第七章磁共振成像MRI技術(shù)

磁共振成像是利用射頻脈沖對置于磁場中的含有自旋非零原子核的物質(zhì)進行激發(fā)，產(chǎn)生核磁共振，利用感應(yīng)線圈采集磁共振信號，按一定數(shù)學(xué)方法進行處理而建立圖像的一種成像技術(shù)。MRI（magneticresonanceimaging）設(shè)備是利用生物體的磁性核（主要是氫核）在磁場中所表現(xiàn)出的MR特性來進行成像的設(shè)備。隨著超導(dǎo)技術(shù)、磁體技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)和材料科學(xué)的進步，MRI設(shè)備得到飛速的發(fā)展。MRI設(shè)備已成為最先進、最昂貴的現(xiàn)代化診斷設(shè)備之一。MRI設(shè)備既是評價醫(yī)院綜合能力的一項重要指標(biāo)，又是醫(yī)院現(xiàn)代化程度和診斷水平的標(biāo)志。核磁共振掃描現(xiàn)在已經(jīng)成為一項常規(guī)的醫(yī)學(xué)檢查，全球估計共有22000臺全身核磁共振掃描儀投入使用，每年掃描總數(shù)超過6000萬次。本章將以臨床應(yīng)用型永磁開放式MRI設(shè)備為例，系統(tǒng)地介紹MRI設(shè)備的構(gòu)成和工作原理。第一節(jié)概述

一、發(fā)展簡史

MR現(xiàn)象于1946年第一次由布洛赫（F.Bloch）領(lǐng)導(dǎo)的斯坦福大學(xué)研究小組和伯塞爾(E.Purcell）領(lǐng)導(dǎo)的哈佛大學(xué)研究小組分別在水與石蠟中獨立地觀察到。因此，布洛赫和伯塞爾共同獲得了1952年的諾貝爾物理學(xué)獎。隨后，人們利用MRI技術(shù)進行了多領(lǐng)域的應(yīng)用。MRI設(shè)備早期集中在物理和化學(xué)方面，用來確定化學(xué)成分、分子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)過程。1967年，第一次用MRI設(shè)備測試人體活體。1971年，達馬?。―amadian）發(fā)現(xiàn)了MRI的一個重要參數(shù)—T1。腫瘤組織的T1值遠大于相應(yīng)正常組織的T1值。此結(jié)果預(yù)示著MRI設(shè)備在醫(yī)學(xué)診斷中的廣闊應(yīng)用前景。1973年，受CT圖像重建的啟示，紐約州立大學(xué)的勞特布爾（Lauterbur）在《Nature》雜志上發(fā)表了MRI設(shè)備空間定位方法（均勻靜磁場上迭加梯度磁場）。利用MRI模型（兩個并排在一起的充水試管）的四個一維投影，成功的獲得了第一幅MRI模型的二維圖像。1974年，曼斯菲爾德（Mansfield）研究出脈沖梯度法選擇成像斷層的方法。1975年，恩斯特（Ernst）研究出相位編碼的成像方法。1977年，愛特斯坦（Edelstein）、赫切遜（Hutchison）等研究出自旋扭曲（SpinWarp）成像法。1977年，達馬丁完成了首例動物活體腫瘤檢測成像，并獲得首張人體活體MRI設(shè)備圖像。

1980年，阿勃亭（Aberdeen）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)表了利用二維傅立葉變換對圖像進行重建的成像方法。該成像方法效率高、功能多、形成的圖像分辨力高、偽影小，目前醫(yī)用MRI設(shè)備均采用該算法。1983年，MRI設(shè)備進入市場。MRI設(shè)備具有對軟組織成像好的優(yōu)點。把大量的波譜分析技術(shù)運用到醫(yī)用MRI設(shè)備上，使MRI設(shè)備不僅可獲得解剖學(xué)信息，而且可獲得其他方面的信息，如生理和生化方面的信息。

二、主要特點及臨床應(yīng)用

MRI與CT各有優(yōu)點，可以互相補充。通過MRI設(shè)備與CT掃描機的性能比較和臨床應(yīng)用比較，可以看出：MRI設(shè)備的優(yōu)點為：①多參數(shù)成像，可提供豐富的診斷信息②多方位成像③大視野成像④組織特異性成像⑤人體能量代謝研究⑥無電離輻射，即無創(chuàng)性檢查⑦無骨偽影干擾

