核磁共振技术及其应用进展

1、核磁共振技术及其应用进展摘要：在21世纪，核磁共振技术已经发展成熟。相比其他 的X光，CT,核磁共振成像的应用为我们提供了更大的便利。 从连续波核磁共振波谱发展为脉冲傅立叶变换波谱，从传统 一维谱到多维谱，技术不断发展，应用领域也越广泛。核磁 共振技术在有机分子结构测定中扮演了非常重要的角色，核 磁共振谱与紫外光谱、红外光谱和质谱一起被有机化学家们 称为“四大名谱”。定义： 核磁共振成像 （Nuclear Magnetic Resonance Imaging ?简称NMR?，乂称自旋成像（spin imaging ?,也称磁共 振成像（MagneticResonance Imaging ?简称

2、MR?,台湾 乂称磁振造影，是利用核磁共振（nuclear magneticresonnance ?简称NMR原理，依据所释放的能H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。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。快速变化的梯度磁场的应用，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 经科学的迅速发展。1核磁共振基本原理及特点原子核带有正电，许多元素的原子核如1H、19FT和31P等进

3、行自旋运动。通常情况下，原子核自旋轴的排列是无规 律的，但将其置于外加磁场中时，核自旋空间取向从无序向 有序过渡。自旋系统的磁化矢虽由零逐渐增长，当系统达到 平衡时，磁化强度达到稳定值。如果此时核自旋系统受到外 界作用，如一定频率的射频激发原子核即可引起共振效应。 在射频脉冲停止后，自旋系统已激化的原子核，不能维持这 种状态，将回复到磁场中原来的排列状态，同时释放出微弱 的能虽，成为射电信号，把这许多信号检出，并使之能进行 空间分辨，就得到运动中原子核分布图像。原子核从激化的 状态回复到平衡排列状态的过程叫弛豫过程。它所需的时间 叫弛豫时间。弛豫时间有2种T1和T2, T1为自旋一点阵或 纵向

4、驰豫时间T2, T2为自旋一自旋或横向弛豫时闾。 磁共 振最常用的核是氢原子核质子（1H）,因为它的信号最强，在 人体组织内也广泛存在。影响磁共振影像因素包括：（1）质子的密度；（2）弛豫时 间长短；（3）血液和脑脊液的流动；（4）11I磁性物质；（5）蛋白质。磁共振影像灰阶特点是，磁共振信号愈强，则亮度 愈大，磁共振的信号弱，则亮度也小，从白色、灰色到黑色。2核磁共振技术的发展2.1.核磁共振成像术，简称核磁共振、磁共振或核磁，是80年代发展起来的一种全新的影像检查技术。它的全称是： 核磁共振电子计算机断层扫描术（简称MRl）是利用核磁共振 成像技术进行医学诊断的一种新颖的医学影像技术。核磁

5、共 振是一种物理现象，早在1946年就被美国的布劳克和相塞尔 等人分别发现，作为一种分析手段广泛应用于物理、化学等 领域，用作研究物质的分子结构。直到1971年，美国人达曼迪恩才提出，将核磁共振用于医学的诊断，当时，未能被科 学界所接受。然而，仅仅10年的时间，到1981年，就取得了 人体全身核磁共振的图像。使人们长期以来，设想用无损伤 的方法，既能取得活体器官和组织的详细诊断图像，乂能监 测活体器官和组织中的化学成分和反应的梦想终于得以实 现。核磁共振完全不同于传统的X线和CT,它是一种生物磁自旋成像技术，利用人体中的遍布全身的氢原子在外加的强 磁场内受到射频脉冲的激发，产生核磁共振现象，经

6、过空间 编码技术，用探测器检测并接受以电磁形式放出的核磁共振 信号，输入计算机，经过数据处理转换，最后将人体各组织 的形态形成图像，以作诊断。核磁共振所获得的图像异常清 晰、精细、分辨率高，对比度好，信息虽大，特别对软组织 层次显示得好。使医生如同直接看到了人体内部组织那样清 晰、明了，大大提高了诊断效率。避免了许多以往因手术前诊断不明而不得不进行的开颅、开胸、开腹探查及其他的一 些探查诊断性手术，使病人避免了不必要的手术痛苦以及探 查性手术所带来的副损伤及并发症。所以它一出现就受到影 像工作者和临床医生的欢迎，目前已普遍的应用于临床，对 一些疾病的诊断成为必不可少的检查手段。核磁共振提供的

