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核磁共振成像

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核磁共振成像(簡稱NMRI‎),又稱自旋成像,磁共振成像,磁振造影,是利用核磁共振原理,依據所釋放的能量在物質內部不同結構環境中不同的衰減,通過外加梯度磁場檢測所發射出的電磁波,即可得知構成這一物體原子核的位置和種類,據此可以繪製成物體內部的結構圖像。

1 核磁共振成像 -簡介

核磁共振成像人體大腦核磁共振成像

核磁共振成像(Nuclear Magnetic Resonance Imaging‎,簡稱NMRI‎),又稱自旋成像(spin imaging‎),也稱磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging‎,簡稱MRI‎),台灣又稱磁振造影,是利用核磁共振(nuclear magnetic resonnance‎,簡稱NMR‎)原理,依據所釋放的能量在物質內部不同結構環境中不同的衰減,通過外加梯度磁場檢測所發射出的電磁波,即可得知構成這一物體原子核的位置和種類,據此可以繪製成物體內部的結構圖像。

將這種技術用於人體內部結構的成像,就產生出一種革命性的醫學診斷工具。快速變化的梯度磁場的應用,大大加快了核磁共振成像的速度,使該技術在臨床診斷、科學研究的應用成為現實,極大地推動了醫學、神經生理學和認知神經科學的迅速發展。

2 核磁共振成像 -成像原理

核磁共振成像核磁共振成像儀器

核磁共振成像是隨著計算機技術、電子電路技術、超導體技術的發展而迅速發展起來的一種生物磁學核自旋成像技術。它是利用磁場與射頻脈衝使人體組織內進動的氫核(即H+)發生章動產生射頻信號,經計算機處理而成像的。

原子核在進動中,吸收與原子核進動頻率相同的射頻脈衝,即外加交變磁場的頻率等於拉莫頻率,原子核就發生共振吸收,去掉射頻脈衝之後,原子核磁矩又把所吸收的能量中的一部分以電磁波的形式發射出來,稱為共振發射。共振吸收和共振發射的過程叫做「核磁共振」。

核磁共振成像的「核」指的是氫原子核,因為人體的約70%是由水組成的,MRI即依賴水中氫原子。當把物體放置在磁場中,用適當的電磁波照射它,使之共振,然後分析它釋放的電磁波,就可以得知構成這一物體的原子核的位置和種類,據此可以繪製成物體內部的精確立體圖像。通過一個磁共振成像掃描人類大腦獲得的一個連續切片的動畫,由頭頂開始,一直到基部。

醫生考慮到患者對「核」的恐懼心理,故常將這門技術稱為磁共振成像。

3 核磁共振成像 -系統組成

磁鐵系統

1、靜磁場:又稱主磁場。當前臨床所用超導磁鐵,磁場強度有0.5到4.0T(特斯拉),常見的為1.5T和3.0T;動物實驗用的小型MRI則有4.7T、7.0T與9.4T等多種主磁場強度。另有勻磁線圈(shim coil)協助達到磁場的高均勻度。
2、梯度場:用來產生並控制磁場中的梯度,以實現NMR信號的空間編碼。這個系統有三組線圈,產生x、y、z三個方向的梯度場,線圈組的磁場疊加起來,可得到任意方向的梯度場。

射頻系統

1、射頻(RF)發生器:產生短而強的射頻場,以脈衝方式加到樣品上,使樣品中的氫核產生NMR現象。
2、射頻(RF)接收器:接收NMR信號,放大後進入圖像處理系統。

計算機圖像重建系統

由射頻接收器送來的信號經A/D轉換器,把模擬信號轉換成數學信號,根據與觀察層面各體素的對應關係,經計算機處理,得出層面圖像數據,再經D/A轉換器,加到圖像顯示器上,按NMR的大小,用不同的灰度等級顯示出欲觀察層面的圖像。

