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核磁共振，全稱“核磁共振成像（MRI）”。是一種醫(yī)學(xué)影像診斷技術(shù)，亦稱“核磁共振成像術(shù)”。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(hào)經(jīng)過(guò)電子計(jì)算機(jī)處理，重建出人體某一層面的圖像，并據(jù)此作出診斷。
1924年W.泡利為了解釋原子光譜的某些結(jié)構(gòu)，提出原子核具有角動(dòng)量（即自旋）的假說(shuō)。1946年F.布洛赫和E.M.珀塞爾分別發(fā)現(xiàn)，在靜磁場(chǎng)中某些原子核可吸收一定頻率的射頻電磁波能量，并產(chǎn)生共振，這一現(xiàn)象稱為核磁共振(NMR)。此后，核磁共振波譜學(xué)一直廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物學(xué)，甚至地質(zhì)學(xué)，成為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學(xué)分析的有力工具。1967年杰克遜首次在活體中得到 NMR信號(hào)。1971年R.達(dá)馬地安觀察到腫瘤組織弛豫時(shí)間延長(zhǎng)，提出NMR可能成為診斷腫瘤的工具。60年代末電子計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)(CT)發(fā)明后，立即有人研究 NMR成像。1972年P(guān).C.勞特伯用梯度磁場(chǎng)法得到一個(gè)水模型的質(zhì)子NMR二維圖像，這成為世界上第一個(gè)核磁共振圖像。此后，相繼得到植物、動(dòng)物和人體的圖像，技術(shù)日趨成熟，80年代初始用于臨床。1983年美國(guó)放射協(xié)會(huì)建議使用“磁共振成像”命名這項(xiàng)技術(shù)。
核磁共振（MRI）是后繼CT后醫(yī)學(xué)影像學(xué)的又一重大進(jìn)步。自80年代應(yīng)用以來(lái)，它以極快的速度得到發(fā)展。
NMR原理 原子核由質(zhì)子和中子組成，它們均以自身為軸作高速旋轉(zhuǎn)，這稱為自旋。質(zhì)子帶正電荷，自旋時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，也稱磁矩。中子雖為電荷中性，但由于表面電荷分布不均勻，自旋時(shí)也產(chǎn)生磁矩。原子核中質(zhì)子或中子的磁矩互相疊加，表現(xiàn)為原子核的總磁矩，也稱凈自旋。質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)均為偶數(shù)時(shí)，磁矩互相抵消。因此只要質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)并非同時(shí)是偶數(shù)，原子核就有磁矩或凈自旋。人體組織中這類原子核有1H、13C、23Na、31P等，其中1H的含量多，NMR靈敏度高，信號(hào)強(qiáng)，目前用來(lái)成像的主要是1H。氫原子核中只含一個(gè)質(zhì)子，下面即以質(zhì)子為例解釋NMR現(xiàn)象。
質(zhì)子的磁化 一般情況下，由于熱運(yùn)動(dòng)，質(zhì)子指向任意方向，磁矩互相抵消，宏觀磁矩M=0。如果將質(zhì)子置于靜磁場(chǎng)中，質(zhì)子將按一定方向排列，顯示磁矩，情況與將磁棒置于磁場(chǎng)中相似。這稱為磁化。磁矩為一矢量，稱磁化矢量，是無(wú)數(shù)質(zhì)子共同作用的效果。達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)M＝M0，方向與靜磁場(chǎng)方向Z軸一致。M可分解為與Z軸平行的分量MZ（縱向磁矩），和與Z軸垂直的分量MXY（橫向磁矩）。平衡狀態(tài)時(shí)，MZ＝M0，MXY＝0。
