核磁共振成像.doc

核磁共振成像摘要：核磁共振现象来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用下的进动。原子核在进动中，外加交变磁场的频率等于拉莫频率，原子核就发生共振吸收，去掉射频脉冲后，原子核磁矩又把所吸收的能量中的一部分以电磁波的形式发射出来，称为共振发射。这个过程称为“核磁共振”。核磁共振成像利用核磁共振原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像。 关键词：核磁共振；进动；梯度磁场；核磁共振成像The problem of collisions of lifeAbstract：Nuclear Magnetic Resonance phenomenon from the nuclei spin the momentum in the corner, plus the magnetic field. The nuclei to move, plus to change the magnetic field frequency is tantamount to La Mo frequency, nuclei of resonance absorption, remove RF pulse, Nuclear Magnetic moment and the absorptive capacity of a part of the electromagnetic waves forms launch, known as resonance launch. This process is known as nuclear magnetic resonance. Nuclear Magnetic Resonance Imaging use of nuclear magnetic resonance works, in accordance with the energy released in material within structural environment in the decay, plus a gradient magnetic field testing the launch of the electromagnetic spectrum, to be informed of the objects nucleus of the location and type which can be drawn into objects internal structure image.Key words: Nuclear Magnetic Resonance; activities; magnetic field gradient; nuclear magnetic resonance imaging前 言1945年斯坦福大学的Bloch与哈佛大学的Purcell分别在水与石蜡中独立观察到核磁共振现象，并分享了1952年诺贝尔物理学奖。核磁共振现象的应用最初集中在物理与化学方面。人们利用它确定分子结构，研究固体中分子运动的性质和结构相变；对化学样品进行定性和定量分析，确定反应过程和反应机理等。后来，随着各项技术发展，核磁共振现象形成一种技术核磁共振成像应用与医学领域。核磁共振成像是继X-CT之后在三维成像技术方面的又一重大成就，它的潜在发展能力大大超过了其他成像诊断技术。第一个展示核磁共振成像对宏观成像可行性的实验是Lauterbur在1972年完成的，而将磁共振成像用于对人体的研究，特别是用于对癌症的检测的Damadian。本文将从核磁共振以及核磁共振成像的各个方面讨论，最后并对核磁共振成像在现实生活中的应用及发展进行展望。1. 核磁共振若已知磁矩为，原子核的因子为，外磁场为，则核磁矩与外磁场的相互作用能为 其中为核磁子，为自旋在外磁场方向投影的磁量子数，共有个值，则相应能量也有个值，即原来的能级分裂成了条子能级。两相邻子级间可以跃迁，跃迁能量为 若在垂直均匀磁场方向上加一个强度较弱的高频磁场。当调节频率使满足条件 时，则原子核会共振吸收高频磁场能量，使核的取向改变，发生从低子能级向相邻高子能级的跃迁；同时，高频信号将减弱，这种现象称为核磁共振。核磁共振原理示意图如下：图1 核磁共振原理示意图图1 核磁共振原理示意图2.核磁共振成像核磁共振成像，又称自旋成像，也称磁共振成像，台湾又称核磁造影，它是核磁共振方法、图像重建和现代计算技术相结合的成果。核磁共振成像利用核磁共振原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像。人体内含有非常丰富的水，不同的组织，水的含量也各不相同，如果能够探测到这些水的分布信息，就能够绘制出一幅比较完整的人体内部结构图像，核磁共振成像技术就是通过识别水分子中氢原子信号的分布来推测水分子在人体内的分布，进而探测人体内部结构的技术。将这种技术用于人体内部结构的成像，就产生出一种革命性的医学诊断工具。而快速变化的梯度磁场的应用，则大大加快了核磁共振成像的速度，使该技术在临床诊断、科学研究的应用成为现实，极大地推动了医学、神经生理学和认知神经科学的发展。2.1核磁共振成像原理核磁共振成像的核心问题是把核磁共振原理同空间编码技术结合起来，同时把物体内部各位置的特征信息显示出来。 