MRI核磁共振原理

MRI磁共振磁共振成像是斷層成像的一種,它利用磁共振現(xiàn)象從人體中獲得電磁信號(hào),并重建出人體信息。1946年斯坦福大學(xué)的FlelixBloch和哈佛大學(xué)的EdwardPurcell各自獨(dú)立的發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)象。磁共振成像技術(shù)正是基于這一物理現(xiàn)象。1972年P(guān)aulLauterbur發(fā)展了一套對(duì)核磁共振信號(hào)進(jìn)行空間編碼的方法，這種方法可以重建出人體圖像。 MRI磁共振成像技術(shù)與其它斷層成像技術(shù)（如CT）有一些共同點(diǎn)，比如它們都可以顯示某種物理量 （如密度）在空間中的分布；同時(shí)也有它自身的特色，磁共振成像可以得到任何方向的斷層圖像，三維體圖像，甚至可以得到空間一波譜分布的四維圖像。像PET和SPECT一樣，用于成像的磁共振信號(hào)直接來自于物體本身， 也可以說，磁共振成像也是一種發(fā)射斷層成像。 但與PET和SPECT不同的是磁共振成像不用注射放射性同位素就可成像。這一點(diǎn)也使磁共振成像技術(shù)更加安全。從磁共振圖像中我們可以得到物質(zhì)的多種物理特性參數(shù)，如質(zhì)子密度，自旋—晶格馳豫時(shí)間T1，自旋—自旋馳豫時(shí)間T2，擴(kuò)散系數(shù)，磁化系數(shù)，化學(xué)位移等等。對(duì)比其它成像技術(shù)（如 CT超聲PET等）磁共振成像方式更加多樣，成像原理更加復(fù)雜，所得到信息也更加豐富。因此磁共振成像成為醫(yī)學(xué)影像中一個(gè)熱門的研究方向。MRI也存在不足之處。它的空間分辨率不及 CT,帶有心臟起搏器的患者或有某些金屬異物的部位不能作 MRI的檢查，另外價(jià)格比較昂貴。2工作原理核磁共振是一種物理現(xiàn)象，作為一種分析手段廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)生物等領(lǐng)域，到1973年才將它用于醫(yī)學(xué)臨床檢測(cè)。為了避免與核醫(yī)學(xué)中放射成像混淆，把它稱為磁共振成像術(shù)（MR）。MR是一種生物磁自旋成像技術(shù)， 它是利用原子核自旋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)， 在外加磁場(chǎng)內(nèi)，經(jīng)射頻脈沖激后產(chǎn)生信號(hào)，用探測(cè)器檢測(cè)并輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理轉(zhuǎn)換后在屏幕上顯示圖像。 ⑴成像原理核磁共振成像原理：原子核帶有正電，許多元素的原子核，如 1H、19FT和31P等進(jìn)行自旋運(yùn)動(dòng)。通常情況下，原子核自旋軸的排列是無規(guī)律的，但將其置于外加磁場(chǎng)中時(shí)，核自旋空間取向從無序向有序過渡。這樣一來，自旋的核同時(shí)也以自旋軸和外加磁場(chǎng)的向量方向的夾角繞外加磁場(chǎng)向量旋進(jìn)，這種旋進(jìn)叫做拉莫爾旋進(jìn)，就像旋轉(zhuǎn)的陀螺在地球的重力下的轉(zhuǎn)動(dòng)。自旋系統(tǒng)的磁化矢量由零逐漸增長， 當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)，磁化強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定值。如果此時(shí)核自旋系統(tǒng)受到外界作用，如一定頻率的射頻激發(fā)原子核即可引起共振效應(yīng)。這樣，自旋核還要在射頻方向上旋進(jìn)，這種疊加的旋進(jìn)狀態(tài)叫做章動(dòng)。在射頻脈沖停止后，自旋系統(tǒng)已激化的原子核，不能維持這種狀態(tài)，將回復(fù)到磁場(chǎng)中原來的排列狀態(tài)，同時(shí)釋放出微弱的能量，成為射電信號(hào)，把這許多信號(hào)檢出，并使之能進(jìn)行空間分辨，就得到運(yùn)動(dòng)中原子核分布圖像。