M的激發(fā)與拉莫爾頻率 磁矩M受一定外力，即偏離Z軸，與Z軸成一個(gè)角度θ，這稱為激發(fā)。此外力是一個(gè)與主磁場(chǎng)方向垂直的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，可借一個(gè)頻率一定的射頻脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)。 θ的大小由脈沖強(qiáng)度和寬度決定。能使M偏轉(zhuǎn) 90°或 180°的脈沖即分別稱為90°或180°脈沖。M經(jīng)過(guò)90°脈沖激發(fā)，則M位于 XY平面上，此時(shí)MZ＝0;經(jīng)過(guò)180°脈沖激發(fā)，M與磁場(chǎng)方面相反，此時(shí)MZ＝-M0，MXY＝0。
能使M激發(fā)的脈沖，其頻率必須符合下列公式（即拉莫爾公式）：v=γB
其中v 稱為拉莫爾頻率，B0為主磁場(chǎng)強(qiáng)度，γ為旋磁比。每種原子核均有特定的 γ，如氫原子核（質(zhì)子）的 γ為42.58MHz/T，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為1T時(shí)，v=42.58MHz 。
M的進(jìn)動(dòng)和核磁共振現(xiàn)象 M受激發(fā)，一旦偏離Z軸，除了以自身為軸自旋外，還以拉莫爾頻率象陀螺一樣繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這稱為進(jìn)動(dòng)。激發(fā)脈沖停止后，M繼續(xù)進(jìn)動(dòng)，并不立即回到平衡狀態(tài)。M進(jìn)動(dòng)時(shí)，橫向磁矩MXY切割靜磁場(chǎng)磁力線，產(chǎn)生頻率為v的電磁波。綜上所述，用射頻脈沖激發(fā)一個(gè)處于靜磁場(chǎng)中的核系統(tǒng)，核系統(tǒng)能將所吸收的能量同樣以射頻電磁波形式釋放，這就是核磁共振現(xiàn)象。
M的弛豫 激勵(lì)脈沖停止后，核系統(tǒng)將所吸收的能量釋放出來(lái)，M逐漸回到平衡狀態(tài)的過(guò)程稱恢復(fù)或弛豫。這一過(guò)程分別由M的兩個(gè)分量MZ和MXY的弛豫來(lái)表述。
① 縱向弛豫時(shí)間T1。M被90。脈沖激發(fā)后，MZ的弛豫符合下列公式：
式中t表示脈沖停止后經(jīng)過(guò)的時(shí)間，T1是一個(gè)時(shí)間常數(shù)。當(dāng)t＝T1時(shí)，＝0.63M0。因此，T1可以定義為：構(gòu)成某物質(zhì)的某種原子核，經(jīng)過(guò)90°脈沖激發(fā)后，縱向磁矩恢復(fù)到平衡狀態(tài)磁矩的63％時(shí)，所需時(shí)間為該物質(zhì)的T1，也稱縱向弛豫時(shí)間。同一種原子核在不同的物質(zhì)中有不同的T1，這是因?yàn)門1反映自旋原子核和周圍環(huán)境的能量轉(zhuǎn)移過(guò)程。構(gòu)成物質(zhì)的原子統(tǒng)稱為晶格，故T1亦稱自旋－晶格弛豫時(shí)間。以質(zhì)子為例，T1在固體中最長(zhǎng)，可達(dá)數(shù)分鐘甚至數(shù)小時(shí)，純水為3秒，含有蛋白質(zhì)的生物體液則較短，脂肪最短。T1也受靜磁場(chǎng)強(qiáng)度影響，場(chǎng)強(qiáng)較高時(shí)，T1亦較長(zhǎng)。
② 橫向弛豫時(shí)間T2。MXY的弛豫用下列公式表示：
