小述磁共振.doc

小述核磁共振摘要磁共振影像技术是近30年开发出的医疗诊断技术，能侦测细胞、组织、器官的实况，区别肿瘤、癌细胞、脑细胞的分布状态。MRI是利用人体水分子的氢原子核的核顺磁性，在有梯度磁场下做核磁共振，梯度磁场能把核磁共振信号变成空间分析谱。历史1946年，哈佛大学珀赛尔(E.M.Purcell)用吸收发首次观测到石蜡中质子的核磁共振（NMR），几乎同时美国斯坦福大学布洛赫(F.Block)用感应法发现液态水的核磁共振现象。为此，他们分享拉1952年的诺贝尔物理学奖金。核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段，由于其可深入物质内部而不破坏样品，并具有迅速、准确、分辨率高等优点而得以迅速发展和广泛应用，已经从物理学渗透到化学、生物、地质、医疗以及材料等学科，在科研和生产中发挥了巨大作用。早期的核磁共振主要采取连续波技术，灵敏度较低，研究的对象是自然丰度高，旋磁比较大的原子核，这就限制拉核磁共振的应用范围。1966年发展起来的脉冲傅立叶变换核磁共振技术，使信号采集由频域变为时域，大大提高拉检测灵敏度，使研究底自然丰度的核成为现实。同时这种方法可以利用不同的脉冲组合来得到所需要的分子信息。1971年，琴纳（E。JEENER）提出拉具有两个独立时间变量的二维核磁共振概念。随后，1971年，恩斯特（R。ERNST）等首次成功实现拉二维核磁共振实验，从此核磁共振技术进入拉一个新时代。近年来，科学家更大大改进了MRI影像术，目前已能测出脑的实际运作情况，成为功能性MRI(fMRI)。基本原理简介：NMR光谱仪必须在大磁场下进行，外加大磁场的作用，是使具有核磁自旋的原子核的能级分裂成多个磁能级。如果再外加一频率适当的高频电磁波，就可以使原子核在一定的磁能级间产生共振跃迁。共振跃迁的频率和外加大磁场的强度有关，不同原子核的共振频率也不相同，甚至同一原子核也会印在分子中的环境不同而有不同的共振频率，因此NMR可用来研究分子结构。弥散技术成像弥散又称扩散，指分子的无规则布朗运动过程。是建立在MR成像要素之一流动效应上的一种成像方法。MRA观察的是宏观的血流流动现象，而弥散加权成像观察的是微观的水分子流动扩散现象。MR弥散成像（diffusion）测量的是分子水平的质子运动。分子布朗运动的方向是随机的，其在一定方向上的弥散距离与相应弥散时间的平方根之比为一个常数，这个常数称为弥散系数D。表示一个水分子单位时间内随机弥散运动的平均范围，其单位为mm2/s。在均匀介质中，任何方向的弥散系数都相等，这种弥散称为各向同性弥散；在非均匀介质中，各方向的弥散系数不等，这种弥散称为各向异性弥散。在人脑组织中，脑脊液及大脑灰质中水分子的弥散近似各向同性弥散。弥散加权成像时，在常规序列中加入两个巨大的对称的梯度脉冲（称为弥散梯度）。在对称的梯度磁场中静止的自旋相位最终完全重聚，而运动的自旋都会产生失相位效应，无规律的弥散运动就会造成体素内自旋质子间去相位，单个体素的磁化矢量减少，所产生的MR信号幅度相应减少。所以在强弥散梯度作用下，D越大的组织其信号越低，并随弥散梯度的增加而显著。在弥散成像中弥散敏感度用b表示，它是反映与弥散梯度的强度、时间和间隔有关的参数，具有较大b值的序列具有较强的弥散加权。在弥散加权成像中，组织的D越高，则其在图像上的信号越低；弥散敏感度b越高，其信号也越低；而在弥散系数像上，组织的D越高，其在图像上的信号越高。目前主要是用EPI或快速梯度回波序列进行弥散成像。在医学成像中经常用表面弥散系数ADC代替D表示弥散运动的强弱。