核磁共振成像及其医学应用

1核磁共振成像及其医学应用摘要：从核磁共振的历史发展开始，对核磁共振及核磁共振成像的基本原理做了详细说明，细致探讨了核磁共振成像技术在医学方面的运用，并对其未来发展趋势做出了合理性的预测，为核磁共振成像技术的不断完善提供了参考。关键词：核磁共振成像弛豫时间诊断医学1.引言20世纪40年代，核磁共振现象首次被发现，在随后至今的60多年里，核磁共振技术得到了飞速发展，并在物理、化学、医疗、石油化工、考古等方面获得了广泛的应用。八十年代核磁共振成像技术迅速兴起，核磁共振成像（NuclearMagneticResonanceImaging，简称NMRI），又称自旋成像，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。将核磁共振成像技术用于人体内部结构的成像，使得诊断医学成像和生物化学研究取得了革命性的发展。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。核磁共振成像技术，突破了影像技术以人体组织解剖面为基础的传统框架，把研究推进展宽到获取人体分子结构水平的生化病理信息。2.核磁共振基本的原理[1]含单数质子的原子核,如人体内广泛存在的氢原子核,其质子有自旋运动,带正电,产生磁矩,磁矩方向无一定规律。将其置于均匀的强磁场0B中,原子核磁矩按磁场磁力线的方向重新排列,若在垂直于0B方向上再施加一交变磁场1B,称电磁辐射或射频(RF),当射频脉冲频率与恒定磁场0B满足拉莫尔方程0B时,氢核系统将吸收电磁波的能量,使部分氢核被激发,即发生了核磁共振现象。停止发射射频脉冲,则被激发的氢原子核把吸收的能量逐步释放出来,其相位和能级都恢复到激发前的状态。这一恢复过程称之为弛豫过程。完成此过程一般分两步进行,第一步是氢核之间先达到平衡,此时各磁矩在水平方向的磁性将互相抵消,从宏观上看磁矩水平分量趋近于零,所以称为横向弛豫过程,由于这个过程是同种核相互交换能量的过程,所以又叫自旋—自旋弛豫过程。反映横向磁化衰减、丧失的过程,也即横向磁化所维持的时间,称横向弛豫时间1T。第二步是整个氢核磁矩系统2与周围环境之间恢复到平衡状态,这个过程是氢核系统吸收能量,偏离磁场方向,其宏观磁矩在纵向的分量,由小到大,最后达到未偏离磁场方向以前宏观磁矩的大小,所以这个过程叫纵向弛豫过程。由于这个过程是氢核与周围物质进行热交换,最后达到热平衡故又称为自旋—晶格弛豫过程。反映自旋核把吸收的能量传给周围晶格所需的时间,称纵向弛豫时间2T。3.核磁共振成像的基本原理核磁共振成像是利用原子核在磁场内共振所产生信号经重建成像的一种成像技术。人体不同器官的正常组织与病理组织的1T、T2是相对固定的,而且它们之间有一定的差别,这种组织间弛豫时间上的差别,是MRI的成像基础[2,3]。有如CT时,组织间吸收系数(CT值)差别是CT成像基础的道理。但MRI不像CT只有一个参数,即吸收系数,而是有1T、2T和自旋核密度(P)等几个参数,其中1T与2T尤为重要。因此,获得选定层面中各种组织的1T(或2T)值,就可获得该层面中包括各种组织影像的图像。MRI的成像方法也与CT相似。有如把检查层面分成,,xyzNNN一定数量的小体积,即体素,用接收器收集信息,数字化后输入计算机处理,获得每个体素的1T(或2T),进行空间编码。用转换器将每个T值转为模拟灰度,而重建图像。利用灰度值把NMR参数作为空间坐标的函数表示出来。根据上面提到的NMR条件0B,如果不考虑化学位移,J耦合等因素,样品中同一种原子核的在静磁场中的共振是一样的。