7、信息虽不但大于医学影像学中的其他许多成像术，而且不同 于已有的成像术，它是一项革命性的影像诊断技术。因此， 它对疾病的诊断具有很大的潜在优越性。80年代美国政府开始批准核磁共振机的商品化生产，并开始临床应用。我国 从1985年引进第1台核磁共振机至今已有超过1000台在工 作，目前医生们越来越认识到它在诊断各种疾病中的重要作 用，其使用范围也越来越广泛。现代MRI已发展到3.0以上， 立体三位MRI也已经出现，极大地提高了诊断水平。2.2.磁共振成像的其他进展核磁共振分析技术是通过核磁共振谱线特征参数（如谱线宽度、谱线轮廓形状、谱线面积、谱线位置等）的测定来分析物质的分子结构与性质。它可以不破

8、坏被测样品的内部结 构。是一种完全无损的检测方法。同时，它具有非常高的分 辨本领和精确度，而且可以用于测虽的核也比较多，所有这 些都优于其它测虽方法。 因此，核磁共振技术在物理、 化学、 医疗、石油化工、考古等方面获得了广泛的应用3.技术改革DW能从分子水平上反映人体各组织水分子的功能变化、可以检 测出与组织的含水量改变有关的形态学和生理学的早期改变而 脑组织成分均匀.较身体其他部位的运动伪影少.所以DW技术首先在脑部得到应用 然而早期的DW检查时间长.对运动伪影非 常敏感，心跳、呼吸、脉搏等生理运动可对信号产生严重干扰。使得DW在体部的临床应用受限。而屏气扫描被认为是唯一能够 避免伪影产生的

9、方法 由于屏气采集时间所限.不可避免地牺牲 了一部分图像分辨率和SNR此外因屏气扫描层数所限，覆盖大 范围的扫描也难以实现 随着MRM件及软件的发展.平面回波成 像(echo planar imaging . EPI)的应用使扫描时间的缩短成为现 实.平面回波序列采集速度非常快.可用于DW中 但其SNR匕较低，影响了AD(化轻微的病变的显示 随着场强的增加.EPI序 列的SNRf加.影像的变形程度和磁敏感伪影也增加.导致了影 像的扭曲变形和模糊。单次激发的半傅立叶EPI技术能在每次的激发中均可完成 思间的数据填充，加快了采集速度，降低了对 呼吸运动的敏感性，相对冻结了呼吸运动.达到理想的SNR

10、S分辨率。为了提高SNR还有一种新的技术也得到了运用，即并行 采集技术其主要利用多组阵列线圈，通过减小线圈的体积和敏感 的容积来改善MR影像的SNR这样可有效地减少检测到噪声的幅度.多个小的互相重叠的线圈可重叠覆盖一定的容积.当多个线圈的信号叠加时.噪音可显著降低.SNFB到明显改善。而不同的厂家并行采集技术的名称不同，Philips公司称为敏感性编码 技术(sensitivity encoding technique。SENSET) GE司称为 阵列空间敏感性编码技术(array spatial sensitivityencoding technique , ASSET) Siemens公司

11、称为整合并行采集 技术(integrated parallel acquisition technique. IPAT)等。SENSET早应用于MR DWI此技术就是利用较高的局部梯度磁场.通过多线圈并行采集以增加K空间内采集位置的距离.达到 减少 盈间采样密度的目的 在小视野内通过专门的重建算法.在保持空间分辨率不衰减的情况下达到采集时间的减少并行采集技术由于读出持续时间的减少， 磁敏感伪影也减少：相位编码方向上的带宽增加可使影像的几何学扭曲降低并行成像技术与EPI序列联合应用.可显著减少磁敏感和化学位移伪影.并通过减少相位编码的数目而降低回波链长.从而减少相位编码方向上的伪影11。总之并行

