深入淺出帶你了解磁共振成像（MRI）基本原理

一、 當(dāng)我們?nèi)メt(yī)院做核磁共振檢查時(shí)是如何給大腦照相的呢？照相的原理又是什么？

人的大腦可以說(shuō)是世jie上zui為精妙復(fù)雜的系統(tǒng)，從生理上來(lái)說(shuō)，腦的功能是控制身體的其他器官，可以說(shuō)所有的行為都因它而起，所有的感悟也都由它而生。對(duì)于這么復(fù)雜而又精細(xì)的系統(tǒng)，從古至今人類(lèi)從未放棄探索。

 研究腦zui古老的方法是神經(jīng)解剖學(xué)。神經(jīng)生理學(xué)家研究腦的化學(xué)、藥理學(xué)和電性質(zhì)，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究大腦的運(yùn)作如何執(zhí)行心理或認(rèn)知功能。我們姑且將其統(tǒng)稱(chēng)為腦科學(xué)，即研究腦的結(jié)構(gòu)和功能的科學(xué)。

 腦科學(xué)研究方法除了常規(guī)的認(rèn)知行為研究之外，還有利用腦功能成像設(shè)備的研究方法，zui常見(jiàn)的有磁共振成像技術(shù)（MRI）、腦電圖（EEG）、腦磁圖（MEG）等。今天我們就來(lái)聊聊磁共振成像技術(shù)（MRI）的基本原理。
 

圖1. 圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)
 

磁共振成像技術(shù)原本稱(chēng)為核磁共振成像。很多人聽(tīng)到“核磁”，第1反應(yīng)是這個(gè)對(duì)人體有害嗎，因?yàn)槊�稱(chēng)中不是有“核”嗎。其實(shí)，此處的”核“指”原子核“確實(shí)不假，但磁共振成像只與原子核的磁場(chǎng)相關(guān)，與原子核聚變、裂變等的能量放射并無(wú)關(guān)系。因此，磁共振成像其實(shí)是利用人體組織中某種原子核的核磁共振現(xiàn)象，將所得射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理，重構(gòu)出人體某一層面的圖像的診斷技術(shù)。
 

二、 “核”和“磁”

我們先來(lái)說(shuō)說(shuō)這個(gè)“核”。人體是由原子構(gòu)成的，原子由電子和原子核組成，原子核包括質(zhì)子和中子。原子核像地球一樣可以圍繞著中軸進(jìn)行自我旋轉(zhuǎn)，并且人體中水分含量zui多，因此大腦中的H質(zhì)子會(huì)自旋。通常情況下，每個(gè)質(zhì)子自旋均會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小的磁場(chǎng)，但呈隨機(jī)無(wú)序排列，各方向的磁性相互抵消，因此人體整體不表現(xiàn)磁性。

但當(dāng)一個(gè)人進(jìn)入核磁共振掃描機(jī)器里，這些質(zhì)子就處在了掃描機(jī)所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)中。這些H原子仍按自己的頻率震動(dòng)，但方向?yàn)榕c外界磁場(chǎng)保持一致，整體上會(huì)表現(xiàn)出磁性。這就好比學(xué)校做廣播體操，同學(xué)們一開(kāi)始是隨機(jī)排列的，但是一旦聽(tīng)到廣播體操聲響起，同學(xué)們都會(huì)自覺(jué)的排列整齊，朝同一個(gè)方向齊刷刷站好。此時(shí)，質(zhì)子兼顧自旋和指向磁場(chǎng)方向或反方向的兩種運(yùn)動(dòng)，綜合起來(lái)看就類(lèi)似于小時(shí)候玩的陀螺，稱(chēng)之為進(jìn)動(dòng)。

因此，磁共振成像系統(tǒng)中很重要的一個(gè)組成部分就是磁體系統(tǒng)，它的主要作用是提供一個(gè)穩(wěn)定的、均勻的空間磁場(chǎng)環(huán)境。根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小，可以把磁共振設(shè)備分為低場(chǎng)、中場(chǎng)、高場(chǎng)及超高場(chǎng)。磁場(chǎng)的單位是特斯拉（Tesla），是以一位傳奇的物理學(xué)家尼古拉·特斯拉的名字命名的。

磁場(chǎng)強(qiáng)度小于0.5T的磁共振設(shè)備被叫做低場(chǎng)磁共振

磁場(chǎng)強(qiáng)度大于0.5T小于1.0T的磁共振設(shè)備叫做中場(chǎng)磁共振

磁場(chǎng)強(qiáng)度大于1.0T小于2.0T的磁共振就是高場(chǎng)磁共振

磁場(chǎng)強(qiáng)度大于2.0T的磁共振是超高場(chǎng)磁共振，包括臨床和科研常用的3.0T和7.0T 
 

 

三、“共振”

前面我們提到，在外加磁場(chǎng)后，體內(nèi)的質(zhì)子進(jìn)動(dòng)而產(chǎn)生磁矢量。平衡狀態(tài)下，大部分的質(zhì)子方向和外加磁場(chǎng)方向一致（即縱向磁化），而由于相位不同，宏觀上只有縱向磁化產(chǎn)生，而無(wú)橫向磁化產(chǎn)生。但由于和外加磁場(chǎng)方向一致不能被直接測(cè)量，我們?nèi)绻�想要獲得這個(gè)信號(hào)，就需要擾亂它。

