核磁共振成像技術(shù)原理及國(guó)內(nèi)外發(fā)展

1、核磁共振成像技術(shù)原理及國(guó)內(nèi)外發(fā)展核磁共振成像(NuclearMagneticResonanceImaging?,簡(jiǎn)稱NMRI?),又稱自旋成像(spinimaging?),也稱磁共振成像(MagneticResonanceImaging?,簡(jiǎn)稱MRI?),是利用核磁共振(nuclearmagneticresonnance?,簡(jiǎn)稱NMR?)原理，依據(jù)所釋放的能量在物質(zhì)內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)環(huán)境中不同的衰減，通過外加梯度磁場(chǎng)檢測(cè)所發(fā)射出的電磁波，即可得知構(gòu)成這一物體原子核的位置和種類，據(jù)此可以繪制成物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像。將這種技術(shù)用于人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的成像，就產(chǎn)生出一種革命性的醫(yī)學(xué)診斷工具?？焖僮兓奶荻却艌?chǎng)的應(yīng)

2、用，大大加快了核磁共振成像的速度，使該技術(shù)在臨床診斷、科學(xué)研究的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，極大地推動(dòng)了醫(yī)學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的迅速發(fā)展。核磁共振成像是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子電路技術(shù)、超導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種生物磁學(xué)核自旋成像技術(shù)。它是利用磁場(chǎng)與射頻脈沖使人體組織內(nèi)進(jìn)動(dòng)的氫核(即H+)發(fā)生章動(dòng)產(chǎn)生射頻信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理而成像的。原子核在進(jìn)動(dòng)中，吸收與原子核進(jìn)動(dòng)頻率相同的射頻脈沖，即外加交變磁場(chǎng)的頻率等于拉莫頻率，原子核就發(fā)生共振吸收，去掉射頻脈沖之后，原子核磁矩又把所吸收的能量中的一部分以電磁波的形式發(fā)射出來，稱為共振發(fā)射。共振吸收和共振發(fā)射的過程叫做“核磁共振”。核磁共振成像的“核”指的

3、是氫原子核，因?yàn)槿梭w的約70%是由水組成的，MRI即依賴水中氫原子。當(dāng)把物體放置在磁場(chǎng)中，用適當(dāng)?shù)碾姶挪ㄕ丈渌?，使之共振，然后分析它釋放的電磁波，就可以得知?gòu)成這一物體的原子核的位置和種類，據(jù)此可以繪制成物體內(nèi)部的精確立體圖像。通過一個(gè)磁共振成像掃描人類大腦獲得的一個(gè)連續(xù)切片的動(dòng)畫，由頭頂開始，一直到基部。核磁共振成像是隨著電腦技術(shù)、電子電路技術(shù)、超導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種生物磁學(xué)核自旋成像技術(shù)。醫(yī)生考慮到患者對(duì)“核”的恐懼心理，故常將這門技術(shù)稱為磁共振成像。它是利用磁場(chǎng)與射頻脈沖使人體組織內(nèi)進(jìn)動(dòng)的氫核（即H+）發(fā)生草動(dòng)產(chǎn)生射頻信號(hào)，經(jīng)電腦處理而成像的。原子核在進(jìn)動(dòng)中，吸收與原子核進(jìn)

4、動(dòng)頻率相同的射頻脈沖，即外加交變磁場(chǎng)的頻率等于拉莫頻率，原子核就發(fā)生共振吸收，去掉射頻脈沖之后，原子核磁矩又把所吸收的能量中的一部分以電磁波的形式發(fā)射出來，稱為共振發(fā)射。共振吸收和共振發(fā)射的過程叫做“核磁共振”。采用調(diào)節(jié)頻率的方法來達(dá)到核磁共振。由線圈向樣品發(fā)射電磁波，調(diào)制振蕩器的作用是使射頻電磁波的頻率在樣品共振頻率附近連續(xù)變化。當(dāng)頻率正好與核磁共振頻率吻合時(shí)，射頻振蕩器的輸出就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)吸收峰，這可以在示波器上顯示出來，同時(shí)由頻率計(jì)即刻讀出這時(shí)的共振頻率值。核磁共振譜儀是專門用于觀測(cè)核磁共振的儀器，主要由磁鐵、探頭和譜儀三大部分組成。磁鐵的功用是產(chǎn)生一個(gè)恒定的磁場(chǎng)；探頭置于磁極之間，用于探

