磁共振成像技术在医学中的应用

磁共振成像技术在医学中的应用

1946年，美国斯波尔霍夫教授和赫姆尔布里格尔教授首次提出了磁共振成像（mr）。这两位教授于1952年获得了赫贝尔的物理学奖。从那时起，他开始研究磁共振成像技术在医学领域的应用具有重要地位。主要基于人体不同组织、器官（正常组织）的运动时间。根据接收到的mr信号，可以识别不同的组织。这是mr成像的基本思想。此外，同一组织和器官的运动时间也非常不同。例如，在正常组织和肿瘤组织中，氢核的运动时间延长。这一思想为磁共振成像奠定了基础。磁共振成像广泛应用于医学诊断中。一些人体因素的mri图像、人体血管图像、脑神经功能图像、各种中枢神经系统、血管系统、头颈部、肌肉关节系统、人体纵隔、腹腔、骨盆实质器官检查、腺体检查和其他领域。MR成像检查优点无比、无创伤、无电离辐射,十分安全;多参数成像可测量质子密度、质子驰豫时间(T1/T2),得到人体氢原子核的ρ加权图像、T1加权图像、T2加权图像;高对比度成像、同时具备任意方向断层能力,横断面、冠状面、矢状面以及不同角度的斜断面成像;在血管测量时不需造影剂;从解剖层面成像发展到功能成像.目前成像速度相对较慢,对人体中有金属部件(如心脏起搏器)不宜作磁共振检查,另外易受干扰,须要良好的屏蔽技术.本文主要分析MR系统结构、原理及MR图像研究.1线性梯度磁场的频率条件核磁共振成像是把人体放在磁场中、分别是主磁场B0、射频场B1、线性梯度磁场(Gx,Gy,Gz),共3个磁场见图1.主要由主磁体、梯度线圈、RF射频线圈、计算机、控制台、检查床等组成如图2所示.人体氢原子核在一定条件下吸收射频电磁波的能量、产生磁共振现象、从微观上看、氢质子获得能量从低能级跃迁到高能级、位于高能级的质子不稳定自发向低能级跃迁,将获得的能量以电磁波的形式释放MR信号、从宏观上、氢原子核磁矩、在射频场照射后偏离平衡态,关断射频场、氢磁化强度矢量从非平衡态向平衡态过度,形成驰豫,如果在水平面放置一线圈、里面将出现自由感应衰减信号(FID信号)、然后将此信号接收、处理、显示形成MR图像.主磁场B0是MRI系统中最重要的设备,其强度、稳定度、均匀度对MR图像影响较大,目前用3种方法产生,永久磁铁、常导线圈,超导线圈,医院核磁共振成像设备的磁场强度范围0.02~3.0T范围,当主磁场作用后,人体氢原子核将被磁化、磁化强度矢量不为0,因此氢核原子核视为一个小磁针,原子核由质子和中子构成,质子在磁场中进动(见图3),自选,进动频率为Lammor频率、也成为共振频率,可以证明与外磁场强度B0成正比ω=γB0.γ磁旋比,原子结构常数、氢原子磁旋比为42,当主磁场为0.5T时共振频率为21MHz,当主磁场为1.5T时共振频率为63MHz.射频场B1是高频无线电波,在垂直主磁场方向施加射频场B1,从宏观上看氢原子核的磁矩偏转,平衡态,我们把偏转到xy平面对应的射频脉冲称为900脉冲,偏转到z轴负方向称为1800脉冲,这时在xy平面放置一线圈,将会在线圈里产生自由感应衰减信号(FID,FreeInductionDecaySignal),波形见图4.如果只有横向磁化,FID信号线圈里电压的数学表达式.V(t)∝M0sinθcosω0te-tT2.该信号的强度可以表示质子密度信息、该信号衰减快慢可以表示原子核驰豫时间,该信号频率可表示质子位置信息,依靠傅里叶变换将时域函数变成频率函数、可以提取质子位置信息.从微观看射频场照射氢原子核,氢质子从射频电磁波吸收能量,将从低能级跃迁到高能级,关断射频场、位于高能级的质子不稳定、自发跃迁到低能级,同时将获得的能量已电磁波得的形式释放,根据量子力学理论hν=E2-E1=g2B0μN.可以证明保证氢质子跃迁到相邻能级的射频电磁波的频率等于质子进动共振频率νBF=12πγβ0.νBF=12πγβ0.由此得出产生核磁共振的频率条件.线性梯度磁场:G(Gx,Gy,Gz).为了获取质子的位置信息,在主磁场B0上叠加高斯级别的线性梯度磁场G(Gx,Gy,Gz))如图5,使得任内各个点的磁场强度完全不同,结果各点氢质子的进动频率也完全不同,在实际中采用频率编码和相位编码,来表示各点质子的进动快慢与相位与质子空间坐标一一对应.通过改变射频电磁波的频率,合理搭配线性梯度磁场、完成对人体器官组织断层扫描,在临床中可以实现横断面成像、冠状面成像、矢状面成像、以及任意斜面成像.线性梯度磁场可由一对通电方向相反、形状特定的线圈建立、通过对电流大小、线圈大小形状调节、可以获得达到要求的梯线性梯度磁场.选定一个断层面,只需在垂直所选定的断层面方向施加一个线性梯度场,沿该方向的自选核的共振频率就成线性变化,选择一定频率的射频脉冲,就只能激励特定层面的产生核磁共振现象,释放MR信号,这是应为当外加射频电磁波的频率等于自旋核的拉莫尔频率时,才能产生,因此改变射频频率完成数据采集.线性梯度场的工作运行、完全由计算机控制.2脉冲激光雷达检查方法下面是用MR成像设备得到人体器官组织,脑部、胸部的MR图像见图6.由此看出:①人体不同器官组织氢质子的密度ρ、横向驰豫时间T1、纵向驰豫时间T2,在荧光屏上由不同亮暗灰阶、实现MR成像检查,医生根据正常正常组织和异常组织中这些物理量参数的大小、灰阶不同实现无创伤定量诊断;②在实际工作中有MR图像和核磁共振谱线分析2种检查;③核磁共振成像和X线、超声比较是多参数成像,同时测量3个参数,通过合理组合90°脉冲,180°脉冲形成系列MR检查方法,改变脉冲重复时间TR自选回波时间TE、反转恢复时间TI很容易实现人体器官组织的反转恢复脉冲成像、自选回波成像、部分饱和脉冲成像、快速选择脉冲回成像;④在人体器官组织层面选择成像中,通过合理选择3个梯度磁场很容易实现人体器官组织横断面、冠状面、矢状面成像这是其他成像不能较好解决的技术难题.总之,核磁共振成像是通过向人体器官组织发射90°