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核磁共振成像(核成像技术)

核磁共振成像(英语:Nuclear Magnetic Resonance Imaging,简称NMRI),又称自旋成像(英语:spin imaging),也称磁共振成像Magnetic Resonance Imaging,简称MRI),台湾又称磁振造影,香港又称磁力共振成像,是利用核磁共振(nuclear magnetic resonance,简称NMR)原理,依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减,通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波,即可得知构成这一物体原子核的位置和种类,据此可以绘制成物体内部的结构图像。

将这种技术用于人体内部结构的成像,就产生出一种革命性的医学诊断工具。快速变化的梯度磁场的应用,大大加快了核磁共振成像的速度,使该技术在临床诊断、科学研究的应用成为现实,极大地推动了医学、神经生理学和认知神经科学的迅速发展。

从核磁共振现象发现到MRI技术成熟这几十年期间,有关核磁共振的研究领域曾在三个领域(物理学、化学、生理学或医学)内获得了6次诺贝尔奖,足以说明此领域及其衍生技术的重要性。

磁共振成像是一种较新的医学成像技术,国际上从一九八二年才正式用于临床。它采用静磁场和射频磁场使人体组织成像,在成像过程中,既不用电子离辐射、也不用造影剂就可获得高对比度的清晰图像。它能够从人体分子内部反映出人体器官失常和早期病变。它在很多地方优于X线CT。虽然X-CT解决了人体影像重叠问题,但由于提供的图像仍是组织对X射线吸收的空间分布图像,不能够提供人体器官的生理状态信息。当病变组织与周围正常组织的吸收系数相同时,就无法提供有价值的信息。只有当病变发展到改变了器官形态、位置和自身增大到给人以异常感觉时才能被发现。磁共振成像装置除了具备X线CT的解剖类型特点即获得无重叠的质子密度体层图像之外,还可借助核磁共振原理精确地测出原子核弛豫时间T1和T2,能将人体组织中有关化学结构的信息反映出来。这些信息通过计算机重建的图像是成分图像(化学结构像),它有能力将同样密度的不同组织和同一组织的不同化学结构通过影像显示表征出来。这就便于区分脑中的灰质与白质,对组织坏死、恶性疾患和退化性疾病的早期诊断效果有极大的优越性,其软组织的对比度也更为精确。

早在1946年,美国哈佛大学的Edward Purcell和斯坦福大学的Felix Block领导的两个研究小组发现了物质的核磁共振现象。他们二人于1952年被授予诺贝尔物理奖。核磁共振现象发现以后,很快就形成一门新的边缘学科,核磁共振波谱学。它可以使人们在不破坏样品的情况下,通过核磁共振谱线的区别来确定各种分子结构。这就为临床医学提供了有利条件。1967年,Jasper Jackson第一次从活的动物身上测得信号,使NMR方法有可能用于人体测量。1971年,美国纽约州立大学的R.Damadian教授利用核磁共振谱仪对鼠的正常组织与癌变组织样品的核磁共振特性进行的研究发现,正常组织与癌变组织中水质子的T1值有明显的不同。在X-CT发明的同年,1972年,美国纽约州立大学石溪分校的Paul C. Lauterbur第一个作了以水为样本的二维图像,显示了核磁共振CT的可能性,即自旋密度成像法。这些实验都使用限定的非均匀磁场,典型办法是使磁场强度沿空间坐标轴作线性变化,以识别从不同空间位置发出的核磁共振信号。1978年,核磁共振的图像质量已达到X线CT的初期水平,并在医院中进行人体试验。并最后定名为磁共振成像(MRI)。 [1]

原子核自旋,有角动量。由于核带电荷,它们的自旋就产生磁矩。当原子核置于静磁场中,本来是随机取向的双极磁体受磁场力的作用,与磁场作同一取向。以质子即氢的主要同位素为例,它只能有两种基本状态:取向“平行”和“反向平行”,他们分别对应于低能和高能状态。精确分析证明,自旋并不完全与磁场趋向一致,而是倾斜一个角度θ。这样,双极磁体开始环绕磁场进动。进动的频率取决于磁场强度。也与原子核类型有关。它们之间的关系满足拉莫尔关系:ω0=γB0,即进动角频率ω0是磁场强度B0与磁旋比γ的积。γ是每种核素的一个基本物理常数。氢的主要同位素,质子,在人体中丰度大,而且它的磁矩便于检测,因此最适合从它得到核磁共振图像。