5、測(cè)核磁共振信號(hào)；譜儀是將共振信號(hào)放大處理并顯示和記錄下來。磁共振成像的最大優(yōu)點(diǎn)是它是目前少有的對(duì)人體沒有任何傷害的安全、快速、準(zhǔn)確的臨床診斷方法。如今全球每年至少有6000萬病例利用核磁共振成像技術(shù)進(jìn)行檢查。具體說來有以下幾點(diǎn)：1 .對(duì)軟組織有極好的分辨力。對(duì)膀胱、直腸、子宮、陰道、骨、關(guān)節(jié)、肌肉等部位的檢查優(yōu)于CT;2 .各種參數(shù)都可以用來成像，多個(gè)成像參數(shù)能提供豐富的診斷信息，這使得醫(yī)療診斷和對(duì)人體內(nèi)代謝和功能的研究方便、有效。例如肝炎和肝硬化的T1值變大，而肝癌的T1值更大，作T1加權(quán)圖像，可區(qū)別肝部良性月中瘤與惡性月中瘤；3 .通過調(diào)節(jié)磁場(chǎng)可自由選擇所需剖面。能得到其它成像技術(shù)所不能接

6、近或難以接近部位的圖像。對(duì)于椎間盤和脊髓，可作矢狀面、冠狀面、橫斷面成像，可以看到神經(jīng)根、脊髓和神經(jīng)節(jié)等。不像CT只能獲取與人體長(zhǎng)軸垂直的橫斷面；4 .對(duì)人體沒有對(duì)人體沒有電離輻射損傷；5 .原則上所有自旋不為零的核元素都可以用以成像，例如氫（H）、碳（C）、氮（N和N）、磷（P）等。快速掃描技術(shù)的研究與應(yīng)用，將使經(jīng)典MRI成像方法掃描病人的時(shí)間由幾分鐘、十幾分鐘縮短至幾毫秒，使因器官運(yùn)動(dòng)對(duì)圖像造成的影響忽略不計(jì)；MRI血流成像，利用流空效應(yīng)使MRI圖像上把血管的形態(tài)鮮明地呈現(xiàn)出來，使測(cè)量血管中血液的流向和流速成為可能；MRI波譜分析可利用高磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)人體局部組織的波譜分析技術(shù)，從而增加幫助診斷

7、的信息；腦功能成像，利用高磁場(chǎng)共振成像研究腦的功能及其發(fā)生機(jī)制是腦科學(xué)中最重要的課題。有理由相信，MRI將發(fā)展成為思維閱讀器。1990年，AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室的SeijiOgawa在報(bào)告中稱，他在對(duì)動(dòng)物進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)去氧血色素被放到磁場(chǎng)中時(shí)，會(huì)提高附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度，而攜氧血色素則不會(huì)。Ogawa在研究報(bào)告中展示了帶有很多去氧血色素的區(qū)域會(huì)將血液器皿周圍的磁場(chǎng)略微扭曲，并在一個(gè)核磁共振的圖像中揭示了這些扭曲的圖像。其它的研究人員也開始研究人類身體中的類似現(xiàn)象。例如1992年，一些研究人員，包括Ogawa,馬薩諸塞州中心醫(yī)院的JohnW.Belliveau和威斯康星醫(yī)學(xué)院的PeterBande