根据NMR基本原理,处于均匀磁场B0中的自旋体系,其共振频率为0B。为了得到成像区域任意点的空间信息,需要在主磁场上叠加三个彼此正交的梯度磁场z,xyGGG和,分别用于层面选取、相位编码和频率编码。此时成像空间某一体元的共振频率为:00()xyzBxGyGzG。4.磁共振成像系统的基本结构磁共振成像系统的基本结构[2],主要包括磁体部分、谱仪部分、计算机部分。磁体部分包括主磁体、射频线圈、梯度线圈和匀场线圈。用于磁共振成像的磁体可分为永磁型、常导型和超导型。射频线圈既有射频发射功能又有信号探测功能,因此射频线圈就有了发射线圈和接收线圈之分。匀场线圈由若干个小线圈所组成,构成以磁体中心为调解对象的线圈阵列。谱仪部分包括射频发射单元、信号接收单元、脉冲梯度单元和脉冲序列控制单元。各部分功能都在核心板和母板中得到实现。计算机系统包括控制计算机、主计算机、图像显示、存档、传输等辅助设施。所用主计算机有工作站,也有用工业PC机,高场系统大部分用工作站,低场系统大部分用微机。控制计算机用来实现对整机的运行操作。主计算机和控制计算机之间有数据总线相连,各谱仪单元都和控制计算机有通讯联系。主计算机主要完成数据的处理,包括谱图变换,参数设置,图像重建,图像处理,病人资料的管理。其中3实验部分参数设置主要由脉冲序列编译器来完成设置、修改和管理。核磁共振是重要的检测手段和分析手段之一。随着其应用领域的拓展和深入,核磁共振谱仪技术也不断地发展和完善。5.医学检测组织的弛豫时间是组织的一种固有属性，与组织的密度类似，在场强和环境确定后其时间是一个确定不变的值。因此，通过弛豫时间来确定组织情况是主要医学检测方法。将核磁共振成像运用于人体成像时，氢核是首选核种：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1T、2T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。人体内器官和组织中的水分并不相同，很多疾病的病理过程会导致水分形态的变化，即可由磁共振图像反应出来。如下我们列出了几种正常组织和病变组织在0.5T时的12,TT分布情况[4]：几种正常组织在0.5T情况下的12,TT的取值范围组织名称1T（ms）2T（ms）脂肪240±2060±10肌肉400±4050±20肝380±2040±20胰398±2060±40肾670±6080±10主动脉860±51090±50脊髓（脊柱）380±5070±20胆道890±14080±20尿2200±610570±230几种病变组织在0.5T情况下的12,TT的取值范围4组织名称1T（ms）2T（ms）肝癌570±19040±10胰腺癌840±13040±20肾上腺癌570±160110±40肺癌940±46020±10前列腺癌610±60140±90膀胱癌600±280140±110脊髓炎770±20220±40从表中可以看出人体各组织的T1、T2值是不相同的,这就提供了用1T、2T值来建立人体组织的分布图像的可能性。这种图像还与氢核的密度有关,所以称为1T、2T加权或1T、2T权重图像。病变组织相对于正常组织的一个典型变化是含水量增加；由于水具有长2T和长1T值，因此病变组织的2T时间比正常组织的长。核磁共振成像除对癌症病变组织等的检测极为灵敏外，还广泛的运用与软组织损伤[5]，胸部和心血管疾病[6]，阿尔采夫病的早期诊断[7]等方面。MRI所获得的图像非常清晰精细，大大提高了医生的诊断效率，MRI可对人体各部位多角度、多平面成像，其分辨力高，能更客观更具体地显示人体内的解剖组织及相邻关系，对病灶能更好地进行定位定性。