文｜徐丹丹
一、磁共振概述
磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是利用射频（radio frequency，RF）电磁波对置于磁场中的含有自旋不为零的原子核的物质进行激发，发生核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR），用感应线圈采集磁共振信号，按一定数学方法进行处理而建立的一种数字图像。
核磁共振的基本含义
核——磁共振现象涉及原子核（特别是氢原子核）
磁——磁共振过程发生在强大静磁场的巨大磁体内在静磁场上叠加射频场按时做激励诱发共振叠加梯度磁场进行空间标记并控制成像
共振——借助宏观世界自然现象解释微观世界的物理学原理（如音叉振动），核子间能量吸收与释放可产生共振（磁场中）
人体磁共振的基本成像过程：
人体未进入静磁场，体内氢质子群磁矩自然无规律排列；
进入静磁场，所有自旋的氢质子重新排列定向，磁矩指向 N 或 S 极；
通过射频线圈与静磁场垂直方向施加射频脉冲，受检部位氢质子吸收能量并向一个方向偏转和自旋；
射频脉冲停止，核磁弛豫开始，氢质子释放吸收的能量重新回到原来自旋的方向；
释放的电磁能转化为磁共振信号；
经梯度磁场做层面选择和相位编码及频率编码；
经傅立叶转换和计算机处理形成图像。
在核磁共振成像仪器下，患者躺在圆柱形磁体内，暴露于强大的磁场。一旦暴露在磁场中，水分子的质子会排成一行，要是遭到无线电波的攻击，它们会立即乱作一团，不成直线。在质子重新排列过程中，电脑会收集它们的信号，并加工成图像。
二、磁共振成像(MRI)物理学基础
1.原子结构
自旋运动
根据经典电磁学理论：旋转的电荷可视为环路上的运动电荷，具有自旋的运动电荷则应有磁矩，产生一个小磁场。组成人体的各种原子中，氢原子含量最丰富，氢原子核（即质子）的共振信号更容易产生。因此，磁共振磁成像都是关于氢原子核的共振现象产的。
主磁场越强大，B0方向上的磁矩值就会越大，因此可用来进行磁共振的信号会越强，图像结果会更好。
射频脉冲是一种振荡磁场，当发射到主磁场中的人体组织时使其发生了磁化作用，氢质子磁化向量离开主磁场方向围绕Z 轴进动，产生 XY 平面上横向磁化，同时有MR信号生。射频脉冲一停止，组织磁化恢复原来的状态，即发生弛豫（Relaxation）。
2.核磁弛豫
弛豫（Relaxation）：当射频脉冲停止，交变磁场突然消失，射频激励完成。受激励的氢质子核将释放出它们吸收的能量，磁化向量逐渐恢复平衡，自旋质子在静磁场作用下，回到静磁场原先排列的位置上。这个过程称 “核磁弛豫”。
纵向弛豫（Longitudinal relaxation ）
射频脉冲停止，纵向弛豫恢复到原来大小平衡的状态，纵向弛豫是能量变化的过程，有能量的传递，扩散变化。（原子吸收的能量逸散，传递到周围环境的分子晶格中，才能恢复原来高、低能态平衡）纵向弛豫也叫自旋—晶格弛豫，是一个从零状态恢复到最大值的过程。
纵向磁化向量恢复原来数值所经历的时间过程称纵向弛豫时间（T1）。
T1是特征性时间常数。
T1值被定义为从零恢复到原来纵向磁化向量63%的时间。
影响T1弛豫时间长短的两个因素：
组织分子结构。组织含水越多，T1时间越长。
主磁场强度影响。磁场强度增大使共振频率增大，T1弛豫时间随之延长。
组织 T1值不同，在T1WI上信号强度明显不同，具体表现在：
脂肪组织和大脑白质T1时间相对短，显示强的高信号（白色）。
肝，脾和肌肉等其T1值反映是中等信号强度（灰色）。
脑脊液，囊肿，水肿，尿液等T1值长，图像显示为很低信号。
钙化，皮质骨，韧带肌腱，流空血管和脏器空腔内气体均显示为黑色信号。
横向弛豫（Transverse relaxation）
射频脉冲停止，横向磁化向量开始逐渐消失的过程。横向弛豫不是能量变化的过程，是进动相位失去的过程（Dephasing）。