MRI設(shè)備的缺點為：①成像速度慢②對鈣化灶和骨皮質(zhì)病灶不夠敏感③圖像易受多種偽影影響④禁忌癥多⑤定量診斷困難三、主要技術(shù)參數(shù)

與其它影像設(shè)備相比，影響MRI圖像的信號強度或圖像密度的參數(shù)較多。這些參數(shù)大體可分為組織參數(shù)和設(shè)備參數(shù)兩大類。1．組織參數(shù)它是人體的內(nèi)在信息參數(shù)。組織參數(shù)主要有質(zhì)子密度（ρ）、縱向馳豫時間（T1）、橫向馳豫時間（T2）、化學(xué)位移（σ）、液體流速（v）和波動。其中，組織參數(shù)ρ、T1和T2決定圖像信號的密度。組織參數(shù)σ決定水與脂肪的分離成像，能引起化學(xué)位移偽影。組織參數(shù)v和波動可用來進行血管成像，能引起運動偽影。2．設(shè)備參數(shù)它是成像所依賴的設(shè)備及成像過程的測量條件參數(shù)。設(shè)備參數(shù)主要有磁場強度、梯度磁場強度和切換率、線圈特性（包含發(fā)射和接收）、測量條件。根據(jù)診斷目的的不同，可以選擇不同的參數(shù)來產(chǎn)生所需要的MRI圖像。重復(fù)時間（timeofrepetition，TR）、回波時間（timeofecho，TE）和反轉(zhuǎn)時間（timeofinversion，TI）決定圖像的性質(zhì)。即圖像的權(quán)重。層厚、平均采樣次數(shù)、像素尺寸、有效視野和層數(shù)決定掃描區(qū)域并控制圖像信號的密度。各種應(yīng)用軟件可獲得不同性質(zhì)和不同區(qū)域的MRI圖像，而且成像速度快、有效抑制偽影、功能完善。第二節(jié)磁共振成像的物理學(xué)原理

磁共振成像（MRI)是利用生物體內(nèi)特定原子磁體性核在磁場中表現(xiàn)出核磁共振作用而產(chǎn)生信號，經(jīng)空間編碼、重建而獲得圖像的一種技術(shù)。其物理基礎(chǔ)為核磁共振理論，其本質(zhì)是一種能級見躍遷的量子效應(yīng)。一、磁場對樣體的磁化作用

樣體經(jīng)磁場作用后在磁場方向上產(chǎn)生磁矩的過程稱為磁化，其大小稱為磁化強度（M）。

Χ=M/B或M=Χ·B式中，Χ為磁化率，B為磁場強度。物質(zhì)M的大小取決于其原子結(jié)構(gòu)。X的正負(fù)表示物質(zhì)的順磁性。(一)原子核的磁特性原子是由原子核繞核運動的電子所組成，原子核又由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子組成。原子核繞其特定軸旋轉(zhuǎn)的特性稱為自旋。自旋過程中所產(chǎn)生的動量稱為原子核磁矩。μ=γhI式中，γ稱為旋磁比常數(shù)，1H的γ=42.58MHZ/Th表示自選大小的物理單位,1h=1.054589×10-3J·SI為自選量子數(shù)（二）磁場對原子核磁矩的作用

在無外加磁場時，核磁矩是隨機排列的。在外加磁場（B0）的作用下，磁矩沿著外加磁場方向成平行或反向排列。沿著B0方向為低能態(tài)（上旋態(tài)），反向則為高能態(tài)（下旋態(tài)）。其能級差為：

ΔE=γhB0其中h為普朗克常量在溫度和外加磁場不變的情況下，兩種能態(tài)：低能他E(+1/2)和高能態(tài)（E-1/2）處于平衡狀態(tài)。平衡態(tài)質(zhì)子自旋磁距遵循波爾茲曼分布：N(-1/2)/N(+1/2)=e-ΔE/kT對于質(zhì)子ΔE=γhB0，令

T=300K,B0=1Tesla,則：N(-1/2)/N(+1/2)=e-ΔE/kT

=100000/100006二、核磁共振的量子物理學(xué)理論由于磁場對自旋系統(tǒng)的量子化作用，使自旋系統(tǒng)產(chǎn)生低能態(tài)與高能態(tài)的級差△E。若射頻的能量△Er恰好等于該能級差△E，則低能態(tài)自旋可吸收其能量躍遷至高能態(tài)；射頻停止后，自旋系統(tǒng)將釋放出能量并恢復(fù)至平衡態(tài)。三、馳豫

