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本期內(nèi)容我們將了解專業(yè)醫(yī)用磁共振成像系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)，包括基本物理核磁共振原理及相關(guān)術(shù)語，如T1和T2弛豫、T1WI和T2WI脈沖序列的頻率和相位編碼，還有發(fā)表具有人類生命科技里程碑意義的論文的Paul lauterbur博士、Rymond Damadian博士......下面的視頻清晰的展示了磁共振成像技術(shù)如何進入我們的現(xiàn)實世界： *視頻譯文
首先來看一些定義。射頻能量是電磁波頻譜的一部分，電磁波頻譜又包括可見光和X射線。你可以看到，處于屏幕最左側(cè)的是屬于波譜的射頻電磁波，中間的是可見光，右側(cè)的是X射線。所有的這些都是由波長和波頻決定的。波長是指電磁波的相鄰的兩個波峰之間的距離，而波頻是指電磁波每秒能夠完成幾個周期。振幅是指波的高度或能量。當說到兩個甚至更多的波譜時，我們可以用相位來描述。屏幕上的藍色波和橙色波有相同的波頻而且完全平行，所以這兩條波是同相的。如果我們將橙色波向右移它的波頻不會改變，但是此時這兩條波異相或者說移位了。而另一方面，這兩條波波頻不同，但是起點相同，所以他們也是同相的。NMR、MRI、和RF信號的作用是由其特定的相位和波頻決定的。 屏幕上的一個小點叫做一個Pixel(像素），是picture（圖像）和element（元素）關(guān)聯(lián)組成的詞。MRI圖像是由一系列的三維像素或體元組成的。圖片上的每一個小方格對應人體組織的組織體積。MRI器械是用來測量由這些組織體積中的每一個單位發(fā)出的NMR信號，把他們置于3D空間下，并裁剪成256*256或者512*512 的矩陣圖從而使圖像清晰易見...... 知道了這個，我們將首先以基本單位為例子來描述一下NMR的原理。我相信我們絕大多數(shù)人孩童時代都有過親自試驗電磁學的經(jīng)歷，即利用一個開關(guān)、一個普通電池、一個鐵釘和一卷金屬線，通過控制開關(guān)就可以吸附其一些小鋼珠，那時你會覺得自己是一個偉大的科學家！我們在沒有意識到的情況下，其實已經(jīng)通過這樣一個簡單的線路展示了電磁學的基本原理。這個線路可以使電子形成電流，電流又產(chǎn)生磁場，而且磁場的方向和電流的方向是垂直的。電池推動電子繞著金屬線前進，我們將金屬線環(huán)繞成螺旋狀，這些小的電磁反應和鐵釘一起形成磁場，從而可以以吸附起我們想要撿到的東西。通電螺線管形成的磁場的方向可以用右手螺旋定律來確定。將右手的手指朝著電流的方向彎曲，那么大拇指所指的方向就是磁場的方向。 了解了這些之后我們來看一下所有元素中最簡單的元素：氫元素。氫原子是由一個處于原子核區(qū)域的質(zhì)子和一個圍繞它做環(huán)形運動的電子組成的。關(guān)于NMR的規(guī)則，我們對電子不做過多解釋。我們只對原子核位置的質(zhì)子有研究興趣，而Nuclear 就代表了NMR這個首字母縮略詞中的N。 原子核中心的質(zhì)子并不是處于原子的中央靜止不動的，實際上是繞著軸心轉(zhuǎn)動的，與行星和恒星的自轉(zhuǎn)相似。因為質(zhì)子帶正電，如果我們我們朝著質(zhì)子轉(zhuǎn)動的方向彎曲右手指，那么大拇指所指的方向就是人體內(nèi)每個氫質(zhì)子產(chǎn)生的微磁場的方向。不幸的是，為了觀察其圖像，我們體內(nèi)有很多氫原子可供選擇。一個成年人體內(nèi)含有大約60%的水，而水分子是由兩個氫原子和以一個氧原子組成的。