深入淺出帶你了解磁共振成像（MRI）基本原理

一、 當(dāng)我們?nèi)メt(yī)院做核磁共振檢查時(shí)是如何給大腦照相的呢？照相的原理又是什么？

人的大腦可以說是世jie上zui為精妙復(fù)雜的系統(tǒng)，從生理上來說，腦的功能是控制身體的其他器官，可以說所有的行為都因它而起，所有的感悟也都由它而生。對于這么復(fù)雜而又精細(xì)的系統(tǒng)，從古至今人類從未放棄探索。

研究腦zui古老的方法是神經(jīng)解剖學(xué)。神經(jīng)生理學(xué)家研究腦的化學(xué)、藥理學(xué)和電性質(zhì)，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究大腦的運(yùn)作如何執(zhí)行心理或認(rèn)知功能。我們姑且將其統(tǒng)稱為腦科學(xué)，即研究腦的結(jié)構(gòu)和功能的科學(xué)。

腦科學(xué)研究方法除了常規(guī)的認(rèn)知行為研究之外，還有利用腦功能成像設(shè)備的研究方法，zui常見的有磁共振成像技術(shù)（MRI）、腦電圖（EEG）、腦磁圖（MEG）等。今天我們就來聊聊磁共振成像技術(shù)（MRI）的基本原理。

磁共振成像技術(shù)原本稱為核磁共振成像。很多人聽到“核磁"，第1反應(yīng)是這個(gè)對人體有害嗎，因?yàn)槊Q中不是有“核"嗎。其實(shí)，此處的"核“指"原子核“確實(shí)不假，但磁共振成像只與原子核的磁場相關(guān)，與原子核聚變、裂變等的能量放射并無關(guān)系。因此，磁共振成像其實(shí)是利用人體組織中某種原子核的核磁共振現(xiàn)象，將所得射頻信號經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理，重構(gòu)出人體某一層面的圖像的診斷技術(shù)。

二、 “核"和“磁"

我們先來說說這個(gè)“核"。人體是由原子構(gòu)成的，原子由電子和原子核組成，原子核包括質(zhì)子和中子。原子核像地球一樣可以圍繞著中軸進(jìn)行自我旋轉(zhuǎn)，并且人體中水分含量zui多，因此大腦中的H質(zhì)子會自旋。通常情況下，每個(gè)質(zhì)子自旋均會產(chǎn)生一個(gè)小的磁場，但呈隨機(jī)無序排列，各方向的磁性相互抵消，因此人體整體不表現(xiàn)磁性。

但當(dāng)一個(gè)人進(jìn)入核磁共振掃描機(jī)器里，這些質(zhì)子就處在了掃描機(jī)所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場中。這些H原子仍按自己的頻率震動，但方向?yàn)榕c外界磁場保持一致，整體上會表現(xiàn)出磁性。這就好比學(xué)校做廣播體操，同學(xué)們一開始是隨機(jī)排列的，但是一旦聽到廣播體操聲響起，同學(xué)們都會自覺的排列整齊，朝同一個(gè)方向齊刷刷站好。此時(shí)，質(zhì)子兼顧自旋和指向磁場方向或反方向的兩種運(yùn)動，綜合起來看就類似于小時(shí)候玩的陀螺，稱之為進(jìn)動。

因此，磁共振成像系統(tǒng)中很重要的一個(gè)組成部分就是磁體系統(tǒng)，它的主要作用是提供一個(gè)穩(wěn)定的、均勻的空間磁場環(huán)境。根據(jù)磁場強(qiáng)度的大小，可以把磁共振設(shè)備分為低場、中場、高場及超高場。磁場的單位是特斯拉（Tesla），是以一位傳奇的物理學(xué)家尼古拉·特斯拉的名字命名的。

磁場強(qiáng)度小于0.5T的磁共振設(shè)備被叫做低場磁共振

磁場強(qiáng)度大于0.5T小于1.0T的磁共振設(shè)備叫做中場磁共振

磁場強(qiáng)度大于1.0T小于2.0T的磁共振就是高場磁共振

磁場強(qiáng)度大于2.0T的磁共振是超高場磁共振，包括臨床和科研常用的3.0T和7.0T

三、“共振"

前面我們提到，在外加磁場后，體內(nèi)的質(zhì)子進(jìn)動而產(chǎn)生磁矢量。平衡狀態(tài)下，大部分的質(zhì)子方向和外加磁場方向一致（即縱向磁化），而由于相位不同，宏觀上只有縱向磁化產(chǎn)生，而無橫向磁化產(chǎn)生。但由于和外加磁場方向一致不能被直接測量，我們?nèi)绻胍@得這個(gè)信號，就需要擾亂它。

這就提到磁共振系統(tǒng)第二個(gè)重要組成部分——射頻系統(tǒng)，它的主要作用是發(fā)射能夠激發(fā)成像區(qū)域的射頻脈沖。當(dāng)我們加入的射頻脈沖的頻率和質(zhì)子進(jìn)動頻率一致時(shí)，就會發(fā)生能量的傳遞，低能的質(zhì)子獲得能量進(jìn)入高能的狀態(tài)，這便是核磁共振。

