磁共振成像MRI的简单介绍

磁共振成像MRI的简单介绍

如果你看美剧《豪斯医生》，对MRI这个词一定感到很熟悉，在豪斯的诊断中几乎是必不可少的环节。那么什么是MRI，它又是怎样工作的呢？

因为工作的关系，我曾经接触过MRI一段时间，简单查阅过一些文献。在这里，我想从一个外行的角度，对MRI做一些形象的描述。

MRI的全称是Magnetic Resonance Imaging，即磁共振成像，它在医学上的应用有些类似于CT和X光。MRI设备对人体的某些部位（如大脑等），进行扫描，得到氢原子核H在组织中的密度分布。不同的组织，水的含量也是不同的，病变的组织的水含量又与正常的组织不同，通过对比，来了解组织的状况，以作为诊断的重要依据。

MRI图像中，灰度反映了组织中水的含量http://www.umshp.org/rs/mrict.htm

那么MRI设备是怎么得到人体内部的氢原子的含量呢，当然就像它的名字那样，通过核磁共振，本来这种成像方式应该成为核磁共振成像，为了消除病人的恐惧，去掉了里面的“核”字。
氢原子核实际上就是一个带电的质子，原子核绕其中心旋转，我们可以认为在原子核上产生了电流，这个环形的电流就使原子核产生了磁场。可以将H原子核看成类似于地球，具有南北磁极，同时也在不停地绕自身旋转（自旋）。

将 这个小地球放入一个更强的磁场时，由于自转方向与磁场力方向不同，原子核在自转的同时，将绕着磁场方向公转，这种现象叫进动。磁场强度不同，进动的情况也 不同。 实际上由于组织内部分子的热运动，只有极少部分的氢原子核能够发生这种进度，但正是这极少数的原子核才是磁共振成像成为可能。当然磁场的强度越高，发生进 度的原子核越多，对成像也越有利。

我 们知道，电磁波也是有能量的，当用电磁波作用于发生进动的原子核时，原子核吸收电磁波的能量，进动的形式会发生变化。不过，由于原子核的量子特性，原子核 的能量并不是平滑变化，而是会在特定的能级间跳跃，所以只有特定频率的电磁波才会被原子核吸收，发生能量的跃迁，也就是核磁共振。用来激发核磁共振的电磁 波的频率很高，属于射频范围。磁场强度不同，氢原子核的进动就不同，吸收的电磁波的频率也就不同。

处 于较高能级的原子核是不稳定的，在激发电磁波取消后，它会重新回到低能量状态，同时将能量仍以电磁波的形式释放出来，发射电磁波的频率同激发的频率是一致 的。释放能量的原子核越多，产生的电磁波的强度也越高。通过检测设备，我们就可以将这个释放的电磁波检测出来，根据这个电磁波的性质，我们就可以判断出氢 原子核的相对密度。

到这里我们应该很清楚了，要测出组织内的氢原子核的密度，需要一个很强的磁场，一个射频发射装置，一个射频检测装置，当然还要有相应的控制装置，计算机软 件处理等。但这还是不够的，在这种情况下如果将一个组织放入其中扫描，由于磁场是均匀的，组织内每一处的氢原则核都发生进动，在射频下都共振，检测出来的 信号也是全体组织的，将整个脑袋放进去也就是一个大亮点而已。
解决的方法是，在主磁场的基础上，再叠加一个空间上均匀变化的磁场（称为梯度场），使组织内不同位置的氢原子核的进动情况都不同，然后用不同频率的射频分别激励，各个位置的原子核依次响应，放射出不同频率的电磁波，空间上的差异就检测出来了。

通 常在医院看到的MRI设备是下面这样的，一个大圆筒和一个病人躺的工作台。你肯定能猜到这个大圆筒是干什么的了。没错，它就是一个超级大磁铁。可以产生磁 场的方法无外乎两种，永久性的磁铁和电磁效应产生磁场。永久性的磁铁磁场 弱，而且又大又沉，一般用在低端设备上，场强低于0.3特斯拉。而更高场强的设备只能用电来驱动。但较高的场强，不仅需要很大的功率，线圈的散热也很成问 题。
现在最多的是通过超导体产生的永磁场。比如图中这台GE的MRI，场强为3特斯拉，而地球磁场的强度仅仅为0.000005特斯拉。

图片来自： http://www.inst.msstate.edu/3tmri

超导需要极低的温度，因此MRI的励磁线圈浸泡在液态氦中，温度为4.2K，在线圈中通电后，切断电源，电流就在线圈中永无休止，永不衰减地流动，并且产 生强大的磁场。人们早就发现了在更高温度下具有超导性的材料，为什么还要还用这么低的温度呢？原来，大部分超导材料在较强的磁场作用下都会失去超导性，直 到1970年代，人们才发现了可以在强磁场中工作的超导体。
超导线圈要放在液氦中，而盛放液氦的容器与环境总是存在一些热交换，会导致液氦不断蒸发。为了减少液氦的消耗，盛放液氦的容器又放在液氮中，液氮的温度 77K比液氦高，但比室温又低多了，液氦与环境的温度差降低，蒸发量也就下降了。当然，液氮也会不断蒸发，但它的价格比较便宜。

前面提到，需要一个空间上变化的磁场，来确定成像的位置信息。这个就是梯度磁场，梯度磁场是用普通线圈通过电磁效应产生的，强度要远小于主磁场。在快速成 像中，梯度磁场实际上是变化的，这引起金属器件受力变化，产生变形，这是噪声的主要来源。梯度磁场的线圈位于主磁场的内侧，更靠近圆筒内壁的地方。

图片来自 MRI: A Guided Tour

射频线圈的形式多种多样。用于大脑成像的射频线圈一般是圆筒形，扫描时套在头部。由于射频的发射和接受在时间上是分开的，所以可以用一个线圈同时充当发射 线圈和接受线圈，在两种模式下交替工作。也可以用两个独立的线圈。射频信号被线圈接受后，经过复杂的计算机处理，生产影像。
MRI的主要缺点是，病人被限制在一个狭小的空间里，扫描的部位要一动不动，病人体验不够好。也有一些是开放式的结构，不过一般场强较低，能力有限。

参考资料：关于低温的概念、技术和应用

檢查脊髓的利器：核磁共振攝影 ( MRI )

黄继英 梁星原：磁共振成像原理