核磁共振成像
计算机图像重建系统
由射频接收器送来的信号经A/D转换器,把模拟信号转换成数学信号,根据与观察层面各体素的对应关系,经计算机处理,得出层面图像数据,再经D/A转换器,加到图像显示器上,按NMR的大小,用不同的灰度等级显示出欲观察层面的图像。
MRI的基本方法
选片梯度场Gz
相编码和频率编码
图像重建
磁共振成像的优点
与1901年获得诺贝尔物理学奖的普通X射线或1979年获得诺贝尔医学奖的计算机层析成像(computerized tomography, CT)相比,磁共振成像的最大优点是它是目前少有的对人体没有任何伤害的安全、快速、准确的临床诊断方法。如今全球每年至少有6000万病例利用核磁共振成像技术进行检查。具体说来有以下几点:
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.对人体没有氢(1H)、碳(13C)、氮(14N和15N)、磷(31P)等。
MRI的缺点及可能存在的危害
虽然MRI对患者没有致命性的损伤,但还是给患者带来了一些不适感。在MRI诊断前应当采取必要的措施,把这种负面影响降到最低限度。其缺点主要有:
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。
MRI系统可能对人体造成伤害的因素主要包括以下方面:
1.强静磁场:在有铁磁性物质存在的情况下,不论是埋植在患者体内还是在磁场范围内,都可能是危险因素;
2.随时间变化的梯度场:可在受试者体内诱导产生电场而兴奋神经或肌肉。外周神经兴奋是梯度场安全的上限指标。在足够强度下,可以产生外周神经兴奋(如刺痛或叩击感),甚至引起心脏兴奋或心室振颤;
3.射频场(RF)的致热效应:在MRI聚焦或测量过程中所用到的大角度射频场发射,其电磁能量在患者组织内转化成热能,使组织温度升高。RF的致热效应需要进一步探讨,临床扫描仪对于射频能量有所谓“特定吸收率”(specific absorption rate, SAR)的限制;
4.噪声:MRI运行过程中产生的各种噪声,可能使某些患者的听力受到损伤;
造影剂的毒副作用:目前使用的造影剂主要为含钆的化合物,副作用发生率在2%-4%。
数学运算
原子核带正电并有自旋运动,其自旋运动必将产生磁矩,称为核磁矩。研究表明,核磁矩<math>\mu</math>与原子核的自旋角动量S 成正比,即
<math>\mu=\gamma S \qquad (1)</math>
式中γ 为比例系数,称为原子核的旋磁比。在外磁场中,原子核自旋角动量的空间取向是量子化的,它在外磁场方向上的投影值可表示为
<math>I_z=mh \qquad (2)</math>
m为核自旋量子数。依据核磁矩与自旋角动量的关系,核磁矩在外磁场中的取向也是量子化的,它在磁场方向上的投影值为
<math>\mu_z=m\gamma h \qquad (3)</math>
对于不同的核,m分别取整数或半整数。在外磁场中,具有磁矩的原子核具有相应的能量,其数值可表示为
<math>E = -\mu B =-\mu_z B = m \gamma hB \qquad (4)</math>
式中B为磁感应强度。可见,原子核在外磁场中的能量也是量子化的。由于磁矩和磁场的相互作用,自旋能量分裂成一系列分立的能级,相邻的两个能级之差<math>\Delta E = \gamma h B</math>。用频率适当的电磁辐射照射原子核,如果电磁辐射光子能量<math>h\nu</math>恰好为两相邻核能级之差<math>\Delta E</math>,则原子核就会吸收这个光子,发生核磁共振的频率条件是:
<math>h\nu=\gamma hB=\gamma hB / 2\pi, \mbox\omega=2\pi\nu=\gamma B \qquad (5)</math>
式中<math>\nu</math>为频率,<math>\omega</math>为角频率。对于确定的核,旋磁比<math>\gamma</math>可被精确地测定。可见,通过测定核磁共振时辐射场的频率<math>\nu</math>,就能确定磁感应强度;反之,若已知磁感应强度,即可确定核的共振频率。
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,目前主要应用于以下几个方面:
在高分子化学领域,如碳纤维增强环氧树脂的研究、固态反应的空间有向性研究、聚合物中溶剂扩散的研究、聚合物硫化及弹性体的均匀性研究等;
在金属陶瓷中,通过对多孔结构的研究来检测陶瓷制品中存在的砂眼;
在火箭燃料中,用于探测固体燃料中的缺陷以及填充物、增塑剂和推进剂的分布情况;
在石油化学方面,主要侧重于研究流体在岩石中的分布状态和流通性以及对油藏描述与强化采油机理的研究。
[编辑]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。
诺贝尔获奖者的贡献
2003年10月6日,瑞典卡罗林斯卡医学院宣布,2003年诺贝尔生理学或医学奖授予美国化学家-{zh-tw:保罗·劳特伯;zh-cn:保罗·劳特布尔}-(Paul C. Lauterbur)和英国物理学家彼得·曼斯菲尔德(Peter Mansfield),以表彰他们在医学诊断和研究领域内所使用的核磁共振成像技术领域的突破性成就。
-{zh-tw:劳特伯;zh-cn:劳特布尔}-的贡献是,在主磁场内附加一个不均匀的磁场,把梯度引入磁场中,从而创造了一种可视的用其他技术手段却看不到的物质内部结构的二维结构图像。他描述了怎样把梯度磁体添加到主磁体中,然后能看到沉浸在重水中的装有普通水的试管的交叉截面。除此之外没有其他图像技术可以在





