磁共振成像仪的基本原理

第一节磁共振成像仪的基本硬件医用MRI仪通常由主磁体、梯度线圈、脉冲线圈、计算机系统及其他辅助设备等五部分构成。一、主磁体主磁体是MRI仪最基本的构件，是产生磁场的装置。根据磁场产生的方式可将主磁体分为永磁型和电磁型。永磁型主磁体实际上就是大块磁铁，磁场持续存在，目前绝大多数低场强开放式MRI仪采用永磁型主磁体。电磁型主磁体是利用导线绕成的线圈，通电后即产生磁场，根据导线材料不同又可将电磁型主磁体分为常导磁体和超导磁体。常导磁体的线圈导线采用普通导电性材料，需要持续通电，目前已经逐渐淘汰；超导磁体的线圈导线采用超导材料制成，置于液氦的超低温环境中，导线内的电阻抗几乎消失，一旦通电后在无需继续供电情况下导线内的电流一直存在，并产生稳定的磁场，目前中高场强的MRI仪均采用超导磁体。主磁体最重要的技术指标包括场强、磁场均匀度及主磁体的长度。主磁场的场强可采用高斯（Gauss，G）或特斯拉（Tesla，T）来表示，特斯拉是目前磁场强度的法定单位。距离5安培电流通过的直导线1cm处检测到的磁场强度被定义为1高斯。特斯拉与高斯的换算关系为：1T=10000G。在过去的20年中，临床应用型MRI仪主磁体的场强已由0.2T以下提高到1.5T以上，1999年以来，3.0T的超高场强MRI仪通过FDA认证进入临床应用阶段。目前一般把0.5T以下的MRI仪称为低场机，0.5T到1.0T之间的称为中场机，1.0T到2.0之间的称为高场机（1.5T为代表），大于2.0T的称为超高场机（3.0T为代表）。高场强MRI仪的主要优势表现为：（1）主磁场场强高提高质子的磁化率，增加图像的信噪比；（2）在保证信噪比的前提下，可缩短MRI信号采集时间；（3）增加化学位移使磁共振频谱（magneticresonancespectroscopy，MRS）对代谢产物的分辨力得到提高；（4）增加化学位移使脂肪饱和技术更加容易实现；（5）磁敏感效应增强，从而增加血氧饱和度依赖（BOLD）效应，使脑功能成像的信号变化更为明显。当然MRI仪场强增高也带来以下问题：（1）设备生产成本增加，价格提高。（2）噪音增加，虽然采用静音技术降低噪音，但是进一步增加了成本。（3）因为射频特殊吸收率（specificabsorptionratio，SAR）与主磁场场强的平方成正比，高场强下射频脉冲的能量在人体内累积明显增大，SAR值问题在3.0T的超高场强机上表现得尤为突出。（4）各种伪影增加，运动伪影、化学位移伪影及磁化率伪影等在3.0T超高场机上更为明显。由于上述问题的存在，3.0T的MRI仪在临床应用还有一定限制，尽管其在中枢神经系统具有优势，但是在体部应用还不太成熟，因此，目前以1.5T的高场机最为成熟和实用。MRI对主磁场均匀度的要求很高，原因在于：（1）高均匀度的场强有助于提高图像信噪比，（2）场强均匀是保证MR信号空间定位准确性的前提，（3）场强均匀可减少伪影（特别是磁化率伪影），（4）高度均匀度磁场有利于进行大视野扫描，尤其肩关节等偏中心部位的MRI检查，（5）只有高度均匀度磁场才能充分利用脂肪饱和技术进行脂肪抑制扫描，（6）高度均匀度磁场才能有效区分MRS的不同代谢产物。现代MRI仪的主动及被动匀场技术进步很快，使磁场均匀度有了很大提高。为保证主磁场均匀度，以往MRI仪多采用2m以上的长磁体，近几年伴随磁体技术的进步，各厂家都推出磁体长度为1.4m～1.7m的高场强（1.5T）短磁体，使病人更为舒适，尤其适用于幽闭恐惧症的患者。随介入MR的发展，开放式MRI仪也取得很大进步，其场强已从原来的0.2T左右上升到0.5T以上，目前开放式MRI仪的最高场强已达1.0T。图像质量明显提高，扫描速度更快，已经几乎可以做到实时成像，使MR“透视”成为现实。开放式MR扫描仪与DSA的一体化设备使介入放射学迈进一个崭新时代。二、梯度线圈梯度线圈是MRI仪最重要的硬件之一，主要作用有：（1）进行MRI信号的空间定位编码；（2）产生MR回波（梯度回波）；（3）施加扩散加权梯度场；（4）进行流动补偿；（5）进行流动液体的流速相位编码。