磁共振成像的原理及临床应用我要骨科（51 骨科）网www.book118.com What is MRI ? 磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging ,MRI) ，又称核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance ,NMR ），是一种新的、非创伤性的成像方法，它不用电离辐射而可以显示出人体内部解剖结构。利用一定频率的射频信号（radio frequency ，RF ）在一外加静磁场内，对人体的任何平面，产生高质量的切面成像（cross sectional imaging ）。第一节MRI 发展概况1946 年美国斯坦福（Stanford ）大学的Felix Bloch 和哈佛（Harvard ）大学的Edward Purcell 各自进行研究，检测到大块物质内核磁共振吸收，更清楚地阐述了原子核自旋(Spin) 的存在，几乎同时发表他们的研究成果，为此，他们共同获得了1952 年诺贝尔物理学奖。NMR 的应用逐渐地从物理和化学领域，扩大到更为广泛的学科，如考古学直至医学。第一节MRI 发展概况在医学影像学方面，1973 年Lauterbur 研究出MRI 所需要的空间定位方法，也就是利用梯度场。他的研究结果是获得水的模型的图像。在以后的10 年中，人们进行了大量的研究工作来制造磁共振扫描机，并产生出人体各部位的高质量图像，先后通过MR 扫描，获得手、胸、头和腹部的图像。1980 年商品化MRI 装置问世。第二节MRI 的基本原理本节介绍核磁共振这一物理现象最基本的理论知识，我们应用一般物理学、力学及磁学的原理阐述。一、原子核及其在磁场内的特性人体由很多分子组成，分子由原子组成；所有原子的核心都是原子核；带正电荷和中性粒子的集合体；占原子质量的绝大部分；一、原子核及其在磁场内的特性从理论上讲，很多元素都可以用核磁共振来成像。也就是任何一个原子核，只要其所含的质子或中子的任何一个为奇数时，就具备磁性，就可以产生磁共振信号。一、原子核及其在磁场内的特性MRI 主要是应用于氢核的成像，这是出于：一是Ｈ对其磁共振信号的敏感性高；Ｈ的旋磁比最高，因此最敏感，即MR 信号被测出的效率，随共振信号频率的增加而改善。二是它在自然界含量丰富。氢存于水和脂肪中，因而在人体中极为丰富，每立方毫米软组织中含有约1019 个Ｈ原子，其所产生的磁共振信号要比其他原子强1000 倍。一、原子核及其在磁场内的特性由于1Ｈ只有一个质子，没有中子，所以氢核的成像也称质子成像。氢核有两个特性：其一是它含有一个不在核中心的正电荷；其二是它有角动量或自旋。Pauli 理论，具有奇数原子质量或奇数原子数的核均具有角动量及具有特征性的、大于零的自旋量子数。一、原子核及其在磁场内的特性自旋的氢核其正电荷沿着一近似圆形路线运动，犹如电流通过环形线圈一样，从而在其周围产生一磁场。此滋场的大小与方向用磁矩来表示，形成一个微观的磁体偶极子。一、原子核及其在磁场内的特性共振是一种常见的现象。指南针是我们最熟悉的磁体，地球是一个磁场。指南针在地球表面作定向排列，即在静止状态下指北。如果我们用手指轻击指南针，使之来回摆动，直到指南针从我们手指上得到的能量全部放出后，又回到原来的位置，指北。这就是共振现象。针摆动的频率为共振頻率。一、原子核及其在磁场内的特性共振频率与外磁场强度成正比。地球的两极场强最强，赤道最弱。