如何进行空间编码呢?磁核在静磁场作用下的共振频率与空间位置无关，不能提供物体内的空间分布信息，起不到空间编码的作用。如果在静磁场上叠加一个梯度磁场，就可以把物体的共振频率与物体内部的空间分布联系起来，从而达到空间编码的目的。现以一维梯度磁场为例，如图2所示。梯度磁场与的方向一致，沿方向的梯度为，则坐标为处的磁感应强度,对应的核磁共振频率。这样，共振频率与坐标之间就有了一一对应的关系.如物体内部的四个位置1,2,3,4，对应的频率是，那么这四个位置的坐标是唯一确定的。图2 梯度磁场的作用 图2 梯度磁场的作用若梯度磁场是三维的，可根据和再确定各位置的坐标。如果定义空间某一体积元的体积大小为中频率为,就可据此式对物体内部的各个微小部分进行空间编码了。在空间编码的基础上，通过同步射频磁场所激发产生核磁共振，在停止射频脉冲之后，任其自由衰减并通过电磁感应转化为自由感应衰减信号，测出衰减的时间即弛豫时间和，最后通过傅里叶变换并以图形的形式表示出来，就得到物体的核磁共振像。2.2 核磁共振成像方法核磁共振成像的方法很多，不下几十种，这里选择有代表性的几种方法略加说明。2.2.1层面选择在X-CT中，都按断层成像，成像断面由X射线束的方向与扫描的几何结构确定。在核磁共振断层成像中，信号由射频线圈采集。一般而言，这些核磁共振信号如果不加选择，不能确定来自何断面。因此，如何选择断面核磁共振成像装置必须解决的问题。2.2.2投影重建算法1973年Lauterbur用梯度磁场区分空间坐标，用连续波核磁共振获得了世界上第一个核磁共振图像。核磁共振频率通过可和空间直接相关起来，测得投影后，可以通过滤波反投影法重建而获得清晰的图像。这种重建与CT完全相似。2.2.3二维傅立叶变换重建目前，在核磁共振成像系统中常用的断层成像方法是二维傅立叶变换重建法，由Kumar、Welti和Ernst于1975年提出，故又称KWE法。与投影重建法不同，这种方法是核磁共振CT所特有；它也与X-CT中直接傅立叶变换算法有差别。2.2.4回波-成像法平面投影重建法要在不同视角下取足够多的投影才可重建一幅图像，这样成像时间很长，回波-平面法则可从一个核磁共振信号获得一幅二维平面图像。这是因为在离散像素条件下，可找到某一投影方向，能使像素阵列中没一点在投影曲线中有唯一位置与之对应。这样可加快数据采集速度。2.2.5 Flash法核磁共振成像迫切需要解决的问题是提高成像速度，除用回波-成像法平面外，还有一种方法称为快速低角度扫描法，已越来越受到重视。它可以将成像时间降到10秒以下。Flash法采用10度到45度的小翻转角层面选择射频激励脉冲。回波时间约10毫秒左右。小翻转角脉冲对纵向磁化影响甚小，不必等待纵向磁化恢复即可直接进行下一次激励。2.3 核磁共振成像优越性与1901年获得诺贝尔物理学奖的普通X射线或1979年获得诺贝尔医学奖的计算机层析成像相比，磁共振成像的最大优点是它是目前少有的对人体没有任何伤害的安全、快速、准确的临床诊断方法。如今全球每年至少有6000万病例利用核磁共振成像技术进行检查。其优越性有以下几点：（1）对软组织密度分辨率好，对其差别的辨认非常理想。（2）对心血管疾病的诊断核磁共振成像显著优于CT。（3）核磁共振成像可多平面多参数成像。（4）核磁共振成像是一种揭示人体“超原子结构”相互作用的“化学图像”成像技术。（5）无伪影。（6）核磁共振成像不存在X射线损害问题。2.4 核磁共振成像的限制虽然核磁共振成像技术有诸多优越性，但它也有许多限制，现将其主要限制列举如下：（1）和CT一样，核磁共振成像也是影像诊断，很多病变单凭核磁共振成像仍难以确诊，不像内窥镜可同时获得影像和病理两方面的诊断。 （2）对肺部的检查不优于X线或CT检查，对肝脏、胰腺、肾上腺、前列腺的检查不比CT优越，但费用要高昂得多。 （3）对胃肠道的病变不如内窥镜检查。 （4）体内留有金属物品者不宜接受核磁共振成像。2.5核磁共振成像系统可能对人体造成伤害的因素核磁共振成像系统可能对人体造成伤害的因素有如下几个： （1）强静磁场：在有铁磁性物质存在的情况下，不论是埋植在患者体内还是在磁场范围内，都可能是危险因素。 （2）随时间变化的梯度场：可在受试者体内诱导产生电场而兴奋神经或肌肉。外周神经兴奋是梯度场安全的上限指标。在足够强度下，可以产生外周神经兴奋，甚至引起心脏兴奋或心室振颤。（3）射频场的致热效应：在核磁共振成像聚焦或测量过程中所用到的大角度射频场发射，其电磁能量在患者组织内转化成热能，使组织温度升高。RF的致热效应需要进一步探讨，临床扫描仪对于射频能量有所谓“特定吸收率”的限制。（4）噪声：核磁共振成像运行过程中产生的各种噪声，可能使某些患者的听力受到损伤。（5）造影剂的毒副作用：目前使用的造影剂主要为含钆的化合物，副作用发生率在2%-4%。3.总结与展望磁共振成像是目前最为先进的影像检查方法之一，是一门新兴的无创性显示人体内部结构的影像诊断技术。它是随着计算机技术、电子电路技术、超导体技术的发展而迅速发展起来的。这一技术在问世不到20年的时间里得到了迅猛发展，设备制造技术和诊断理论也日臻完善。当磁场强度增高时，意味着核磁共振成像更清晰，能够显示更多细节，有利于诊疗活动。目前磁场强度高达3T的磁共振系统已经应用于临床，并且由于市场对超高场MRI的需求，412T甚至更高场强核磁共振成