梯度线圈由X、Y、Z轴三个线圈构成（在MR成像技术中，把主磁场方向定义为Z轴方向，与Z轴方向垂直的平面为XY平面）。梯度线圈是特殊绕制的线圈，以Z轴线圈为例，通电后线圈头侧部分产生的磁场与主磁场方向一致，因此磁场相互叠加，而线圈足侧部分产生的磁场与主磁场方向相反，因此磁场相减，从而形成沿着主磁场长轴（或称人体长轴），头侧高足侧低的梯度场，梯度线圈的中心磁场强度保持不变。X、Y轴梯度场的产生机理与Z轴方向相同，只是方向不同而已。梯度线圈的主要性能指标包括梯度场强和切换率（slewrate）。梯度场强是指单位长度内磁场强度的差别，通常用每米长度内磁场强度差别的毫特斯拉量（mT/M）来表示。图1为梯度场强示意图，条状虚线表示均匀的主磁场，斜线表示线性梯度场；两条线相交处为梯度场中点，该点梯度场强为零，不引起主磁场强度发生变化；虚线下方的斜线部分表示反向梯度场，造成主磁场强度呈线性降低；虚线上方的斜线部分为正向梯度场，造成主磁场强度呈线性增高。有效梯度场两端的磁场强度差值除以梯度场施加方向上有效梯度场的范围（长度）即表示梯度场强，即：梯度场强（mT/M）＝梯度场两端的磁场强度差值/梯度场的长度图1梯度场强示意图图2梯度场切换率示意图切换率（slewrate）是指单位时间及单位长度内的梯度磁场强度变化量，常用每秒每米长度内磁场强度变化的毫特斯拉量（mT/M.S）来表示，切换率越高表明梯度磁场变化越快，也即梯度线圈通电后梯度磁场达到预设值所需要时间（爬升时间）越短。图2为梯度场切换梯度场强t有效梯度场长度梯度两端磁场强度差值梯度场中点率示意图。梯度场的变化可用梯形来表示，梯形中只有中间的矩形部分才是有效的，矩形部分表示梯度场已经达到预定值并持续存在，梯形的左腰表示梯度线圈通电后梯度场强逐渐增高、直至预定值，用t表示梯度场增高到预定值所需的时间，则梯度场的切换率＝梯度场预定强度/t实际上就是梯形左腰的斜率。斜率越大，即切换率越高，梯度场爬升越快，所需的爬升时间越短。梯度线圈性能的提高对于MR超快速成像至关重要，可以说没有梯度线圈的进步就不可能有超快速序列。SS-RARE、Turbo-GRE及EPI等超快速序列以及水分子扩散加权成像对梯度场的场强及切换率都有很高的要求，高梯度场及高切换率不仅可以缩短回波间隙加快信号采集速度，还有利于提高图像的SNR，因而近几年快速或超快速成像技术的发展可以说是直接得益于梯度线圈性能的改进。现代新型1.5TMRI仪的常规梯度线圈场强已达25mT/m以上，切换率达120mT/m.s以上。1.5TMRI仪最高配置的梯度线圈场强已达60mT/m，切换率超过200mT/m.s。需要指出的是由于梯度磁场的剧烈变化会对人体造成一定的影响，特别是引起周围神经刺激，因此梯度磁场场强和切换率不是越高越好，是有一定限制的。三、脉冲线圈脉冲线圈也是MRI仪的关键部件，脉冲线圈有发射线圈和接收线圈之分。发射线圈发射射频脉冲（无线电波）激发人体内的质子发生共振，就如同电台的发射天线；接收线圈接收人体内发出的MR信号（也是一种无线电波），就如同收音机的天线。有的线圈可同时作为发射线圈和接受线圈，如装在扫描架内的体线圈和头颅正交线圈。大部分表面线圈只能作为接受线圈，而由体线圈来承担发射线圈的功能。MR成像对脉冲线圈也有很高的要求，发射线圈应尽可能均匀地发射射频脉冲，激发感兴趣容积内的质子。发射线圈所发射的射频脉冲的能量与其强度和持续时间有关，现代新型的发射线圈由高功率射频放大器供能，所发射的射频脉冲强度增大，因而所需要的持续时间缩短，加快了MRI的采集速度。与MR图像信噪比密切相关的是接收线圈，接收线圈离检查部位越近，所接收到的信号越强，线圈内体积越小，所接收到的噪声越低，因而各产家开发了多种适用于各检查部位的专用表面线圈，如心脏线圈、肩关节线圈、直肠内线圈、脊柱线圈等。