深入淺出帶你了解磁共振成像（MRI）基本原理

一、 當我們去醫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(shuō)是世jie上zui為精妙復雜的系統，從生理上來(lái)說(shuō)，腦的功能是控制身體的其他器官，可以說(shuō)所有的行為都因它而起，所有的感悟也都由它而生。對于這么復雜而又精細的系統，從古至今人類(lèi)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)，認知神經(jīng)科學(xué)研究大腦的運作如何執行心理或認知功能。我們姑且將其統稱(chēng)為腦科學(xué)，即研究腦的結構和功能的科學(xué)。

腦科學(xué)研究方法除了常規的認知行為研究之外，還有利用腦功能成像設備的研究方法，zui常見(jiàn)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(lái)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(chēng)為核磁共振成像。很多人聽(tīng)到“核磁"，第1反應是這個(gè)對人體有害嗎，因為名稱(chēng)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(chǎng)相關(guān)，與原子核聚變、裂變等的能量放射并無(wú)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象，將所得射頻信號經(jīng)過(guò)計算機處理，重構出人體某一層面的圖像的診斷技術(shù)。

二、 “核"和“磁"

我們先來(lái)說(shuō)說(shuō)這個(gè)“核"。人體是由原子構成的，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(zhù)中軸進(jìn)行自我旋轉，并且人體中水分含量zui多，因此大腦中的H質(zhì)子會(huì )自旋。通常情況下，每個(gè)質(zhì)子自旋均會(huì )產(chǎn)生一個(gè)小的磁場(chǎng)，但呈隨機無(wú)序排列，各方向的磁性相互抵消，因此人體整體不表現磁性。

但當一個(gè)人進(jìn)入核磁共振掃描機器里，這些質(zhì)子就處在了掃描機所產(chǎn)生的強磁場(chǎng)中。這些H原子仍按自己的頻率震動(dòng)，但方向為與外界磁場(chǎng)保持一致，整體上會(huì )表現出磁性。這就好比學(xué)校做廣播體操，同學(xué)們一開(kāi)始是隨機排列的，但是一旦聽(tīng)到廣播體操聲響起，同學(xué)們都會(huì )自覺(jué)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(chǎng)方向或反方向的兩種運動(dòng)，綜合起來(lái)看就類(lèi)似于小時(shí)候玩的陀螺，稱(chēng)之為進(jìn)動(dòng)。

因此，磁共振成像系統中很重要的一個(gè)組成部分就是磁體系統，它的主要作用是提供一個(gè)穩定的、均勻的空間磁場(chǎng)環(huán)境。根據磁場(chǎng)強度的大小，可以把磁共振設備分為低場(chǎng)、中場(chǎng)、高場(chǎng)及超高場(chǎng)。磁場(chǎng)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(chǎng)強度小于0.5T的磁共振設備被叫做低場(chǎng)磁共振

磁場(chǎng)強度大于0.5T小于1.0T的磁共振設備叫做中場(chǎng)磁共振

磁場(chǎng)強度大于1.0T小于2.0T的磁共振就是高場(chǎng)磁共振

磁場(chǎng)強度大于2.0T的磁共振是超高場(chǎng)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(chǎng)后，體內的質(zhì)子進(jìn)動(dòng)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(chǎng)方向一致（即縱向磁化），而由于相位不同，宏觀(guān)上只有縱向磁化產(chǎn)生，而無(wú)橫向磁化產(chǎn)生。但由于和外加磁場(chǎng)方向一致不能被直接測量，我們如果想要獲得這個(gè)信號，就需要擾亂它。

這就提到磁共振系統第二個(gè)重要組成部分——射頻系統，它的主要作用是發(fā)射能夠激發(fā)成像區域的射頻脈沖。當我們加入的射頻脈沖的頻率和質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率一致時(shí)，就會(huì )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(huì )從低能級（磁場(chǎng)方向指向上）躍遷至高能狀態(tài)（磁場(chǎng)方向指向下），縱向磁場(chǎng)強度隨之不斷減小。第二個(gè)影響是由于頻率一致，所有吸收能量的質(zhì)子會(huì )相互吸引靠攏，產(chǎn)生相同的相位，橫向磁場(chǎng)強度隨之不斷增大。  

四．“成像"

那么，射頻脈沖關(guān)閉后發(fā)生了什么呢？當射頻脈沖消失后，這些共振的H原子會(huì )慢慢恢復到原來(lái)的方向和幅度，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)之為“弛豫"。

弛豫分為橫向弛豫和縱向弛豫。橫向弛豫也稱(chēng)T2弛豫，即橫向磁化逐漸減少的過(guò)程，橫向磁化從zui大值減少了63%所花費的時(shí)間為T(mén)2；縱向弛豫也稱(chēng)為T(mén)1弛豫，即縱向磁化逐漸恢復的過(guò)程，縱向磁化恢復到平衡狀態(tài)強度的63%所需的時(shí)間為T(mén)1。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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在恢復的過(guò)程中，被激發(fā)的質(zhì)子釋放的能量，即磁共振信號被計算機所接收。對于T1像，計算機接收的是從0到63%的信號，時(shí)間越長(cháng)，信號越弱。而T2像是從100%到37%的信號，所以時(shí)間越長(cháng)，信號越強。

zui終按照強度轉換為黑白灰階，從而畫(huà)出人體圖像。信號越強，圖像越亮；信號越弱，圖像越暗。比如，大家可以記住水為長(cháng)T1長(cháng)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(guān)察解剖結構較好，T2觀(guān)察組織病變較好。

五．Metrolab 核磁共振（MRI）磁場(chǎng)相機MFC2046

當我們了解清楚核磁共振的原理之后，才會(huì )發(fā)現要搭建一套醫院的核磁共振檢測設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(chǎng)相機MFC2046就是專(zhuān)門(mén)為了醫療、科研等高精度設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(chǎng)相機于 25 年前推出，加快了磁共振成像（MRI）磁體的磁場(chǎng)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(chǎng)相機MFC2046基于脈沖 NMR 技術(shù)，是精密測試儀核磁共振三軸高斯計PT2026 的延伸。

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

測量范圍更廣，頻率可達 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(chǎng)掃描

標準 USB 和以太網(wǎng)接口

用戶(hù)友好型軟件：任務(wù)驅動(dòng)，實(shí)時(shí)數據采集

參考文獻：

《磁共振成像臨床應用入門(mén)》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.

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