人體的儲能物質(zhì)，也就是脂肪和碳水化合物也是由大量的氫原子，在碳氧有機構(gòu)架上有12個氫原子和葡萄糖醛基支撐，游離脂肪酸包含2-3個氫原子附著在線性或支開排列的構(gòu)架上。 現(xiàn)在，當我們在地面上走動時，所有的這些小質(zhì)子的磁場方向或者說自轉(zhuǎn)方向都是雜亂無章的，彼此削弱對方的磁場，因此，通常情況下并不具有磁性。絕大多數(shù)的這些小磁場都和主磁場保持一致，也有較少的質(zhì)子的磁場方向與主磁場的方向截然相反，然而沒有質(zhì)子處于這兩者中間的狀態(tài)的。決定磁場方向的因素在于每個原子或質(zhì)子的能量。那些擁有少量額外能量的原子或質(zhì)子將會和主磁場的方向截然相反，因此，被認為處于高能態(tài)。而那些與主磁場方向相同的原子或質(zhì)子則被認為處于低能態(tài)。 這些質(zhì)子們不僅僅是順著或逆著主磁場的方向，其實它們像陀螺一樣在做核自旋運動?；匦l率可以由拉莫爾頻率來精確地確定，拉莫爾頻率說明了質(zhì)子回旋頻率與其磁場輕度直接相關(guān)。 1Tesla(特斯拉)，一個氫質(zhì)子的拉莫爾頻率是42.58MHz/Tesla，2特斯拉，拉莫爾頻率是85.16MHz，3Tesla，拉莫爾頻率是127.74MHz, 或者基本是42.58MHz/Tesla。這些知識對于理解稍后我們將要提到的MRI數(shù)據(jù)成像非常重要。 為了便于展示，我們將所有的質(zhì)子都以3D圖像的方式將其回歸為最普通的狀態(tài)。前面提到，絕大多數(shù)的質(zhì)子都處于低態(tài)能的狀態(tài)。即使是每個質(zhì)子都在空間里自旋，如果你去除所有的干擾因素，那么最終的磁場與主磁場將會保持一致。如右面的簡圖所展示的那樣，這叫做縱向磁化。由于其與大的外部的磁場方向一致，質(zhì)子的磁場不能直接被測量或探測，所以是推測出來的。但是我們可以改變這一切。讓我們來看一下當我們用能量干擾質(zhì)子或者干擾其螺旋運動時會發(fā)生什么。假設(shè)質(zhì)子處于同性質(zhì)的磁場下，使質(zhì)子獲取能量使其回旋頻率達到42.58MHz，如果我們將射頻脈沖發(fā)射進42.58MHz的質(zhì)子中來，會發(fā)生兩件事。為了讓我們更容易看到，我們將暫時停止質(zhì)子的自旋運動。 首先，質(zhì)子們會吸收干擾能量，有一些質(zhì)子將會轉(zhuǎn)變到高態(tài)能的狀態(tài)。如果我們給予足夠的能量，從而使大約一半數(shù)目的質(zhì)子轉(zhuǎn)換到高能狀態(tài)，這樣的話，一半質(zhì)子處于高能態(tài)，一半質(zhì)子處于低能態(tài)，你可以看到兩個磁極相互抵消，磁性變?yōu)榱?。此外，你可以看到射頻推動質(zhì)子使其同步旋轉(zhuǎn)，這就是NMR中所說的R（resonance），即共振。如果我們把所有的這些磁矩加起來，你可以看到我們現(xiàn)在在水平方向形成了一支凈磁力，其方向與縱向磁場呈90 度角，這叫做橫向磁化，而且這個磁場可以用金屬線圈來探測。 就像電可以生磁一樣，磁也可以產(chǎn)生電。如果我們有一個連接在安培表上的螺線管，我們把一塊磁鐵放進螺線管內(nèi)，我們將會在金屬線上產(chǎn)生電流。當我們把磁鐵拿出來時，電流的方向?qū)⒂谠瓉硐喾础．斘覀冝D(zhuǎn)動磁鐵時，就產(chǎn)生了交流電流，可以從表盤的指示針看出。類似地，原來的金屬線圈里的橫向磁圍繞著質(zhì)子的自旋產(chǎn)生了微弱的但是可測量的電流。這個結(jié)果是我們在核磁共振里所要探尋的，但這還不是所有的故事。當我們?nèi)コ漕l信號后，質(zhì)子們就會恢復到原本的狀態(tài)。