RF─质子同方向同步进动（Inphasing）─ RF停止─质子方向改变不同步─相位由聚合一致变为丧失─磁化向量相互抵消由大至小而为零。
横向弛豫也叫自旋—自旋弛豫。是一个从最大值恢复至零状态的过程。
横向磁化向量逐渐消失的过程称横向弛豫时间（T2）。
T2为特征性的时间常数。
T2值被定义为横向磁化向量从最大到其原来 37% 的时间。4-5倍T2值时间完全消失。
与T1不同，T2时间越长，在T2WI中所显示的信号强度越高，呈白色。
T2加权像示脂肪为灰色中等信号强度，液体为白色高信号
横向弛豫与纵向弛豫是同时发生的
与液体/水相比较，脂肪/蛋白质具有短T1、短T2
3.磁共振加权成像
所谓加权即“突出重点”的意思，也即重点突出某方面特性。我们可以利用成像参数的调整，使图像主要反映组织某方面特性，而尽量抑制组织其他特性对MR信号的影响，这就是“加权”。
T1加权成像（T1-weighted imaging，T1WI）是指这种成像方法重点突出组织纵向弛豫差别，而尽量减少组织其他特性如横向弛豫等对图像的影响；
T2加权成像（T2-weighted imaging，T2WI）重点突出组织的横向弛豫差别；
质子密度（proton density，PD）图像则主要反映组织的质子含量差别。
T1加权成像示意图
a：由于甲乙两种组织的质子密度相同，进入主磁场后产生的宏观纵向磁化矢量（Mz）也相同；90°脉冲将使宏观纵向磁化矢量变成零，90°脉冲关闭后两种组织发生纵向弛豫（即Mz从零开始逐渐恢复），由于甲组织T1值比乙组织短，于是出现b图所示情况。
b：甲组织已经恢复的宏观纵向磁化矢量大于乙组织
c：施加第二个90°脉冲后，甲乙两组织的纵向磁化矢量偏转到XY平面，甲组织产生的宏观横向磁化矢量大于乙组织，此时立刻采集MR信号
d：接收线圈探测到甲组织的MR信号强度大于乙组织
T2加权成像示意图
a：由于甲乙两种组织的质子密度相同，进入主磁场后产生的宏观纵向磁化矢量（Mz）也相同
b：90°脉冲激发后两种组织产生的宏观横向磁化矢量（Mxy）也相同，但此时不探测MR信号
c：经过一定时间后，甲组织由于横向弛豫速度比乙组织慢，残留的横向磁化矢量（Mxy）大于乙组织
d:此时接收线圈探测到甲组织的MR信号强度大于乙组织
三、磁共振弥散加权成像
1.DWI信号形成机制
活体组织中，水分子的弥散运动包括细胞外、细胞内和跨细胞运动以及微循环（灌注），细胞外运动和灌注是组织DWI信号衰减的主要原因。组织内水分子的随机运动越多，在DWI中的信号衰减越明显。
自由水比固体组织有极高的弥散系数，导致信号大量丢失，在DWI上呈明显低信号。
2.表观弥散系数（apparent diffusion coefficient，ADC)
DWI上测得的生物组织整体结构特征的弥散系数，反映水分子弥散和毛细血管微循环（灌注）的人工参数。ADC是水分子移动的自由度。在正常脑组织中，水分子向三维空间各个方向扩散的量不同，存在各向异性扩散，水分子在平行于神经纤维的方向较垂直其方向上更易扩散。因此取三个不同方向的DWI上所测的ADC平均值，便可消除各向异性的干扰。
DWI图：弥散受限组织和长T2组织均表现为高信号。不是纯粹的弥散图，包含T2WI成分。（例：脑脊液是黑的）
ADC图：弥散程度高的组织信号高（亮），弥散受限组织表现为低信号。（例：脑脊液是白的）
图例1、多形性胶质母细胞瘤
图例2、肺癌脑转移
四、磁共振波谱成像MRS
MRS技术是利用MR成像设备，获得人体活组织内某些生物化学物质核磁共振的波谱信息推测其含量变化的新技术，是目前唯一能够无创探测活体组织生物化学和代谢特点的方法。
目前应用于临床的MRS主要是1H波谱。
常见的几种脑代谢产物1H-MR共振峰有：
NAA（N-乙酰天门冬氨酸）
Cho（胆碱）
Lac （乳酸）
Cr（肌酸/酸肌酸）
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