核磁共振成像与现代医学

六、核磁共振成像与现代医学

在1895年，罗思特琼发明X射线诊断技术，打开了几世纪以来医生们一直在想方设法透过皮肤和骨头窥视生物体内的第一个窗户，开创了医疗新纪元。但是，X射线图像缺乏层次，当对骨骼成像时，机体软组织都是一片模糊不清的阴影。30年前，配备电子计算机的新型X光机（CT扫描）却能够拍摄机体断层的清晰图像，使医生们开始看到更多的细节。CT扫描使放射科学发生了革命性的变化。

现在又发明了更先进的诊断技术，这就是核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）。英国诺丁汉大学的放射学家华辛顿说，核磁共振成像的产生正如100多年前X射线机问世一样具有重要意义。它能透过最粗大的骨头清楚地看见目标。另外，无需给病人注入造影剂，就能揭露埋于颅肋深处的脑血管意外；发现脊柱束的微小损伤；甚至能区别大脑的白质和灰质。

核磁共振成像这一有用的新技术，直到1971年才被人建议用来诊断人体疾病，并于1974年终于获得了一帧人体断层的图像。只是由于获得这帧图像的时间太长，需要30～40分钟，使它无法用于临床。1975年研究工作有了突破，完成一帧图像的时间缩短到10分钟，于是核磁共振成像开始进入临床研究。目前，核磁共振成像时间已缩短为1～2分钟，并且已研制成功人体全身的核磁共振成像仪。其直径为1.3米，整个装置放在边长为2.4米的铝板磁屏蔽室中，在128秒钟内测得了氢核密度及弛豫时间的扫描像。人的头部、胸部、腹部、下腹部和股腿部的核磁共振成像分别与相应的解剖图是非常符合的。尤其是弛豫时间分布图具有更高的分辨率和对比度。如图5-5所示为应用核磁共振获得的一帧人体头脑面像。

核磁共振成像的突出优点是图像中显示软组织的对比度，比目前临床应用的医学影像新技术（CT扫描）的图像提高1～3个数量级，使各解剖层次和心脏器官显得更加清晰（如图5-6所示）。

核磁共振成像技术不需要X射线、外科手术或者投药，安全可靠，因此受到医学界和广大患者的欢迎。经动物实验证明，经常照射X射线有增加癌症和胎儿畸形的危险。然而核磁共振技术却不存在这种危险。一次核磁共振成像检查时，人体接收到的辐射能量只及一次X射线检查的一万亿分之一，其磁场强度、电磁波所产生的热量也远远低于人体最低安全耐受量。为了证实核磁共振诊断技术确实安全可行，美国加利福尼亚州立大学放射实验室的科学家将人体培养细胞置于核磁共振成像系统内长达14小时之久，相当于连续显像700次以上，也未见到细胞染色体的异常。国际放射安全委员会也对核磁共振成像技术的安全作了仔细审查。调查对象为459人，对于暴露于核磁共振积累时间278小时，而他们的心电图、血液等均未发现异常，也没有什么不良反应。可见核磁共振成像技术是一种安全的无侵入、无痛苦、无损伤的人体检查方法。

图5-5　人体头脑轴面像（图像是用超导型G E1.5TSigna成像机完成的）

自然而然地人们总想弄明白人体的核磁共振成像是怎么一回事？

我们知道，当电荷沿一导线运动或质子沿自旋即可产生磁场，而导线切割磁力线又可产生电流。自然界任何原子核的内部均含有质子与中子，统称“核子”，都带正电荷。核子像地球一样具有自旋性，并由此产生自旋磁场。具有偶数核子的许多原子核其自旋磁场相互抵消，不能产生核磁共振现象。只有那些具有奇数核子的原子核在自旋中才能产生磁矩或磁场，如：¹H（氢）、¹³C（碳）、¹⁹F（氟）、³¹P（磷）等。因此，可被选用为核磁共振成像术中的靶子，而氢原子更是其中的佼佼者。

图5-6　XRA和MRA颈动脉分叉血管成像十分相似

氢原子是人体内数量最多的物质，原子核中只含1个质子而不含中子，其最不稳定、最易受外加磁场的影响而发生核磁共振现象，所以现阶段临床应用的磁共振成像主要涉及氢质子。氢质子带1个正电荷，又能自旋，其周围自然形成一个小磁场，整个氢原子核实际上是一个自旋的小磁体。“核”的意思是指核磁共振成像主要涉及原子核（尤其是氢原子核），与核周围的电子层关系不大。“磁”有两个含义：

磁共振过程发生在一个巨大外磁体的孔腔内，它能产生一个恒定不变的强大的静磁场（B₀），如图5-7所示。

在静磁场上按时叠加另外一个小的射频磁场以进行核激励并诱发核磁共振（B₁），还要叠加一个小的梯度磁场以进行空间扫描记录并控制成像。

“共振”是借助宏观世界常见的自然现象来解释微观世界的物理学原理。例如，一个静止的音叉在另一个振动音叉的不断作用下即可能引起同步振动，先决条件是两个音叉固有的振动频率相同。核子间能量的吸收与释放亦可引起共振，处于低能级的氢质子吸收的能量恰好等于能级差即跃迁到高能级水平，释放的能量恰好等于能级差又可跌落回低能级水平，核子这种升降波动是在一个磁场中进行的，故称之为“核磁共振”。

