醫學影像學/MRI的成像基本原理與設備

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醫學影像學

總論
- 磁共振成像
  - MRI的成像基本原理與設備
  - MRI圖像特點
  - MRI檢查技術
  - MRI診斷的臨床應用

一、磁共振現象與MRI

含單數質子的原子核，例如人體內廣泛存在的氫原子核，其質子有自旋運動，帶正電，產生磁矩，有如一個小磁體（圖1-5-1）。小磁體自旋軸的排列無一定規律。但如在均勻的強磁場中，則小磁體的自旋軸將按磁場磁力線的方向重新排列（圖1-5-2）。在這種狀態下，

質子帶正電荷

圖1-5-1　質子帶正電荷，它們像地球一樣在不停地繞軸旋轉，并有自己的磁場

用特定頻率的射頻脈沖（radionfrequency，RF）進行激發，作為小磁體的氫原子核吸收一定量的能而共振，即發生了磁共振現象。停止發射射頻脈沖，則被激發的氫原子核把所吸收的能逐步釋放出來，其相位和能級都恢復到激發前的狀態。這一恢復過程稱為弛豫過程（relaxationprocess），而恢復到原來平衡狀態所需的時間則稱之為弛豫時間（relaxationtime）。有兩種弛豫時間，一種是自旋-晶格弛豫時間（spin-lattice relaxationtime）又稱縱向弛豫時間（longitudinal relaxation time）反映自旋核把吸收的能傳給周圍晶格所需要的時間，也是90°射頻脈沖質子由縱向磁化轉到橫向磁化之后再恢復到縱向磁化激發前狀態所需時間，稱T₁。另一種是自旋-自旋弛豫時間（spin-spin relaxation time），又稱橫向弛豫時間（transverse relaxation time）反映橫向磁化衰減、喪失的過程，也即是橫向磁化所維持的時間，稱T₂。T₂衰減是由共振質子之間相互磁化作用所引起，與T₁不同，它引起相位的變化。

質子排列

圖1-5-2　正常情況下，質子處于雜亂無章的排列狀態。當把它們放入一個強外磁場中，就會發生改變。它們僅在平行或反平行于外磁場兩個方向上排列

人體不同器官的正常組織與病理組織的T₁是相對固定的，而且它們之間有一定的差別，T₂也是如此（表1-5-1a、b）。這種組織間弛豫時間上的差別，是MRI的成像基礎。有如CT時，組織間吸收系數（CT值）差別是CT成像基礎的道理。但MRI不像CT只有一個參數，即吸收系數，而是有T1、T₂和自旋核密度（P）等幾個參數，其中T₁與T₂尤為重要。因此，獲得選定層面中各種組織的T₁（或T₂）值，就可獲得該層面中包括各種組織影像的圖像。

MRI的成像方法也與CT相似。有如把檢查層面分成Nx，Ny，Nz……一定數量的小體積，即體素，用接收器收集信息，數字化后輸入計算機處理，獲得每個體素的T₁值（或T₂值），進行空間編碼。用轉換器將每個T值轉為模擬灰度，而重建圖像。

表1-5-1a　人體正常與病變組織的T₁值（ms）

肝	140～170	腦膜瘤	200～300
胰	180～200	肝癌	300～450
腎	300～340	肝血管瘤	340～370
膽汁	250～300	胰腺癌	275～400
血液	340～370	腎癌	400～450
脂肪	60～80	肺膿腫	400～500
肌肉	120～140	膀胱癌	200～240

表1-5-1b　正常顱腦的T₁與T₂值（ms）

組織	T₁	T₂
胼胝體	380	80
橋　腦	445	75
延　髓	475	100
小　腦	585	90
大　腦	600	100
腦脊液	1155	145
頭　皮	235	60
骨　髓	320	80

二、MRI設備

MRI的成像系統包括MR信號產生和數據采集與處理及圖像顯示兩部分。MR信號的產生是來自大孔徑，具有三維空間編碼的MR波譜儀，而數據處理及圖像顯示部分，則與CT掃描裝置相似。

MRI設備包括磁體、梯度線圈、供電部分、射頻發射器及MR信號接收器，這些部分負責MR信號產生、探測與編碼；模擬轉換器、計算機、磁盤與磁帶機等，則負責數據處理、圖像重建、顯示與存儲（圖1-5-3）。

磁體有常導型、超導型和永磁型三種，直接關系到磁場強度、均勻度和穩定性，并影響MRI的圖像質量。因此，非常重要。通常用磁體類型來說明MRI設備的類型。常導型的線圈用銅、鋁線繞成，磁場強度最高可達0.15～0.3T^*，超導型的線圈用鈮-鈦合金線繞成，磁場強度一般為0.35～2.0T，用液氦及液氮冷卻；永磁型的磁體由用磁性物質制成的磁磚所組成，較重，磁場強度偏低，最高達0.3T。

梯度線圈，修改主磁場，產生梯度磁場。其磁場強度雖只有主磁場的幾百分。但梯度磁場為人體MR信號提供了空間定位的三維編碼的可能，梯度場由X、Y、Z三個梯度磁場線圈組成，并有驅動器以便在掃描過程中快速改變磁場的方向與強度，迅速完成三維編碼。

MRI設備基本結構示意圖

圖1-5-3　MRI設備基本結構示意圖

射頻發射器與MR信號接收器為射頻系統，射頻發射器是為了產生臨床檢查目的不同的脈沖序列，以激發人體內氫原子核產生MR信號。射頻發射器及射頻線圈很象一個短波發射臺及發射天線，向人體發射脈沖，人體內氫原子核相當一臺收音機接收脈沖。脈沖停止發射后，人體氫原子核變成一個短波發射臺，而MR信號接受器則成為一臺收音機接收MR信號。脈沖序列發射完全在計算機控制之下。

MRI設備中的數據采集、處理和圖像顯示，除圖像重建由Fourier變換代替了反投影以外，與CT設備非常相似。