在赤道与两极之间，磁场强度逐渐变化，称梯度磁场或简称梯度。如果指南针在赤道摆动的频率为１周/秒，越向北其摆动的频率越快。这是因为北极滋场强度较赤道大2.3 倍。一、原子核及其在磁场内的特性这个简单的例子可以帮助我们了解磁共振成像中的基本要点：①指南针置于磁场中与外磁场的方向作定向排列；②指南针的共振频率与外磁场强度成正比；③当有梯度磁场时，根据指针摆动频率的变化可以推断其在磁场中所处的位置。一、原子核及其在磁场内的特性众多的氢核（质子）就是许多微观的磁偶极子，在没有外加磁场影响下，它们的磁矩是任意指向，杂乱无章地排列着。在这种情况的组织标本中，净磁量为零。一、原子核及其在磁场内的特性将这些指向杂乱无章的质于置于强大的静磁场(B0) 中时，质于群的磁矩将会沿静磁场的方向作定向排列。略超过半数的质子与静磁场B0 平行排列，略少于半数的质子则指向相反（与静磁场呈反平行方向排列)。一、原子核及其在磁场内的特性当有两种可能的排列状态时，耗能少的、处于低能态的排列状态占优势。一、原子核及其在磁场内的特性低能量级的、平行于静磁场方向的质子与高能量级的、反平行于静磁场方向的质子来回翻转，相互抵消，而产生平衡的磁化量Ｍ0，也就是在一定量的组织中，所有氢核的磁化量的总和。这一净平衡磁化量的指向与外加静磁场是一致的。要使置于外加静磁场内的组织标本达到磁化，需要足够的时间（约为：5～10 秒）。二、磁共振是怎样发生的每个质子为细小的自旋磁体，当受到外加静磁场的作用时，静磁场对质子的磁矩产生扭转作用，这样就使质子顺着外加静磁场的中轴旋转，称为进动；它如同旋转的陀螺受地心引力一样。二、磁共振是怎样发生的以坐标系来表示每个质子受到外加静磁场的作用时的磁力的方向大小。二、磁共振是怎样发生的平衡状态中，净磁化矢量并不在接受线圈中产生感应电流要获得自旋信息，净磁化矢量必须被搅乱或激励可用射频脉冲一种短促的无线电波，与感兴趣核的拉莫尔频率一致净磁化从平衡方向产生不同程度的偏转角度射频脉冲激励时，净磁化以拉莫尔频率或共振频率沿主磁场方向进动二、磁共振是怎样发生的射频脉冲激励时，净磁化以拉莫尔频率或共振频率沿主磁场方向进动二、磁共振是怎样发生的射频激励脉冲实际上是另一个磁场（B1 ）B1 方向垂直于Bo 及作用非常短的时间B1 磁场的作用是使磁化沿其进动，从垂直方向转向Mxy 平面二、磁共振是怎样发生的净磁化(M) 有两个矢量成分：横向面的Mxy 和纵向面的Mz 只有在XY 平面的成分能被探测到调整射频脉冲强度和时间，使磁化从平衡状态翻转90 度时，可获得最大磁共振信号二、磁共振是怎样发生的场强与进动频率的关系以Larmor 公式表示：ω０＝γＢ０ω0 ＝质子的共振频率（MHz ）（进动频率）Ｂ0＝外加静磁场场强，单位是Tesla ，简称Ｔγ＝旋磁比，是一个常数，氢核的旋磁比为42.58MHz/T 从上述公式可知，场强为1T 时，那么进动频率（ω0 ）即等于γ值（旋磁比）。二、磁共振是怎样发生的频率（ω0 ）非常重要，其原因如下：①在病人作MRI 检查时，必须用这样频率的电磁波（RF 脉冲），方可激励原子核；②MR 仪的接收器必须调谐至此频率，以便接收来自病人的信号。二、磁共振是怎样发生的当给一定磁场中含氢的标本以一个与Larmor 频率相匹配的射频脉冲激发时，质子吸收能量，又将吸收的能量以相同频率的无线电波形式释放出来。这一吸收能量的过程称激励。二、磁共振是怎样发生的在Larmor 频率条件下，质子吸收及释放能量的过程称为核磁共振。