為了方便展示，我們再次暫且停止質(zhì)子的核自旋運動。質(zhì)子或核自旋發(fā)生的第一個變化是凡是帶正電的質(zhì)子會相互排斥并遠離彼此。在這個分散的過程中漸漸失去磁性。這個過程又叫做T2弛豫或者自旋弛豫，因為這與質(zhì)子的相互作用和核自旋有關(guān)。在這個自旋弛豫的過程中并沒有發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。另一種能量弛豫發(fā)生在高能態(tài)質(zhì)子回歸到低能態(tài)質(zhì)子的轉(zhuǎn)換過程中，原來被質(zhì)子吸收的能量以熱的形式被釋放都周圍的組織中，這一過程實際上發(fā)生了能量轉(zhuǎn)移。當這些質(zhì)子回歸到原來的狀態(tài)后，我們再次發(fā)射射頻脈沖，這個過程叫做T1弛豫或者說自旋點陣弛豫，因為它涉及了把核自旋的能量轉(zhuǎn)移到周圍的組織中去。 綜上所述，利用充足的射頻脈沖，把它調(diào)到與自旋質(zhì)子的相同頻率，這將使50%的質(zhì)子轉(zhuǎn)換到高態(tài)能狀態(tài)，進而使質(zhì)子相位同步或者說同步自旋。因此導致縱向磁場和水平磁場垂直。橫向磁場與質(zhì)子的發(fā)生共振從而產(chǎn)生可以被螺線管探測到的無線電信號。當去除干擾能量后，質(zhì)子會彼此分散發(fā)生T2或者自旋弛豫的過程，破壞了橫向磁場。然后，通過T1或自旋點陣弛豫的過程，質(zhì)子回歸到低能態(tài)，并將之前吸收的能量以熱能的形式釋放到周圍得到組織中，同時恢復了原本的縱向磁場。 因為我們體內(nèi)的這些質(zhì)子處于不同的局部環(huán)境中，有一些是和游離的水分子結(jié)合的，而其他的一些質(zhì)子則位置固定，并且和結(jié)構(gòu)性的或者說儲能的蛋白質(zhì)分子和脂肪分子相結(jié)合。這些不同的質(zhì)子在T1和T2弛豫的過程中也表現(xiàn)出不同的特征。我們可以著重指出并且將這些區(qū)別加以量化，通過改變輸入射頻能量的快捷程度或者說重復時間，重復時間用TR 來表示；還取決于我們選擇聆聽從橫向磁場傳回的信號的敏捷程度，或者說旋進質(zhì)子的回波時間用TE 來表示。這個過程是指脈沖序列，我們將以脂肪和水為例來展示其區(qū)別。 和之前一樣，為了簡化以便于理解，要了解這個過程我們先從質(zhì)子說起。左側(cè)是與脂肪相關(guān)的一組旋進的質(zhì)子，而右側(cè)則是與水相關(guān)的質(zhì)子。當我們輸入共振射頻脈沖時，所有的質(zhì)子都吸收了能量，快速翻轉(zhuǎn)到高能態(tài)，并且同步旋進，同時產(chǎn)生了垂直的橫向磁場。如果我們等上一定的時間，會看到質(zhì)子彼此分散，經(jīng)歷了T2或自旋弛豫的過程，而且橫向磁場在此過程中將會衰退。游離脂肪酸質(zhì)子的位置則相對固定，由于質(zhì)子旋進運動相互排斥，導致磁場迅速衰退。在游離脂肪酸質(zhì)子恢復原本序列狀態(tài)的過程中經(jīng)歷了T1或自旋點陣弛豫的過程，在此過程中它們更迅速的釋放之前所吸收的能量，以熱能的形式儲藏在周圍的組織中，并恢復了縱向磁場。 此刻，當我們啟動接聽器后我們會聽到來自水質(zhì)子相對強大的橫向磁場的強烈信號，而來自脂肪的較弱的或幾乎不存在的橫向則發(fā)出微弱的信號。按照慣例，水質(zhì)子的強烈信號用白色顯示，脂肪質(zhì)子的弱信號用暗灰色或黑色顯示。因此，為了突出我們體內(nèi)質(zhì)子T2弛豫過程的區(qū)別，我們需要較長時間地等待射頻脈沖所指的重復時間，用TR表示，而且需要等待較長地時間來聽取回波信號所指的較長回波時間，用TE表示，這些區(qū)別可以被測量和記錄。