原子核磁场

第一节　MRI的基础知识

磁共振成像(MRI)是利用原子核在磁场内共振所产生信号经重建成像的一种成像技术。

核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)是一种核物理现象。早在1946年Block与Purcell就报道了这种现象并应用于波谱学。Lauterbur于1973年发表了MR成像技术，使核磁共振不仅用于物理学和化学。也应用于临床医学领域。近年来，核磁共振成像技术发展十分迅速，已日臻成熟完善。检查范围基本上覆盖了全身各系统，并在世界范围内推广应用。为了准确反映其成像基础，避免与核素成像混淆，现改称为磁共振成像。参与MR成像的因素较多，信息量大而且不同于现有各种影像学成像，在诊断疾病中有很大优越性和应用潜力。

NMR现象虽已发现近50年，而MRI技术的发展则仅有20余年历史。它获得成像信息的物理原理与X线及CT完全不同，它是利用原子核在磁场中并受到一种特定的射频脉冲激励时所发射出的无线电信号而成像的。

所有原子核除1H只有一个质子外，其余均含有质子和中子，而质子或中子或二者之和均为奇数的原子核，如1H、¹³C、¹⁵O、²³Na、³¹P等，都具有自旋现象。由于原子核带电荷，其自旋便产生一个微磁场。在自由空间，每个原子核的自旋轴方向是不规则的。当将它置于一个稳定的恒定磁场时，原子核的小磁场受其影响，使它的自旋轴与静磁场方向趋于平行。这时原子核除了自旋以外，它的自旋轴与磁场方向形成一角度，并绕着磁场轴旋转，称为进动。进动的频率与磁场强度成正比，且与原子核的类型有关。对在1 T(tesla)磁场中的1H核来说，进动频率为42.5 MHz(兆赫)，³¹P核为17.24 MHz，²³N核为11.26 MHz。如向这些稳定旋转的原子核发出射频脉冲，形成一个垂直于恒定磁场轴的交变磁场，而这一交变磁场的频率又等于原子核的进动频率时，就会发生核磁共振现象。这是原子核吸收能量，产生能级跃迁，并被激发进动，核磁距偏离平衡状态。当将射频脉冲截断，交变磁场突然消失时，原子核在一定时间内恢复到原来绕静磁场轴进动的平衡状态，并放出所吸收的能量，成为一种信号，称为自由感应衰减信号。这种信号的强弱反映了所测部位某种原子核密度的大小。

自由感应衰减信号持续时间的长短也是一种信息。从射频脉冲截断到自旋的原子核磁距回到平行于恒定磁场轴的平衡状态，称为弛豫时间。它又分自旋—晶格弛豫时间T₁，是反映自旋与周围进行热交换过程;自旋—自旋弛豫时间T₂，是反映同类核自旋之间能量交换过程。这两种信息常反映组织的生理生化状况，不同组织的T₁、T₂是有差别的，例如癌组织的T₁值就比正常组织的T₁值长。

上述各种信号经过一个线圈接收检测、输入电子计算机经模—数和数—模转换器处理，便形成清晰的灰阶图像，显示在屏幕上，以此分辨不同组织和器官，以及其病理变化。

鉴于1H在人体内分布最广，目前应用的是反映1H核密度及其弛豫时间的MRI技术。又因为人体中各种不同组织，例如骨、肌肉和不同器官的含氢量不同，在同一组织中正常和病变情况下质子密度和弛豫时间也存在着明显差别。所以MRI不仅能分辨人体中脂肪、肌肉、肌腱、血管、神经、骨骼等组织，并且还能分辨脑灰质和白质，肾皮质、髓质和周围脂肪等。根据迄今已积累的经验，在外科诊断技术中已有其独特的意义。