馳豫是指自旋系統(tǒng)由激發(fā)態(tài)恢復(fù)至其平衡態(tài)的過程，也就是縱向磁化恢復(fù)和橫向磁化衰減的過程。ZYXMB0MxyMz（1）縱向馳豫及縱向馳豫時間當(dāng)射頻脈沖關(guān)閉后，在靜磁場的作用下，組織中的宏觀縱向磁化矢量將逐漸恢復(fù)到激發(fā)前平衡狀態(tài)，把這一過程稱為縱向馳豫，即T1馳豫。Mz=M0(1-e-t/T1)令t=T1，則Mz=0.63M0.由此，定義T1是指縱向磁化矢量從最小值恢復(fù)至平衡態(tài)的63%所經(jīng)歷的馳豫時間，或者說，每經(jīng)過一個T1時間則縱向磁化恢復(fù)其剩余量的63%。100%Mz時間63%Mz=M0(1-e-t/T1)T1T2T3T4T5100%時間63%脂肪白質(zhì)腦脊液Mz=M0(1-e-t/T1)（2）橫向馳豫及橫向馳豫時間當(dāng)射頻脈沖關(guān)閉后，在靜磁場的作用下，組織中的宏觀橫向磁化矢量將逐漸恢復(fù)到激發(fā)前平衡狀態(tài)，把這一過程稱為橫向馳豫，即T2馳豫。MXY=MXYmaxe-t/T2式中，Mxymax是馳豫過程開始時橫向磁化矢量Mxy的最大值。令t=T2，則Mxy=0.37M0.由此，定義T2是射頻脈沖停止后，橫向磁化矢量衰減至最大值的37%所經(jīng)歷的時間，也就是說，每過一個T2時間，橫向磁化減少至其剩余值的37%。100%Mxy時間37%T22T23T2MXY=MXYmaxe-t/T2100%Mxy時間37%脂肪白質(zhì)腦脊液MXY=MXYmaxe-t/T2人體不同器官的正常組織與病理組織的T1是相對固定的，而且它們之間有一定的差別，T2也是如此（表1-5-1a、b）。這種組織間弛豫時間上的差別，是MRI的成像基礎(chǔ)。有如CT時，組織間吸收系數(shù)（CT值）差別是CT成像基礎(chǔ)的道理。但MRI不像CT只有一個參數(shù)，即吸收系數(shù)，而是有T1、T2和自旋核密度（P）等幾個參數(shù)，其中T1與T2尤為重要。因此，獲得選定層面中各種組織的T1（或T2）值，就可獲得該層面中包括各種組織影像的圖像。表1-5-1a人體正常與病變組織的T1值（ms）表1-5-1b正常顱腦組織的T1值和T2值（ms）四磁共振信號的產(chǎn)生射頻脈沖停止后，縱向磁化矢量轉(zhuǎn)向橫向磁化矢量。正如一個XY平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)磁體可以在接收線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，這個隨時間波動的電壓即MR信號。ZYM0XMZMXZYXMB0五磁共振信號的空間定位MR信號是宏觀磁化矢量經(jīng)激發(fā)后在線圈內(nèi)感應(yīng)出的信號，是自選信號的總和，無空間位置信息，不能形成圖像，必須對其進行空間編碼及圖像重建才能得到MR圖像。MRI的空間編碼技術(shù)是采用梯度磁場，以達到選層和體素編碼的目的。梯度在物理學(xué)上是指在一定方向上強度隨空間的變化率，梯度是一個矢量。在MR技術(shù)上，梯度磁場是指在一定方向上磁場強度的變化情況，即在一定方向上場強與位置成正比例變化。

在MRI基礎(chǔ)上，梯度磁場是指在一定方向上磁場強度的變化情況及在一定方向上場強與位置呈正比例變化。為了得到任意層面的空間信息，MRI系統(tǒng)在X、Y、Z三個坐標(biāo)方向均使用梯度磁場，它們分別被稱為GX梯度、GY梯度、GZ梯度，其作用是完成梯度磁場對自旋的空間編碼。ZY