12、成像技术与EPI序列联合应用大大缩短了 扫描时间.并抑制或减弱了运动伪影.使自由呼吸扫描的体部DWI应用成为现实4.核磁共振优缺点1优点(1)MRI对人体没有损伤；(2)MRI能获得脑和脊髓的立体图像，不 像CTI样一层一层地扫描而有可能漏掉病变部位；(3)能诊断心 脏病变，CT0扫描速度慢而难以胜任；(4)对膀胱、直肠、子宫、阴道、骨、关节、肌肉等部位的检查优干CI2缺点(1)和CL样，MR也是影像诊断，很多病变单凭MR仍难以确诊， 不像内窥镜可同时获得影像和病理2方面的诊断；(2)对肺部的检查不优于炫或CT佥查，对肝脏、胰腺、肾上腺、前列腺的检查 不比C就越，但费用要高昂得多(3)对胃肠道

13、的病变不如内窥镜 检查；(4)体内留有金属物品者不宜接受MRI。5.核磁共振全身弥散加权成像技术及其临床应用5.1功能核磁共振成像在脑中央区肿瘤手术中的应用手术切除位于脑运动功能区皮层及其附近的病灶一直是神经外科难 题，存在“病灶切除和脑运动功能保护”之间的矛盾，如何做到在最 好地保存运动功能的情况下，最大限度地切除病灶是目前需要解决的 问题。为了达到上述目的，必须要对运动区皮层进行定位，明确与 病变之间的解剖关系，在切除病变时，注意加以保护，减少运动区皮 层的损伤。目前常用的方法，如根据正常运动功能区解剖定位，术中 体感诱发电位(somatosensoryevokedpotential, S

14、EP),经颅磁刺激和脑磁图等，要么是侵入性，操作复杂，要么空间分辨率不足，不 能很好地解决这一难题，因而需要寻找更好的方法。近年来，功能磁共振成像(functional magneticresonance imaNng, RI)因其空间 分辨力高，操作相对较简单，无损伤，可重复应用而越来越受到神经 外科领域的重视l。本研究对11例位于脑运动功能区域及其附近病变 的肿瘤患者，进行fMRI显示运动功能区皮层，根据成像结果，指导术 前规划，以及术中病灶切除范围和程度。旨在探讨fMRI对运动功能区 皮层的显示情况及在神经外科手术中的重要作用， 为解决“病灶切除 和脑功能保护”这一神经外科难题提供新的思

15、路。5.2 MR全身弥散加权成像技术在颈部淋巴结病变的应用 淋巴结转移是影响恶性肿瘤预后最重要的因素.因此治疗前准确评价淋巴结的情况.对于治疗方案的选择和预后的判断均具有重 要的临床意义 在背景信号抑制MR DWIt,血管、肌肉、脂肪和 大部分组织器官均被抑制呈低信号强度，而淋巴结、扁桃体、外 周神经、脾脏、前列腺、睾丸、 子宫内膜、 卵巢等正常结构及大 多数的病变组织均呈高信号强度.这是淋巴结背景信号抑制MRDW的基础。由于背景信息被充分抑制.淋巴结表现为低信号背 景上的明显高信号结构.因此采用这一技术可以更敏感地显示全 身的淋巴结 常规MR图像上部分病变淋巴结可能显示不清或因 周围结构的干

16、扰而难以观察.但在背景信号抑制MRDW止.淋巴结表现为黑色背景上的明显高信号区.可以更敏感地显示但背景信号抑制MR DW勺空间分辨率较低.解剖图像质量不如常规MRI图像.在评价淋巴结时，还应将两者联合应用，以便得到更 为丰富的信息。对颈部淋巴结行背景信号抑制MRDW研究.发现由于背景信息被充分抑制.淋巴结表现为黑色背景上的明显高信 号.使得体积较小的淋巴结也可以被清楚地显示出来.较常规MRI能更敏感地显示淋巴结。该项研究还测量了淋巴结的ADC正常淋巴结的AD3(0 . 975土0. 179) X 10-3mms.转移性淋巴结的ADC(0 . 744土0. 125) X 10-3 mm，s.两者

