核磁共振技术及其应用进展

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1、核磁共振技术及其应用进展 摘要：在 21 世纪，核磁共振技术已经发展成熟。相比其他 的X光，CT,核磁共振成像的应用为我们提供了更大的便利。 从连续波核磁共振波谱发展为脉冲傅立叶变换波谱，从传统 一维谱到多维谱,技术不断发展,应用领域也越广泛。核磁 共振技术在有机分子结构测定中扮演了非常重要的角色,核 磁共振谱与紫外光谱、红外光谱和质谱一起被有机化学家们 称为“四大名谱”。定义：核磁共振成像(Nuclear Magnetic Resonance Imaging ，简称NMRI)，又称自旋成像(spin imaging)，也称磁共 振成像(Magnetic Resonance Imaging，简

2、称 MRI)，台湾 又称磁振造影，是利用核磁共振(nuclear magnetic resonnance，简称NMR)原理，依据所释放的能量在物质内 部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发 射出的电磁波,即可得知构成这一物体原子核的位置和种 类,据此可以绘制成物体内部的结构图像。将这种技术用于人体内部结构的成像,就产生出一种革 命性的医学诊断工具。快速变化的梯度磁场的应用,大大加 快了核磁共振成像的速度,使该技术在临床诊断、科学研究 的应用成为现实,极大地推动了医学、神经生理学和认知神 经科学的迅速发展。1 核磁共振基本原理及特点原子核带有正电，许多元素的原子核如lH、19FT和

3、31P 等进行自旋运动。通常情况下，原子核自旋轴的排列是无规 律的，但将其置于外加磁场中时，核自旋空间取向从无序向 有序过渡。自旋系统的磁化矢量由零逐渐增长，当系统达到 平衡时，磁化强度达到稳定值。如果此时核自旋系统受到外 界作用，如一定频率的射频激发原子核即可引起共振效应。 在射频脉冲停止后，自旋系统已激化的原子核，不能维持这 种状态，将回复到磁场中原来的排列状态，同时释放出微弱 的能量，成为射电信号，把这许多信号检出，并使之能进行 空间分辨，就得到运动中原子核分布图像。原子核从激化的 状态回复到平衡排列状态的过程叫弛豫过程。它所需的时间 叫弛豫时间。弛豫时间有2种T1和T2, T1为自旋一

4、点阵或 纵向驰豫时间 T2， T2 为自旋一自旋或横向弛豫时闾。磁共 振最常用的核是氢原子核质子（1H），因为它的信号最强，在 人体组织内也广泛存在。影响磁共振影像因素包括： （ 1 ）质子的密度； （ 2 ）弛豫时 间长短；（3）血液和脑脊液的流动；（4）111磁性物质；（5） 蛋白质。磁共振影像灰阶特点是，磁共振信号愈强，则亮度 愈大，磁共振的信号弱，则亮度也小，从白色、灰色到黑色。2 核磁共振技术的发展2.1.核磁共振成像术，简称核磁共振、磁共振或核磁，是 80年代发展起来的一种全新的影像检查技术。它的全称是： 核磁共振电子计算机断层扫描术（简称MR1）是利用核磁共振 成像技术进行医学诊

5、断的一种新颖的医学影像技术。核磁共 振是一种物理现象，早在1946年就被美国的布劳克和相塞尔 等人分别发现，作为一种分析手段广泛应用于物理、化学等 领域，用作研究物质的分子结构。直到1971年，美国人达曼 迪恩才提出，将核磁共振用于医学的诊断，当时，未能被科 学界所接受。然而，仅仅10年的时间，到1981年，就取得了 人体全身核磁共振的图像。使人们长期以来，设想用无损伤 的方法，既能取得活体器官和组织的详细诊断图像，又能监 测活体器官和组织中的化学成分和反应的梦想终于得以实 现。核磁共振完全不同于传统的X线和CT,它是一种生物磁 自旋成像技术，利用人体中的遍布全身的氢原子在外加的强 磁场内受到

