核磁共振成像

温脑

  发现与发展

1924年，斯特恩和盖拉赫在原子束实验中观察到了锂原子和因原子的磁偏转。随后斯特恩等人测量了质子的磁距。1939比拉第一次做了核磁共振实验。   
1946年，哈佛大学珀赛尔(E.M.Purcell)用吸收发首次观测到石蜡中质子的核磁共振（NMR），几乎同时美国斯坦福大学布洛赫(F.Block)用感应法发现液态水的核磁共振现象。两人于1952年分享了诺贝尔物理学奖。   
迄今为止众多科学家因核磁共振领域的研究获得诺贝尔奖。   
自1940年研究磁距的技术得到了发展，如上述的斯特恩等人在这个时期作出了主要的贡献。其中拉比做了第一个实验。   
起初这项技术被用于气体物质，斯坦福的布洛赫 和哈佛的珀赛尔将其扩大到液体和固体。物理学家利用它研究原子核的性质，同时化学家利用它进行化学反应过程中的鉴定和分析工作，以及研究络合物、受阻转动和固体缺陷等。   
1973年，核磁共振技术被引入医学临床检测。为避免与核医学中放射成像混淆，缩写为（MR）。MR提供的信息量不但大于医学影像学中的其他许多成像术，而且不同于已有的成像术，因此，它对疾病的诊断具有很大的潜在优越性。它可以直接作出横断面、矢状面、冠状面和各种斜面的体层图像，不会产生CT检测中的伪影；不需注射造影剂；无电离辐射，对机体没有不良影响。MR对检测脑内血肿、脑外血肿、脑肿瘤、颅内动脉瘤、动静脉血管畸形、脑缺血、椎管内肿瘤、脊髓空洞症和脊髓积水等颅脑常见疾病非常有效，同时对腰椎椎间盘后突、原发性肝癌等疾病的诊断也很有效。   
外加磁场也由用磁铁，到电磁铁，最后到超导磁场。磁场强度大大增强，分辨率也大大提高。   
理论基础

       原子核有质子和中子组成，质子带正电，中子不带点，整个原子核显正。并且原子核处于高速的自旋中，相当于正电荷的运动形成电流。自旋又相当于一个环行电流，故产生了磁场。如图（1）  
       并不是所有的原子核都有磁性，只有那些质量数或者原子序数有一个是奇数时才能产生磁矩。由此，某些高速自旋的原子核有磁性。倘若将原子核置于外部磁场中，必然被外部磁场磁化，在磁场的激励下，某些原子核会具有2个或以上的能级，某些原子核处于低能级，某些处于高能级。这个举实际应用中做多的氢核来说明：1H 自旋量子数（I） 1/2， 没有外磁场时，其自旋磁矩取向是混乱的，在外磁场B中，它的取向就分为两种（2I + 1），一种与B磁场方向相反，能量较高，另外一种与磁场方向平行，能量较低。  
若在此刻，外加一个能级之间的能量，低能级的吸收这个能量就会跃迁到高能级，就产生了磁共振现象。当撤去这个能量后，高能级的就会释放能量向低能级演变，以射频信号的形式释放，形成T1和T2弛豫，可由RF接收器接收。  
                                                                                             
           图（1）                        图（2）
       各个组织的T1和T2各不相同，由此利用接收器来检测信号，对接收到的信号依据不同组织的弛豫时间来区分组织，利用计算机得出组织的分布图。  
       人体磁共振设备的组成如图（2）所示，主磁场由超导磁体构成，也可有永磁体和电磁体构成；梯度电源发生器是用来产生梯度磁场，用于空间编码；内部还有一个接收器；余下则是计算机部分，对采集的信号进行处理，产生特定的图像。  
       空间编码：若由上述方法来测量T1和T2，MRI得到的将是人体某个区域中的所有氢原子核受到激励，然后弛豫的信号，为了得到不同位置的结果或者功能性变化，必须在信号中加入空间位置信息，简单说来，就是定位发生共振的区域，即如何选择空间中的位置，如切片选择（Z方向），频率编码（X方向），相位编码（Y方向）。所用到的技术梯度磁场的概念以及2维傅立叶变换。  
       梯度磁场是指在主磁场上叠加一个随位置改变的磁场。若叠加在Z方向上，则导致在原磁场Z方向不同位置氢原子核进动频率不同（拉莫方程）。再利用某一频率的射频脉冲就可以有选择性的激发某一层的氢原子核，而不会影响到其他切面上的氢原子核。切面的宽度由梯度磁场的单位距离变化量和射频脉冲的频宽共同决定，梯度变化越大、脉冲频宽越窄将使切面越博，以上就是切面的选择。当激发了某一层氢原子核后，要在另外两个轴向上加上空间信息，使得关闭射频源后，在探测到的弛豫信号中分辨XY平面上的位置。  
       在切面的某一个轴向例如X方向上进行频率编码，加入X轴的位置信息。也是利用梯度磁场来实现。实现过程是：在选好切面后，在X方向上加一个梯度磁场，此时X方向不同位置的氢原子核受到的磁场略有不同，也用不同的频率进动，不同位置的FID也是按不同的频率衰减，此时探测到的信号是不同位置的信号的综合，可以用傅立叶变换将不同频率的信号分析出来，不同频率来自不同位置，即分辨出X方向上位置信息。  
       在切面另一个方向上进行相位编码Y方向，以标识Y方向位置信息。过程跟上述一致。同样在Y方向上加一个梯度磁场，同样Y方向上不同位置氢原子核以不同频率进动，但因为这个梯度磁场的影响，在关闭这个梯度磁场的瞬间，Y方向上不同位置氢原子核的指向略有不同，所以Y方向上的氢原子核以同样的频率但不同的相位进动。改变这个梯度磁场的强度，可使Y方向上不同位置原子核指向的差异增大或减小，而产生不同的相位编码。也可通过傅立叶变换将Y方向上的位置信息分离出来。  
       在标识完位置信息后，就可以通过组合不同的参数，来针对性的获得MRI的图像了。梯度磁场的图示如图（3）  
对比度