原子核從激化的狀態(tài)回復(fù)到平衡排列狀態(tài)的過程叫弛豫過程。它所需的時(shí)間叫弛豫時(shí)間。弛豫時(shí)間有兩種即 T1和T2,T1為自旋-點(diǎn)陣或縱向馳豫時(shí)間，T2為自旋-自旋或橫向弛豫時(shí)間。醫(yī)療用途磁共振最常用的核是氫原子核質(zhì)子（1H），因?yàn)樗男盘?hào)最強(qiáng)，在人體組織內(nèi)也廣泛存在。影響磁共振影像因素包括： （a）質(zhì)子的密度；（b）弛豫時(shí)間長短；（c）血液和腦脊液的流動(dòng)；（d）順磁性物質(zhì)（e）蛋白質(zhì)。磁共振影像灰階特點(diǎn)是，磁共振信號(hào)愈強(qiáng)，則亮度愈大，磁共振的信號(hào)弱，則亮度也小，從白色、灰色到黑色。各種組織磁共振影像灰階特點(diǎn)如下：脂肪組織，松質(zhì)骨呈白色；腦脊髓、骨髓呈白灰色；內(nèi)臟、肌肉呈灰白色；液體，正常速度流血液呈黑色；骨皮質(zhì)、氣體、含氣肺呈黑色。核磁共振的另一特點(diǎn)是流動(dòng)液體不產(chǎn)生信號(hào)稱為流動(dòng)效應(yīng)或流動(dòng)空白效應(yīng)。因此血管是灰白色管狀結(jié)構(gòu)，而血液為無信號(hào)的黑色。這樣使血管很容易與軟組織分開。正常脊髓周圍有腦脊液包圍，腦脊液為黑色的，并有白色的硬膜為脂肪所襯托，使脊髓顯示為白色的強(qiáng)信號(hào)結(jié)構(gòu)。核磁共振（MRI）已應(yīng)用于全身各系統(tǒng)的成像診斷。效果最佳的是顱腦，及其脊髓、心臟大血管、關(guān)節(jié)骨骼、軟組織及盆腔等。對(duì)心血管疾病不但可以觀察各腔室、大血管及瓣膜的解剖變化，而且可作心室分析，進(jìn)行定性及半定量的診斷，可作多個(gè)切面圖，空間分辨率高，顯示心臟及病變?nèi)?，及其與周圍結(jié)構(gòu)的關(guān)系，優(yōu)于其他 X線成像、二維超聲、核素及CT檢查。在對(duì)腦脊髓病變?cè)\斷時(shí)，可作冠狀、矢狀及橫斷面像。3儀器設(shè)備醫(yī)療特點(diǎn)MRI提供的信息量不但大于醫(yī)學(xué)影像學(xué)中的其他許多成像術(shù)，而且不同于已有的成像術(shù)，因此，它對(duì)疾病的診斷具有很大的潛在優(yōu)越性。它可以直接作出橫斷面、矢狀面、冠狀面和各種斜面的體層圖像， 不會(huì)產(chǎn)生CT檢測(cè)中的偽影；不需注射造影劑；無電離輻射，對(duì)機(jī)體沒有不良影響。 MRI對(duì)檢測(cè)腦內(nèi)血腫、腦外血腫、腦腫瘤、顱內(nèi)動(dòng)脈瘤、動(dòng)靜脈血管畸形、腦缺血、椎管內(nèi)腫瘤、脊髓空洞癥和脊髓積水等顱腦常見疾病非常有效，同時(shí)對(duì)腰椎椎間盤后突、原發(fā)性肝癌等疾病的診斷也很有效。檢查目的：顱腦及脊柱、脊髓病變，五官科疾病，心臟疾病，縱膈腫塊，骨關(guān)節(jié)和肌肉病變，子宮、卵巢、膀胱、前列腺、肝、腎、胰等部位的病變。優(yōu)點(diǎn)：1.MRI對(duì)人體沒有電離輻射損傷；MRI能獲得原生三維斷面成像而無需重建就可獲得多方位的圖像；3?軟組織結(jié)構(gòu)顯示清晰，對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)、膀胱、直腸、子宮、陰道、關(guān)節(jié)、肌肉等檢查優(yōu)于CT。多序列成像、多種圖像類型，為明確病變性質(zhì)提供更豐富的影像信息。缺點(diǎn)：1?和CT一樣，MRI也是影像診斷，很多病變單憑MRI仍難以確診，不像內(nèi)窺鏡可同時(shí)獲得影像和病理兩方面的診斷；2?對(duì)肺部的檢查不優(yōu)于X線或CT檢查，對(duì)肝臟、胰腺、腎上腺、前列腺的檢查不比CT優(yōu)越，但費(fèi)用要高昂得多；3.對(duì)胃腸道的病變不如內(nèi)窺鏡檢查;4.對(duì)骨折的診斷的敏感性不如 CT及X線平片；體內(nèi)留有金屬物品者不宜接受 MRI。