這就提到磁共振系統(tǒng)第二個(gè)重要組成部分——射頻系統(tǒng)，它的主要作用是發(fā)射能夠激發(fā)成像區(qū)域的射頻脈沖。當(dāng)我們加入的射頻脈沖的頻率和質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率一致時(shí)，就會(huì)發(fā)生能量的傳遞，低能的質(zhì)子獲得能量進(jìn)入高能的狀態(tài)，這便是核磁共振。

加入了射頻脈沖之后，產(chǎn)生的第1個(gè)影響是能量的傳遞，獲得能量的質(zhì)子會(huì)從低能級(jí)（磁場(chǎng)方向指向上）躍遷至高能狀態(tài)（磁場(chǎng)方向指向下），縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度隨之不斷減小。第二個(gè)影響是由于頻率一致，所有吸收能量的質(zhì)子會(huì)相互吸引靠攏，產(chǎn)生相同的相位，橫向磁場(chǎng)強(qiáng)度隨之不斷增大。  
 

四．“成像”

那么，射頻脈沖關(guān)閉后發(fā)生了什么呢？當(dāng)射頻脈沖消失后，這些共振的H原子會(huì)慢慢恢復(fù)到原來(lái)的方向和幅度，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)之為“弛豫”。

弛豫分為橫向弛豫和縱向弛豫。橫向弛豫也稱(chēng)T2弛豫，即橫向磁化逐漸減少的過(guò)程，橫向磁化從zui大值減少了63%所花費(fèi)的時(shí)間為T(mén)2；縱向弛豫也稱(chēng)為T(mén)1弛豫，即縱向磁化逐漸恢復(fù)的過(guò)程，縱向磁化恢復(fù)到平衡狀態(tài)強(qiáng)度的63%所需的時(shí)間為T(mén)1。弛豫時(shí)間與質(zhì)子密度有關(guān)，不同組織的T1和T2值有很大的差異。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在恢復(fù)的過(guò)程中，被激發(fā)的質(zhì)子釋放的能量，即磁共振信號(hào)被計(jì)算機(jī)所接收。對(duì)于T1像，計(jì)算機(jī)接收的是從0到63%的信號(hào)，時(shí)間越長(zhǎng)，信號(hào)越弱。而T2像是從100%到37%的信號(hào)，所以時(shí)間越長(zhǎng)，信號(hào)越強(qiáng)。

zui終按照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為黑白灰階，從而畫(huà)出人體圖像。信號(hào)越強(qiáng)，圖像越亮；信號(hào)越弱，圖像越暗。比如，大家可以記住水為長(zhǎng)T1長(zhǎng)T2，脂肪為短T1短T2，如下圖所示。T1像中的腦脊液為黑色，而T2像中腦脊液為白色。通常，T1觀察解剖結(jié)構(gòu)較好，T2觀察組織病變較好。
 

 

五．Metrolab 核磁共振（MRI）磁場(chǎng)相機(jī)MFC2046

當(dāng)我們了解清楚核磁共振的原理之后，才會(huì)發(fā)現(xiàn)要搭建一套醫(yī)院的核磁共振檢測(cè)設(shè)備是需要很高精度的檢測(cè)儀器輔助檢測(cè)的，昊量光電全新推出的Metrolab 核磁共振（MRI）磁場(chǎng)相機(jī)MFC2046就是專(zhuān)門(mén)為了醫(yī)療、科研等高精度設(shè)備檢測(cè)提供了一種zui優(yōu)的解決方案！

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Metrolab 的 NMR（質(zhì)子核磁共振） 磁場(chǎng)相機(jī)于 25 年前推出，加快了磁共振成像（MRI）磁體的磁場(chǎng)測(cè)繪。它們將采集時(shí)間從幾小時(shí)縮短到幾分鐘，將定位誤差減小到幾分之一毫米，并使人為誤差和漂移誤差變得微不足道。

Metrolab 核磁共振成像（MRI）磁場(chǎng)相機(jī)MFC2046基于脈沖 NMR 技術(shù)，是精密測(cè)試儀核磁共振三軸高斯計(jì)PT2026 的延伸。
 

新一代磁場(chǎng)相機(jī)MFC2046相比上一款MFC3045可提供更多方案：

測(cè)量范圍更廣，頻率可達(dá) 1.1 GHz 或 30 T

多種探頭陣列幾何形狀可供選擇，用于繪制 DSV 為 100 mm至 600mm的 MRI 磁體或孔徑小至 20 mm的 NMR 光譜磁體的圖譜

一個(gè)測(cè)頭陣列上蕞多可安裝 255 個(gè)測(cè)頭

更高的靈活性：一臺(tái)儀器可進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)繪和單點(diǎn)測(cè)量

高效的工作流程：核磁共振成像探頭陣列可包括一個(gè)寬范圍探頭，用于進(jìn)行磁場(chǎng)掃描

標(biāo)準(zhǔn) USB 和以太網(wǎng)接口

用戶(hù)友好型軟件：任務(wù)驅(qū)動(dòng)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集
 

參考文獻(xiàn)：

《磁共振成像臨床應(yīng)用入門(mén)》靳二虎 蔣濤 張輝

Grover, V. P., Tognarelli, J. M., Crossey, M. M., Cox, I. J., Taylor-Robinson, S. D., & McPhail, M. J. (2015). Magnetic Resonance Imaging: Principles and Techniques: Lessons for Clinicians. Journal of clinical and experimental hepatology, 5(3), 246–255.

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