从宏观上看,作进动的磁矩集合中,相位是随机的。它们的合成取向就形成宏观磁化,以磁矩M表示。就是这个宏观磁矩在接收线圈中产生核磁共振信号。在大量氢核中,约有一半略多一点处于低等状态。可以证明,处于两种基本能量状态核子之间存在动态平衡,平衡状态由磁场和温度决定。当从较低能量状态向较高能量状态跃迁的核子数等于从较高能量状态到较低能量状态的核子数时,就达到“热平衡”。如果向磁矩施加符合拉莫尔频率的射频能量,而这个能量等于较高和较低两种基本能量状态间磁场能量的差值,就能使磁矩从能量较低的“平行”状态跳到能量较高“反向平行”状态,就发生共振。

由于向磁矩施加拉莫频率的能量能使磁矩发生共振,那么使用一个振幅为B1,而且与作进动的自旋同步(共振)的射频场,当射频磁场B1的作用方向与主磁场B0垂直,可使磁化向量M偏离静止位置作螺旋运动,或称章动,即经射频场的力迫使宏观磁化向量环绕它作进动。如果各持续时间能使宏观磁化向量旋转90角,他就落在与静磁场垂直的平面内。可产生横向磁化向量Mxy。如果在这横向平面内放置一个接收线圈,该线圈就能切割磁力线产生感生电压。当射频磁场B1撤除后,宏观磁化向量经受静磁场作用,就环绕它进动,称为“自由进动”。因进动的频率是拉莫尔频率,所感生的电压也具有相同频率。由于横向磁化向量是不恒定,它以特征时间常数衰减至零为此,它感生的电压幅度也随时间衰减,表现为阻尼振荡,这种信号就称为自由感应衰减信号(FID, Free Induction Decay)。信号的初始幅度与横向磁化成正比,而横向磁化与特定体元的组织中受激励的核子数目成正比,于是,在磁共振图像中可辨别氢原子密度的差异。

因为拉莫尔频率与磁场强度成比例,如果磁场沿X轴成梯度改变,得到的共振频率也显然与体元在X轴的位置有关。而要得到同时投影在二个坐标轴X-Y上的信号,可以先加上梯度磁场GX,收集和变换得到的信号,再用磁场GY代替GX,重复这一过程。在实际情况下,信号是从大量空间位置点收集的,信号由许多频率复合组成。利用数学分析方法,如富里叶变换,就不但能求出各个共振频率,即相应的空间位置,还能求出相应的信号振幅,而信号振幅与特定空间位置的自旋密度成比例。所有核磁共振成像方法都以这原理为基础。 [2]

用梯度磁场对共振信号作空间编码(定位)的办法得到的图像,实质上是人体组织内质子的密度图。磁共振象素值反映的横向磁化不但与质子数量有关,而且与它们的运动特性,即所谓“弛豫时间”有关。

在自由进动阶段,磁化向量经过一个称为“弛豫”的过程,回到它的原始静止位置。弛豫过程的特性由时间常数T1和T2描述。为了作简单的热力学模拟,提出“自旋温度”的概念。认为经射频磁场激励后的自旋是“热”的,核子的环境便称“晶格”,可把它的理解成一个热容量很大的容器,通过“热”接触吸收核子多余的能量。自旋与晶格的绝“热”十分有效,“热”传递慢,弛豫时间就长。纯水中,室温下,质子的自学晶格驰豫时间约3秒,在生物组织中,它在几百毫秒自约2秒之间。自旋晶格弛豫时间T1是纵向磁化向量MZ复位的过程,因此丁也叫纵向弛豫时间。复位过程遵守指数规律,90度脉冲之后,经过T1秒,复位到它静止值的63%。

经过射频磁场激励之后,除纵向磁化分量要恢复,横向磁化分量MXY也要衰减,使信号逐渐消失。如果磁场是理想均匀的,即全部核子完全经受同一磁场强度,这横向磁化分量以常数T2衰减,它叫横向或自旋-自旋弛豫时间。由于实际上的磁场的不均匀,FID衰减过程的有效时间常数T2*要比T2短。

由于FID信号不表示纵向磁化向量,也不能正确表示横向磁化分量衰减的实际时间常数,所以,实际测量是都是利用给予一定的脉冲序列(180度和90度射频激励脉冲组成一定的脉冲序列)来进行间接测量,以获得T1加权的和T2加权的图像。

