第1章 基本概念和理论
磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)是根据生物体磁性核(氢核)在磁场中的表现特性成像的高新技术。近年来，它的应用不仅在医学临床方面得到充分的展示，其在食品科学、石油化学、微生物的检验、分子影像等方面也得到了极大的发展。磁共振成像的物理基础为核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)理论，也就是指物质的磁性和外部的磁场发生共振的现象，也可以说是低能量电磁波(射频波)与既有角动量又有磁矩的核系统在外磁场中相互作用所表现出的共振特性。这里*先介绍 MRI的发展历程。
1.1 磁共振成像的发展
1946年，美国哈佛大学的 Purcell和斯坦福大学的 Bloch各自独立地发现了核磁共振现象[1]，由于这一发现在物理、化学上具有重大意义，两人获得了 1952年的诺贝尔物理学奖。此后，核磁共振技术应用范围不断拓展，在物理、化学、生物医学、地质、石油化工、材料科学等众多领域得到了迅速的发展。 1971年美国纽约州立大学的 Damadian*先将 MRI用于临床医学[2]。他对植入恶性肿瘤细胞的大鼠进行了 NMR实验，发现正常组织和恶性组织的 NMR信号明显不同。他还观察到，在受激组织的偏转磁矩恢复至稳定状态的过程中，它会发出两类不同信号，这就是以后命名的纵向弛豫时间(T1)、横向弛豫时间(T2)。因此，他认为，由于水的特殊结构，使其具有很强的磁偶极子表现和 NMR信号，因而利用 NMR对生物体进行成像是可能的。并从 1970年开始，他与同事经过 7年的艰苦努力，终于建成了人类历史上第一台全身磁共振成像装置，并在 1977年 7月 3日，他们取得了第一幅横轴位质子密度加权像，从而宣告一个全新的成像领域就要诞生了。 1973年 Lauterbur通过梯度磁场，用逐点地诱发磁共振信号，获得了两个充水试管的第一幅核磁共振图像，即获得水模型的图像，标志着核磁共振成像的出现[3]。1980年 Hawkes等证实了 MRI多平面成像的优点，并*次报道了用 MRI检查颅内病变的结果[4]，同年商品 MRI机出售。随后，这一新的技术迅速在各个国家的医疗中心和大医院应用起来，成为*先进的影像诊断技术之一。目前这一技术仍然处于高速发展之中，2003年的诺贝尔生理学或医学奖就授予了美国的 Lauterbur和英国的 Mansfield以表彰他们在核磁共振成像技术领域的突破性成就。
1.2 磁共振成像的原理与弛豫率
核磁共振也称磁共振，是物质原子核磁矩在外磁场的作用下发生了能级分裂，并在外加射频磁场的能量条件下产生的能级跃迁的核物理现象。这个现象的发现*初应用于波谱学，使人们在探索物质微观结构时增加了一个重要的研究技术，从而诞生了核磁共振这一新兴学科[5]。磁共振成像的原理就是做自旋运动的原子核在外加磁场下被射频脉冲激发后会产生信号，该信号被捕捉检测后经电脑的进一步处理可转化为屏幕上显示的图像[6，7]。目前多组织的 MRI信号源*选为氢原子核，因为它对磁共振灵敏度比较高，信号也很强。因为人体组织中含有大量的水和碳氢化合物，水的质量占人体质量的 70%，氢原子遍布人的全身，所以氢核的核磁共振灵敏度和信号强度远高于其他原子核[8]。氢原子核带有正电，且会进行自旋，它的自旋轴的排列一般情况下是没有规律的，氢质子运动方向杂乱无章，氢质子自旋产生的磁矩相互之间会抵消，使人体宏观的磁矩为 0。但是它的自旋轴在外加磁场的作用下可以逐渐过渡到有序状态，并*终达到平衡。此时，若核自旋系统受到外部的射频(RF)脉冲的激发，就会发生共振效应，一些低能量的质子吸收脉冲传递的能量，从而产生了两种运动，分别是旋转自旋运动和绕磁场轴向运动，它们综合在一起被称为拉莫尔(Larmor)进动，进动频率也就是 Larmor频率。而当 RF脉冲停止时，外界刺激消失，被激发的质子会逐渐恢复正常，变回原来的平衡状态，这个过程就被称为弛豫，质子在恢复到之前的平衡状态时，会伴随着能量的释放，而能量的主要释放形式为射电信号，其频率混合与激励波相同，这种现象就是核磁共振。接收器捕捉到了这个电波信号，经过检测和处理后就成为我们看到的 MR图像[9]。
