磁共振成像

磁共振成像是利用原子核在磁场内共振所产生信号经重建成像的一种成像技术。
　　核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）是一种核物理现象。早在1946年Block与Purcell就报道了这种现象并应用于波谱学。Lauterbur1973年发表了MR成象技术，使核磁共振不仅用于物理学和化学。也应用于临床医学领域。近年来，核磁共振成像技术发展十分迅速，已日臻成熟完善。检查范围基本上覆盖了全身各系统，并在世界范围内推广应用。为了准确反映其成像基础，避免与核素成像混淆，现改称为磁共振成象。参与MRi 成像的因素较多，信息量大而且不同于现有各种影像学成像，在诊断疾病中有很大优越性和应用潜力。
MRI成像基本原理
    所有含奇数质子的原子核均在其自旋过程中产生自旋磁动量，也称核磁矩，它具有方向性和力的效应，故以矢量来描述。核磁矩的大小是原子核的固有特性，它决定MRI信号的敏感性。氢的原子核最简单，只有单一的质子，故具有最强的磁矩，最易受外来磁场的影响，并且氢质于在人体内分布最广，含量最高，因此医用MRI均选用H为靶原子核。人体内的每一个氢质子可被视作为一个小磁体，正常情况下，这些小磁体自旋轴的分布和排列是杂乱无章的，若此时将人体置人在一个强大磁场中，这些小磁体的自旋轴必须按磁场磁力线的方向重新排列。此时的磁矩有二种取向：大部分顺磁力线排列，它们的位能低，状态稳；小部分逆磁力线排列，其位能高。两者的差称为剩余自旋，由剩余自旋产生的磁化矢量称为净磁化矢量，亦称为平衡态宏观磁场化矢量M0。在绝对温度不变的情况下，两种方向质子的比例取决于外加磁场强度。
    在MR的坐标系中，顺主磁场方向为Z轴或称纵轴，垂直于主磁场方向的平面为XY平面或称水平面，平衡态宏观磁化矢量M。此时绕Z轴以Larmor频率自旋，如果额外再对M0施加一个也以Larmor频率的射频脉冲，使之产生共振，此时M0就会偏离Z轴向XY平面进动，从而形成横向磁化矢量，其偏离Z轴的角度称为翻转角。翻转角的大小由射频脉冲的大小来决定，能使M翻转90至XY平面的脉冲称之为90脉冲。在外来射频脉冲的作用下M0除产生横向磁化矢量外，这些质子同向进动，相位趋向一致。
    当外来射频脉冲停止后，由M0产生的横向磁化矢量在晶格磁场（环境磁场）作用下，将由XY平面逐渐回复到Z轴，同时以射频信号的形式放出能量，其质子自旋的相位一致性亦逐渐消失，并恢复到原来的状态。这些被释放出的，并进行了三维空间编码的射频信号被体外线圈接收，经计算机处理后重建成图像。
    在MRI的应用中常涉及如下几个概念：
    弛豫
   弛豫是指磁化矢量恢复到平衡态的过程，磁化矢量越大，MRI探测到的信号就越强。
    纵向弛豫
    纵向弛豫又称自旋一晶格弛豫（sPin－lattice relaxatlon）或 T1弛豫，是指90”射频脉冲停止后纵向磁 化逐渐恢复至平衡的过程，亦就是M0由XY平面回复到Z轴的过程。其快慢用时间常数T1来表示，可定义为纵向磁化矢量从最小值恢复至平衡态的63％所经历的弛豫时间。不同的组织T1时间不同，其纵向弛豫率的快慢亦不同，故产生了MR信号强度上的差别，它们在图像上则表现为灰阶的差别。由于纵向弛豫是高能原子核释放能量恢复至低能态的过程，所以它必须通过有效途径将能量传递至周围环境（晶格）中去，晶格是影响其弛豫的决定因素。大分子物质（蛋白质）热运动频率太慢，而小分子物质（水）热运动太快，两者都不利于自旋能量的有效传递，故其T1值长（MR信号强度低），只有中等大小的分子（脂肪）其热运动频率接近Larmor频率，故能有效快速传递能量，所以 TI值短（MR信号强度高）。 通过采集部分饱和的纵向磁化产生的MR信号，具有T1依赖性，其重建的图像即为T1加权图像。
    横向弛豫
    横向弛豫又称为自旋一自旋弛豫（spin－spin relaxation）或T2弛豫。横向弛豫的实质是在射频脉冲停止后，质子又恢复到原来各自相位上的过程，这种横向磁化逐渐衰减的过程称为T2弛豫。T2为横向弛豫时间常数，它等于横向磁化由最大值衰减至37％时所经历的时间，它是衡 量组织横向磁化衰减快慢的一个尺度。 T2值也是一个具有组织特异性的时间常数，不同组织以及正常组织和病理组织之间有不同的T2值。大分子（蛋白质）和固体的分子晶格固定，分子间的自旋一自旋作用相对恒定而持久，故它们的横向弛豫衰减过程快，所以 T2短（MR信号强度低），而小分子及液体分子因具有快速平动性，使横向弛豫衰减过程变慢，故 T2值长（MR信号强度高）。MR信号主要依赖T2而重建的图像称为T2加权图像。
MRI设备
    磁共振成像设备包括5个系统：磁体系统、梯度系统、射频系统、计算机及数据处理系统以及辅助设备部分。
    磁体分常导型、永磁型和超导型三种，目前常用的有超导型磁体和永磁体。磁体性能的主要参数有磁场强度、磁场均匀性、磁场稳定性等。常导型的线圈用铜、铝线绕成，磁场强度可达0.15T～0.3T；永磁型的磁体由磁性物质制成的磁砖所组成，较重，磁场强度偏低，最高可达0.3T；超导型的线圈用银一钛合金线绕成，医用MR设备所用的磁场强度一般为0.35T～3.OT。 梯度系统由梯度放大器及X、Y、Z三组梯度线圈组成。它的作用是修改主磁场，产生梯度磁场。其磁场强度虽只有主磁场的几百分之一，但梯度磁场为人体MRI信号提供了空间定位的三维编码的可能。由于对图像空间分辨力的要求越来越高，故对梯度磁场的要求也高，目前梯度系统提供的梯度场强已高达 60MT／M。
    射频系统用来发射射频脉冲，使磁化的氢质子吸收能量而产生共振。在弛豫过程中氢质子释放能量并发出MRI信号，后者被检测系统接收。射频系统主要由发射与接收两部分组成，其部件包括射频发射器、功率放大器、发射线圈、接收线圈以及噪声信号放大器等。
    MRI设备中的计算机系统主要包括模／数转换器、阵列处理机及用户计算机等。其数据采集、处理和图像显示，除图像重建由傅里叶变换代替了反投影外，其它与CT设备非常相似。
第一节　MRI的成像基本原理与设备
　　一、磁共振现象与MRI
　　含单数质子的原子核，例如人体内广泛存在的氢原子核，其质子有自旋运动，带正电，产生磁矩，有如一个小磁体（图1-5-1）。小磁体自旋轴的排列无一定规律。但如在均匀的强磁场中，则小磁体的自旋轴将按磁场磁力线的方向重新排列（图1-5-2）。在这种状态下，