危重病人不宜做妊娠3個(gè)月內(nèi)者除非必須，不推薦進(jìn)行 MRI檢查帶有心臟起搏器者不能進(jìn)行 MRI檢查，也不能靠近MRI設(shè)備多數(shù)MRI設(shè)備檢查空間較為封閉，部分患者因恐懼不能配合完成檢查檢查所需時(shí)間較長注意事項(xiàng)由于在核磁共振機(jī)器及核磁共振檢查室內(nèi)存在非常強(qiáng)大的磁場(chǎng)，因此，裝有心臟起搏器者，以及血管手術(shù)后留有金屬夾、金屬支架者，或其他的冠狀動(dòng)脈、食管、前列腺、膽道進(jìn)行金屬支架手術(shù)者，絕對(duì)嚴(yán)禁作核磁共振檢查，否則，由于金屬受強(qiáng)大磁場(chǎng)的吸引而移動(dòng)，將可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果以致生命危險(xiǎn)。一般在醫(yī)院的核磁共振檢查室門外，都有紅色或黃色的醒目標(biāo)志注明絕對(duì)嚴(yán)禁進(jìn)行核磁共振檢查的情況。身體內(nèi)有不能除去的其他金屬異物，如金屬內(nèi)固定物、人工關(guān)節(jié)、金屬假牙、支架、銀夾、彈片等金屬存留者，為檢查的相對(duì)禁忌，必須檢查時(shí)，應(yīng)嚴(yán)密觀察，以防檢查中金屬在強(qiáng)大磁場(chǎng)中移動(dòng)而損傷鄰近大血管和重要組織，產(chǎn)生嚴(yán)重后果，如無特殊必要一般不要接受核磁共振檢查。有金屬避孕環(huán)及活動(dòng)的金屬假牙者一定要取出后再進(jìn)行檢查。有時(shí)，遺留在體內(nèi)的金屬鐵離子可能影響圖像質(zhì)量， 甚至影響正確診斷在進(jìn)入核磁共振檢查室之前，應(yīng)去除身上帶的手機(jī)、呼機(jī)、磁卡、手表、硬幣、鑰匙、打火機(jī)、金屬皮帶、金屬項(xiàng)鏈、金屬耳環(huán)、金屬紐扣及其他金屬飾品或金屬物品。否則，檢查時(shí)可能影響磁場(chǎng)的均勻性，造成圖像的干擾，形成偽影，不利于病灶的顯示；而且由于強(qiáng)磁場(chǎng)的作用，金屬物品可能被吸進(jìn)核磁共振機(jī)，從而對(duì)非常昂貴的核磁共振機(jī)造成破壞；另外，手機(jī)、呼機(jī)、磁卡、手表等物品也可能會(huì)遭到強(qiáng)磁場(chǎng)的破壞，而造成個(gè)人財(cái)物不必要的損失。MRI近年來，隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，有許多骨科內(nèi)固定物，特別是脊柱的內(nèi)固定物，開始用鈦合金或鈦金屬制成。由于鈦金屬不受磁場(chǎng)的吸引，在磁場(chǎng)中不會(huì)移動(dòng)。因此體內(nèi)有鈦金屬內(nèi)固定物的病人，進(jìn)行核磁共振檢查時(shí)是安全的；而且鈦金屬也不會(huì)對(duì)核磁共振的圖像產(chǎn)生干擾。這對(duì)于患有脊柱疾病并且需要接受脊柱內(nèi)固定手術(shù)的病人是非常有價(jià)值的。但是鈦合金和鈦金屬制成的內(nèi)固定物價(jià)格昂貴，在一定程度上影響了它的推廣應(yīng)用。MRI檢查適應(yīng)癥1、 神經(jīng)系統(tǒng)病變：腦梗塞、腦腫瘤、炎癥、變性病、先天畸形、外傷等,為應(yīng)用最早的人體系統(tǒng)，目前積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)病變的定位、定性診斷較為準(zhǔn)確、及時(shí)，可發(fā)現(xiàn)早期病變。2、 心血管系統(tǒng)：可用于心臟病、心肌病、心包腫瘤、心包積液以及附壁血栓、內(nèi)膜片的剝離等的診斷。3、 胸部病變：縱隔內(nèi)的腫物、淋巴結(jié)以及胸膜病變等，可以顯示肺內(nèi)團(tuán)塊與較大氣管和血管的關(guān)系等。4、 腹部器官：肝癌、肝血管瘤及肝囊腫的診斷與鑒別診斷，腹內(nèi)腫塊的診斷與鑒別診斷，尤其是腹膜后的病變。5、 盆腔臟器；子宮肌瘤、子宮其它腫瘤、卵巢腫瘤，盆腔內(nèi)包塊的定性定位，直腸、前列腺［2］和膀胱的腫物等。