在停止 RF脉冲后，质子的磁矩恢复到之前的平衡状态，这个过程叫作弛豫，而此过程花费的时间则被称为弛豫时间。弛豫可在纵向和横向两个方向上测量，并分别设置了时间常数 T1和 T2来表征。通常将纵向磁化强度(Mz)的恢复称为纵向弛豫(longitudinal relaxation)，它是自旋 -晶格弛豫的反映，T1就是磁化方向上的磁化矢量恢复到其原始幅度的 63%所需的时间；而横向磁化强度(Mxy)的消失过程就是横向弛豫(transverse relaxation)，它是自旋-自旋弛豫的反映，T2表示垂直于磁场平面的磁化矢量减少到 37%的净信号所需的时间(图 1-1)。而 T1和 T2的倒数就是弛豫率(relaxivity)，分别用 r1和 r2来表示。T1和 T2的单位是时间(s)，而 r1和 r2的单位则是以摩尔浓度与秒的乘积的倒数[L/(mol . s)]来表示。由于浓度不同时会得到不同的 T1和 T2，因此，要将浓度因素的影响考虑进来。磁共振成像用于生物医学的诊断和治疗时，一般使用加权像(weighted image，WI)将磁共振信号可视化输出[10]。由于 T1和 T2是时间参数，从数字辨别信号的差异不够方便和直观，
图1-1 磁共振成像原理(a)自旋与磁场平行或反平行，并在拉莫尔频率(ω0)下进动；(b)感应射频脉冲后，自旋的磁化强度发生变化；激发态的自旋采取 T1弛豫(c)和 T2弛豫(d)的弛豫过程
透过影像可以比利用时间参数更容易判断疾病等的状况，因此，将 T1与 T2转换成影像参数就变得非常有必要。由于氢原子对于核磁共振现象具有高度的灵敏度，而人体各部位器官与组织又有高度的水含量，因此水分子的信号即成为磁共振成像所检测的主要对象。磁共振成像的图像加权分为 T1加权像(T1-WI)和 T2加权像(T2-WI)两种，如主要突出各组织成分中 T1之间差异的图像即 T1加权像，突出 T2权重的图像即 T2加权像[10]。在 T1加权像中，若组织或器官的 T1短，则磁共振信号强度强，图像会变得白亮；若组织或器官的 T1长，则磁共振信号强度弱，图像就会变得黑暗；而在 T2加权像中，若组织或器官 T2长，则磁共振信号强度强，图像就变得白亮；如果组织或器官 T2短，则磁共振信号强度弱，图像则变得黑暗。综上可以得出结论：生物体内部凡是有水分子存在的空间，就能通过磁共振造影形成加权像，由于生物体内组织的结构不同，弛豫时间及释放的能量也就不同，从而加权拟合后形成黑白灰阶度不同的磁共振图像。
1.3 弛豫过程[5]
在磁共振成像中，弛豫(relaxation)是指原子核发生共振且处在高能状态时，当射频脉冲停止后，将迅速恢复到原来的低能状态。
质子系统在外磁场中，产生一纵向磁化强度矢量 M0，这一状态不随时间变化，称为平稳状态。在射频脉冲的作用下，M0的方向就要偏离外磁场方向，此时，质子系统处于非平衡状态，当射频脉冲停止后，M0是不能长久保持偏离外磁场(纵向)这种非平衡状态，而是要逐渐恢复到原来的平衡状态，将从射频脉冲吸收的能量释放出来，这个恢复过程称为弛豫过程。它是一个能量转换过程，需要一定的时间，反映了质子系统中质子之间和质子与周围环境之间的相互作用。 M0的整个恢复过程是较复杂的，但却是磁共振成像的关键部分，磁共振成像时受检组织的每一个质子都要经过反复的激发和弛豫过程。完成弛豫过程分两步进行，即 M0要恢复到*初平衡状态的 M0和横向磁化强度 Mxy要衰减到零，这两步是同时开始但独立完成的。
1.3.1 纵向弛豫过程与纵向弛豫时间 T1