选择不同的脉冲序列和不同的成像时间,磁共振设备可形成质子密度图像、加权的图像和加权的图像。找出正常组织与有病组织间弛豫时间差异的特点是很重要。

主要有三大基本构件组成,即磁体部分、磁共振波谱仪部分、数据处理和图像重建部分。

磁体部分

磁体主要有主磁体(产生强大的静磁场)、补偿线圈(校正线圈)、射频线圈和梯度线圈组成。

主磁体用以提供强大的静磁场,而且要求较大的空间范围(能容纳病人),保持高度均匀的磁场强度。衡量磁体的性能有四条标准:磁场强度、时间稳定性、均匀性、孔道尺寸。增加静磁场强度可使检测灵敏度提高,即扫描时间缩短和空间分辨率提高。但也会使射频场的穿透深度减少。磁场强度为0.35T时,可以得到很好的空间分辨率,当前临床上所用的较高的磁场强度为1.5T。

主磁体分三类:普通电磁体、永磁体和超导磁体。普通电磁体是利用较强的直流电流通过线圈产生磁场。维持一个主磁体磁场的耗电约为100kW。一般需要通电数小时后,磁场才能达到稳定状态。线圈中流过大电流将产生大量热,要通过热交换器以冷却水散热。永磁材料经外部激励电源一次充磁后,去掉激励电源仍长期保持及磁性,磁场强度很易保持稳定。因此,磁体维护简便,维持费用最低。其缺点是重量较大,因而很难达到1T场强。当前场强限制在0.5T以下。超导磁体当前是用得比较多的。在超导状态下,电流流过导体时没有电阻损耗,从而不会使导体升温。同样直径的导线在超导状态下可以通过更大电流而不损坏。用超导材料制成的线圈通以强大电流可产生强大磁场,而且在外加电流切断后,超导线圈中的电流仍保持不变,因而超导磁场极为稳定。为了维持超导状态,必须将超导线圈放在杜瓦罐中浸入液氦,液氦的温度为4.7K。为减少液氦的蒸发消耗,在其外面的圆筒中还要设液氮(77.4K)缓冲层。在使用过程中要适时补充液氦及液氮。近年来由于真空保温技术的进步,可省掉液氮的二级冷却,单纯使用液氦保持超导条件。

补偿线圈的作用是补偿主磁场线圈,使其产生的静磁场逼近理想均匀磁场。由于精度要求高而且校准工作极其繁琐,一般是以计算机辅助进行,需要多次测量、多次计算和修正才能达到要求。一般是采取各种形状的线圈并根据具体情况,通以不同电流,以弥补基础场的不均匀处。

射频线圈是用于向人体辐射出指定频率和一定功率的射频电磁波,用以激励器原子核的共振的。这种线圈应和主磁场相互垂直,并且尽可能在人体形成较均匀地射频场,并使它尽量接近人体以使发射和接收过程具有较高的效率。有的射频线圈包括发射线圈和接受线圈二部分,也有的收、发兼用。此外,还有头部接收线圈、肢体线圈,颈线圈、脊椎线圈、眼窝线圈、胸线圈等多种专用的表面线圈,以提高转换效率和图像质量。

梯度线圈需要特定的梯度电源。它与专用的梯度线圈严格匹配,电源稳定度要求万分之一。梯度电源和补偿电源一般都采用水冷却。另外,主磁场的逸散磁场对周围影响很大,主要影响对象是各种磁盘、图像显示器、影像增强器和戴起搏器的病人等。外界磁性物体对主磁体均匀度也有影响。

磁共振波谱仪部分

主要包括射频发射部分和一套磁共振信号的接收系统。发射部分相当于一部无线电发射机,它是波形和频谱精密可调的单边带发射装置,其峰值发射功率有数百瓦至十五千瓦可调。接收系统用来接收人体反映出来的自由感应衰减信号。由于这种信号极微弱,故要求接收系统的总增益很高,噪声必须很低。一般波谱仪都采用超外差式接收系统,其主要增益可取之中频放大器。由于中频放大器工作在与发射系统不同的频段上,可避免发射直接干扰。在预放大器与中放器之间设有一个接收门,实际上也就是一个射频开关,它主要是在发射系统工作瞬间关闭,防止强大的射频发射信号进入接收系统。经中频放大后的FID信号一般幅值都超过0.5伏,可进行检波。检波后,信号还要进行放大和滤波。