6、 骨與關(guān)節(jié)：骨內(nèi)感染、腫瘤、外傷的診斷與病變范圍，尤其對(duì)一些細(xì)微的改變?nèi)绻谴靷扔休^大價(jià)值，關(guān)節(jié)內(nèi)軟骨、韌帶、半月板、滑膜、滑液囊等病變及骨髓病變有較高診斷價(jià)值。7、 全身軟組織病變：無論來源于神經(jīng)、血管、淋巴管、肌肉、結(jié)締組織的腫瘤、感染、變性病變等，皆可做出較為準(zhǔn)確的定位、定性的診斷。MRI(Matz'sRubyInterpreter)標(biāo)準(zhǔn)的Ruby實(shí)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)的Ruby解釋器4MRI檢查縮寫MRAMR血管成像，分為使用造影劑和不使用造影劑。MRCPMR膽管成像，顯示肝內(nèi)外膽管及膽囊，確定有無結(jié)石及膽道擴(kuò)張。MRUMR泌尿成像，顯示輸尿管及膀胱，確定有無尿路擴(kuò)張及畸形等疾病。MRMMR脊髓水成像，磁共振脊髓水能充分顯示椎管內(nèi)腦脊液形態(tài) ，是判斷椎管內(nèi)外病變性質(zhì)的新型可靠的檢查方法。缺點(diǎn)不足MR也存在不足之處。它的空間分辨率不及CT,帶有心臟起搏器的患者或有某些金屬異物的部位不能作MR的檢查，另外價(jià)格比較昂貴、掃描時(shí)間相對(duì)較長5MRI圖像的分析與診斷醫(yī)學(xué)影像學(xué)的關(guān)鍵就是了解黑白圖像是怎樣形成的。常規(guī) X線平片易為人們所了解，其黑白圖像形成的決定因素是記錄在影像接受器上 X線量的多少，這又取決于X線通過人體被照射部分的組織厚度、密度和原子序數(shù)。這些值越大，X線衰減越多，所形成的影像就白一些。 CT也同樣，CT值越高，圖像越亮（白）。MRI黑白圖像的形成就比較復(fù)雜，同一病變?cè)?些 MRI圖像上表現(xiàn)為黑的，而在另?些圖像上則為白的。視覺上黑白圖像不僅取決于組織的固有特性，也取決于成像技術(shù)（如所選擇的脈沖序列和掃描時(shí)間參數(shù)）。另外，組織的固有特性還可隨MRI掃描儀的場(chǎng)強(qiáng)大小而變化。對(duì)這些因素與圖像的關(guān)系必須了解。對(duì)每一組織來說，其T1;和地弛像時(shí)間均影響其信號(hào)強(qiáng)度， T;短的組織，信號(hào)強(qiáng)度大。信號(hào)強(qiáng)度越大， MRI圖象就越亮”或越白”也就是說在T1加權(quán)像上，T1短的組織表現(xiàn)較亮”或白”反之則暗”或黑”T2較短的組織表示在橫向平面上信號(hào)消失較快，反之則慢。因此 T。長的組織在T2加權(quán)圖像上表現(xiàn)為亮”或白'反之則暗”或黑”以腦脊液或囊腫內(nèi)液體為例，其T1是長的，T2也長。因此，在T1加權(quán)圖像上信號(hào)低，而在 T2加權(quán)圖像上則表現(xiàn)為高信號(hào)。Tl加權(quán)圖像，也就是選擇的脈沖序列，在組織對(duì)比上有突出不同組織間T1差別的作用。即在自旋回波序列(SE)中選用短TR、短TE(如TR/TE—500ms/20ms);反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(IR)中選用TR/TI/TE—2000ms/500ms/20ms或梯度回波序列中的反轉(zhuǎn)角(FA)大，TE短，女口TR/TE/FA—ID0ms/10ms/75”。T2加權(quán)圖像，也就是所選用的脈沖序列，在組織對(duì)比上有突出不同組織間T2差別的作用。 SE序列中用長TR，長TE，女口TR/TE—2500ms/80ms以及在梯度回波序列中， FA小(FA<20o)，TE長均可產(chǎn)生T2加權(quán)圖像。了解組織本身固有特性參數(shù)(如質(zhì)子密度，T1、T2和流動(dòng))對(duì)信號(hào)的影響，又了解不同脈沖序列的應(yīng)用意義，盡可能增加組織間對(duì)比，那么就可以大大增強(qiáng)影像診斷的有效性，病變就可以更為清晰地顯示出來。T1短的組織有脂肪、緩慢流動(dòng)的血液、血栓，含蛋白質(zhì)高的囊腫液體、順磁性物質(zhì)、正血紅蛋白。