第1章 磁共振成像的基本原理
1.1 引言
磁共振成像(MRI)通过外部测量的磁共振信号产生物体内部物理和化学特征的图像，主要应用于医学领域生成高质量的人体内部图像。磁共振成像的物理基础是物理学的核磁共振现象(Nuclear Magnetic Resonance，NMR)。其被称为磁共振成像，而不是核磁共振成像(Nuclear Magnetic Resonance Imaging，NMRI)，是因为在20世纪70年代末与核相关的词有负面含义，为了与放射性核素及射线的放射性危害区分开来，1980年美国放射学会推荐把核磁共振成像技术称为磁共振成像技术。
1.1.1 磁共振成像的历史
核磁共振现象是指某些特定的原子核在静磁场内受到适当频率的射频磁场激励时，所出现的吸收和放出射频电磁能量的过程。从NMR 的发现到MRI装置的诞生经历了几代物理学家、化学家、医学家和工程技术人员长达数十年的努力。早在20世纪30 年代，物理学家Rabi和他的同事发现了分子束中的核磁共振现象[1，2]，并获得了1944 年的诺贝尔物理学奖。1946年，Bloch和Purcell各自领导的研究小组分别用不同的实验方法独立地在凝聚体中发现了核磁共振现象[3，4]，他们因此获得了1952 年的诺贝尔物理学奖。1950 年，Hahn 发现了两个连续射频脉冲下的自旋回波现象[5]。同年我国物理学家虞福春和Proctor 合作发现了化学位移和自旋耦合分裂[6]。核磁共振现象*初主要应用于物理学和化学分析领域对物质的分子结构进行分析，形成了核磁共振波谱学。1971 年，Damadian 指出正常组织和肿瘤组织的核磁共振弛豫时间不同[7]，促使科学家们考虑用核磁共振来检测疾病。同年，Lauterbur 引入梯度磁场实现核磁共振信号的频率编码，采用类似X线CT(X-ray ComputedTomography)中的反投影成像技术获得充水试管的二维核磁共振图像[8]。1973年，Mansfield 也提出了线性梯度磁场可用于核磁共振信号定位的思想[9]。1975 年，Ernst提出了采用相位编码和频率编码两种编码方式共同进行空间编码的思想[10]，奠定了现代磁共振成像技术的基础。1976 年，Hinshaw 提出了敏感点成像方法[11]。1977年，Mansfield提出了回波平面(Echo Planar Imaging，EPI)成像技术[12]，并采用线扫描获得了第一幅人体手指磁共振图像[13]。同年，Damadian 推出了第一个全身磁共振成像装置，命名为“Indomitable”(不屈不挠)并获得了人体胸部磁共振断层像。1978年获得了头部断层像，图像质量已达X线CT早期水平。1980年使用傅里叶变换成像方法获得了磁共振图像，使成像时间缩短到5分钟[14]。20世纪80年代初，国际上一些著名厂商相继完成了磁共振扫描仪的商品化工作。1984 年，美国FDA批准磁共振成像应用于临床。1987 年，使用回波平面成像技术获得了心脏的实时电影图像[15]，同年获得了不使用造影剂的磁共振血管影像[16]。1989 年，中国安科公司开发出第一台国产磁共振成像仪。1992 年，功能磁共振成像(Functional MagneticResonance Imaging，fMRI)出现[17]。2003年，Lauterbur 和Mansfield 因在磁共振成像领域做出的杰出贡献获得了诺贝尔生理学或医学奖。
1.1.2 磁共振成像的特点
MRI的物理基础是核磁共振现象，完全不同于X线CT，这种成像技术的优点如下[18]。
(1)MRI对人体没有因放射性引起的电离损害
与X 线成像、放射性核素成像不同，MRI 在静磁场的基础上使用射频激励和梯度磁场，不使用高能射线，因而不会对人体产生电离损害。