弥散张量成像-特征值准确的沿着纤维方向进行弥散各向异性评价需要弥散张量成像。于是，人们提出了弥散张量（diffusion tensor）的概念。“张量（tensor）”一词来源于物理学和工程学领域，它是利用一组 3D 矢量来描述固体物质内的张力。弥散张量是由如下公式决定的： 这个张量是对称的(Dxy =Dyx ，Dxz=Dzx ，Dyz=Dzy)。为了形象地表述弥散张量，我们可以进一步将弥散张量视为一个椭圆球体（ellipsoid）。本征值代表了沿弥散椭球最大和最小轴的弥散系数。弥散张量的三个本征值是最基本的旋转不变量(即值不随弥散方向及磁场内被检查病人的体位和方向而改变)，它们是沿着三个坐标轴方向测量的主弥散系数。这三个坐标是组织固有的，每个本征值联系着一个主方向的本征向量，这个本征向量也是组织固有的。弥散张量的三个本征向量相互垂直，并构建了每个像素的局部参照纤维框架。在每个体素中，本征值从大到小排列：1=最大弥散系数，2=中级弥散系数，3=最低弥散系数。1代表平行于纤维方向的弥散系数，2和3代表横向弥散系数。全身弥散成像技术(whole body diffusion weighted imaging WBDWI)。该技术能够一次性全身大范围扫描获得全身肿瘤筛查，良恶性肿瘤的鉴别，肿瘤TNM分期及疗效随诊等诊断信息，经3D后处理后其成像效果和临床意义与正电子发射成像(PET)相近。因此，磁共振全身弥散（WBDWI）又称“MR类PET”技术。WBDWI临床应用：1、肿瘤的筛查：全身弥散成像可以一次性进行大范围扫描、敏感性高，无辐射，是非常适合于临床筛查的一项检查手段。病变、正常组织结构信号对比明显，能有效地协助全身性寻找原发灶部位及肿瘤的淋巴结转移、远处脏器转移的显示。同时也可发现肝肾囊肿等良性病变，因此也可作为健康体检筛查。2、肿块的良恶性鉴别：类PET”技术，利用半定量指标（ADC值）可对病变作出初步的良恶性诊断。3、肿瘤TNM分期：尤其是N期（主要评价淋巴结转移的情况），M期（主要评价远处脏器转移情况），对临床制定合理的治疗方案有较大的价值。4、肿瘤化疗效果的观测评价：可对肿瘤患者治疗效果作出准确、直观的显示。磁共振成像应用发展趋势 目前，磁共振成像在应用上出现了以下几个主要趋势： （一）临床应用高度普及 随着MRI技术的发展，其扫描速度越来越快、图像越来越清晰、检查的方法和人体部位越来越多，其应用也越来越普及。同时，MRI具有无侵入、无电离辐射的优点，使其逐渐成为常规检查的工具。目前，西方发达国家中几乎所有的综合性医院都配备一台以上的MRI系统，装机量达到每6万人一台以上。在国内，三级以上及许多二级医院也都配备了MRI系统，装机规模大致为每百万人一台。今天，全世界的医院每年要做数千万次MRI诊断，MRI设备已成为医学界最重要的诊断工具之一，每天都在拯救着无数人的生命。 （二）临床诊断应用日益丰富 随着磁共振技术的发展，新的实验方法不断出现。除了传统上具备优势的脑部和骨关节成像外，目前，高场磁共振成像仪也已经可以对心脏、血管、肝脏、胰胆管、腹腔等各个人体器官进行成像。同时，所提供的磁共振的参数也越来越丰富，除了原有的密度和弛豫时间外，还包括弥散、血流速度、流空效应、化学位移、动态磁化率等多种参数。这些都大大扩展了MRI在临床诊断中的应用范围，提高了临床诊断的可靠性。例如，新的高场超导磁共振成像仪可使早期脑梗塞病变被检测到的时间大大提前，磁共振灌注成像可以提供缺血脑组织与心肌组织存活状态信息，彻底修改了传统临床治疗的方案；磁共振弥散成像目前已用于脑肿瘤影像学诊断，解释了困扰脑肿瘤临床治疗的术后复发问题；活体波谱和波谱成像可用于探测组织代谢物浓度，为病变的早期检测提供依据。 （三）功能磁共振成像M1 发展迅速 随着磁共振成像技术的发展，出现了功能磁共振成像(fMRI)。fMRI不仅能够给出人体组织形态的信息，而且能够给出有关组织功能的信息。上世纪90年代出现的血氧水平依赖功能磁共振成像(BOLD-fMRI)方法就是一个典型。利用fMRI，可以直接观察大脑的认知活动，使得认知科学有了研究大脑认知和智力的“望远镜”和“显微镜”，这对于人类认识自身的精神世界，认识大脑和认知关系乃至精神和物质关系，都具有极其重大的科学意义。fMRI在认知神经科学领域已经取得了突出进展，已经从单纯研究单刺激或单任务的大脑皮层功能定位，发展到研究多刺激或多任务的脑功能区定位及不同功能区之间的相互影响；从关于感觉和运动等低级脑功能的研究，发展到对语言、学习与记忆、情绪、意识等高级脑功能的研究。在感知觉、运动、语言加工、学习记忆等脑神经机制研究领域，取得了其它手段所不易获得的研究结果。这无疑使关于人类脑功能的研究前进了一大步,并且成为认知神经科学中最活跃的研究方向之一。 （四）与治疗结合逐步紧密 磁共振成像的组织对比度强、可任意断面成像、无侵入、无电离辐射这些特点，决定了它非常适合用于对治疗过程的监控。近年来快速磁共振成像方法的发展，逐渐使这一点成为可能。介入治疗就是利用在MRI成像的现场进行手术，利用磁共振快速成像实时产生3D影像，对手术的过程进行监控。由于介入治疗要求开放的磁体、全套无磁且不会和成像设备相互干扰的设备，因此技术要求很高，目前仍处在发展阶段。MRI和超声消融M2 (HIFU)的结合则是一个比较成功的例子，MRI的图像分辨率高、定位准确，可为超声治疗提供准确的定位，同时利用MRI的多参数特点，还可以在治疗的过程中实时地监控治疗部位的温度，在确保稳定的疗效的同时，最大限度地保证患者的安全。磁共振成像技术发展现状 MRI在应用方面的发展，要求磁共振成像系统具有更高的分辨率、更快的成像速度和更高的处理能力，这也促进了磁共振成像技术方面的不断发展，主要表现在以下几个方面： （一）更高的磁场强度 由于磁共振成像的灵敏度、分辨率和成像速度会随着磁场强度的增加而显著地增加，所以更高的磁场强度始终是人们追求的一个目标。目前，国外规模较大的医院普遍选用高场的超导磁共振成像系统，1.5T和3T的系统已经相当普及。4T的系统已经用于人体科研，针对人体成像研究的7T系统也开始有少量装机。此外，以动物为试验对象、用于波谱成像或分子成像的系统甚至已经达到了11T。可以预见未来的一段时间，场强的发展仍然将引导着MRI系统的发展。 （二）并行成像技术 在MRI上应用更高的磁场强度受到很大的限制。首先，超高场强的超导磁体，售价和维护费用都十分惊人；更重要的是，由于在更高的磁场下成像将要求更大的梯度场强度和射频场强度，而过大的梯度场变化率(db/dt)或者过多的射频沉积(SAR)都可能会对人体产生危害，因此各种标准对此都有严格的限制。虽然通过多种技术方法可以控制db/dt和SAR，但是不难预期，单纯通过提高磁场强度来提高图像的质量和成像的速度会有一定的限制。在这种情况下，并行成像技术应运而生。简单地理解，并行成像就是使用多个射频通道同时对成像对象进行成像，从而达到提高图像的灵敏度和成像速度的目的。并行通道的数量越大，成像的速度就越快，图像的灵敏度就越高。目前临床上可以应用的商业系统，并行通道数可以达到8-16个，而在实验室条件下，96甚至128通道的系统都在研发的过程中。在磁场强度的增加受到限制的情况下，并行技术的发展也将成为未来技术竞争的重点之一。 （三）高处理能力 随着MRI的应用