T1長的組織有腦脊液T2短的組織有順磁性離子，去氧血紅蛋白T2短的組織有順磁性離子，去氧血紅蛋白T2長的組織有腦脊液、合液囊腫、神經(jīng)膠質(zhì)增生、腦梗塞、慢性血腫。 MRI很多病理改變伴有游離水的增加、T1、T2弛豫時(shí)間與之有正相關(guān)的關(guān)系,即隨水含量的增加而延長，信號(hào)隨之變化。這樣就很容易區(qū)分正常的和病理的組織（見下圖）。6核磁共振技術(shù)的歷史1930年代，物理學(xué)家伊西多拉比發(fā)現(xiàn)在磁場(chǎng)中的原子核會(huì)沿磁場(chǎng)方向呈正向或反向有序平行排列，而施加無線電波之后，原子核的自旋方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)。這是人類關(guān)于原子核與磁場(chǎng)以及外加射頻場(chǎng)相互作用的最早認(rèn)識(shí)。由于這項(xiàng)研究，拉比于1944年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1946年兩位美國科學(xué)家布洛赫和珀塞爾發(fā)現(xiàn)，將具有奇數(shù)個(gè)核子（包括質(zhì)子和中子）的原子核置于磁場(chǎng)中，再施加以特定頻率的射頻場(chǎng)，就會(huì)發(fā)生原子核吸收射頻場(chǎng)能量的現(xiàn)象，這就是人們最初對(duì)核磁共振現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。為此他們兩人獲得了1950年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。人們?cè)诎l(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象之后很快就產(chǎn)生了實(shí)際用途，化學(xué)家利用分子結(jié)構(gòu)對(duì)氫原子周圍磁場(chǎng)產(chǎn)生的影響，發(fā)展出了核磁共振譜，用于解析分子結(jié)構(gòu)，隨著時(shí)間的推移，核磁共振譜技術(shù)不斷發(fā)展，從最初的一維氫譜發(fā)展到13C譜、二維核磁共振譜等高級(jí)譜圖，核磁共振技術(shù)解析分子結(jié)構(gòu)的能力也越來越強(qiáng)，進(jìn)入1990年代以后，人們甚至發(fā)展出了依靠核磁共振信息確定蛋白質(zhì)分子三級(jí)結(jié)構(gòu)的技術(shù)， 使得溶液相蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的精確測(cè)定成為可能。另一方面，醫(yī)學(xué)家們發(fā)現(xiàn)水分子中的氫原子可以產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象，利用這一現(xiàn)象可以獲取人體內(nèi)水分子分布的信息， 從而精確繪制人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在這一理論基礎(chǔ)上1969年，紐約州立大學(xué)南部醫(yī)學(xué)中心的醫(yī)學(xué)博士達(dá)馬迪安通過測(cè)核磁共振的弛豫時(shí)間成功的將小鼠的癌細(xì)胞與正常組織細(xì)胞區(qū)分開來，在達(dá)馬迪安新技術(shù)的啟發(fā)下紐約州立大學(xué)石溪分校的物理學(xué)家保羅 勞特伯爾于1973年開發(fā)出了基于核磁共振現(xiàn)象的成像技術(shù) （MRI），并且應(yīng)用他的設(shè)備成功地繪制出了一個(gè)活體蛤蜊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像。勞特伯爾之后， MRI技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用范圍日益廣泛，成為一項(xiàng)常規(guī)的醫(yī)學(xué)檢測(cè)手段，廣泛應(yīng)用于帕金森氏癥、多發(fā)性硬化癥等腦部與脊椎病變以及癌癥的治療和診斷。 20