磁共振成像原理

1、磁共振成像是利用原子核在磁場內(nèi)共振所產(chǎn)生信號經(jīng)重建成像的一種成像技術(shù)。 核磁共振(nuclear magnetic resonance , NMR是一種核物理現(xiàn)象。早在 1946 年 Block 與 Purcell 就報道了這種現(xiàn)象并應(yīng)用于波譜學(xué)。 Lauterbur1973 年發(fā)表 了 MF成像技術(shù)，使核磁共振不僅用于物理學(xué)和化學(xué)。也應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。 近年來， 核磁共振成像技術(shù)發(fā)展十分迅速， 已日臻成熟完善。 檢查范圍基本上覆 蓋了全身各系統(tǒng)， 并在世界范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。 為了準(zhǔn)確反映其成像基礎(chǔ)， 避免與 核素成像混淆，現(xiàn)改稱為磁共振成像。參與MFI 成像的因素較多，信息量大而且不同于現(xiàn)有

2、各種影像學(xué)成像，在診斷疾病中有很大優(yōu)越性和應(yīng)用潛力。一、磁共振現(xiàn)象與 MFI含單數(shù)質(zhì)子的原子核， 例如人體內(nèi)廣泛存在的氫原子核， 其質(zhì)子有自旋運(yùn)動， 帶正電，產(chǎn)生磁矩，有如一個小磁體。小磁體自旋軸的排列無一定規(guī)律。但如在 均勻的強(qiáng)磁場中， 則小磁體的自旋軸將按磁場磁力線的方向重新排列。 在這種狀 態(tài)下，質(zhì)子帶正電荷， 它們像地球一樣在不停地繞軸旋轉(zhuǎn)， 并有自己的磁場 . 正 常情況下， 質(zhì)子處于雜亂無章的排列狀態(tài)。 當(dāng)把它們放入一個強(qiáng)外磁場中， 就會 發(fā)生改變。它們僅在平行或反平行于外磁場兩個方向上排列用特定頻率的射頻脈沖(radionfrequency ，RF進(jìn)行激發(fā)，作 為小磁體的氫原子核

3、吸收一定量的能而共振， 即發(fā)生了磁共振現(xiàn)象。 停止發(fā)射射 頻脈沖，則被激發(fā)的氫原子核把所吸收的能逐步釋放出來， 其相位和能級都恢復(fù) 到激發(fā)前的狀態(tài)。這一恢復(fù)過程稱為弛豫過程( relaxationprocess )，而恢復(fù) 到原來平衡狀態(tài)所需的時間則稱之為弛豫時間 ( relaxationtime )。有兩種弛豫 時間，一種是自旋 - 晶格弛豫時間( spin-lattice relaxationtime )又稱縱向弛 豫時間( longitudinal relaxation time )反映自旋核把吸收的能傳給周圍晶格 所需要的時間，也是 90射頻脈沖質(zhì)子由縱向磁化轉(zhuǎn)到橫向磁化之后再恢復(fù)到

4、縱向磁化激發(fā)前狀態(tài)所需時間，稱T1。另一種是自旋-自旋弛豫時間(spin-spin relaxation time )，又稱橫向弛豫時間( transverse relaxation time )反映橫向磁化衰減、喪失的過程，也即是橫向磁化所維持的時間，稱T2。T2衰減是由共振質(zhì)子之間相互磁化作用所引起，與 T1 不同，它引起相位的變化。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。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

5、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。MRI的成像方法也與CT相似。有如把檢查層面分成 Nx, Ny, Nz一定數(shù) 量的小體積，即體素，用接收器收集信息，數(shù)字化后輸入計(jì)算機(jī)處理，獲得每個 體素的T1值（或T2值），進(jìn)行空間編碼。用轉(zhuǎn)換器將每個 T值轉(zhuǎn)為模擬灰度， 而重建圖像。表 1 人體正常與病變組織的 T1 值（ ms）肝140170腦膜 瘤200300胰180200肝癌300450腎 300340 肝血管瘤 340370膽汁 250 300 胰腺 癌 275 400血液

6、 340 370 腎癌 400 450脂肪 6080 肺膿 腫 400500肌肉 120 140 膀胱 癌 200 240表2正常顱腦的T1與T2值（mS組 織 T1 T2胼胝體 380 80橋 腦 445 75延 髓 475 100小 腦 585 90大 腦 600 100腦脊液 1155 145頭 皮 235 60骨 髓 320 80二、MRI設(shè)備MRI的成像系統(tǒng)包括MR言號產(chǎn)生和數(shù)據(jù)采集與處理及圖像顯示兩部分。MR信號的產(chǎn)生是來自大孔徑，具有三維空間編碼的 MF波譜儀，而數(shù)據(jù)處理及圖像 顯示部分，則與CT掃描裝置相似。MRI設(shè)備包括磁體、梯度線圈、供電部分、射頻發(fā)射器及MR信號接收器，這