对全身各系统疾病的诊断有很大的价值。6.核磁共振成像的优缺点现在核磁共振成像技术已在全世界获得广泛的应用，我国许多医院里也设有核磁共振成像室，也称核磁共振CT(计算机化层析成像)室，或简称磁共振成像室或磁共振CT室.为什么核磁共振成像这样受到重视呢?它同医院里应用的X射线CT、超声CT、正电子发射CT有什么不同呢?简单说来，X射线CT和超声CT只能显示人体内部的密度分布像，正电子发射CT只能显示出人人体内部的正电子源区域的、与某些生理功能相关的像，它们所提供的人体内部信息是较有限的，而核磁共振CT则既能提供人体内部化学元素的浓度分布像，而且还能提供与该元素周围微观(化学)环境有关的某些参量像.这些像能提供人体内部许多重要的信息，是其他CT像所不能提供的。相对与CT而言，核磁共振成像的优点[8,9,10]有具体以下几方面：①.对软组织有极好的分辨力。对膀胱、直肠、子宫、阴道、骨、关节、肌肉等部位的检查优于CT；②各种参数都可以用来成像，多个成像参数能提供丰富的诊断信息，这使得医疗诊断和对人体内代谢和功能的研究方便、有效。例如肝炎和肝硬化的T1值变大，而肝癌的T1值更大，作T1加权图像，可区别肝部良性肿瘤与恶性肿瘤；③通过调节磁场可自由选择所需剖面。能得到其它成像技术所不能接近或难以接近部位的图像。对于椎间盘和脊髓，可作矢状面、冠状面、横断面成像，可5以看到神经根、脊髓和神经节等。不像CT只能获取与人体长轴垂直的横断面④对人体没有电离辐射损伤；⑤原则上所有自旋不为零的核元素都可以用以成像，例如氢（H）、碳（C）、氮（N和N）、磷（P）等。其不足之处表现为以下几方面[12]：①和CT一样，MRI也是解剖性影像诊断，很多病变单凭核磁共振检查仍难以确诊，不像内窥镜可同时获得影像和病理两方面的诊断；②对肺部的检查不优于X射线或CT检查，对肝脏、胰腺、肾上腺、前列腺的检查不比CT优越，但费用要高昂得多；③对胃肠道的病变不如内窥镜检查；④扫描时间长，空间分辨力不够理想；⑤由于强磁场的原因，MRI对诸如体内有磁金属或起搏器的特殊病人却不能适用。⑥MRI系统的强静磁场，射频场的热效应，噪声等可能对人体有潜在的危害。核磁共振成像虽然有这些不足之处，但这丝毫不影响其优点的发挥，随着技术的不断发展，这些不足之处会慢慢得到改善。7.发展趋势目前，有关人体器官生理机能的实现过程还存在着许多奥秘，核磁共振技术在解开这些奥秘过程中都将有可能发挥至关重要的作用[8,10]，比如：（1）人体器官在实现其生理机能时，运动速度远比现有的核磁共振成像速度快，要探索这些器官的运作机制，就需要研究和应用核磁共振快速扫描技术；（2）要想理解血管在传输血液的过程中的动作机制就需要核磁共振血液快速成像技术，从而利用血液流空效应使得血管形态在核磁共振图像上得以鲜明呈现，进而测定血管中血液的流向和流速；（3）新兴的核磁共振波谱分析技术可以获得人体局部组织在高磁场环境下的波谱，从而提高疾患的诊断信息量；（5）人脑如何思维一直是科学家力图解开的谜，核磁共振成像技术的发展有可能帮助人们理解人脑思维的发生机制及信息传递过程中人脑物质的化学变化，从而揭示生命的诸多奥秘。20世纪中叶至今,IT和生命科学是发展最活跃的两个领域,专家相信,作为这两者结合物的核磁共振成像技术,继续向着微观和功能检查上发展,对揭示生命的奥秘将发挥更大的作用.8.结论自核磁共振现象被发现的70年时间里，核磁共振得到了广泛的运用。其中核磁共振成像技术是核磁共振技术应用领域中最闪亮的一颗明珠，科学家保罗·劳特布尔和彼得·曼斯菲尔德因为在实现核磁共振成像领域的特殊贡献而荣获了2003年度诺贝尔医学奖。核磁共振成像技术在医学