17、间的差异有统计学意义(P0. 01).转移性淋巴结的AD(M显低于正常淋巴结的ADC这说明背景信号抑制MRDW能准确和敏感地显示颈部淋巴结.可 作为淋巴结MRI的一种新手段.并为正常淋巴结和转移性淋巴结 的鉴别提供新的方法5.3 MR全身弥散加权成像技术在骨骼系统病变中的应用在骨骼系统中。由于正常红、黄骨髓成分明显不同，前者以造血组织为主，后者以脂肪组织为主，而红、黄骨髓的分布与年 龄、性别、不同骨骼及同一骨骼的不同部位有关。因此，导致体 内骨髓具有不同的DW废现首先.此次研究发现正常骨骼中椎体信号最高，骼骨、肋骨较低，而四肢骨呈明显低信号 这一现象可以用骨骼不同部位骨髓成分的差别来解释。正常

18、成年人中轴骨(主要是脊柱)内以红骨髓为主，含较多造血细胞.而周围骨.尤其是四肢骨大部分已转变为黄骨髓.内含大量脂肪细胞.因此在使用背景信号抑制MRDWI时.脊柱信号高于周围四肢骨。此外.不同性别骨骼系统的信号也有明显差别，女性腰椎、骨盆、股骨的SNf著高于男性 关于DW&骨骼系统中信号的性 别差异在国内外均未有相关报道.其原因尚未明确.可能是由于女性骨骼尤其是中轴骨造血细胞及网织细胞较男性丰富.或是骨 小梁排列不如男性有序.致水分子弥散受限.这一差异尚需要更大样本、更加深入的研究来证实和解释。 该研究还发现女性腰椎、骼骨SNfRf年龄呈显著负相关，而女性股骨，男性腰椎、骼骨及 股骨与年

19、龄均无明显线性相关 这一现象可能是由于年轻人骨髓 内以造血细胞为主.脂肪细胞数量较少.而随着年龄的增长骨髓 出现脂肪替代：此外，随着年龄的增加，骨小梁逐渐稀疏，使水 分子弥散自由度增加，这些因素均可能导致使用DW时信号随着年龄的增加而降低 而女性股骨和男性骨骼由于信号过低，其SNR随年龄的变化并不显著。总体来说.由于骨骼的组成成分和骨髓内大量的脂肪细胞.导致骨骼系统在背景信号抑制MR DW上呈低信号因此.健康志愿 者骨骼系统在DW较其他脏器呈明显低信号，这一特征为探测骨 骼系统病变奠定了良好的基础。在低信号的背景下.大部分骨骼 系统病灶（尤其是肿瘤）由于其T2穿透效应特征，且细胞密度增高 致弥

20、散受限而出现明显高信号圈. 而正常组织与病变组织在信号 上的显著差别使诊断医生能轻易发现病灶同时ADC同亦可辨别骨的良、恶性病变.如丁庆国等p耐31例共58个病变椎体均做 了MR常规扫描和DW良性组20例32个骨折椎体.恶性组8例18个椎体.结核组3例8个椎体，正常对照组31个椎体.b为600 s / mm2分析病变椎体与正常椎体DWI信号特点.并测定ADC定 量分析比较病变组与对照组之间，良、恶性组，恶性组与结核组 之间AD由无统计学差异结果显示良性组、恶性组、结核组及对 照组AD带别为(1 . 44 0. 41) X 10 mms、(0 . 94 0. 17)X 10 mm %、（0 .

21、98 O.13） x 100mm2s、（0 . 42 0. 16） x 100 mms。 病变组AD的显著高于对照组（尸0. 001）.良组明显高于恶性 组（尸0. 05）。 以恶性组95%可信区间上界1. 02X10-3mms定为良恶性椎体 骨折AD麝值.诊断敏感度72. 2%.特异度90. 6%.该研究说 明DW时脊椎良恶性骨折具有重要的鉴别诊断价值.可作为常规MR检查的重要补充手段5. 4 MR身弥散加权成像技术在腹部肝内占位病变的应用 在以往研究中.曾经有学者利用ADC别肝内局灶性病变.如MotekiT等阿及IchikawaT等嘴AD翊于鉴别肝血管瘤与肝细胞 癌.指出肝血管瘤AD（于肝

