核磁共振成像

核磁共振成像核成像技术01历史发展弛豫过程技术应用成像原理系统结构未来展望目录0305020406基本信息核磁共振成像（英语：NuclearMagneticResonanceImaging，简称NMRI），又称自旋成像（英语：spinimaging），也称磁共振成像（MagneticResonanceImaging，简称MRI），是利用核磁共振（nuclearmagneticresonance，简称NMR）原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像。将这种技术用于人体内部结构的成像，就产生出一种革命性的医学诊断工具。快速变化的梯度磁场的应用，大大加快了核磁共振成像的速度，使该技术在临床诊断、科学研究的应用成为现实，极大地推动了医学、神经生理学和认知神经科学的迅速发展。从核磁共振现象发现到MRI技术成熟这几十年期间，有关核磁共振的研究领域曾在三个领域（物理学、化学、生理学或医学）内获得了6次诺贝尔奖，足以说明此领域及其衍生技术的重要性。2023年4月，在核磁共振成像（MRI）技术问世50周年之际，将小鼠大脑图像的分辨率提高了6400万倍的新图像发布。历史发展历史发展磁共振成像是一种较新的医学成像技术，国际上从一九八二年才正式用于临床。它采用静磁场和射频磁场使人体组织成像，在成像过程中，既不用电子离辐射、也不用造影剂就可获得高对比度的清晰图像。它能够从人体分子内部反映出人体器官失常和早期病变。它在很多地方优于X线CT。虽然X-CT解决了人体影像重叠问题，但由于提供的图像仍是组织对X射线吸收的空间分布图像，不能够提供人体器官的生理状态信息。当病变组织与周围正常组织的吸收系数相同时，就无法提供有价值的信息。只有当病变发展到改变了器官形态、位置和自身增大到给人以异常感觉时才能被发现。磁共振成像装置除了具备X线CT的解剖类型特点即获得无重叠的质子密度体层图像之外，还可借助核磁共振原理精确地测出原子核弛豫时间T1和T2，能将人体组织中有关化学结构的信息反映出来。这些信息通过计算机重建的图像是成分图像（化学结构像），它有能力将同样密度的不同组织和同一组织的不同化学结构通过影像显示表征出来。这就便于区分脑中的灰质与白质，对组织坏死、恶性疾患和退化性疾病的早期诊断效果有极大的优越性，其软组织的对比度也更为精确。早在1946年，美国哈佛大学的EdwardPurcell和斯坦福大学的FelixBlock领导的两个研究小组发现了物质的核磁共振现象。他们二人于1952年被授予诺贝尔物理奖。核磁共振现象发现以后，很快就形成一门新的边缘学科，核磁共振波谱学。它可以使人们在不破坏样品的情况下，通过核磁共振谱线的区别来确定各种分子结构。这就为临床医学提供了有利条件。1967年，JasperJackson第一次从活的动物身上测得信号，使NMR方法有可能用于人体测量。1971年，美国纽约州立大学的R.成像原理成像原理原子核自旋，有角动量。由于核带电荷，它们的自旋就产生磁矩。当原子核置于静磁场中，本来是随机取向的双极磁体受磁场力的作用，与磁场作同一取向。以质子即氢的主要同位素为例，它只能有两种基本状态：取向“平行”和“反向平行”，他们分别对应于低能和高能状态。精确分析证明，自旋并不完全与磁场趋向一致，而是倾斜一个角度θ。这样，双极磁体开始环绕磁场进动。进动的频率取决于磁场强度。也与原子核类型有关。它们之间的关系满足拉莫尔关系：ω0=γB0，即进动角频率ω0是磁场强度B0与磁旋比γ的积。γ是每种核素的一个基本物理常数。氢的主要同位素，质子，在人体中丰度大，而且它的磁矩便于检测，因此最适合从它得到核磁共振图像。从宏观上看，作进动的磁矩集合中，相位是随机的。它们的合成取向就形成宏观磁化，以磁矩M表示。就是这个宏观磁矩在接收线圈中产生核磁共振信号。在大量氢核中，约有一半略多一点处于低等状态。可以证明，处于两种基本能量状态核子之间存在动态平衡，平衡状态由磁场和温度决定。当从较低能量状态向较高能量状态跃迁的核子数等于从较高能量状态到较低能量状态的核子数时，就达到“热平衡”。如果向磁矩施加符合拉莫尔频率的射频能量，而这个能量等于较高和较低两种基本能量状态间磁场能量的差值，就能使磁矩从能量较低的“平行”状态跳到能量较高“反向平行”状态，就发生共振。由于向磁矩施加拉莫频率的能量能使磁矩发生共振，那么使用一个振幅为B1，而且与作进动的自旋同步（共振）的射频场，当射频磁场B1的作用方向与主磁场B0垂直，可使磁化向量M偏离静止位置作螺旋运动，或称章动，即经射频场的力迫使宏观磁化向量环绕它作进动。弛豫过程弛豫过程用梯度磁场对共振信号作空间编码（定位）的办法得到的图像，实质上是人体组织内质子的密度图。磁共振象素值反映的横向磁化不但与质子数量有关，而且与它们的运动特性，即所谓“弛豫时间”有关。