解放军文职招聘考试MR成像

 MR成像

从本世纪40年代起核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance)作为一种物理现象就应用于物理、化学和医学领域。美国哈佛大学的Purcell及斯坦福大学的Bloch因发现了核磁共振现象共同获得了1952的诺贝尔物理奖。1973年Lauterbur等人首先报道利用核磁共振原理成像的技术。1978年Mallard、Hutchison及Lauterbar等人报告了MRI用于人体的情况。1980年商品MRI机出售，开始应用于临床。由于MRI所具有的独特功能和巨大潜能，这一新的医学影像诊断技术在80年代得到迅速发展。为避免与核医学中放射成像相混淆，现在将此技术称为磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,简称MRI)。MRI提供的信息量不但大于医学影像学中的其它许多成像术,且它提供的信息也不同于已有的成像术,所以用它诊断疾病有很大的优越性。

第一节  基本原理与设备

一、MRI基本原理

某些质子数与中子数之和为奇数的原子核如：1H（1氢）、31P(31磷)、23Na(23钠)、13C(13碳)和19F(19氟)等，不仅具有一定的质量，带一定量的正电荷，还具有两个彼此相关的特征性参数，即自旋(spin)和磁矩(magnetic moment)。自旋(S)与磁矩(U)呈正比关系：

U=γ×S

γ：比例常数(又称旋磁比)

不同原子核的γ值各异，换言之，每一种原子核都有自己固定的γ值。

在上述原子核中氢核(1H)即质子，结构最简单，但磁性较强(即磁矩较大)，是构成水、脂肪和碳水化合物等有机物质的基本成份，人体内含量高，在各器官、组织上分布广，明显优于其他原子核，故目前临床主要利用1H质子看作具有固定质量、带正电荷、不停绕自身轴旋转的小磁针。人体内存在大量质子，在自然状态下，其磁矩所指方向各不相同，杂乱无章地分布，其磁距互相抵消，故宏观上人体不显磁性。

当将人体置于一个外加的强磁场中时，原来杂乱无章排列的质子磁矩受外加磁场的影响，不停自旋的磁距指向发生偏转，偏转不是倒向外磁场方向，平行或反平行于外磁场方向排列，而是呈陀螺样运动。除绕自身轴自旋外，还围绕外磁场的磁矩转动，这种运动方式称进动(precession)又称拉莫(Lamor)旋进，质子绕外磁场磁矩进动的角频率(W0)称拉莫频率，其大小与外磁场强度(B0)成正比：

W0=γ×B0

γ：旋磁比；B0：外磁场强度，单位：特斯拉(Tesla;T)

当质子进动时，各个质子磁矩的方向与外磁场磁矩方向的夹角各不相同，一些质子的夹角小于90°，质子与外磁场的磁矩方向大致相同，处于低位能状态，数量多数；而夹角大于90°的质子磁矩方向与外磁场相反，处于高位能状态，数量少些；夹角等于90°的质子磁矩指向水平方向，在宏观纵向上无磁矩。产全部质子磁矩叠加起来，由于顺外磁场的质子比逆外磁场方向的质子多，故产生一个沿外磁场磁矩方向的宏观磁矩。换言之，由于人体置于外磁场内，质子磁矩受外磁场磁矩的影响，而呈有序化排列，使人体产生了磁性。

此时，在与外磁场磁矩垂直的方向上加入射频脉冲即高频无线电波，当其频率与质子进动频率一致时，即发生核磁共振(nuclear magnetic resonance；NMR)现象：质子吸收射频脉冲的能量，磁矩发生偏转，整个自旋系统偏离平衡状态。当射频脉冲去除后，自旋系统自发地恢复到平衡状态，并将所吸收的能量仍以射频脉冲的方式释放。此射频脉冲即为NMR信号，用线圈接收此信号，经一系列计算机处理后，就得到了MRI图像。

能使宏观磁矩偏转90°的射频脉冲称90°脉冲，使之偏转180°的脉冲称180°脉冲。实际应用时，射频脉冲常以组合方式发放，组合脉冲又称脉冲序列。

宏观磁矩在射频脉冲的作用下吸收能量发生偏转，整个自旋系统偏离平衡状态，去除射频脉冲后，自旋系统自发地恢复到平衡状态的过程叫弛豫(relax)。为了便于分析，以90°脉冲为例说明弛豫过程。引入坐标系，X、Y和Z轴代表空间三维方向，彼此互相垂直。质子自旋系统置入外强磁场中时，Z轴方向为宏观磁矩的指向，其磁距最大，而Y轴方向磁矩为零。当加入90°射频脉冲后，宏观磁矩由Z轴倒入Y轴，致Y轴上磁矩最大，而Z轴上为零。射频脉冲去除后，弛豫过程由两种成份组成：

1 纵向弛豫(Longitudinal Relaxation)：纵向弛豫指宏观磁矩纵向(Z轴方向)由零回复到最大的过程。此过程质子释放NMR所吸收的能量，即自旋系统与周围外界环境发生能量交换，反映了质子与周围环境之间的关系，又称自旋晶格弛豫(Spin-lattice Relaxation)，此驰豫曲线为指数递增曲线，当Z轴宏观磁矩从零恢复至最大值的63%时，称纵向弛豫时间，用T1标示，通常人体组织的T1值为数百毫秒。

2 横向弛豫(Transverse Relaxation)：横向弛豫指宏观磁矩在水平方向上(Y轴方向)

由最大趋于零的过程，表示各质子磁矩进动的相位由有序恢复至杂乱无章的状态。此过程不发生质子与外界环境之间的能量交换，反映质子与质子之间的相互关系，即质子本身的情况，故横向弛豫又称自旋-自旋弛豫(Spin-Spin Relaxation)，此弛豫呈指数递减曲线，Y轴磁矩由初始最大值衰减63% 所需时间称T2弛豫时间。通常人体组体组织的T2值较短，远小T1值，为数十毫秒。NMR质子数量与MRI信号强度成正比，某器官或组织含质子数量多，则发出的MRI信号强度就强；反之，则弱。由于人体各器官及不同组织的质子含量有一定差别，所发出的MRI信号强度即强弱不等，构成了MRI图像的基础对比度。但人体各组织、器官的T1 和T2长短的差别远大于质子含量的差异，尤其病变与正常组织之间更是如此，故临床应用MRI时常突出T1 和T2的差别，获得T1WI和T2WI，以形成更大的对比度，有利于显示病变。应该指出：在外磁场确定不变的情况下，具体组织的T1 和T2均为常数。两种弛豫过程均呈指数形式，一开始递增或递减的速度较快，然后越来越慢。