4 核磁共振成像 -基本方法

1、選片梯度場Gz。

2、相編碼和頻率編碼。

3、圖像重建。

5 核磁共振成像 -實驗裝置

NMR採用調節頻率的方法來達到核磁共振。由線圈向樣品發射電磁波,調製振蕩器的作用是使射頻電磁波的頻率在樣品共振頻率附近連續變化。當頻率正好與核磁共振頻率吻合時,射頻振蕩器的輸出就會出現一個吸收峰,這可以在示波器上顯示出來,同時由頻率計即刻讀出這時的共振頻率值。核磁共振譜儀是專門用於觀測核磁共振的儀器,主要由磁鐵、探頭和譜儀三大部分組成。磁鐵的功用是產生一個恆定的磁場;探頭置於磁極之間,用於探測核磁共振信號;譜儀是將共振信號放大處理並顯示和記錄下來。

6 核磁共振成像 -優點

與1901年獲得諾貝爾物理學獎的普通X射線或1979年獲得諾貝爾醫學獎的計算機層析成像(computerized tomography‎, CT)相比,磁共振成像的最大優點是它是目前少有的對人體沒有任何傷害的安全、快速、準確的臨床診斷方法。如今全球每年至少有6000萬病例利用核磁共振成像技術進行檢查。具體說來有以下幾點: 

1、對軟組織有極好的分辨力。對膀胱、直腸、子宮、陰道、骨、關節、肌肉等部位的檢查優於CT;

2、各種參數都可以用來成像,多個成像參數能提供豐富的診斷信息,這使得醫療診斷和對人體內代謝和功能的研究方便、有效。例如肝炎和肝硬化的T1值變大,而肝癌的T1值更大,作T1加權圖像,可區別肝部良性腫瘤與惡性腫瘤;

3、通過調節磁場可自由選擇所需剖面。能得到其它成像技術所不能接近或難以接近部位的圖像。對於椎間盤和脊髓,可作矢狀面、冠狀面、橫斷面成像,可以看到神經根、脊髓和神經節等。不像CT只能獲取與人體長軸垂直的橫斷面;

4、對人體沒有電離輻射損傷;

5、原則上所有自旋不為零的核元素都可以用以成像,例如氫(1H)、碳(13C)、氮(14N和15N)、磷(31P)等。

7 核磁共振成像 -缺點

雖然MRI對患者沒有致命性的損傷,但還是給患者帶來了一些不適感。在MRI診斷前應當採取必要的措施,把這種負面影響降到最低限度。其缺點主要有:

1、和CT一樣,MRI也是解剖性影像診斷,很多病變單憑核磁共振檢查仍難以確診,不像內窺鏡可同時獲得影像和病理兩方面的診斷;

2、對肺部的檢查不優於X射線或CT檢查,對肝臟、胰腺、腎上腺、前列腺的檢查不比CT優越,但費用要高昂得多;

3、對胃腸道的病變不如內窺鏡檢查;

4、掃描時間長,空間分辨力不夠理想;

5、由於強磁場的原因,MRI對諸如體內有磁金屬或起搏器的特殊病人卻不能適用。

8 核磁共振成像 -健康危害

1、強靜磁場:在有鐵磁性物質存在的情況下,不論是埋植在患者體內還是在磁場範圍內,都可能是危險因素;

2、隨時間變化的梯度場:可在受試者體內誘導產生電場而興奮神經或肌肉。外周神經興奮是梯度場安全的上限指標。在足夠強度下,可以產生外周神經興奮(如刺痛或叩擊感),甚至引起心臟興奮或心室振顫;

3、射頻場(RF)的致熱效應:在MRI聚焦或測量過程中所用到的大角度射頻場發射,其電磁能量在患者組織內轉化成熱能,使組織溫度升高。RF的致熱效應需要進一步探討,臨床掃瞄器對於射頻能量有所謂「特定吸收率」(specific absorption rate, SAR)的限制;

4、雜訊:MRI運行過程中產生的各種雜訊,可能使某些患者的聽力受到損傷;

