解放军文职招聘考试磁共振成像

磁共振成像

    磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是利用原子核在磁场内所产生的信号经重建成像的一种影像技术。早在 1946年 Block和 Purcell就发现了物质的核磁共振现象并应用于化学分析上，而形成了核磁共振波谱学。1973年1auterbur发表了MRI成像技术，使核磁共振应用于临床医学领域。为了准确反映其成像基础，避兔与核素成像混淆，现已将核磁共振成像改称为磁共振成像。参与MRI的成像因素较多，决定MRI信号强度的参数至少有10个以上，只要有l个参数发生变化，就可在MRI信号上得到反映。因此，MRI具有极大的临床应用潜力。由于对MRI成像的贡献，lauterbur与Mansfierd共获2003年的诺贝尔奖金。

第一节 MRI成像基本原理与设备

一、MRI成像基本原理

    所有含奇数质子的原子核均在其自旋过程中产生自旋磁动量，也称核磁矩，它具有方向性和力的效应，故以矢量来描述。核磁矩的大小是原子核的固有特性，它决定MRI信号的敏感性。氢的原子核最简单，只有单一的质子，故具有最强的磁矩，最易受外来磁场的影响，并且氢质于在人体内分布最广，含量最高，因此医用MRI均选用H为靶原子核。人体内的每一个氢质子可被视作为一个小磁体，正常情况下，这些小磁体自旋轴的分布和排列是杂乱无章的，若此时将人体置人在一个强大磁场中，这些小磁体的自旋轴必须按磁场磁力线的方向重新排列。此时的磁矩有二种取向：大部分顺磁力线排列，它们的位能低，状态稳；小部分逆磁力线排列，其位能高。两者的差称为剩余自旋，由剩余自旋产生的磁化矢量称为净磁化矢量，亦称为平衡态宏观磁场化矢量M0。在绝对温度不变的情况下，两种方向质子的比例取决于外加磁场强度。

    在MR的坐标系中，顺主磁场方向为Z轴或称纵轴，垂直于主磁场方向的平面为XY平面或称水平面，平衡态宏观磁化矢量M。此时绕Z轴以Larmor频率自旋，如果额外再对M0施加一个也以Larmor频率的射频脉冲，使之产生共振，此时M0就会偏离Z轴向XY平面进动，从而形成横向磁化矢量，其偏离Z轴的角度称为翻转角。翻转角的大小由射频脉冲的大小来决定，能使M翻转90”至XY平面的脉冲称之为90度脉冲。在外来射频脉冲的作用下M0除产生横向磁化矢量外，这些质子同向进动，相位趋向一致。

    当外来射频脉冲停止后，由M0产生的横向磁化矢量在晶格磁场（环境磁场）作用下，将由XY平面逐渐回复到Z轴，同时以射频信号的形式放出能量，其质子自旋的相位一致性亦逐渐消失，并恢复到原来的状态。这些被释放出的，并进行了三维空间编码的射频信号被体外线圈接收，经计算机处理后重建成图像。
    在MRI的应用中常涉及如下几个概念：

    弛豫

    弛豫是指磁化矢量恢复到平衡态的过程，磁化矢量越大，MRI探测到的信号就越强。

    纵向弛豫

    纵向弛豫又称自旋一晶格弛豫（sPin－lattice relaxatlon）或 T1弛豫，是指90”射频脉冲停止后纵向磁 化逐渐恢复至平衡的过程，亦就是M0由XY平面回复到Z轴的过程（图4－2）。其快慢用时间常数T2来表示，可定义为纵向磁化矢量从最小值恢复至平衡态的63％所经历的弛豫时间。不同的组织T1时间不同，其纵向弛豫率的快慢亦不同，故产生了MR信号强度上的差别，它们在图像上则表现为灰阶的差别。由于纵向弛豫是高能原子核释放能量恢复至低能态的过程，所以它必须通过有效途径将能量传递至周围环境（晶格）中去，晶格是影响其弛豫的决定因素。大分子物质（蛋白质）热运动频率太慢，而小分子物质（水）热运动太快，两者都不利于自旋能量的有效传递，故其T1值长（MR信号强度低），只有中等大小的分子（脂肪）其热运动频率接近Larmor频率，故能有效快速传递能量，所以 TI值短（MR信号强度高）。 通过采集部分饱和的纵向磁化产生的MR信号，具有T1依赖性，其重建的图像即为T1加权图像。

    横向弛豫

    横向弛豫又称为自旋一自旋弛豫（spin－spin relaxation）或T2弛豫。横向弛豫的实质是在射频脉冲停止后，质子又恢复到原来各自相位上的过程，这种横向磁化逐渐衰减的过程称为T2弛豫。T2为横向弛豫时间常数，它等于横向磁化由最大值衰减至37％时所经历的时间，它是衡 量组织横向磁化衰减快慢的一个尺度。 T2值也是一个具有组织特异性的时间常数，不同组织以及正常组织和病理组织之间有不同的T2值。大分子（蛋白质）和固体的分子晶格固定，分子间的自旋一自旋作用相对恒定而持久，故它们的横向弛豫衰减过程快，所以 T2短（MR信号强度低），而小分子及液体分子因具有快速平动性，使横向弛豫衰减过程变慢，故 T；值长（MR信号强度高）。MR信号主要依赖T2而重建的图像称为T2加权图像。

二、MRI 设备

    磁共振成像设备包括5个系统：磁体系统、梯度系统、射频系统、计算机及数据处理系统以及辅助设备部分。
    磁体分常导型、永磁型和超导型三种，目前常用的有超导型磁体和永磁体。磁体性能的主要参数有磁场强度、磁场均匀性、磁场稳定性等。常导型的线圈用铜、铝线绕成，磁场强度可达0.15T～0.3T；永磁型的磁体由磁性物质制成的磁砖所组成，较重，磁场强度偏低，最高可达0.3T；超导型的线圈用银一钛合金线绕成，医用MR设备所用的磁场强度一般为0.35T～ 3.OT。 梯度系统由梯度放大器及X、Y、Z三组梯度线圈组成。它的作用是修改主磁场，产生梯度磁场。其磁场强度虽只有主磁场的几百分之一，但梯度磁场为人体MRI信号提供了空间定位的三维编码的可能。由于对图像空间分辨力的要求越来越高，故对梯度磁场的要求也高，目前梯度系统提供的梯度场强已高达 60MT／M。
    射频系统用来发射射频脉冲，使磁化的氢质子吸收能量而产生共振。在弛豫过程中氢质子释放能量并发出MRI信号，后者被检测系统接收。射频系统主要由发射与接收两部分组成，其部件包括射频发射器、功率放大器、发射线圈、接收线圈以及噪声信号放大器等。
    MRI设备中的计算机系统主要包括模／数转换器、阵列处理机及用户计算机等。其数据采集、处理和图像显示，除图像重建由傅里叶变换代替了反投影外，其它与CT设备非常相似。