物理学中子扫描样品内的磁场

磁共振成像（MRI），或核磁共振成像（NMRI），或磁共振断层扫描（MRT），这3个名称的含义是一样的。它是放射学的医学成像的一种方法，用来看到机体内部的细致结构。MRI根据（原子）核的磁共振特点来成像体内的原子核。人体的MRI成像能够产生更为细致的图像，较之用X射线方法。

MRI可以在体内不同软组织之间提供好的对比，这个特点使它比其他医学成像技术如CT或X射线更为有用，它适用于脑、肌肉、心脏以及癌的成像。与CT扫描或传统X射线不一样，MRI并不采用电离辐射。

MRI的扫描需要一个磁场，这种磁场要具备两个特征——均匀的磁场密度和强度。磁场变化不能够大于百万分之一。磁场强度范围随扫描仪而异，目前临床上使用的为0.2～3 T（tesla，特斯拉），至于研究用的扫描仪可以有高磁场强度，有7 T的。低磁场强度的扫描仪可以使用永磁方法，这种扫描仪常常用于开放式MRI扫描仪，用于幽闭恐惧症病人（claustrophobic）；高磁场强度扫描仪只能用超导磁来达到。一个磁场强度为3.0的MRI，可称为3T MRI。

1952年，H. Carr制成了一个一维MRI图像，这是作为哈佛大学哲学博士论文而报道的。在苏联有关部门，伊万诺夫（V. Ivanov）登记了一个属于磁共振成像设施方面的发明和发现专利，但直到20世纪70年代才被批准。1971年R. Damadian在《科学》（Science）周刊上发表论文，他是美籍亚美尼亚裔的医生和科学家、纽约州立大学教授。他报道，通过核磁共振（NMR）可以区分活体中的肿瘤与正常组织。他提示，这个区别可以用来诊断癌症（图10-4）。后续的研究发现，虽然这种区别是确实存在的，但是变异太大，难以用于临床。Damadian的原始方法在应用方面是有缺陷的，它依赖于对整个身体点对点的扫描，而且应用张弛速率。这些后来被证明不是指示癌症组织的有效指标。当有关磁共振分析特点的研究还在进行的时候，Damadian于1972年制作了世界上第一台磁共振成像的机器。他在1972年3月17日提交了第一份MRI机器的专利申请，美国专利申请号为#3789832，以后在1974年2月5日，这个专利申请被确认。

图10-4　Damadian《在组织中检测癌的装置与方法》

美国国家科学基金会的说明是：“此专利包括一种设想，用核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）扫描人体，以定位癌症组织”，但它并没有描述这种扫描中图像产生的方法，也没有准确地说明扫描应该怎么做。同时，P. C. Lauterbur根据Carr的技术并加以扩展，发展出一条途径，应用梯度方法产生了第一个二维和三维的MRI图像。1973年Lauterbur发表了第一张核磁共振图像，1974年1月又发表了第一张活体小鼠的横断面成像。在20世纪70年代后期，英国诺丁汉大学物理学家、教授P. Mansfield开发了一项数学技术，应用此技术只需几秒钟扫描而不是几小时，就能够产生比Lauterbur做到的更清晰的图像。1977年7月3日，Damadian和L. Minkoff及M. Goldsmith合作，实施了第一个人体MRI扫描，该项研究在1977年发表；而1979年，R. S. Likes申请了一个专利，专利号为*4307343。

1980年，P. A. Bottomley加入纽约通用电气公司研究中心，他的团队订购了一台曾经有过的最大磁强度（1.5 T）的系统，建成了第一个高磁场，克服了线圈设计、无线电频率渗透和信噪比等方面的困难，建成了第一台全身MRI扫描器。其结果是形成了高度成功的1.5 T MRI生产线，迄今为止已经生产了2万台设备，并且现在都在应用中。Bottomley对人的心脏和脑做成了第一个定位的核磁波谱（magnetic resonance spectroscopy，MRS）。Bottomley与R. G. Weiss合作，在约翰·霍普金斯大学展开心脏病诊治应用方面的合作。之后，Bottomley于1994年作为Russell Morgan教授回到大学工作。他是磁共振研究组的领导者。虽然通常用的MRI是1.5 T的，但高电磁场的也有，例如3T的磁共振现正在越来越普遍地得到应用，因为它增加了灵敏度和分辨。至于在研究型实验室里，人体MRI研究已经可以用10.4 T来做，动物的实验研究可高到21.1 T。

由于MRI在医学上的基本重要性及可应用性，美国伊利诺伊大学的Lauterbur和英国诺丁汉大学的Mansfield两人被授予2003年的诺贝尔生理学或医学奖，获奖是由于他们“有关磁共振成像研究方面的发明”。诺贝尔奖的褒扬（citation）承认了Lauterbur的洞察力，是他应用磁场梯度来确定空间定位，这一发现使得快速地获得二维图像成为可能；Mansfield的贡献是应用数学方法发展了技术，使之可以达到有效的梯度应用和快速成像。让他们获得2003年诺贝尔奖的真正研究，基本上是30年前所做的工作，当时Lauterbur还在纽约州立大学石溪分校工作。

诺贝尔奖的颁发招来了Damadian的强烈抗议，他是FONAR公司的创办人。他声称，是他发明了MRI，而Lauterbur和Mansfield仅仅是做了技术改良而已。以后有一个团体“Damadian之友”（由Damadian的公司FONAR组办）在《纽约时报》和《华盛顿邮报》上刊登了整版广告，广告的题目是《可耻的错误必须纠正》，他们声称Damadian应该获得诺贝尔奖，至少也要分享诺贝尔奖。