(2)成像方向更灵活，可以直接获得横断面、冠状面、矢状面及任意方向的断面像
MRI 采用x、y、z三个方向的梯度磁场来确定层面方向。三个梯度磁场之一用于选层梯度可进行标准横断面、冠状面和矢状面成像；二个或三个梯度磁场组合用于选层梯度可进行任意方向的断层成像。这种可任意方向断层成像的特点使医生能根据需要立体地观察病变。而X 线CT 通常只能对横断面进行扫描。
(3)MRI 不仅能反映人体解剖结构信息，而且能提供组织的生理生化等功能信息
疾病的发生和发展过程首先是生化的改变，然后是功能的改变，*后才是结构的改变。随着功能磁共振成像、磁共振波谱成像(Magnetic Resonance Spectroscopy Imaging，MRSI)和超高场磁共振成像等在临床中的应用，MRI 使疾病的诊断深入到功能水平甚至组织学和分子生物学水平。
(4)成像参数多元化，可提供丰富的诊断信息
一般的医学成像技术大多使用单一成像参数。例如，X线CT的成像参数为线性衰减系数，正电子发射型计算机断层成像(Positron Emission Tomography，PET)的成像参数为放射性药物的浓度(或活度)。MRI 是一种多参数成像方法，*基本的包括：氢核的密度N(H)、纵向弛豫时间T1、横向弛豫时间T2 以及体内液体的流动等。上述参数可分别成像，也可相互结合获取对比图像，为临床提供了更丰富的诊断信息，达到更容易区分不同组织及增加诊断准确性的目的。另外，MRI 也是目前**能够在活体中进行水分子扩散成像的技术。
(5)在人体很多部位的诊断优于X 线CT
磁共振成像本身作为一种多序列、多参数对比的成像技术，不仅可以大大提高病变的检出率，也能为诊断和鉴别诊断提供更具特异性的信息。特别是中枢神经系统疾病的早期诊断，对骨髓、椎管的观察和认识，腹部、骨关节韧带的检查都优于X 线CT。
(6)MRI 对软组织有高超的显示能力，层次丰富
磁共振检查可以非常清楚地显示人体的软组织结构，反映人体组织的层次及解剖特点，对于诊断软组织疾病及微小病变有很大的帮助。
(7)磁共振成像可以实现完全无创的血管成像和灌注成像
磁共振血管成像(Magnetic Resonance Angiography，MRA)是采用磁共振的方式使人体血管显影的一种技术。与X 线CT 血管成像(Computed Tomography Angiography，CTA)相比，其有两个*显著的优点：①CTA 必须依赖于注射对比剂(Contrast Agent)来显示血管，而MRA 则具备了两种方式，一种是注射对比剂，另一种则不需要注射对比剂，例如，TOF-MRA、PC-MRA 等；②MRA 不仅可以做血管成像，还能利用一些技术进行血流速度的测定。
(8)MRI 不是投影成像，所以不会产生诸如骨骼等造成的伪影
X线CT在检查头颅的时候，后颅窝会存在骨伪影，导致图像显示不清楚，干扰诊断，而磁共振成像则不存在这种问题。
当然任何成像技术都不会完美无缺，都存在自身的局限性和缺点，MRI 的缺点如下。
(1)成像速度慢
成像速度慢是MRI 的*主要的缺点，成为制约磁共振成像应用范围的重要原因。MR 信号的低信噪比和信号的空间定位是导致成像速度慢的两个主要原因。提高磁共振成像系统的成像速度，无论对于拓宽其应用领域还是提高利用效率，以及减少运动伪影都有着非常重要的意义，加快成像速度一直都是磁共振成像技术发展的重要目标之一。
(2)与X 线CT 相比，空间分辨率较低
受检测信号信噪比低和成像时间长等因素的制约，MRI 通常会采用更大的体素和较小的扫描或编码矩阵，使得其空间分辨率低于X 线CT。
(3)图像易受多种伪影影响
在MRI 中有很多原因会产生图像伪影，主要有：成像物理原理造成的伪影，如化学位移伪影、金属伪影和卷褶伪影等；运动伪影，如生理性、非生理性运动伪影和流动伪影等。