8、ttini公布了對(duì)人體大腦對(duì)使用功能性核磁共振成像技術(shù)產(chǎn)生的感官刺激的反應(yīng)的研究結(jié)果。在其它應(yīng)用領(lǐng)域，功能性核磁共振成像技術(shù)目前可以幫助指導(dǎo)非腦部敏感區(qū)外科手術(shù)，檢查中風(fēng)癥狀以及解釋大腦的工作原理。到今天,由Rabi開始的研究已經(jīng)發(fā)展成為價(jià)值數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)。核磁共振成像掃描和波譜學(xué)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢測(cè)成像領(lǐng)域。同時(shí)，作為在過去幾年中最新的一項(xiàng)技術(shù)以及最強(qiáng)大的設(shè)備，功能性核磁共振成像技術(shù)的速度和精確度也獲得了極大的提高。上述這些成果如果沒有Rabi第一次檢測(cè)到核磁共振現(xiàn)象及之后近40年的基礎(chǔ)研究是不可能成功的。這段時(shí)間內(nèi)的發(fā)現(xiàn)同包括對(duì)研究原子和分子的磁特性感興趣、試圖發(fā)現(xiàn)他們?nèi)绾位ハ嘧饔貌⒂?/p>

9、核磁共振理論解釋原子和分子的基本結(jié)構(gòu)的物理學(xué)家和化學(xué)家們的努力密不可分。正如Prucell的第二個(gè)研究生GerogePake所說的那樣：“沒有這些基礎(chǔ)研究，核磁共振成像技術(shù)根本無從想象?！惫δ苄院舜殴舱癯上?fMRI)技術(shù)可以顯示大腦各個(gè)區(qū)域內(nèi)靜脈毛細(xì)血管中血液氧合狀態(tài)所起的磁共振信號(hào)的微小變化。fMRI作為無損和動(dòng)態(tài)的探測(cè)技術(shù)，已日益成為觀察大腦活動(dòng)，進(jìn)而揭示腦和思維關(guān)系的一種重要方法?，F(xiàn)代核磁共振成像(MRI)掃描儀的設(shè)計(jì)已發(fā)生了革命性的變化，這都得益于現(xiàn)代IC設(shè)計(jì)的一系列發(fā)展和進(jìn)步。MRI等醫(yī)療成像設(shè)備雖產(chǎn)生一定的影響，但并不是IC發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)因素。相反，它們是無線基礎(chǔ)設(shè)施等行業(yè)持續(xù)發(fā)

10、展的受益者。這種技術(shù)進(jìn)步不僅提供MRI各種子系統(tǒng)改善性能的機(jī)會(huì)，同時(shí)也使子系統(tǒng)設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化。全千MRI市場(chǎng)在20012008年間以年均高于6.6%的速度增長(zhǎng)。這類設(shè)備市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的主要原因是MRI成像技術(shù)的發(fā)展，如3特斯拉MRI面世，以及MRI在多種疾病診斷中的推廣應(yīng)用。然而，因MRI設(shè)備使用成本較高，以及全球金融危機(jī)對(duì)醫(yī)療器械行業(yè)的影響，GlobalData研究機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，全球MRI設(shè)備市場(chǎng)增速將略有下降，年均增速為6.1%左右。專業(yè)人士分析認(rèn)為，目前MRI技術(shù)的主要趨勢(shì)是從1.5特斯拉向3特斯拉的高場(chǎng)強(qiáng)轉(zhuǎn)變。3特斯拉場(chǎng)強(qiáng)的MRI能以更短的時(shí)間掃描出分辨率更高的圖像。它還能為各類病人（如幽閉恐

11、懼癥患者）提供個(gè)性化掃描成像方案，從而提高M(jìn)RI成像系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。另外，3特斯拉MRI成像技術(shù)的發(fā)展還將推動(dòng)肌肉、骨骼、神經(jīng)和乳腺的成像研究。但是，3特斯拉MRI成像系統(tǒng)也存在一些固有的缺點(diǎn)，如輻射吸收率（SAR）增加。因1.5特斯拉和3特斯拉MRI成像系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)不同，所以它們的使用群體也不一樣。規(guī)模較小的醫(yī)院和檢測(cè)中心，從成本與工作時(shí)間上考慮，會(huì)更多地選擇1.5特斯拉的MRI系統(tǒng);而規(guī)模較大的醫(yī)院和檢測(cè)中心，因具備雄厚資金和充足的技術(shù)人員，會(huì)選擇配置3特斯拉MRI系統(tǒng).另?yè)?jù)了解，飛利浦公司推出了可將1.5特斯拉MRI成像系統(tǒng)升級(jí)到3特斯拉MRI成像系統(tǒng)的工作模式。這種新模式不僅可大大