7、些部分負(fù)責(zé)MR信號產(chǎn)生、探測與編碼；模擬轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)、磁盤與磁帶機(jī) 等，則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、圖像重建、顯示與存儲。磁體有常導(dǎo)型、 超導(dǎo)型和永磁型三種， 直接關(guān)系到磁場強(qiáng)度、 均勻度和穩(wěn)定 性，并影響MRI的圖像質(zhì)量。因此，非常重要。通常用磁體類型來說明 MRI設(shè)備 的類型。常導(dǎo)型的線圈用銅、鋁線繞成，磁場強(qiáng)度最高可達(dá)*，超導(dǎo)型的線圈用鈮-鈦合金線繞成，磁場強(qiáng)度一般為，用液氦及液氮冷卻；永磁型的磁體由 用磁性物質(zhì)制成的磁磚所組成，較重，磁場強(qiáng)度偏低，最高達(dá)。梯度線圈， 修改主磁場， 產(chǎn)生梯度磁場。 其磁場強(qiáng)度雖只有主磁場的幾百分 之一。但梯度磁場為人體 MR信號提供了空間定位的三維編碼的可能，梯度

8、場由 X、Y、Z三個梯度磁場線圈組成，并有驅(qū)動器以便在掃描過程中快速改變磁場的 方向與強(qiáng)度，迅速完成三維編碼。射頻發(fā)射器與MR信號接收器為射頻系統(tǒng)，射頻發(fā)射器是為了產(chǎn)生臨床檢查 目的不同的脈沖序列，以激發(fā)人體內(nèi)的氫原子核產(chǎn)生MF信號。射頻發(fā)射器及射頻線圈象一個短波發(fā)射臺及發(fā)射天線， 向人體發(fā)射脈沖， 人體內(nèi)的氫原子核相當(dāng) 一臺收音機(jī)接收脈沖。 脈沖停止發(fā)射后， 人體氫原子核變成一個短波發(fā)射臺， 而 MF信號接受器則成為一臺收音機(jī)接收 MF信號。脈沖序列發(fā)射完全在計(jì)算機(jī)控制之下。MRI 設(shè)備中的數(shù)據(jù)采集、處理和圖像顯示，除圖像重建由Fourier變換代替了反投影以外，與CT設(shè)備非常相似。三、MR

9、I圖像特點(diǎn)1灰階成像具有一定 T1 差別的各種組織，包括正常與病變組織，轉(zhuǎn)為模擬灰度的黑白影，則可使器官及其病變成像。MRI所顯示的解剖結(jié)構(gòu)非常逼真，在良好清晰的 解剖背景上，再顯出病變影像，使得病變同解剖結(jié)構(gòu)的關(guān)系更明確。值得注意的是，MRI的影像雖然也以不同灰度顯示，但反映的是 MF信號強(qiáng) 度的不同或弛豫時間T1與T2的長短，而不象CT圖象，灰度反映的是組織密度。MRI的圖像如主要反映組織間 T1特征參數(shù)時，為T1加權(quán)象(weighted image，T1W)，它反映的是組織間T1的差別。如主要反映組織間T2特征參數(shù) 時，則為 T2 加權(quán)像(T2weighted image，T2W)。因此

10、，一個層面可有T1WI和T2WI兩種掃描成像方法。分別獲得T1WI與T2WI 有助于顯示正常組織與病變組織。正常組織，如腦神經(jīng)各種軟組織間 T1 差別明 顯，所以T1WI有利于觀察解剖結(jié)構(gòu)，而T2WI則對顯示病變組織較好。在T1WI上,脂肪T1短，MR信號強(qiáng)，影像白；腦與肌肉T1居中，影像灰； 腦脊液T1長；骨與空氣含氫量少，MF信號弱，影像黑。在T2WI上，則與T1WI 不同，例如腦脊液T2長，MR信號強(qiáng)而呈白影。表3是例舉幾種組織在T1WI和 T2WI上的灰度。表3 人體不同組織T1WI和T2WI上的灰度腦白質(zhì) 腦灰質(zhì) 腦脊液 脂肪 骨皮質(zhì) 骨髓質(zhì) 腦膜 T1WI 白 灰 黑 白 黑 白

11、黑T2WI 白 灰 白 白灰 黑 灰 黑2流空效應(yīng)心血管的血液由于流動迅速，使發(fā)射MR言號的氫原子核離開接收范圍之外， 所以測不到MR信號，在T1WI或T2WI中均呈黑影，這就是流空效應(yīng)（flowing Void ）。這一效應(yīng)使心腔和血管顯影，是 CT所不能比擬的。3三維成像MRI可獲得人體橫面、冠狀面、矢狀面及任何方向斷面的圖像，有利于病變 的三維定位。一般CT則難于作到直接三維顯示，需采用重建的方法才能獲得狀 面或矢狀面圖像以及三維重建立體像（圖 1-5-4 ）。4運(yùn)動器官成像采用呼吸和心電圖門控（ gating ）成像技術(shù)，不僅能改善心臟 大血管的MR成像，還可獲得其動態(tài)圖象。四、MRI