近年来出现的表面相控阵线圈（phasedarraycoils）是脉冲线圈技术的一大飞跃。一个相控阵线圈由多个子线圈单元（element）构成，同时需要有多个数据采集通道（channel）与之匹配。目前临床上推出最新型的相控阵线圈的子单元和与之匹配的数据采集通道为8个以上。利用相控阵线圈可明显提高MR图像的信噪比，有助于改善薄层扫描、高分辨扫描及低场机的图像质量。利用相控阵线圈与平行采集技术相配合，可以进一步提高MRI的信号采集速度。四、计算机系统计算机系统属于MRI仪的大脑，控制着MRI仪的脉冲激发、信号采集、数据运算和图像显示等功能。五、其他辅助设备除了上述重要硬件设备外，MRI仪还需要一些辅助设施方能完成病人的MRI检查，例如：检查床、液氦及水冷却系统、空调、胶片处理系统等。第二节磁共振成像的物质基础要想理解MRI基本原理，首先必须知道MRI的物质基础是什么，也就是说我们看到的MR图像是由什么物质产生的。一、原子的结构原子是由原子核及位于其周围轨道中的电子构成的，电子带有负电荷。原子核由中子和质子构成，中子不带电荷，质子带有正电荷。二、自旋和核磁的概念任何原子核都有一个特性，就是总以一定的频率绕着自己的轴进行高速旋转，我们把原子核的这一特性称为自旋（spin）。由于原子核带有正电荷，原子核的自旋就形成电流环路，从而产生具有一定大小和方向的磁化矢量。我们把这种由带有正电荷的原子核自旋产生的磁场称为核磁。因此以前大家也把磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）称为核磁共振成像（neuclearmagneticresonanceimaging，NMRI）。三、磁性和非磁性原子核并非所有原子核的自旋运动均能产生核磁，根据原子核内中子和质子的数目不同，不同的原子核产生不同的核磁效应。如果原子核内的质子数和中子数均为偶数，则这种原子核的自旋并不产生核磁，我们称这种原子核为非磁性原子核。反之，我们把自旋运动能够产生核磁的原子核称为磁性原子核。磁性原子核需要符合以下条件：（1）中子和质子均为奇数；（2）中子为奇数，质子为偶数；（3）中子为偶数，质子为奇数。四、用于人体磁共振成像的原子实际上人体内有许多种磁性原子核，表1.所列的为人体内常见的磁性原子核。表1人体内常见的磁性原子核磁性原子核平均摩尔浓度相对磁化率（与质子磁化率的比率）1H99.01.014N1.60.08331P0.350.06613C0.10.01623Na0.0780.09339K0.0450.000517O0.0310.0292H0.0150.09619F0.00660.83用于人体磁共振成像的原子核为质子（1H），选择1H的理由有：（1）1H是人体中最多的原子核，约占人体中总原子核数的2/3以上；（2）1H的磁化率在人体磁性原子核中是最高的。从附表1中可以看出，氢原子核（1H）在人体中的摩尔浓度最高，达到99，而处于第二位的是14N，摩尔浓度为1.6，约为1H的1/62，且14N的相对磁化率仅为0.083。表1还显示1H的磁化率是最高的，以1H的相对磁化率为1，相对磁化率处于第二位的是19F，为0.83，但19F的摩尔浓度仅为0.0066，仅为1H的1/15000。1H是氢原子核，仅有一个质子而没有中子，由于人体MR图像一般采用1H作为成像对象，因此除非特殊说明，一般所指的MR图像即为1H的共振图像。第三节进入主磁场前后人体内质子核磁状态的变化一、进入主磁场前人体内质子的核磁状态人体的质子不计其数，每毫升水中的质子数就达3×1022个。每个质子自旋均能产生1个小磁场，人体内如此多的质子自旋将产生无数个小磁场，那么人体不就象块大磁体了吗？事实并非如此，尽管每个质子均能产生1个小磁场，这种小磁场的排列是随机无序（即杂乱无章）的，使每个质子产生的磁化矢量相互抵消（图3a），因此，人体自然状态下并无磁性，即没有宏观磁化矢量的产生。MRI仪仅能探测到宏观磁化矢量的变化，而不可能区分每个质子微观磁化矢量变化。那么如何产生