二、磁共振是怎样发生的核即原子核，磁有两种含义：①外加静磁场B0 ；②由射频脉冲产生的激励磁场B1 。B0 与B1 有以下方面的不同：首先，B0 的场强大约是B1 的10000 倍；其次，B0 是恒定的，方向与磁体扫描膛平行，B1 磁场迅速转动，方向总是与B0 垂直。二、磁共振是怎样发生的用射频线圈做天线接收器，将释放出来的能量转化为信号。在进行人体磁共振成像时，信号的强度取决于质于的数量，也即质子的密度。脂肪、肌肉、血液以及骨胳中质子含量的不同，决定磁共振图像中各种组织信号的强弱和对比，这种图像即称为质于密度像。二、磁共振是怎样发生的除了组织中质于含量的不同对成像起作用以外，还有其他的组织特性对磁共振图像的信号有更为重要的影响，这就是组织磁化的弛豫时间。三、弛豫时间与X线和CT 成像的原理不同，MRI 没有X线辐射，而主要利用质子密度与质子的弛豫时间（T1 与T2 ）的差异成像，尤其是弛豫时间更为重要。因为质子在人体中的差异仅10 ％，但弛豫时间可相差百分之数百。三、弛豫时间弛豫时间可反映分子水平上的差别，从而发现人体生物化学与生理学的早期改变。这样就不同于过去仅从病理解剖学的基础上来表达疾病的传统概念，而是能更早期发现人体内生理、生化的改变。三、弛豫时间若要充分认识一幅MRI 图像中强弱信号的意义，必须对射频脉冲以及射频脉冲去除后，在静磁场作用下，从高能状态（与磁场垂直的位置）到低能状态（与磁场平行的位置）的恢复过程，即弛豫过程，有所认识。（一）质子（氢核）的T1 弛豫质于在受到射频脉冲激励后，吸收能量；当射频脉冲一停止，纵向磁化开始恢复，质子释放能量；此时，将在接收线圈中产生RF 信号；（一）质子（氢核）的T1 弛豫纵向磁化的恢复率是以纵向弛豫时间（T1 ）来表示的；T1 就是沿静磁场方向的纵向磁化恢复约2/3 （63 ％）所需的时间。（一）质子（氢核）的T1 弛豫T1 是时间常数，生物组织的T1 值从大约50 毫秒到几秒不等不同的组织具有不同的T1 值：脂肪为150 ～250ms 。而脑脊液则为2～3s 。T1 弛豫又称纵向弛豫、热弛豫，自旋-晶格弛豫。它是纵向磁化恢复的过程，在这过程中有能量传递，是以热的形式逸散。它又反映了分子运动频率与Larmor 频率之间的关系，如果二者相同，T1 弛豫有效，并且迅速，如果不相同，T1 弛豫无效。（二）质子的T2 弛豫当射频脉冲的激励刚一停止，所有质于的进动频率一致，即相位一致，此时信号最强。由于外加静磁场强度的不均匀以及存在空间定位的梯度场，从而使质子的进动频率发生变化，而失去其相位一致性，称失相位。第三种因素则反映人体组织的固有特性，那就是磁化的质子间的相互作用，以及与由于分子和巨分子所建立的磁环境的相互作用，而引起的相位不一致，这样产生的相位不一致是不可逆的。（二）质子的T2 弛豫相位不一致，一些质子进动快，一些则进动慢，这是受局部磁环境的影响所致，其结果是净横向磁化衰减（decay ）。此时，在接收器线圈中所得到的信号减少，以至完全丧失。衰减63 ％的横向磁化所需的时问，亦即横向磁化衰减至其原有值的37 ％所需时间，即为T2 弛豫时间。（二）质子的T2 弛豫（二）质子的T2 弛豫T2 弛豫时间又称横向弛豫时间，又称自旋-自旋弛豫时间。自旋一词取自核的自旋；T2 总是比T１短约为T１的10 ％－20 ％。三、弛豫时间应用一空间坐标系X- ，Y- ，Z- 轴加以叙述，磁矢量Ｍ，代表一个小范围组织内也即一个体积元（体素）内所有质子的磁化强度及方向。三、弛豫时间当