MRI的基本原理？要通俗版的

【專家解說】：核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance Imaging‎，簡稱NMRI‎），又稱自旋成像（spin imaging‎），也稱磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging‎，簡稱MRI‎），臺灣又稱磁振造影，是利用核磁共振（nuclear magnetic resonnance‎，簡稱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，通過外加梯度磁場檢測所發(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奶荻却艌龅膽?yīng)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，極大地推動了醫(yī)學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)和認知神經(jīng)科學(xué)的迅速發(fā)展。 物理原理 核磁共振成像是隨著計算機技術(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)。它是利用磁場與射頻脈沖使人體組織內(nèi)進動的氫核（即H+）發(fā)生章動產(chǎn)生射頻信號，經(jīng)計算機處理而成像的。原子核在進動中，吸收與原子核進動頻率相同的射頻脈沖，即外加交變磁場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”指的是氫原子核，因為人體的約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。通過一個磁共振成像掃描人類大腦獲得的一個連續(xù)切片的動畫，由頭頂開始，一直到基部。 核磁共振成像是隨著-{zh-tw:電腦;zh-cn:計算機}-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“核”的恐懼心理，故常將這門技術(shù)稱為磁共振成像。它是利用磁場與射頻脈沖使人體組織內(nèi)進動的氫核（即H+）發(fā)生章動產(chǎn)生射頻信號，經(jīng)-{zh-tw:電腦;zh-cn:計算機}-處理而成像的。 原子核在進動中，吸收與原子核進動頻率相同的射頻脈沖，即外加交變磁場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”。 氫核是人體成像的首選核種：人體各種組織含有大量的水和碳氫化合物，所以氫核的核磁共振靈活度高、信號強，這是人們首選氫核作為人體成像元素的原因。NMR信號強度與樣品中氫核密度有關(guān)，人體中各種組織間含水比例不同，即含氫核數(shù)的多少不同，則NMR信號強度有差異，利用這種差異作為特征量，把各種組織分開，這就是氫核密度的核磁共振圖像。人體不同組織之間、正常組織與該組織中的病變組織之間氫核密度、弛豫時間T1、T2三個參數(shù)的差異，是MRI用于臨床診斷最主要的物理基礎(chǔ)。 當(dāng)施加一射頻脈沖信號時，氫核能態(tài)發(fā)生變化，射頻過后，氫核返回初始能態(tài)，共振產(chǎn)生的電磁波便發(fā)射出來。原子核振動的微小差別可以被精確地檢測到，經(jīng)過進一步的計算機處理，即可能獲得反應(yīng)組織化學(xué)結(jié)構(gòu)組成的三維圖像，從中我們可以獲得包括組織中水分差異以及水分子運動的信息。這樣，病理變化就能被記錄下來。 人體2/3的重量為水分，如此高的比例正是磁共振成像技術(shù)能被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷的基礎(chǔ)。人體內(nèi)器官和組織中的水分并不相同，很多疾病的病理過程會導(dǎo)致水分形態(tài)的變化，即可由磁共振圖像反應(yīng)出來。 MRI所獲得的圖像非常清晰精細，大大提高了醫(yī)生的診斷效率，避免了剖胸或剖腹探查診斷的手術(shù)。由于MRI不使用對人體有害的X射線和易引起過敏反應(yīng)的造影劑，因此對人體沒有損害。MRI可對人體各部位多角度、多平面成像，其分辨力高，能更客觀更具體地顯示人體內(nèi)的解剖組織及相鄰關(guān)系，對病灶能更好地進行定位定性。對全身各系統(tǒng)疾病的診斷，尤其是早期腫瘤的診斷有很大的價值。 系統(tǒng)組成 NMR實驗裝置 采用調(diào)節(jié)頻率的方法來達到核磁共振。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，射頻振蕩器的輸出就會出現(xiàn)一個吸收峰，這可以在示波器上顯示出來，同時由頻率計即刻讀出這時的共振頻率值。