相关对比度主要包括T1， T2， 质子对比度。  
T1相关概念如前所述，当把组织置于磁场B中， 此时磁化强度沿B的分量方向M ,当在B垂直方向上加一射频脉冲，暂时改变磁化强度矢量M方向，撤消其后，M见向平衡状态恢复，习惯上把恢复到最大值的63%时所需时间来确定弛豫时间长短。这个是就T1。人体内的不同组织具有不同的T1 如表1。T1值较短的在图像上表现得较亮， 比如脂肪T1短，因此它的图像是亮的；体液比如脑脊液等T1值长，其图像是暗的。当T1值不同的组织，其之间的差别，就形成了T1的对比度，如下图（4）  
        
       在t = 0时刻，没有对比度，随着时间的推移，两中组织以不同的速度恢复，差别也越来越大，即对比度逐渐形成。当两组织完全恢复时，对比度再次消失。组织T1对比度图像对比度的影响程度取决于重复时间TR。只有在TR选取在两组织的差别较大时，才能产生T1加权图像。  
       质子密度对比度：每个体素中质子密度决定了弛豫过程中M能达到的最大值。密度大的M值也大。此时一般是来比较具有想同T1不同密度的组织。        
任意时刻的差别都是由密度的差异引起的。T1与质子密度的关系：在弛豫初期就T1和枝子密度对比度同时存在，但这个时候T1占优，此后质子密度逐渐占优，在M达到最大值时质子密度差异完全主导。  
       T2对比度：对组织施加与B垂直的射频脉冲时，磁化强度与B垂直，完全在XY平面上，此时Mxy（最大），这个状态当射频脉冲停止时，Mxy开始衰减，当衰减到37%最大值时，所需时间就是T2。对大多数组织来说，T2要比T1小如（表2）。不同组织的T2值不同,具有长T2的组织显像较亮。T2对比度就是不同组织件的T2值的差异，可转化为对比度。        
如上图中，开始时刻没有对比度，随着弛豫过程，各组织T2不同，衰减速度不同，对比度增加。在常规的自旋回波成像中，回波时间TE的选择是T2对比度大小的关键。  
         
特点和应用

MRI成像的特点：  
1．灰阶成像（主要是通过各个组织不同的弛豫时间，组织分辨率）  
2．流动效应（流空和流动增强）  
3．三维成像    
4．运动器官成像（血管、脑部运动观察）  
主要反映组织间的信号强度，T1加权有利于观察解剖结构，T2加权有利于  
观察病变组织。可由多个参数组合来突出特点。  
       磁共振检查技术  
              平扫（T1WI、T2WI、PDWI）增强（T1WI）动态增强（Dynamic MR）   
磁共振血管造影（MRA）脂肪抑制成像（STIR) 水抑制成像（FLAIR）   
水成像（MRCP、MRU、MRM）灌注成像（Perfusion）弥散成像（Diffusion）   
功能成像（function MR）   
       MRI应用于医学有它固有的优势，也有它的弱点。  
       磁共振利用人体的氢质子MR信号成像，从分子水平提供诊断信息；可在任意截面成像（冠状面、失状面、水平面）；具有优秀的软组织分辨率；不受骨伪影的影响；没有电离辐射，一定条件下可进行介入MRI治疗。  
       弱点包括以下几方面：成像速度慢（相对于X-CT）；对钙化灶和骨皮质灶不敏感；图像容易受多种伪影影响；对于心脏起博器和铁磁性医疗部件植入者不能进行MRI检查。  
       MRI主要面向发展成像速度更快，图像分辨率更高的设备。进一步降低费用，提供更加舒适、人性化的检查环境。  
       比如从原理上来说：开发研究新的成像参数，增强磁场强度，调整温度、压强、导电率、粘滞度、弹性等。从设备方面：开发新的脉冲序列，研究发展新的超导材料，4K技术，在接收器上，研究开发灵敏度更高的线圈。而在应用方面：比如血管造影技术心脏电影、介入MRI治疗、增强剂技术  
       今年发展热点：FMRI功能磁共振成像，主要是指脑功能磁共振成像；MRS磁共振波谱分析，化学移位，核磁矩，元素确定，体内化学成分分析；新的成像元素开发如P对于人类研究生物运动能量转化方面；专用小型便于携带的磁共振设备开发如关节磁共振，站立式磁共振设备  
附图：

            

                                梯度磁场 图（3）
         
            
         
进动示意图                                  能级示意图
参考文献：

[1] 核磁共振   
[2] 核磁共振技术及其应用ppt 蒋作宏 中国科学技术大学   
[3]  裘祖文，裴奉奎．核磁共振波谱[M]．北京：科学出版社，1989．253 ~ 277
[4] 金宝荣 MRI对比度的临床价值以及质量控制对策
         

来源：https://blog.csdn.net/yzhhmhm/article/details/2669118
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