从原理上看，MRI扫描器由几个部分组成（图10-5）。第一部分是一个超导磁，它提供强有力、均匀的磁场，一般标准的MRI仪器是1.5 T。体内每个水分子的质子沿着它的轴在旋转，就像一个小磁棒，因为水的质子正常呈现随机方向，所以组织基本上没有净磁场。然而，如果把水分子带到磁场以下，质子就开始对位［2］。

图10-5　磁共振成像原理（彩图见图版此处）

（a）水分子质子围绕着分子轴旋转，这就产生了个别磁场，它具有随机方向（1）。当加进去一个垂直方向磁场的时候，质子就沿着这个加进去的磁场对位，于是产生一个净磁场，但这个磁场很小，难以被检测（2）。如果在此基础上再按水平方向加一个无线电频率脉冲，使得质子围绕着原来的垂直轴摇晃，此即进动（3）。所有单个水质子的磁场加在一起，就产生一定的磁场，它随时间而变化，并且产生一个电流，电流最后被MRI测量出来（4）。（b）进行MRI测定时，把受试者安放到一个垂直的磁场下。让质子按垂直方向对齐，然后按水平方向给予无线电频率脉冲，这样质子就沿水平平面同步旋转，或者说互相处于“同位相”（in phase）（1）。然后突然把水平脉冲关掉（2），这样旋转着的质子开始互相不在同一位相，即“去位相”（dephase）。这种去位相过程来得比较快，导致测定电流的相对减少或衰减。这个衰减时间常数被称为T2（大约30 ms）。当水平脉冲去除后，质子又重新对齐到垂直磁场（3—5）。这个“摆正”（righting），或者说回复到垂直磁场，比前面那个去位相恢复得较慢。去位相恢复的时间常数被称为T1（几秒钟）。全部过程可以重复多次，产生时间系列的测量，反映衰减和恢复的速率。（图引自［2］）

MRI扫描器的第二个组成部分是无线电频率（radio frequency，RF）的线圈（RF线圈）。这是一种特殊设计的绕线圈，它放在受试者的身边。当一个短暂的、快速变化的电流通过RF线圈时，由于安培定律，就产生了另一个快速变动的磁场。这第二个磁场是叠加到原来主磁场上面的，线圈中的交变电流由一个无线电频率脉冲（RF脉冲）引起。由RF脉冲所产生的磁场引起质子开始沿着它的轴摇晃（wobbling），就像当地心引力影响到泡泡转动的时候，这个泡泡就沿着它的轴转动一样。这个滚动被称为进动（precession）。当RF脉冲关闭后，质子还可以继续进动［2］。

所有个别水分子质子的进动加在一起，就形成了一个旋转的磁场，这个磁场随时间而变动。根据法拉第定律，质子又产生一个交变电流回到线圈，这就是共振。正是在MRI里面的这个电流被测量出来。测量出来的电流随时间而衰减，其速率依赖于数个因素，包括产生质子的组织，如心脏、脑等。因此，随组织类型不同，成像也就不同［2］。

MRI扫描器的第三个成分是磁的梯度线圈。MRI发明当中一个最为重要的发展是三维体位成像。这是磁场强度沿着一个轴逐步减少的磁梯度，所以叫作梯度线圈［2］。

我们这里不可能把前面三个方面的理论都讲得非常详细：如何可以通过MRI得到二维图像（或三维体积）；但基本概念是控制了磁梯度，就可以使我们在大量互相靠近的位置上测得特定的MRI信号（也就是在无线电线圈里面得到的电流）。每个相应的小体积，就构成组织的体素（voxel）［2］。

在临床实践中，MRI用来分辨病理组织（如脑肿瘤）和正常组织。MRI的优点之一是它对病人无害。它应用高磁场强度和无线电频率的非电离辐射的电磁场，这与传统的X射线和CT扫描不同，后两者都应用了电离辐射。CT提供了好的空间分辨，所谓空间分辨就是在一个距离很短的范围内区分两个不同结构的能力。MRI也能提供与CT相当的分辨，但前者有更好的对比分辨。所谓对比分辨是指区分两个相似但并非完全一样组织之间差别的能力。这种能力的基础来源于一系列近代医学MRI扫描仪所包括的、复杂的脉冲序列。每一序列都经过了优化，从而提供了成像对比度，其基础是根据MRI的化学敏感度。

以特定的回声时间（TE）及特定的重复时间（TR），这两者是成像采集的基本数据，可以形成一个具有T2加权特征的系列。在进行T2加权扫描的时候，含水、含液体的组织是亮的（最现代的T2序列实际上是快速T2序列），而含脂肪的组织是暗的；T1加权成像的情况则相反。损伤组织将产生水肿，使得T2加权序列对病理敏感，一般能够区分病理组织和正常组织。增加额外的无线电频率脉冲以及额外的磁场梯度操控以后，T2加权序列可以转变成另一种序列，叫FLAIR序列，此时只有水是暗的，而水肿组织是亮的。目前，这种序列是评价脑病变的特别敏感的方法，可以观察有没有脱髓鞘疾病，例如多发性硬化症（图10-6）。

图10-6　TR和TE对MRI信号的效应

从图中可以看出MRI信号受到TR和TE的影响。TE为回声（echo）时间，TR为重复（repetition）时间。

典型MRI检测要应用5～20个系列，每个系列提供有关受试者组织的特定形式的信息，然后再由负责解释的医生来加以综合。