12、降低醫(yī)療機(jī)構(gòu)的安裝成本，同時(shí)也會(huì)縮短技術(shù)人員的學(xué)習(xí)曲線。由物理學(xué)家和神經(jīng)科學(xué)家組成的國(guó)際科研小姐在核磁共振成像研究領(lǐng)域取得重大的突破，使得大腦掃描速度在現(xiàn)有水平上提高七倍之多。研究論文發(fā)表在12月20日公共科學(xué)圖書館綜合（PLoSONE）上。在論文中，一名伯克利加州大學(xué)的物理學(xué)家和來自明尼蘇達(dá)大學(xué)及牛津大學(xué)的同僚們描述技術(shù)改進(jìn)可以讓全影3D腦掃描在不到半秒的時(shí)間內(nèi)完成，而不是一般所需要的首席作者物理學(xué)家大衛(wèi)范伯格（DavidFeinberg）是伯克利加州大學(xué)海倫威爾斯神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)研究所副教授，他說：“當(dāng)?shù)谝淮斡迷摷夹g(shù)時(shí)，真是快得難以置信，就好像從螺旋槳飛機(jī)到噴氣式飛機(jī)的轉(zhuǎn)變。這是質(zhì)的飛躍?！睂?duì)

13、于神經(jīng)科學(xué)，快速掃描尤為關(guān)鍵，它可以捕捉到大腦內(nèi)的動(dòng)態(tài)行為。范伯格說：“當(dāng)利用功能核磁共振成像（fMRI）對(duì)大腦進(jìn)行研究時(shí)，填充滿整個(gè)3D大腦圖像大約需要30到60幅的圖像重復(fù)數(shù)百次才能完成，就像組成電影的無數(shù)幀，而功能核磁共振成像是一部3D電影，通過多路技術(shù)可更高速的獲取圖像，一個(gè)高頻幀在很短的時(shí)間里可獲得更多的信息。圣路易斯華盛頓大學(xué)放射醫(yī)學(xué)、神經(jīng)學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、生物工程學(xué)及心理學(xué)教授馬克雷切爾（MarcRaichle）博士補(bǔ)充說：“大腦是一個(gè)活動(dòng)目標(biāo)，因此對(duì)這一活動(dòng)性目標(biāo)取樣越精確，對(duì)大腦動(dòng)態(tài)活動(dòng)了解就越透徹?！泵绹?guó)和加拿大科學(xué)家分別采用新型核磁共振成像（MRI）技術(shù)觀測(cè)到人體內(nèi)的分子變

14、化，從而大大提高了MRI掃描的速度和精度，可在未來用于更快地檢測(cè)癌癥等疾病。研究發(fā)表在最新一期科學(xué)雜志上。兩國(guó)科學(xué)家使用的MRI技術(shù)都通過操控分子的旋轉(zhuǎn)來提高掃描的速度和精度，從而可以在分子層面快速地完成諸如分析藥物藥效或推斷月中瘤生長(zhǎng)速度等工作，以更好地為人類健康服務(wù)。加拿大研究人員通過操縱仲氫（仲氫是航天飛機(jī)上使用的燃料），將仲氫的磁性轉(zhuǎn)移到許多更容易探測(cè)的分子上面，并在動(dòng)物身上進(jìn)行了該技術(shù)的測(cè)試。結(jié)果表明，新技術(shù)可以將掃描的靈敏度增加1000倍左右，原來統(tǒng)計(jì)生物系統(tǒng)數(shù)據(jù)需要花費(fèi)90天時(shí)間，現(xiàn)在只需幾秒就可以完成。美國(guó)科學(xué)團(tuán)隊(duì)則調(diào)整了原子核的旋轉(zhuǎn)來增強(qiáng)信號(hào)，在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的分子之間制造了很大不平衡，并且使分子變成了功能更加強(qiáng)大的磁體，可以產(chǎn)生更詳細(xì)的圖像。新技術(shù)得到的信號(hào)強(qiáng)度可能是傳統(tǒng)MRI中氫原子