利用基本狀態(tài)的同一組織，來突顯T1弛豫過程的區(qū)別，我們再次將垂直的共振射頻脈沖輸入，這會使質(zhì)子轉(zhuǎn)換到高能態(tài)，推動它們同相并產(chǎn)生橫向磁場。T2弛豫過程發(fā)生在質(zhì)子快速分散并游離在水中，然后質(zhì)子回歸到低能態(tài)，把之前吸收的能量以熱能的形式散發(fā)到周圍的組織中，縱向磁場得到強化。 因為水分子中的質(zhì)子可以自由移動，所以這些質(zhì)子趨向于較長時間的保持能量，質(zhì)子保持高能態(tài)，縱向磁場幾乎沒有得到強化。而緊湊的脂肪質(zhì)子迅速的釋放能量并回歸到低能態(tài)，因此縱向磁場迅速回歸強化。如果此時我們迅速地輸入另一個垂直的共振射頻脈沖，那么已經(jīng)完全回歸到本位的脂肪質(zhì)子將會產(chǎn)生強大的橫向磁場。就在輸入第二次脈沖后，如果緊接著得到回波信號的話，我們可以記錄到強大的測定信號。然而，水質(zhì)子仍然處于高能態(tài)并且縱向磁場幾乎沒有得到強化，因此，新的射頻脈沖使更多的低能態(tài)質(zhì)子回歸到高能態(tài)，只能產(chǎn)生較小的橫向磁場和與主磁場方向呈180度角或者說截然相反的縱向磁場。當我們聽到回波信號時會發(fā)現(xiàn)，水質(zhì)子的組態(tài)會產(chǎn)生了低振幅或者說低能量的波。換句話說，這些水質(zhì)子的能量飽和，再也不能夠產(chǎn)生更強的橫向磁場了。因此，為了突顯水質(zhì)子和脂肪質(zhì)子T1弛豫過程展現(xiàn)出的區(qū)別，我們需要迅速地輸入共振射頻脈沖或者用短的重復時間TR，并迅速地聽取回波信號或者用短的回波時間TE。 這個概念比較難以理解，或許需要多聽幾遍才能懂。但是總結(jié)一下就是，T1弛豫或者T1效果的顯現(xiàn)是通過將質(zhì)子急速的地暴露在射頻能量下，并且使質(zhì)子旋進保持在高能態(tài)，并因此削弱縱向磁場的影響。那些快速恢復原本狀態(tài)的組織將產(chǎn)生強烈的信號，而恢復的慢的將產(chǎn)生弱信號。與此相反，T2弛豫作用的顯現(xiàn)是通過延長回波時間或者是允許質(zhì)子彼此分散，突顯了局部組織或者化學物質(zhì)的T2弛豫過程的區(qū)別。所以，T2加權(quán)像是通過長TR和長TE序列獲得的，用長TR削弱了T1的影響，用長TE增強了T2的影響。一個T1加權(quán)像，與此相反，是通過短TR和短TE獲得的，增強了T1的影響，削弱了T2的影響。在這兩者中間，是質(zhì)子密度序列，這是通過長TR和短TE獲取的，具有削弱T1和T2的作用，基本上可以讓我們知道局部質(zhì)子的數(shù)量或者密度。 第一位提出用NMR診療人類疾病的是Dr.Rymond Damadian, 他在1971年3月版的《科學》期刊上發(fā)表了一篇短文，題目為“利用核磁共振探測腫瘤”，他在這篇文章中表達的想法為人體腫瘤的NMR信號與正常組織的信號不同，因此腫瘤可以被探測到。他最初的構(gòu)想并不是制作一幅解剖圖，而是構(gòu)建一個大的可以容下一個人體的探測器，來為整個身體做NMR檢查，尋找具有腫瘤特征的T1和T2信號，這意味著你身體的某個部位發(fā)生惡化，這就像是檢測惡化的快速掃描工具。然而Dr.Rymond Damadian的腫瘤探測器并沒有成為現(xiàn)實，我們是利用MR光譜學及一個標準的MR影像來幫助我們發(fā)現(xiàn)身體的惡化病變過程。制作一張NMR影像，或者我們今天所說的MRI影像，我們必須能夠?qū)臉颖净蛘呓M織發(fā)出的信號通過3D空間來構(gòu)建。