从人体进入强大的外磁场（B₀）（如图5-7所示）到获得清晰的MR图像，人体组织与受检部位内的每一个氢质子都经历了一系列复杂的变化：

图5-7　静磁场B₀与射频磁场B₁

注：在超导型MR扫描机中B₀与人体（z轴）平行，射频线圈产生的RF场B₁在xy平面上旋转。

（1）氢质子群体的平时状态：在无外磁场Bo的作用下，平常人体内的氢质子杂乱无章地排列着，磁矩方向不一，相互抵消；

（2）在外加磁场中的氢质子状态：人体进入强大均匀的外加磁场Bo中，体内所有自旋的混乱的氢质子，其磁矩将重新定向，按量子力学规律纷纷从杂乱无章状态变成顺着外磁场磁力线的方向排列，其中多数与Bo磁力线同向（处于低能级），少数与Bo磁力线逆向（处于高能级），最后达到动态平衡；

（3）通过表面线圈从与Bo磁力线垂直的方向上施加射频磁场（RF脉冲），受检部位的氢质子从中吸收了能量并向xy平面上偏转；

（4）射频磁场（RF脉冲）中断后氢质子放出它们吸收的能量并回到z轴的自旋方向上；

（5）释放出的电磁能转化为MR信号；

（6）在梯度磁场（由梯度线圈发出）辅助下 MR信号形成MR图像。

那么，MRI磁共振成像设备是怎样组成的呢？

总的说来，MRI磁共振成像设备系统由磁体子系统、梯度子系统、射频子系统、计算机和图像处理子系统等组成。首先阐述它的总体构成，然后我们着重介绍一下磁体子系统的工作原理，需要强调的是，对于超导MRI系统来说，低温保障体系也是其重要组成部分。

MRI系统的种类很多，仅从成像的范围来看，它可以分为实验用MRI系统、局部（头、乳腺等）MRI系统和全身MRI系统等三种。如果根据主磁场的产生方法来分类，可有永磁型、常导（阻抗）型、混合型和超导型四种。另外，目前已有多种介入治疗专用型MRI系统问世。因此，MRI系统还可根据其用途分为介入型和通用型两大类。然而，无论哪一种MRI系统，都可以看成信号（包括产生、探测和编码）和图像（包括数据采集、图像重建和显示）两大功能模块的有机组合。

如图5-8所示为MRI系统的构成。由此可见，磁体、梯度线圈、射频线圈、控制计算机和控制台是任何MRI系统不可缺少的部分。实用的成像系统则还要复杂得多，例如，为了加快图像的处理速度，系统中一般都有专用的图像处理单元；为了实施特殊成像（如心脏门控），还要有对有关生理信号进行处理的单元等。图像的硬拷贝输出设备（如激光相机）等也是必需的。MRI系统之所以庞大的另一个原因，就是除了成像所需要的设备外，还要有许多附属设备与之相配套，常用的这类设备有：磁屏蔽体、射频屏蔽体、冷水机组、不间断电源、空调以及超导磁体的低温保障设施等。

图5-8　磁共振成像系统的组成

成像用磁体的分类：磁共振成像用的磁体分为永磁型、常导型、混合型和超导型四种（因篇幅有限，下面介绍三种）。

1．永磁型

永磁型磁体（permanent magnet）是最早被用于MHI全身成像的磁体。用于构造这种磁体的永磁材料主要有铝镍钴、铁氧体和稀土钴三种类型。我国有丰富的稀土元素，也能大量生产高性能的稀土永磁材料。这些材料可作为生产永磁体的原料资源。由于永磁铁不可能做成足够大的块，故永磁体一般由多块永磁材料堆积（拼接）而成，磁铁块的排列布置既要构成一定的成像空间，又要达到磁场均匀度尽可能高的要求。另外，磁体的两个极片需用磁性材料连接起来，以提供磁力线的返回通路，从而减少磁体周围的杂散磁场。

图5-9是永磁型磁体及其磁路的示意图。图中的两个磁极分别在上、下分布，使得磁场方向与两个极面相垂直。这意味着被检者的身体轴线不是与磁场方向平行，而是互相垂直的，这就是所谓的横向磁场。

图5-9　永磁型磁体及其磁路

2．常导型

载流导线周围存在磁场，其场强与导体中的电流强度、导线的形状和磁介质的性质有关。常导型磁体（Conventional Magnet）正是根据这一原理，用线圈中的电流来产生磁场。因此，常导型磁体实际上是某种类型的空芯电磁铁，其线圈通常用铜线绕成。由于铜有一定的电阻率，所以，有人又将这种线圈制成的磁体叫做“阻抗型磁体（Resistive Magnet）”。为了产生较高的场强和具有足够的中空直径，往往数个线圈并用。图5-10是常见的四线圈常导型磁体，该磁体由两对大小不同的线圈组成，其中内侧为大线圈对，外侧为小线圈对，四个线圈分布在一个球形空间上，图中的箭头代表磁场方向。

B₀

图5-10　四线圈常导型磁体的几何结构

图5-11表示常导型磁体的磁场方向和线圈中的电流方向（和分别表示电流离开和进入纸面）。我们看到，由于电流均匀地绕球体的径向流动，在磁体内就可得到均匀性非常好的磁场。

图5-11　常导型磁体的磁场及绕组电流方向

3．超导型

超导材料最大量、最成功的应用是绕制各种强磁场磁体（如图5-12所示），而磁体技术用得最广泛的领域无疑是MRI，用这么一种关系来说明超导电性在MRI中的地位是毫不过分的。目前，所有强磁场MRI扫描系统均采用超导磁体（Superconducting Magnet）。各种超导磁体已完全商品化，而且技术也日益成熟，价格也在不断下降。也许，不久的将来其他磁体将会逐渐消失，使MRI全身扫描系统成为超导磁体的一统天下。

图5-12　超导线圈的纵剖面