6、射频脉冲的激发，产生核磁共振现象，经过空间 编码技术，用探测器检测并接受以电磁形式放出的核磁共振 信号，输入计算机，经过数据处理转换，最后将人体各组织 的形态形成图像，以作诊断。核磁共振所获得的图像异常清 晰、精细、分辨率高，对比度好，信息量大，特别对软组织 层次显示得好。使医生如同直接看到了人体内部组织那样清 晰、明了，大大提高了诊断效率。避免了许多以往因手术前 诊断不明而不得不进行的开颅、开胸、开腹探查及其他的一 些探查诊断性手术，使病人避免了不必要的手术痛苦以及探 查性手术所带来的副损伤及并发症。所以它一出现就受到影 像工作者和临床医生的欢迎，目前已普遍的应用于临床，对 一些疾病的诊断成

7、为必不可少的检查手段。核磁共振提供的 信息量不但大于医学影像学中的其他许多成像术，而且不同 于已有的成像术，它是一项革命性的影像诊断技术。因此， 它对疾病的诊断具有很大的潜在优越性。 80年代美国政府 开始批准核磁共振机的商品化生产，并开始临床应用。我国 从1985年引进第1台核磁共振机至今已有超过1000台在工 作，目前医生们越来越认识到它在诊断各种疾病中的重要作 用，其使用范围也越来越广泛。现代MRI已发展到3.0以上， 立体三位MR I也已经出现，极大地提高了诊断水平。2.2. 磁共振成像的其他进展 核磁共振分析技术是通过核磁共振谱线特征参数（如谱线宽 度、谱线轮廓形状、谱线面积、谱线位

8、置等）的测定来分析 物质的分子结构与性质。它可以不破坏被测样品的内部结 构。是一种完全无损的检测方法。同时，它具有非常高的分 辨本领和精确度，而且可以用于测量的核也比较多，所有这 些都优于其它测量方法。因此，核磁共振技术在物理、化学、 医疗、石油化工、考古等方面获得了广泛的应用3技术改革DWI能从分子水平上反映人体各组织水分子的功能变化、可以检 测出与组织的含水量改变有关的形态学和生理学的早期改变而 脑组织成分均匀较身体其他部位的运动伪影少所以DWI技术 首先在脑部得到应用然而早期的DWI检查时间长对运动伪影非 常敏感，心跳、呼吸、脉搏等生理运动可对信号产生严重干扰。 使得DW I在体部的临床

9、应用受限。而屏气扫描被认为是唯一能够 避免伪影产生的方法 由于屏气采集时间所限不可避免地牺牲 了一部分图像分辨率和SNR :此外因屏气扫描层数所限，覆盖大 范围的扫描也难以实现随着MR硬件及软件的发展平面回波成 像(echo planar imaging. EPI)的应用使扫描时间的缩短成为现 实平面回波序列采集速度非常快可用于DWI中但其SNR比较 低，影响了ADC变化轻微的病变的显示随着场强的增加.EPI序 列的SNR增加影像的变形程度和磁敏感伪影也增加导致了影 像的扭曲变形和模糊。单次激发的半傅立叶EPI技术能在每次的 激发中均可完成K空间的数据填充，加快了采集速度，降低了对 呼吸运动的

10、敏感性，相对冻结了呼吸运动达到理想的SNR和分 辨率。为了提高SNR还有一种新的技术也得到了运用，即并行 采集技术其主要利用多组阵列线圈，通过减小线圈的体积和敏感 的容积来改善MRI影像的SNR,这样可有效地减少检测到噪声的幅 度多个小的互相重叠的线圈可重叠覆盖一定的容积当多个线 圈的信号叠加时噪音可显著降低.SNR得到明显改善。而不同 的厂家并行采集技术的名称不同，Philips公司称为敏感性编码 技术(sensitivity encoding technique。SENSET). GE公司称为 阵列空间敏感性编码技术(array spa tial sensi tivi ty encodin

11、g technique, ASSET), Siemens公司称为整合并行采集 技术(integrated parallel acquisition technique IPAT)等。 SENSET较早应用于MR DWI.此技术就是利用较高的局部梯度磁 场通过多线圈并行采集以增加K空间内采集位置的距离达到 减少K空间采样密度的目的在小视野内通过专门的重建算法.在 保持空间分辨率不衰减的情况下达到采集时间的减少 并行采集 技术由于读出持续时间的减少，磁敏感伪影也减少：相位编码方 向上的带宽增加可使影像的几何学扭曲降低 并行成像技术与 EPI序列联合应用可显著减少磁敏感和化学位移伪影并通过 减少相位