加入了射頻脈沖之后，產(chǎn)生的第1個(gè)影響是能量的傳遞，獲得能量的質(zhì)子會從低能級（磁場方向指向上）躍遷至高能狀態(tài)（磁場方向指向下），縱向磁場強(qiáng)度隨之不斷減小。第二個(gè)影響是由于頻率一致，所有吸收能量的質(zhì)子會相互吸引靠攏，產(chǎn)生相同的相位，橫向磁場強(qiáng)度隨之不斷增大。  

四．“成像"

那么，射頻脈沖關(guān)閉后發(fā)生了什么呢？當(dāng)射頻脈沖消失后，這些共振的H原子會慢慢恢復(fù)到原來的方向和幅度，這個(gè)過程稱之為“弛豫"。

弛豫分為橫向弛豫和縱向弛豫。橫向弛豫也稱T2弛豫，即橫向磁化逐漸減少的過程，橫向磁化從zui大值減少了63%所花費(fèi)的時(shí)間為T2；縱向弛豫也稱為T1弛豫，即縱向磁化逐漸恢復(fù)的過程，縱向磁化恢復(fù)到平衡狀態(tài)強(qiáng)度的63%所需的時(shí)間為T1。弛豫時(shí)間與質(zhì)子密度有關(guān)，不同組織的T1和T2值有很大的差異。

簡單來說，在恢復(fù)的過程中，被激發(fā)的質(zhì)子釋放的能量，即磁共振信號被計(jì)算機(jī)所接收。對于T1像，計(jì)算機(jī)接收的是從0到63%的信號，時(shí)間越長，信號越弱。而T2像是從100%到37%的信號，所以時(shí)間越長，信號越強(qiáng)。

zui終按照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為黑白灰階，從而畫出人體圖像。信號越強(qiáng)，圖像越亮；信號越弱，圖像越暗。比如，大家可以記住水為長T1長T2，脂肪為短T1短T2，如下圖所示。T1像中的腦脊液為黑色，而T2像中腦脊液為白色。通常，T1觀察解剖結(jié)構(gòu)較好，T2觀察組織病變較好。

五．Metrolab 核磁共振（MRI）磁場相機(jī)MFC2046

當(dāng)我們了解清楚核磁共振的原理之后，才會發(fā)現(xiàn)要搭建一套醫(yī)院的核磁共振檢測設(shè)備是需要很高精度的檢測儀器輔助檢測的，昊量光電全新推出的Metrolab 核磁共振（MRI）磁場相機(jī)MFC2046就是專門為了醫(yī)療、科研等高精度設(shè)備檢測提供了一種優(yōu)的解決方案！

Metrolab 的 NMR（質(zhì)子核磁共振） 磁場相機(jī)于 25 年前推出，加快了磁共振成像（MRI）磁體的磁場測繪。它們將采集時(shí)間從幾小時(shí)縮短到幾分鐘，將定位誤差減小到幾分之一毫米，并使人為誤差和漂移誤差變得微不足道。

Metrolab 核磁共振成像（MRI）磁場相機(jī)MFC2046基于脈沖 NMR 技術(shù)，是精密測試儀核磁共振三軸高斯計(jì)PT2026 的延伸。

新一代磁場相機(jī)MFC2046相比上一款MFC3045可提供更多方案：

測量范圍更廣，頻率可達(dá) 1.1 GHz 或 30 T

多種探頭陣列幾何形狀可供選擇，用于繪制 DSV 為 100 mm至 600mm的 MRI 磁體或孔徑小至 20 mm的 NMR 光譜磁體的圖譜

一個(gè)測頭陣列上蕞多可安裝 255 個(gè)測頭

更高的靈活性：一臺儀器可進(jìn)行多點(diǎn)測繪和單點(diǎn)測量

高效的工作流程：核磁共振成像探頭陣列可包括一個(gè)寬范圍探頭，用于進(jìn)行磁場掃描

標(biāo)準(zhǔn) USB 和以太網(wǎng)接口

用戶友好型軟件：任務(wù)驅(qū)動，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

參考文獻(xiàn)：

《磁共振成像臨床應(yīng)用入門》靳二虎 蔣濤 張輝

Grover, V. P., Tognarelli, J. M., Crossey, M. M., Cox, I. J., Taylor-Robinson, S. D., & McPhail, M. J. (2015). Magnetic Resonance Imaging: Principles and Techniques: Lessons for Clinicians. Journal of clinical and experimental hepatology, 5(3), 246–255.

關(guān)于昊量光電：

上海昊量光電設(shè)備有限公司是光電產(chǎn)品專業(yè)代理商，產(chǎn)品包括各類激光器、光電調(diào)制器、光學(xué)測量設(shè)備、光學(xué)元件等，涉及應(yīng)用涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫(yī)療、科學(xué)研究、國防、量子光學(xué)、生物顯微、物聯(lián)傳感、激光制造等；可為客戶提供完整的設(shè)備安裝，培訓(xùn)，硬件開發(fā)，軟件開發(fā)，系統(tǒng)集成等服務(wù)。