(4)定量诊断困难
目前，临床磁共振成像主要依靠不同体素MR信号的相对大小形成图像对比度。MR 信号的强度同时受多种组织特征参数(如质子密度、T1和T2时间等)的影响。磁共振成像依靠不同的扫描序列和扫描参数获取这些组织特征参数的加权图像，其权重值难以精确确定。尽管在活体上直接获取有关组织特征参数的对比度图像(如T1-maping、T2-maping 等)的相关研究已取得一些进展，但目前只有非常有限的临床应用。因此，MRI还难以像X线CT那样在图像上进行定量诊断。
(5)禁忌证多
磁共振成像系统中存在三种磁场：强大的静磁场、快速变化的梯度磁场和大功率的射频磁场。这些磁场的作用有可能导致人工心脏起搏器失效和体内的金属性植入物移位等，射频磁场还会使体内的金属发热而造成烧伤。因此，装有人工心脏起搏器、疑有眼球异物、体内存在动脉瘤夹、高烧、幽闭恐惧症、装有金属假肢、人工髋关节的患者不能进行MRI 检查，装有假牙的患者不能进行颌面水平的MRI 检查，装有金属节育球的患者不能做盆腔检查等。需要指出的是，随着技术的进步和新材料的使用，上面提到的一些情况已不再是磁共振成像绝对禁忌证，如已经有兼容磁共振的心脏起搏器产品。
1.2 核磁共振原理
1.2.1 原子核的自旋磁矩和进动
1.2.1.1 原子核的自旋和核磁矩
原子由原子核和核外电子组成，原子核并不是静止不动的，而是围绕着自身的轴做旋转运动(如图1-1所示)，原子核的这种运动称为原子核的自旋运动，简称核自旋。
由于原子核有一定的质量和大小，所以原子核的自旋具有自旋角动量N P ，自旋角动量为矢量，其方向和自旋轴重合，大小由下式确定
(1-1)
其中，h为普朗克常数；I表示核自旋量子数。核自旋量子数I 表征某种原子核的固有特性，对于特定的核I是定值，而不同的核有不同的I值。与宏观角动量不同，I只能取零、半整数和整数，具体的取值由组成原子核的质子和中子构成决定， I 的取值规律如表1-1 所示。
图1-1 原子核的自旋运动[19]
表1-1 核自旋量子数I 的取值
从核自旋量子数的取值可以看出，并非所有的核都具有自旋，只有质子数和中子数都为奇数或二者之一为奇数的核才有非零的自旋角动量，称为自旋核。自旋核带有正电荷，其上的电荷随核一起旋转形成电流，而电流在其周围产生磁场。因此，自旋核拥有自己的磁场，形成核磁矩Nμ，其大小由下式确定
(1-2)
其中，γ为磁旋比或旋磁比，对于特定的核是一常数，不同的核γ 值不同，如表1-2所示。
表1-2 不同原子核的磁旋比
大多数原子核具有正磁旋比，但少数原子核磁旋比为负。当γ>0时，核磁矩和自旋角动量同方向；当γ<0时，核磁矩和自旋角动量方向相反，但仍然共线。
由式(1-2)可知，具有自旋的核同时对外表现一定的磁性，因此自旋核也称为磁性核。参与磁共振过程的物质必须包含有自旋核。虽然人体内存在许多种自旋核，但目前在临床MRI中用来成像的自旋核主要是1H 核。1H核只包含一个质子，所以常称1H核为质子。采用1H核作为成像核的主要原因如下。
(1)1H 核在人体组织中的含量高
人体组织中元素的含量可分为两大类：H、C、N、O 四大元素为一类，至少构成组织质量的99%；另一类元素如Na、P、K等在组织中的含量很少，称为微量元素。占组织99%以上的四大元素*丰富的同位素是1H、12C、14N和16O。四种同位素中1H、14N是自旋核，而12C、16O是非自旋核。表1-3为几种常用元素在人体中摩尔含量占比。
实际上在所有的元素中，1H是**在大多数人体组织中占有相当高浓度的同位素。
表1-3 人体几种元素摩尔含量占比
(2
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