5、造影劑的毒副作用:造影劑主要為含釓的化合物,副作用發生率在2%-4%。

9 核磁共振成像 -主要應用

醫學領域

氫核是人體成像的首選核種:人體各種組織含有大量的水和碳氫化合物,所以氫核的核磁共振靈活度高、信號強,這是人們首選氫核作為人體成像元素的原因。NMR信號強度與樣品中氫核密度有關,人體中各種組織間含水比例不同,即含氫核數的多少不同,則NMR信號強度有差異,利用這種差異作為特徵量,把各種組織分開,這就是氫核密度的核磁共振圖像。人體不同組織之間、正常組織與該組織中的病變組織之間氫核密度、弛豫時間T1、T2三個參數的差異,是MRI用於臨床診斷最主要的物理基礎。   

當施加一射頻脈衝信號時,氫核能態發生變化,射頻過後,氫核返回初始能態,共振產生的電磁波便發射出來。原子核振動的微小差別可以被精確地檢測到,經過進一步的計算機處理,即可能獲得反應組織化學結構組成的三維圖像,從中我們可以獲得包括組織中水分差異以及水分子運動的信息。這樣,病理變化就能被記錄下來。   

人體2/3的重量為水分,如此高的比例正是磁共振成像技術能被廣泛應用於醫學診斷的基礎。人體內器官和組織中的水分並不相同,很多疾病的病理過程會導致水分形態的變化,即可由磁共振圖像反應出來。   

MRI所獲得的圖像非常清晰精細,大大提高了醫生的診斷效率,避免了剖胸或剖腹探查診斷的手術。由於MRI不使用對人體有害的X射線和易引起過敏反應的造影劑,因此對人體沒有損害。MRI可對人體各部位多角度、多平面成像,其分辨力高,能更客觀更具體地顯示人體內的解剖組織及相鄰關係,對病灶能更好地進行定位定性。對全身各系統疾病的診斷,尤其是早期腫瘤的診斷有很大的價值。

化學領域

MRI在化學領域的應用沒有醫學領域那麼廣泛,主要是因為技術上的難題及成像材料上的困難,目前主要應用於以下幾個方面:   

在高分子化學領域,如碳纖維增強環氧樹脂的研究、固態反應的空間有向性研究、聚合物中溶劑擴散的研究、聚合物硫化及彈性體的均勻性研究等;   

在金屬陶瓷中,通過對多孔結構的研究來檢測陶瓷製品中存在的砂眼;

在火箭燃料中,用於探測固體燃料中的缺陷以及填充物、增塑劑和推進劑的分佈情況; 

在石油化學方面,主要側重於研究流體在岩石中的分佈狀態和流通性以及對油藏描述與強化採油機理的研究。

10 核磁共振成像 -未來展望

2012年6月,美國哈佛大學的科學家研發出新型先進核磁共振成像技術,用於研究人類大腦的內部結構。2012年6月,美國哈佛大學的科學家研發出新型先進核磁共振成像技術,用於研究人類大腦的內部結構。
利用MRI的腦功能成像有助於科學家在活體和整體水平上研究人的思維。其中,關於盲童的手能否代替眼睛的研究,是一個很好的樣本。專家通過功能性MRI,掃描正常和盲童的大腦,發現盲童也會像正常人一樣,在大腦的視皮質部有很好的激活區。由此可以初步得出結論,盲童通過認知教育,手是可以代替眼睛「看」到外面世界的。

快速掃描技術的研究與應用,將使經典MRI成像方法掃描病人的時間由幾分鐘、十幾分鐘縮短至幾毫秒,使因器官運動對圖像造成的影響忽略不計;MRI血流成像,利用流空效應使MRI圖像上把血管的形態鮮明地呈現出來,使測量血管中血液的流向和流速成為可能;MRI波譜分析可利用高磁場實現人體局部組織的波譜分析技術,從而增加幫助診斷的信息;腦功能成像,利用高磁場共振成像研究腦的功能及其發生機制是腦科學中最重要的課題。有理由相信,MRI將發展成為思維閱讀器。

20世紀中葉至今,信息技術和生命科學是發展最活躍的兩個領域,專家相信,作為這兩者結合物的MRI技術,繼續向微觀和功能檢查上發展,對揭示生命的奧秘將發揮更大的作用。
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