以π/2脉冲为例，π/2在脉冲之后，质子系统的纵向磁化强度矢量 M0翻转到 xoy平面，所有质子以相同的相位(即同步、同方向、同速度)绕 z轴进动，在磁化强度翻转到 xoy平面后，射频脉冲立刻关闭。热力学的一个普通原理就是所有的系统趋向于自己*低的能态。因此，在关闭射频脉冲以后，将会发生两种情况：
①高能级质子将跃迁到*低能级； ②质子系统之间将出现相位差。关闭射频脉冲后这两个过程同时发生，但又相互独立。
在射频脉冲的作用下，低能级质子吸收射频脉冲能量跃迁到高能级，射频脉冲停止后，处在高能级的质子不稳定，将跃迁到低能级，结果使处在低能级和高能级上的质子数又恢复到射频脉冲作用前的情况，其纵向磁化强度分量逐渐恢复到初始平衡状态的 M0。我们把 M0一旦受到射频脉冲激发，偏离平衡位置，产生纵向磁化强度分量 Mz和横向磁化强度分量 Mxy，并在射频脉冲停止后，Mz总是向 M0(M0的大小)恢复，直至恢复到射频脉冲作用前的 M0状态，这一过程称为纵向弛豫过程(longitudinal relaxation)。由于这个过程是质子与周围物质进行热交换，或者说质子将多余能量通过晶格扩散出去，使其从高能级跃迁到低能级，因此这一过程又称为自旋-晶格弛豫过程。对于 π/2翻转、π翻转和部分翻转来说，其纵向弛豫过程分别是 Mz从 0、.M0和 M0cosθ恢复到 M0的过程。这一过程进行的快慢取决于质子与周围环境之间的作用。图 1-2给出了由 4个质子组成系统的弛豫过程。图 1-2(a)表示*初平衡状态，4个质子均处于低能级，形成*初的纵向磁化强度矢量 M0；图 1-2(b)为 π/2脉冲激发后的非平衡状态，低能级和高能级质子数相等，此时纵向磁化强度为零；图 1-2(c)与(d)表示进行的纵向弛豫过程，在这一过程中纵向磁化强度逐渐恢复到*初情况。
图1-2 4 个质子组成系统的纵向弛豫过程
纵向磁化强度分量 Mz向平衡状态 M0恢复的速度与它们离开平衡位置的程度成正比，因此有
(1-1)
负号表示恢复；T1具有时间的量纲。对于π/2脉冲作用后，从式(1-1)可解得纵向磁化强度Mz的恢复表达式为：
(1-2)
式中，M0是射频脉冲作用前质子系统的纵向磁化强度矢量的大小；T1称为纵向弛豫时间(longitudinal relaxation time)，简称 T1。
式(1-2)给出了恢复过程中的任意时刻纵向磁化强度矢量的大小 Mz，说明 Mz是时间的指数增长函数，t的计时从射频脉冲停止开始。通常用 Mz由零恢复到 M0的 63%时所需要的时间来确定 T1，即纵向弛豫时间 T1为 Mz恢复到 0.63M0时所需要的时间(图 1-3)，Mz随时间的恢复曲线又称为 T1恢复曲线。需特别注意的是，从 Mz(t)-t公式可以看出，Mz要恢复到 M0理论上需要的时间是无穷长，然而当 t=5 T1，纵向磁化强度矢量 Mz已经恢复了 99.33%，非常接近于 M0，因此在实际中我们用 T1表示 Mz恢复到它初始磁矢量 M0所需的时间。通常用 T1表示纵向弛豫过程的快慢，T1大反映了纵向弛豫过程进行得慢，T1小表明纵向弛豫过程进行得快。T1又称为自旋-晶格弛豫时间(spin-lattice relaxation time)。T1的大小取决于外磁场及质子与周围环境之间的相互作用(即组织的性质)。T1值一般以秒或毫秒为单位。
图1-3 T1时间的确定
纵向弛豫时间 T1是组织的固有特性，在外磁场给定后，不同生物组织其 T1值都有相应的固定值，但不同生物组织 T1值有很大的差异，如水的 T1为 3 s，人体中水的 T1约在 500 ms～1 s范围内，固体的 T1很大，几小时甚至几天。各种组织都有自己特定的 T1值，这正是核磁共振成像所需要的。
外磁场 B0(B0的大小)对组织的纵向弛豫时间 T1也有影响，大多数组织的纵向弛豫
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