在自由进动阶段，磁化向量经过一个称为“弛豫”的过程，回到它的原始静止位置。弛豫过程的特性由时间常数T1和T2描述。为了作简单的热力学模拟，提出“自旋温度”的概念。认为经射频磁场激励后的自旋是“热”的，核子的环境便称“晶格”，可把它的理解成一个热容量很大的容器，通过“热”接触吸收核子多余的能量。自旋与晶格的绝“热”十分有效，“热”传递慢，弛豫时间就长。纯水中，室温下，质子的自旋晶格驰豫时间约3秒，在生物组织中，它在几百毫秒自约2秒之间。自旋晶格弛豫时间T1是纵向磁化向量MZ复位的过程，因此丁也叫纵向弛豫时间。复位过程遵守指数规律，90º度脉冲之后，经过T1秒，复位到它静止值的63%。经过射频磁场激励之后，除纵向磁化分量要恢复，横向磁化分量MXY也要衰减，使信号逐渐消失。如果磁场是理想均匀的，即全部核子完全经受同一磁场强度，这横向磁化分量以常数T2衰减，它叫横向或自旋-自旋弛豫时间。由于实际上的磁场的不均匀，FID（自由衰减信号）衰减过程的有效时间常数T2要比T2短。由于FID（自由衰减信号）信号不表示纵向磁化向量，也不能正确表示横向磁化分量衰减的实际时间常数，所以，实际测量是都是利用给予一定的脉冲序列（180度和90度射频激励脉冲组成一定的脉冲序列）来进行间接测量，以获得T1加权的和T2加权的图像。系统结构系统结构主要有三大基本构件组成，即磁体部分、磁共振波谱仪部分、数据处理和图像重建部分。磁体部分磁体主要有主磁体（产生强大的静磁场）、补偿线圈（校正线圈）、射频线圈和梯度线圈组成。主磁体用以提供强大的静磁场，而且要求较大的空间范围（能容纳病人），保持高度均匀的磁场强度。衡量磁体的性能有四条标准：磁场强度、时间稳定性、均匀性、孔道尺寸。增加静磁场强度可使检测灵敏度提高，即扫描时间缩短和空间分辨率提高。但也会使射频场的穿透深度减少。磁场强度为0.35T时，可以得到很好的空间分辨率，当前临床上所用的较高的磁场强度为1.5T。主磁体分三类：普通电磁体、永磁体和超导磁体。普通电磁体是利用较强的直流电流通过线圈产生磁场。维持一个主磁体磁场的耗电约为100kW。一般需要通电数小时后，磁场才能达到稳定状态。线圈中流过大电流将产生大量热，要通过热交换器以冷却水散热。永磁材料经外部激励电源一次充磁后，去掉激励电源仍长期保持及磁性，磁场强度很易保持稳定。因此，磁体维护简便，维持费用最低。其缺点是重量较大，因而很难达到1T场强。当前场强限制在0.5T以下。超导磁体当前是用得比较多的。在超导状态下，电流流过导体时没有电阻损耗，从而不会使导体升温。同样直径的导线在超导状态下可以通过更大电流而不损坏。用超导材料制成的线圈通以强大电流可产生强大磁场，而且在外加电流切断后，超导线圈中的电流仍保持不变，因而超导磁场极为稳定。技术应用MRI在医学上的应用磁共振成像的其他进展MRI在化学领域的应用技术应用MRI在医学上的应用检查目的MRI被广泛运用在运动相关伤害的诊断上，对近骨骼和骨骼周围的软组织，包括韧带与肌肉，可呈现清晰影像，因此在脊椎及关节问题上，是极具敏感的检查。因MRI没有辐射暴露的危险，因此经常被使用在生殖系统、乳房、骨盆及膀胱病的侦测及诊断上。原理概述氢核是人体成像的首选核种：人体各种组织含有大量的水和碳氢化合物，所以氢核的核磁共振灵活度高、信号强，这是人们首选氢核作为人体成像元素的原因。NMR信号强度与样品中氢核密度有关，人体中各种组织间含水比例不同，即含氢核数的多少不同，则NMR信号强度有差异，利用这种差异作为特征量，把各种组织分开，这就是氢核密度的核磁共振图像。人体不同组织之间、正常组织与该组织中的病变组织之间氢核密度、弛豫时间T1、T2三个参数的差异，是MRI用于临床诊断最主要的物理基础。当施加一射频脉冲信号时，氢核能态发生变化，射频过后，氢核返回初始能态，共振产生的电磁波便发射出来。原子核振动的微小差别可以被精确地检测到，经过进一步的计算机处理，即可能获得反应组织化学结构组成的三维图像，从中我们可以获得包括组织中水分差异以及水分子运动的信息。这样，病理变化就能被记录下来。MRI在化学领域的应用MRI在化学领域的应用没有医学领域那么广泛，主要是因为技术上的难题及成像材料上的困难，当前主要应用于以下几个方面：磁共振成像的其他进展核磁共振分析技术是通过核磁共振谱线特征参数（如谱线宽度、谱线轮廓形状、谱线面积、谱线位置等）的测定来分析物质的分子结构与性质。它可以不破坏被测样品的内部结构，是一种完全无损的检测方法。同时，它具有非常高的分辨本领和精确度，而且可以用于测量的核也比较多，所有这些都优于其它测量方法。因此，核磁共振技术在物理、化学、医疗、石油化工、考古等方面获得了广泛的应用。未来展望未来展望人脑是如何思维的，一直是个谜。而且是科学家们的重要课题。而利用MRI的脑