12、檢查技術(shù)MRI的掃描技術(shù)有別于CT掃描。不僅要橫斷面圖像，還常要矢狀面或/和冠 狀面圖像，還需獲得T1WI和T2W。因此，需選擇適當(dāng)?shù)拿}沖序列和掃描參數(shù)。 常用多層面、多回波的自旋回波（spin echo ，SE技術(shù)。掃描時間參數(shù)有回波 時間（echo time，TE）和脈沖重復(fù)間隔時間（repetition time，TR。使用短 TR和短TE可得T1W，而用長TR和長TE可得T2W。時間以毫秒計(jì)。依TE的長 短，T2WI又可分為重、中、輕三種。病變在不同 T2WI中信號強(qiáng)度的變化，可以 幫助判斷病變的性質(zhì)。例如，肝血管瘤 T1WI呈低信號，在輕、中、重度T2WI 上則呈高信號，且隨著加重程

13、度，信號強(qiáng)度有遞增表現(xiàn)，即在重 T2WI上其信號 特強(qiáng)。肝細(xì)胞癌則不同，T1WI呈稍低信號，在輕、中度T2WI呈稍高信號，而重 度T2WI上又略低于中度T2WI的信號強(qiáng)度。再結(jié)合其他臨床影像學(xué)表現(xiàn)，不難將 二者區(qū)分。MRI常用的SE脈沖序列，掃描時間和成像時間均較長，因此對患者的制動 非常重要。采用呼吸門控和（或）呼吸補(bǔ)償、心電門控和周圍門控以及預(yù)飽和技 術(shù)等，可以減少由于呼吸運(yùn)動及血液流動所導(dǎo)致的呼吸偽影、 血流偽影以及腦脊 液波動偽影等的干擾，可以改善 MRI的圖像質(zhì)量。為了克服MRI中SE脈沖序列成像速度慢、檢查時間長這一主要缺點(diǎn)，近年 來先后開發(fā)了梯度回波脈沖序列、 快速自旋回波脈沖序

14、列等成像技術(shù)， 已取得重 大成果并廣泛應(yīng)用于臨床。 此外， 還開發(fā)了指肪抑制和水抑制技術(shù)， 進(jìn)一步增加 MRI信息。MRI另一新技術(shù)是磁共振血管造影( magn etic res onance an giography ，MRA。血管中流動的血液出現(xiàn)流空現(xiàn)象。它的 MF信號強(qiáng)度取決于流速，流動快 的血液常呈低信號。 因此， 在流動的血液及相鄰組織之間有顯著的對比， 從而提 供了 MRA勺可能性。目前已應(yīng)用于大、中血管病變的診斷，并在不斷改善。MRA不需穿剌血管和注入造影劑，有很好的應(yīng)用前景。MRA還可用于測量血流速度和 觀察其特征。MRI也可行造影增強(qiáng)，即從靜脈注入能使質(zhì)子弛豫時間縮短的順磁性

15、物質(zhì)作為造影劑，以行MRI造影增強(qiáng)。常用的造影劑為釓一一二乙三胺五醋酸(Gadolinium-DTPA, Gd-DTRA。這種造影劑不能通過完整的血腦屏障，不被胃 粘膜吸收， 完全處于細(xì)胞外間隙內(nèi)以及無特殊靶器官分布， 有利于鑒別腫瘤和非 腫瘤的病變。中樞神經(jīng)系統(tǒng)MRI作造影增強(qiáng)時，癥灶增強(qiáng)與否及增強(qiáng)程度與病灶 血供的多少和血腦屏障破壞的程度密切相關(guān)， 因此有利于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診 斷。MRI還可用于拍攝電視、電影，主要用于心血管疾病的動態(tài)觀察和診斷?；贛RI對血流擴(kuò)散和灌注的研究，可以早期發(fā)現(xiàn)腦缺血性改變。它預(yù)示著 很好的應(yīng)用前景。帶有心臟起搏器的人需遠(yuǎn)離 MRI設(shè)備。體內(nèi)有金屬植入物，如金屬夾，不僅影響 MRI的圖像，還可對患者造成嚴(yán)重后果，也不能進(jìn)行 MRI檢查，應(yīng)當(dāng)注意。五、MRI分析與診斷觀察前，要先了解MRI設(shè)備的類型、磁場強(qiáng)度和掃描技術(shù)條件，如 TR與TE的長短，因?yàn)樗鼈冎苯佑绊憟D像的對比度，還有助于分辨T1WI和T2W。觀察MRI時，需要對每幀圖像進(jìn)行分析，要結(jié)合冠狀面、矢狀面和橫斷面圖 像進(jìn)行觀察， 以便獲得立體的概念， 便于對病變位置乃至起源作出判斷。 要結(jié)合 T1WI和T2WI,尤其對輕重不同的T2WI進(jìn)行分析，因?yàn)楸容^兩個加權(quán)像上病變的 信號強(qiáng)度變化，有助于對病變性