第一位提出這種技術(shù)的人是Dr.Paul Lauterbur。他在1973年3月19日在《自然》期刊上發(fā)表了題為《通過誘導局部相互作用來成像：核磁共振的應用范例》的短文。在這篇文章中他描述了這項技術(shù)，他利用磁輻射來辨認兩支裝滿水的直徑為1mm的試管的位置，這兩只試管同時又放在一個裝著重水的直徑為4.2mm的較大的試管里。重水的化學式是D2O，因為重水中的氫原子是標準的輕氬元素排列的同位素，輕氫原子只有一個質(zhì)子位于原子核，而重氫原子的原子核中包含一個質(zhì)子和一個中子，這就限制了原子核的自旋運動，因此不能給出理想的NMR信號。 Lauterbur將這些儀器放進具有強磁場的NMR磁鐵里，屏幕顯示的那樣，并從那些標準水中開發(fā)了一項可以辨別出NMR的實際信號源的技術(shù)。這是產(chǎn)生的圖像，用現(xiàn)在的標準來衡量的話顯得非常原始，但是它清晰的顯示了兩支裝有標準水的試管的位置。Lauterbur把這項技術(shù)命名為Zeugmatography(和磁共振成像），這源于希臘語。 為了向你展示NMR圖像是如何產(chǎn)生的，我們將把我們的視線從側(cè)面移到頂部，并將每組用磁場繞軸心旋轉(zhuǎn)的形式來簡化表示。要記住拉莫爾旋進或者說共振頻率是由局部磁場的強度來決定的。當我們第一次進入核磁共振儀時，一個超級導電磁體產(chǎn)生近乎均勻磁場，而且這個磁場從一端延展到另一端，這決定了核磁共振儀的磁場強度，常見的磁場強度是1 T,1.5 T與3T。在核磁共振儀里有三個梯度磁體可以用來在三維空間里確定具體位置，它們分別是Z軸，X軸和Y軸。從人體選一片特定組織，我們可以沿著Z軸打開通電磁體，這樣就會產(chǎn)生從頭到腳的次梯度?，F(xiàn)在我們輸入射頻脈沖，并且控制脈沖頻率使其能夠在預定區(qū)域產(chǎn)生共振，就像之前描述的那樣。我們現(xiàn)在已經(jīng)選定了人體的一部分，由于局部磁梯度是同質(zhì)的，所以這部分的所有的磁性運動都是同相的，同步自旋而且可以彼此加以區(qū)分。為了進一步用信號強度來定位這些磁性運動，我們還有兩個梯度可以用來離析信號源。第一個梯度叫做相位編碼梯度，要展示其效果，我們先來減緩凈磁性運動的速度。 相位編碼梯度方向通電后會沿Y軸產(chǎn)生一個梯度。在這種特定情況下，會導致在梯度底部的磁場運動速度減緩，而高處的磁場頂部的速度加快。這時迅速的切斷Y軸梯度的通電，自旋磁場會回歸到基本的頻率，以同樣的速率自旋，但是它們沿著Y軸已經(jīng)經(jīng)歷了移相，我們可以利用這一點來定位Y軸的旋進?，F(xiàn)在已經(jīng)有了兩個定位矩陣特定相位的系統(tǒng)了，現(xiàn)在用第三個梯度也就是X方向，來精確地定位選定的每一個信號的位置。這個梯度類似地導致右側(cè)的自旋速度減慢，而轉(zhuǎn)到左側(cè)時則會加速。在記錄信號時，這個頻率編碼梯度可以保持通電的狀態(tài)?，F(xiàn)在每一個信號都可以在三維空間里對其獨特的相位和頻率加以定位。為了確定每一個梯度的角色，整個過程被重復了幾次。在這個例子中，Y方向具有相位編碼梯度，X方向具有頻率編碼梯度，直到整個模型變得以完整構(gòu)建。每個小方格或三維像素都被給予一種顏色，這與其信號強度對應。按照慣例，白色代表強信號，黑色代表毫無信號。在這個簡單的例子中，我們的4*4模型看起來不是很直觀，但是一個標準的MRI 256*256或者5P*5P矩陣圖將會把人體的內(nèi)部解剖構(gòu)造細節(jié)展現(xiàn)的淋漓盡致。 |
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