图1-5-1　质子带正电荷，它们像地球一样在不停地绕轴旋转，并有自己的磁场
　　用特定频率的射频脉冲（radionfrequency，RF）进行激发，作为小磁体的氢原子核吸收一定量的能而共振，即发生了磁共振现象。停止发射射频脉冲，则被激发的氢原子核把所吸收的能逐步释放出来，其相位和能级都恢复到激发前的状态。这一恢复过程称为弛豫过程（relaxationprocess），而恢复到原来平衡状态所需的时间则称之为弛豫时间（relaxationtime）。有两种弛豫时间，一种是自旋-晶格弛豫时间（spin-lattice relaxationtime）又称纵向弛豫时间（longitudinal relaxation time）反映自旋核把吸收的能传给周围晶格所需要的时间，也是90射频脉冲质子由纵向磁化转到横向磁化之后再恢复到纵向磁化激发前状态所需时间，称T1。另一种是自旋-自旋弛豫时间（spin-spin relaxation time），又称横向弛豫时间（transverse relaxation time）反映横向磁化衰减、丧失的过程，也即是横向磁化所维持的时间，称T2。T2衰减是由共振质子之间相互磁化作用所引起，与T1不同，它引起相位的变化。

图1-5-2　正常情况下，质子处于杂乱无章的排列状态。当把它们放入一个强外磁场中，就会发生改变。它们仅在平行或反平行于外磁场两个方向上排列
　　人体不同器官的正常组织与病理组织的T1是相对固定的，而且它们之间有一定的差别，T2也是如此（表1-5-1a、b）。这种组织间弛豫时间上的差别，是MRI的成像基础。有如CT时，组织间吸收系数（CT值）差别是CT成像基础的道理。但MRI不像CT只有一个参数，即吸收系数，而是有T1、T2和自旋核密度（P）等几个参数，其中T1与T2尤为重要。因此，获得选定层面中各种组织的T1（或T2）值，就可获得该层面中包括各种组织影像的图像。
　　MRI的成像方法也与CT相似。有如把检查层面分成Nx，Ny，Nz……一定数量的小体积，即体素，用接收器收集信息，数字化后输入计算机处理，获得每个体素的T1值（或T2值），进行空间编码。用转换器将每个T值转为模拟灰度，而重建图像。
表1-5-1a　人体正常与病变组织的T1值（ms）
肝
140～170
脑膜 瘤
200～300