12、编码的数目而降低回波链长从而减少相位编码方向上 的伪影11。总之并行成像技术与EPI序列联合应用大大缩短了 扫描时间并抑制或减弱了运动伪影使自由呼吸扫描的体部DWI 应用成为现实4.核磁共振优缺点1 优点(1)MRI对人体没有损伤；(2)MRI能获得脑和脊髓的立体图像，不 像CTI样一层一层地扫描而有可能漏掉病变部位；(3)能诊断心 脏病变，CT因扫描速度慢而难以胜任；(4)对膀胱、直肠、子宫、 阴道、骨、关节、肌肉等部位的检查优干CT。2 缺点(1)和CT一样，MRI也是影像诊断，很多病变单凭MRI仍难以确诊， 不像内窥镜可同时获得影像和病理2方面的诊断；(2)对肺部的检 查不优于X线或CT

13、检查，对肝脏、胰腺、肾上腺、前列腺的检查 不比CT优越，但费用要高昂得多(3)对胃肠道的病变不如内窥镜 检查；(4)体内留有金属物品者不宜接受MRI。5. 核磁共振全身弥散加权成像技术及其临床应用5.1 功能核磁共振成像在脑中央区肿瘤手术中的应用 手术切除位于脑运动功能区皮层及其附近的病灶一直是神经外科难 题，存在“病灶切除和脑运动功能保护”之间的矛盾，如何做到在最 好地保存运动功能的情况下，最大限度地切除病灶是目前需要解决的 问题 。为了达到上述目的，必须要对运动区皮层进行定位，明确与 病变之间的解剖关系，在切除病变时，注意加以保护，减少运动区皮 层的损伤。目前常用的方法，如根据正常运动功能

14、区解剖定位，术中 体感诱发电位(somatosensory evoked potential，SEP)，经颅磁刺 激和脑磁图等，要么是侵入性，操作复杂，要么空间分辨率不足，不 能很好地解决这一难题，因而需要寻找更好的方法 。近年来，功能 磁共振成像 f unctional magneticresonance imaNng， RI)因其空间 分辨力高，操作相对较简单，无损伤，可重复应用而越来越受到神经 外科领域的重视l。本研究对1l例位于脑运动功能区域及其附近病变 的肿瘤患者，进行fMRI显示运动功能区皮层，根据成像结果，指导术 前规划，以及术中病灶切除范围和程度。旨在探讨fMRI对运动功能区

15、皮层的显示情况及在神经外科手术中的重要作用，为解决“病灶切除 和脑功能保护”这一神经外科难题提供新的思路。5.2 MR全身弥散加权成像技术在颈部淋巴结病变的应用 淋巴结转移是影响恶性肿瘤预后最重要的因素因此治疗前准确 评价淋巴结的情况对于治疗方案的选择和预后的判断均具有重 要的临床意义 在背景信号抑制MR DWI上，血管、肌肉、脂肪和 大部分组织器官均被抑制呈低信号强度，而淋巴结、扁桃体、外 周神经、脾脏、前列腺、睾丸、子宫内膜、卵巢等正常结构及大 多数的病变组织均呈高信号强度这是淋巴结背景信号抑制MR DWI的基础。由于背景信息被充分抑制淋巴结表现为低信号背 景上的明显高信号结构因此采用这一

16、技术可以更敏感地显示全 身的淋巴结常规MRI图像上部分病变淋巴结可能显示不清或因 周围结构的干扰而难以观察但在背景信号抑制MRDWI上淋巴 结表现为黑色背景上的明显高信号区可以更敏感地显示 但背 景信号抑制MR DWI的空间分辨率较低解剖图像质量不如常规 MRI图像在评价淋巴结时，还应将两者联合应用，以便得到更 为丰富的信息。对颈部淋巴结行背景信号抑制MRDWI研究发现 由于背景信息被充分抑制淋巴结表现为黑色背景上的明显高信 号使得体积较小的淋巴结也可以被清楚地显示出来较常规MRI 能更敏感地显示淋巴结。该项研究还测量了淋巴结的ADC :正常 淋巴结的ADC为(0. 975土0 179)X10-3mm2/s.转移性淋巴结 的ADC为（0. 744土0 125）X 10-3 mm2 / s.两者间的差异有统计 学意义（P0. 01）.转移性淋巴结的ADC明显低于正常淋巴结的ADC 这说明背景信号抑制MR DWI能准确和敏感地显示颈部淋