数据处理和图像重建部分

磁共振信号首先通过变换器变为数字量,并存入暂存器。图像处理机按所需方法处理原始数据,获得磁共振的不同参数图像,并存入图像存储器。这种图像可根据需要进行一系列的后置处理。后置处理内容分为两大类:其一是通用的图像处理,其二是磁共振专用的图像处理,如计算T1值、T2值、质子密度的。至少应采用三十二位阵列处理机。经重建后的图像依次送入高分辨率的显示装置,也可存入磁盘和通过多幅照相机制成硬拷贝。

控制台一般是由主诊断控制台和辅助诊断控制台,两个台可提高病人流通量。显示器也有两个,一个是字符显示器,菜单式操作软件也在此显示。另一个是高分辨率大屏幕图像显示器。

整个系统由主计算机控制。系统工作时,主计算机同时控制个单片机系统工作。

检查目的

侦测及诊断心脏疾病、脑血管意外及血管疾病

胸腔及腹腔的器官疾病的侦测与诊断

诊断及评价、追踪肿瘤的情况及功能上的障碍

MRI被广泛运用在运动相关伤害的诊断上,对近骨骼和骨骼周围的软组织,包括韧带与肌肉,可呈现清晰影像,因此在脊椎及关节问题上,是极具敏感的检查。

因MRI没有辐射暴露的危险,因此经常被使用在生殖系统、乳房、骨盆及膀胱病的侦测及诊断上。

原理概述

氢核是人体成像的首选核种:人体各种组织含有大量的水和碳氢化合物,所以氢核的核磁共振灵活度高、信号强,这是人们首选氢核作为人体成像元素的原因。NMR信号强度与样品中氢核密度有关,人体中各种组织间含水比例不同,即含氢核数的多少不同,则NMR信号强度有差异,利用这种差异作为特征量,把各种组织分开,这就是氢核密度的核磁共振图像。人体不同组织之间、正常组织与该组织中的病变组织之间氢核密度、弛豫时间T1、T2三个参数的差异,是MRI用于临床诊断最主要的物理基础。

当施加一射频脉冲信号时,氢核能态发生变化,射频过后,氢核返回初始能态,共振产生的电磁波便发射出来。原子核振动的微小差别可以被精确地检测到,经过进一步的计算机处理,即可能获得反应组织化学结构组成的三维图像,从中我们可以获得包括组织中水分差异以及水分子运动的信息。这样,病理变化就能被记录下来。

人体2/3的重量为水分,如此高的比例正是磁共振成像技术能被广泛应用于医学诊断的基础。人体内器官和组织中的水分并不相同,很多疾病的病理过程会导致水分形态的变化,即可由磁共振图像反应出来。

MRI所获得的图像非常清晰精细,大大提高了医生的诊断效率,避免了剖胸或剖腹探查诊断的手术。由于MRI不使用对人体有害的X射线和易引起过敏反应的造影剂,因此对人体没有损害。MRI可对人体各部位多角度、多平面成像,其分辨力高,能更客观更具体地显示人体内的解剖组织及相邻关系,对病灶能更好地进行定位定性。对全身各系统疾病的诊断,尤其是早期肿瘤的诊断有很大的价值。

磁共振成像的优点

与1901年获得诺贝尔物理学奖的普通X射线或1979年获得诺贝尔医学奖的计算机层析成像(computerized tomography,CT)相比,磁共振成像的最大优点是它是当前少有的对人体没有任何伤害的安全、快速、准确的临床诊断方法。如今全球每年至少有6000万病例利用核磁共振成像技术进行检查。具体说来有以下几点:

对软组织有很好的分辨力。对膀胱、直肠、子宫、阴道、骨、关节、肌肉等部位的检查比CT优胜;

各种参数都可以用来成像,多个成像参数能提供丰富的诊断信息,这使得医疗诊断和对人体内代谢和功能的研究方便、有效。例如肝炎和肝硬化的T1值变大,而肝癌的T1值更大,作T1加权图像,可区别肝部良性肿瘤与恶性肿瘤;