胰
180～200
肝癌
300～450

肾
300～340
肝血管瘤
340～370

胆汁
250～300
胰腺 癌
275～400

血液
340～370
肾癌
400～450

脂肪
60～80
肺脓 肿
400～500

肌肉
120～140
膀胱 癌
200～240

表1-5-1b　正常颅脑的T1与T2值（ms）
组 织
T1
T2

胼胝体
380
80

桥　脑
445
75

延　髓
475
100

小　脑
585
90

大　脑
600
100

脑脊液
1155
145

头　皮
235
60

骨　髓
320
80

　　二、MRI设备
　　MRI的成像系统包括MR信号产生和数据采集与处理及图像显示两部分。MR信号的产生是来自大孔径，具有三维空间编码的MR波谱仪，而数据处理及图像显示部分，则与CT扫描装置相似。
　　MRI设备包括磁体、梯度线圈、供电部分、射频发射器及MR信号接收器，这些部分负责MR信号产生、探测与编码；模拟转换器、计算机、磁盘与磁带机等，则负责数据处理、图像重建、显示与存储（图1-5-3）。
　　磁体有常导型、超导型和永磁型三种，直接关系到磁场强度、均匀度和稳定性，并影响MRI的图像质量。因此，非常重要。通常用磁体类型来说明MRI设备的类型。常导型的线圈用铜、铝线绕成，磁场强度最高可达0.15～0.3T*，超导型的线圈用铌-钛合金线绕成，磁场强度一般为0.35～2.0T，用液氦及液氮冷却；永磁型的磁体由用磁性物质制成的磁砖所组成，较重，磁场强度偏低，最高达0.3T。
　　梯度线圈，修改主磁场，产生梯度磁场。其磁场强度虽只有主磁场的几百分之一。但梯度磁场为人体MR信号提供了空间定位的三维编码的可能，梯度场由X、Y、Z三个梯度磁场线圈组成，并有驱动器以便在扫描过程中快速改变磁场的方向与强度，迅速完成三维编码。

图1-5-3　MRI设备基本结构示意图
　　射频发射器与MR信号接收器为射频系统，射频发射器是为了产生临床检查目的不同的脉冲序列，以激发人体内氢原子核产生MR信号。射频发射器及射频线圈很象一个短波发射台及发射天线，向人体发射脉冲，人体内氢原子核相当一台收音机接收脉冲。脉冲停止发射后，人体氢原子核变成一个短波发射台，而MR信号接受器则成为一台收音机接收MR信号。脉冲序列发射完全在计算机控制之下。
　　MRI设备中的数据采集、处理和图像显示，除图像重建由Fourier变换代替了反投影以外，与CT设备非常相似。





基础设备
    主要由三大部分构成，即磁体系统、谱仪系统和计算机图像处理系统。
     磁 体 系 统
     磁体系统由主磁体、梯度系统和射频系统组成。
     一、主磁体：产生静磁场的磁体。
     1．MRI对磁场的强度、均匀度和稳定度有严格要求 一般认为质子成像的磁场场强在0.1～2.0T之间，对人体健康无影响，并能得到较好的图像。磁场均匀度要求在一个较大范围的空间内产生高度均匀的磁场，均匀度需达到10—4～10—6，即在几个百万分之一(Partspermillion，简称ppm)之间。磁场稳定度是指单位时间磁场的变化率，短期稳定度要在几个ppm/h，长期稳定度要在10ppm／h。
     2．磁体有三种类型 永磁磁体主要由铝镍钴、铁氧体和稀土钴等，其特点是造价低、维护简便，但由于磁性材料的用量与磁场强度的平方成正比，故场强不宜过大，一般在3000高斯左右。常导磁体由铜或铝导线制成，制造简单，但对电源要求高，耗电量大。超导磁体是用铌—钛合金制成，特点是磁场强度高而且稳定，但技术复杂，费用高，在运行中要消耗液氮。
     二、梯度系统
     梯度系统用于扫描层面的空间定位，梯度线圈形成微弱的梯度磁场与主磁场重叠，这样就可以根据磁场的梯度差别明确层面的位置。
     三、射频系统
     射频系统是用来发射射频脉冲，使质子吸收能量并产生共振，在弛豫过程中产生MR信号并进行接收的一种装置。射频系统实际由发射与接收两部分组成，其部件包括发射器、功率放大器、发射线圈、接收线圈及低噪声信号放大器等。
     谱 仪 系 统
     谱仪系统包括梯度场、射频场的发生和控制，MR信号接收和控制等部分组成。谱仪系统在整个成像装置中，起着“承上启下”的关键作用。它所采集的信号，通过适当接口传送给计算机处理。
     计算机图像处理系统
     每部分要求配备大容量的计算机和高分辨的模—数转换器(A／D)，以完成数据采集、图像处理和图像显示。
     由检波器送来信号经A／D转换器，把模拟信号转变为数字信号，得出层面图像数据，再经过数—模转换，用不同灰度或者颜色显示图像。