22、细胞癌：也有学者更进一步对肝内 局灶病变的ADO行排序.即肝襄肿的AD凛高.依次为海绵状血 管瘤及肝实质性肿瘤 ，最近通过对肝内各种占位病变ADC勺比 较，得出： 肝内良恶性病变的比较.以1. 6X10-3mms为 标准判断病变性质的敏感度和特异度均90% .故可以以此对肝内病变的性质做出粗略的判断， 即若病变ADC1 6 X 10-3mn.则 其为良性病变的可能性比较大.而ADC1 6 x 10-3mms时。病 变为恶性的可能性较大：肝内病变AD（SE序.肝襄肿的ADCft大。基本可以认为若病变的AD（3. 0X 10。mm，s以上.贝U其为襄肿的可能性比较大；其次为肝血管瘤及实质性肿瘤（包

23、括转移瘤及原发性肝癌），这与前人所测得的结果相吻合.基本可 以通过ADO别肝襄肿及其他病变：肝血管瘤及转移瘤、原发 性肝癌的ADC匕较，通过对上述3种病变ADC勺测量、发现肝转移 瘤的AD皴动较大.这可能与其组织起源不同有关；肝血管瘤、 转移瘤及原发性肝癌的AD(间有一定程度的交叉.尤其是后两 者之间的重叠程度较大.为了进一步鉴别上述病变， 该研究进一 步比较了各病变AD翳变/ADC干比值得出血管瘤、转移瘤及原发 性肝癌与肝脏的比值依次递增.这可能与原发性肝癌多在肝硬化 基础上发生.而血管瘤及肝转移瘤则多发生于正常肝实质有关。这一结果或许可以成为鉴别肝内实质性病变的一种新的方法。此外.STIR

24、 EPI良好的背景压制效果使MIP三维重建的优势得以最 大程度地发挥.病变周围组织信号被压制后. 病变部位得以清楚 显示.利于对肿瘤分期并判断预后。综上所述。背景信号抑制MRDWt腹部肝脏占位病变的诊断方面有较高的临床应用价值6未来展望人脑是如何思维的，一直是个谜。而且是科学家们关注的重要课 题。而利用MRI的脑功能成像则有助于我们在活体和整体水平上 研究人的思维。其中，关于盲童的手能否代替眼睛的研究，是一 个很好的样本。正常人能见到蓝天碧水，然后在大脑里构成图像， 形成意境，而从未见过世界的盲童，用手也能摸文字。文字告诉 他大干世界，盲童是否也能“看”到呢 ？专家通过功能性MRI,扫 描正常

25、人和盲童的大脑，发现盲童也会像正常人一样， 在大脑的 视皮质部有很好的激活区。 由此可以初步得出结论，盲童通过认知教育，手是可以代替眼睛“看”到外面世界的。快速扫描技术 的研究与应用。将使经典MR成像方法扫描病人的时间由几分钟、 十几分钟缩短至几毫秒，使因器官运动对图像造成的影响忽略不 计：MR血流成像，利用流空效应使MRI图像上把血管的形态鲜明 地呈现出来，使测量血管中血液的流向和流速成为可能；MR波谱分析可利用高磁场实现人体局部组织的波谱分析技术，从而增加帮助诊断的信息；脑功能成像，利用高磁场共振成像研究脑的 功能及其发生机制是脑科学中最重要的课题。有理由相信，MRI将发展成为思维阅读器。

26、 从20世纪中叶至今，信息技术和生命科 学是发展最活跃的两个领域。专家相信，作为这两者结合物的MRI技术.将继续向微观和功能检查上发展，对揭示生命的奥秘 将发挥更大的作用。参考文献(1)毛希安.NM前沿领域的若干新进展EJ.化学通报，1997, (2) : 1316.(2)DouglasASkoog.DonaldMWest.PrinciplesofInstrumentalAnalysis(second edition)M . America Saunders College , 1980. 377.(3)周家宏.颜雪明，冯玉英.核磁共振实验图谱解析方法汪红志，张学龙，武杰.核磁共振成像技术实验教程【M.北京： 科学出版社，2008.(4)汪红志，曹厚德.浅议X cT与MR肢术的特征比较【J】.世界 医疗器械杂志，2007.(5) Kim Murakami T, Takahashi S, et al. Diffusion-weighted sin .gle shot echoplanar MR imaging for liver