，长T2组织如脑脊液信号很强，但周围脑的灰白质失去对比，均为低信号，而且随着TE延长，信噪比就越差这种“90o一180o一180o”形式的SE脉冲序列；除此之外，还有多层面成像，即在下一次90o脉冲到来之前去激发其它层面产生回波信号并重建图像，如此等等对于实际的MRI技术，在扫描时磁场的值可任意设定，因此不用移动病人即可对病变处作空间定位，取得任意层面的图像，对显示病变非常有利，并按实际需要选择上述不同的显像方法，将会得满意的MR图像6MRI技术的每幅图像都由多个相同大小的最小单元（像素）组成每个像素相当于人体相对应部位一定体积的组织，称体素形成人体某种图像，首先要测定每个体素相应的物理或化学常数，此常数要能反映出人体生理或病理变化；其次要确定每个数值所对应体素的空间位置，即要有定位信息MR的空间信息来自梯度磁场，要完成MR成像，必须获得人体特定层面内的MRI信号但在均匀的主磁场中，射频脉冲不可能只使一个层面内的质子产生共振，MRI接收线图所收集到的是整个被成像区域内的质子发出的MRI信号，这些信号不含有空间的信息，因此不可能用来重建图像如果在主磁体中再加一个梯度磁场，则被检体各部位质子群的进动频率可因磁场强度不同而区别，这样就可对被检体某一部位进行MR成像，因此MRI空间定位靠的是梯度磁场，所谓梯度磁场是磁场强度在某一方向上呈线性改变的磁场将电流通入两个相反设置的线圈，可产生两个极性相反的磁场，如果将这组线圈放在静磁场内，三个磁场相叠加，即形成一个梯度磁场（图5）如果在X、Y、Z三个互相垂直的方向上各放置一组梯度线圈形成三个互相垂直的梯度磁场分别调节各组线圈的电流，即可按照要求调节空间各点的磁场强度由于共振频率与氢核所处位置的磁场强度成正比，这时收集的磁共振信号即带有定位信息收集磁共振信号，经过电子计算机处理，即可重建出图像 3 方兴未艾的磁共振影像诊断术 梯度线圈 主线圈 射频线圈MRI装置由梯度线圈、主线圈、射频线圈、显示与操作系统、数据处 理系统5大部分组成（如图5）表为人体一些组织的含水比例 7组织名称 含水比例 组织名称 含水比例皮肤 69 肾 81肌肉 79 心 80脑灰质 83 脾 79脑白质 72 肺 81肝 71 骨 13显示与操作 数据处理（图5为MRI设备的基本结构）当去掉射频场后，则处于激发态的核可通过电磁辐射退激发到低能级，这种电磁辐射在环绕待测物的线圈上感应出电压信号，此信号即为MR信号由于人体各种组织中都含有大量的水和碳氢化合物，所以含大量的氢核，使氢核成为人体MRI的首选核用氢核所获得的MR信号要比其它核种的磁共振信号大1000倍以上例如，取氢核（1H）信号强度为1，则磷核（31P）信号的相对强度为102，而碳核（12C）信号的相对强度是104由于人体中各种组织的含水比例不一样（见上表），即氢核密度不一样，因此MR信号强度有差异，利用这种差异作为特征量，可把各种组织区分开来正常组织与病变组织的MR信号强度除了与这些组织的氢核数密度有关外，还与两个弛豫时间T1和T2有关实际测量中可得三体图像：第一种是密度图像，图像中MR信号的明暗反差只决定于的差异；第二种是T1加权图像，磁共振信号由和T1共同决定；第三种是T2加权图像，MR信号由和T2共同决定（图5）到底取哪一种，图像决定于哪一种更能显示出正常组织和病变组织的差异点，正常肝组织与肝癌的和T2相差不多，但T1相差很多，所以用T1加权图像更能达到显示目的（图6）是用MRI方法测得的脑瘤图像（图中头胪中央白色小块是肿瘤），非常清晰MRI方法，对软组织的病诊断，更显示其优点MR对人体无电离辐射损害，但静磁场、梯度磁场和射频电磁场有可能对人体产生影响，静磁场对人体的影响尚不十分清楚，至少在2T（特斯拉）以下尚未观察到对人体的明显不利影响梯度磁场的迅速通断，对视网膜可起闪光感觉，对心、脑 （图6）脑肿瘤的磁共振成像7也可能有潜在危害，规定的人体耐受限度是20T秒，但实际应用时远未达到此 （图中头胪中央白色小块是肿瘤）数值射频脉冲产生的电磁场可在人体组织中产生热，产热与频率平方成正比，规定的限度是04瓦千克体重因此一般情况下MR对人体基本无害，障体内若有金属假体或手术金属夹，MR能使其产生或发生移位此外，MR也能干扰起搏器的正常工作这些都是MR的禁忌症MR对器官及组织影像的对比度和敏感性比CT图高，可显示一些在CT图上不显示的病变，如肝癌周围的子灶、脑白质轻度变性、较小的脑肿瘤等、对神经系统和血管系统疾病的诊断也比CT胜一筹人体各处对X射线的吸收系数正比于该处的密度，CT的图像是利用卷积反投影重建算法，从透过人体而射出的X射线，计算出各点的吸收系数的像（即质子密度像）这完全是一个宏 （图7）右图为左图头胪白线剖面位置磁共振成像图8观过程，用机械式扫描 MRI用静磁场迭加梯度磁场作空间定位，扫描过程无机械运动成像时，用自旋回波序列的射频脉冲激励人体组织，使氢核从低能态跳到高能态，并与周围原子或氢核交换能量，导致宏观磁化强度矢量进动和恢复到平衡态的弛豫，采集磁化强度发出的自旋回波信号经二维或三维快速傅里叶交换，显示出人体各点氢核密度的弛豫时间加权像因磁化强度是该点众多氢核磁矩的向量和，所以这种像是人体内各点氢核数目的平均值。它既反映了该点的氢密度，也反映了氢核与周围原子的相互耦合关系在作血流测量时，还有流空效应的参与可反映血液流速情况所以与CT相比，MRI可带来更多的组织、结构信息例如在陈旧性血肿的鉴别、肝内血管瘤的定性、带有脂肪肿瘤定性等方面均占优势但它对非氢核的组织（如骨）不直接显示，