核磁共振譜儀是專門用于觀測核磁共振的儀器，主要由磁鐵、探頭和譜儀三大部分組成。磁鐵的功用是產(chǎn)生一個恒定的磁場；探頭置于磁極之間，用于探測核磁共振信號；譜儀是將共振信號放大處理并顯示和記錄下來。 MRI系統(tǒng)的組成 現(xiàn)代臨床高場(3.0T)MRI掃描器[編輯] 磁鐵系統(tǒng) 靜磁場：又稱主磁場。當(dāng)前臨床所用超導(dǎo)磁鐵，磁場強度有0.5到4.0T(特斯拉)，常見的為1.5T和3.0T；動物實驗用的小型MRI則有4.7T、7.0T與9.4T等多種主磁場強度。另有勻磁線圈（shim coil）協(xié)助達到磁場的高均勻度。 梯度場：用來產(chǎn)生并控制磁場中的梯度，以實現(xiàn)NMR信號的空間編碼。這個系統(tǒng)有三組線圈，產(chǎn)生x、y、z三個方向的梯度場，線圈組的磁場疊加起來，可得到任意方向的梯度場。 射頻系統(tǒng) 射頻（RF）發(fā)生器：產(chǎn)生短而強的射頻場，以脈沖方式加到樣品上，使樣品中的氫核產(chǎn)生NMR現(xiàn)象。 射頻（RF）接收器：接收NMR信號，放大后進入圖像處理系統(tǒng)。 計算機圖像重建系統(tǒng) 由射頻接收器送來的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器，把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)信號，根據(jù)與觀察層面各體素的對應(yīng)關(guān)系，經(jīng)計算機處理，得出層面圖像數(shù)據(jù)，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器，加到圖像顯示器上，按NMR的大小，用不同的灰度等級顯示出欲觀察層面的圖像。 MRI的基本方法 選片梯度場Gz 相編碼和頻率編碼 圖像重建 磁共振成像的優(yōu)點 與1901年獲得諾貝爾物理學(xué)獎的普通X射線或1979年獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)獎的計算機層析成像（computerized tomography‎, CT）相比，磁共振成像的最大優(yōu)點是它是目前少有的對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)進行檢查。具體說來有以下幾點： 1.對軟組織有極好的分辨力。對膀胱、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)別肝部良性腫瘤與惡性腫瘤； 3.通過調(diào)節(jié)磁場可自由選擇所需剖面。能得到其它成像技術(shù)所不能接近或難以接近部位的圖像。對于椎間盤和脊髓，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只能獲取與人體長軸垂直的橫斷面； 4.對人體沒有氫（1H）、碳（13C）、氮（14N和15N）、磷（31P）等。 MRI的缺點及可能存在的危害 雖然MRI對患者沒有致命性的損傷，但還是給患者帶來了一些不適感。在MRI診斷前應(yīng)當(dāng)采取必要的措施，把這種負面影響降到最低限度。其缺點主要有： 1.和CT一樣，MRI也是解剖性影像診斷，很多病變單憑核磁共振檢查仍難以確診，不像內(nèi)窺鏡可同時獲得影像和病理兩方面的診斷； 2.對肺部的檢查不優(yōu)于X射線或CT檢查，對肝臟、胰腺、腎上腺、前列腺的檢查不比CT優(yōu)越，但費用要高昂得多； 3.對胃腸道的病變不如內(nèi)窺鏡檢查； 4.掃描時間長，空間分辨力不夠理想； 5.由于強磁場的原因，MRI對諸如體內(nèi)有磁金屬或起搏器的特殊病人卻不能適用。 MRI系統(tǒng)可能對人體造成傷害的因素主要包括以下方面： 1.強靜磁場：在有鐵磁性物質(zhì)存在的情況下，不論是埋植在患者體內(nèi)還是在磁場范圍內(nèi)，都可能是危險因素； 2.隨時間變化的梯度場：可在受試者體內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生電場而興奮神經(jīng)或肌肉。外周神經(jīng)興奮是梯度場安全的上限指標(biāo)。在足夠強度下，可以產(chǎn)生外周神經(jīng)興奮（如刺痛或叩擊感），甚至引起心臟興奮或心室振顫； 3.射頻場（RF）的致熱效應(yīng)：在MRI聚焦或測量過程中所用到的大角度射頻場發(fā)射，其電磁能量在患者組織內(nèi)轉(zhuǎn)化成熱能，使組織溫度升高。RF的致熱效應(yīng)需要進一步探討，臨床掃描儀對于射頻能量有所謂“特定吸收率”（specific absorption rate, SAR）的限制； 4.噪聲：MRI運行過程中產(chǎn)生的各種噪聲，可能使某些患者的聽力受到損傷； 造影劑的毒副作用：目前使用的造影劑主要為含釓的化合物，副作用發(fā)生率在2%-4%。