通过调节磁场可自由选择所需剖面。能得到其它成像技术所不能接近或难以接近部位的图像。对于椎间盘和脊髓,可作矢状面、冠状面、横断面成像,可以看到神经根、脊髓和神经节等。不像CT只能获取与人体长轴垂直的横断面;

对人体没有电离辐射损伤;

原则上所有自旋不为零的核元素都可以用以成像,例如氢(H)、碳(C)、氮(N和N)、磷(P)等。

MRI的缺点及可能存在的危害

虽然MRI对患者没有致命性的损伤,但还是给患者带来了一些不适感。在MRI诊断前应当采取必要的措施,把这种负面影响降到最低限度。其缺点主要有:

和CT一样,MRI也是解剖性影像诊断,很多病变单凭核磁共振检查仍难以确诊,不像内窥镜可同时获得影像和病理两方面的诊断;

对肺部的检查不优于X射线或CT检查,对肝脏、胰腺、肾上腺、前列腺的检查不比CT优越,但费用要高昂得多;

对胃肠道的病变不如内窥镜检查;

扫描时间长,空间分辨力不够理想;

由于强磁场的原因,MRI对诸如体内有磁金属或起搏器的特殊病人不能适用。

MRI系统可能对人体造成伤害的因素主要包括以下方面:

强静磁场:在有铁磁性物质存在的情况下,不论是埋植在患者体内还是在磁场范围内,都可能是危险因素;

随时间变化的梯度场:可在受试者体内诱导产生电场而兴奋神经或肌肉。外周神经兴奋是梯度场安全的上限指标。在足够强度下,可以产生外周神经兴奋(如刺痛或叩击感),甚至引起心脏兴奋或心室振颤;

射频场(RF)的致热效应:在MRI聚焦或测量过程中所用到的大角度射频场发射,其电磁能量在患者组织内转化成热能,使组织温度升高。RF的致热效应需要进一步探讨,临床扫描仪对于射频能量有所谓“特定吸收率”(specific absorption rate, SAR)的限制;

噪声:MRI运行过程中产生的各种噪声,可能使某些患者的听力受到损伤; [3]

MRI在化学领域的应用没有医学领域那么广泛,主要是因为技术上的难题及成像材料上的困难,当前主要应用于以下几个方面:

在高分子化学领域,如碳纤维增强环氧树脂的研究、固态反应的空间有向性研究、聚合物中溶剂扩散的研究、聚合物硫化及弹性体的均匀性研究等;

在金属陶瓷中,通过对多孔结构的研究来检测陶瓷制品中存在的沙眼;

在火箭燃料中,用于探测固体燃料中的缺陷以及填充物、增塑剂和推进剂的分布情况;

在石油化学方面,主要侧重于研究流体在岩石中的分布状态和流通性以及对油藏描述与强化采油机理的研究。

核磁共振分析技术是通过核磁共振谱线特征参数(如谱线宽度、谱线轮廓形状、谱线面积、谱线位置等)的测定来分析物质的分子结构与性质。它可以不破坏被测样品的内部结构,是一种完全无损的检测方法。同时,它具有非常高的分辨本领和精确度,而且可以用于测量的核也比较多,所有这些都优于其它测量方法。因此,核磁共振技术在物理、化学、医疗、石油化工、考古等方面获得了广泛的应用。

磁共振显微术(MR microscopy, MRM/μMRI)是MRI技术中稍微晚一些发展起来的技术,MRM最高空间分辨率是4μm,已经可以接近一般光学显微镜像的水平。MRM已经非常普遍地用作疾病和药物的动物模型研究。

活体磁共振能谱(in vivo MR spectroscopy, MRS)能够测定动物或人体某一指定部位的NMR谱,从而直接辨认和分析其中的化学成分。

人脑是如何思维的,一直是个谜。而且是科学家们关注的重要课题。而利用MRI的脑功能成像则有助于我们在活体和整体水平上研究人的思维。其中,关于盲童的手能否代替眼睛的研究,是一个很好的样本。正常人能见到蓝天碧水,然后在大脑里构成图像,形成意境,而从未见过世界的盲童,用手也能摸文字,文字告诉他大千世界,盲童是否也能“看”到呢?专家通过功能性MRI,扫描正常和盲童的大脑,发现盲童也会像正常人一样,在大脑的视皮质部有很好的激活区。由此可以初步得出结论,盲童通过认知教育,手是可以代替眼睛“看”到外面世界的。


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