式中 T2是另一個(gè)時(shí)間常數(shù)。當(dāng) t=T2時(shí)，MXY=M0e-1=0.37M0。因此，T2可以定義為：構(gòu)成某物質(zhì)的某種原子核，經(jīng)過(guò)90°脈沖激發(fā)后，橫向磁矩減小到最大值的37％時(shí)，所需時(shí)間為該物質(zhì)的T2，也稱橫向弛豫時(shí)間。T2反映自旋原子核之間的能量轉(zhuǎn)移過(guò)程，亦稱自旋－自旋弛豫時(shí)間。以質(zhì)子為例，純水T2最長(zhǎng)，含蛋白質(zhì)的水較短，脂肪界于兩者之間，固體T2最短。
NMR信號(hào)的產(chǎn)生和獲取 在靜磁場(chǎng)內(nèi)核系統(tǒng)的適當(dāng)位置上放置一個(gè)線圈，作為激發(fā)脈沖的發(fā)射線圈，一般還用此線圈兼作 NMR信號(hào)的接收線圈。激發(fā)脈沖停止后，立即在線圈中感應(yīng)出一個(gè)強(qiáng)度逐漸衰減的NMR信號(hào)，稱為自由感應(yīng)衰減信號(hào)(FID)。FID的起始強(qiáng)度受自旋原子核密度的影響，也就是說(shuō)參加共振的原子核越多，信號(hào)越強(qiáng)。如果按照一定間隔連續(xù)施加90°脈沖，第二次以后的FID起始強(qiáng)度還決定于MZ的恢復(fù)程度，MZ恢復(fù)越多，信號(hào)越強(qiáng)；MZ的恢復(fù)程度決定于T1，因此T1越短，MZ越容易恢復(fù)，信號(hào)越強(qiáng)。FID的衰減決定于T壗，T壗越長(zhǎng)，衰減越慢。FID的包絡(luò)曲線即以T2為常數(shù)的指數(shù)曲線。FID衰減趨于零后，這時(shí)再施加一個(gè)180。脈沖，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，可獲得一個(gè)從弱而強(qiáng)再變?nèi)醯纳漕l信號(hào)，稱為回波。若重復(fù)施加180°脈沖，每次均可獲得一個(gè)回波，只是回波的峰值逐漸減小。連接回波峰值的包絡(luò)曲線即以T2為常數(shù)的指數(shù)曲線。T2越長(zhǎng)，回波峰值減小越慢。
為了獲取NMR信號(hào)，進(jìn)行各種分析或常數(shù)的測(cè)定，按照設(shè)定的程序?qū)讼到y(tǒng)施加激發(fā)脈沖，并取得FID或回波，這樣的程序稱為脈沖序列。常用的脈沖序列有：
① 部分恢復(fù)序列（PR序列）。按照一定間隔，連續(xù)施加90°脈沖，并收集FID。脈沖間隔稱重復(fù)時(shí)間(TR)，信號(hào)強(qiáng)度受質(zhì)子密度和T1影響，與T2無(wú)關(guān)。
② 反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(IR序列)。先施加一個(gè) 180°脈沖，使MZ＝－M0，MXY＝0，隔一定時(shí)間(稱為反轉(zhuǎn)時(shí)間TR)再施加一個(gè)90°脈沖，然后收集FID。兩組脈沖的間隔仍為TR。信號(hào)強(qiáng)度仍決定于質(zhì)子密度和T1，與T2無(wú)關(guān)。
③ 自旋回波序列（SE序列）。先施加一個(gè)90°脈沖，隔一定時(shí)間再施加一個(gè)180°脈沖，再隔一定時(shí)間收集出現(xiàn)的回波。90°脈沖開(kāi)始到回波峰值這段時(shí)間稱回波時(shí)間(TE)。回波信號(hào)強(qiáng)度除受質(zhì)子密度影響外，還受T1和T2的雙重影響，但影響程度隨TR和TE的改變而改變。TR越短、TE越短，受T1影響大；反之，則受T2影響大。
由于FID的收集比較困難，在PR和IR序列實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常常是在90°脈沖后再加一個(gè)180°脈沖，然后收集其回波。這樣的PR序列同短TE的SE序列是一樣的。
磁共振成像技術(shù) 磁共振圖像的每幅圖像都由多個(gè)相同大小的最小單元（像素）組成。每個(gè)像素相當(dāng)于人體相對(duì)應(yīng)部位一定體積的組織，稱體素。
成像的條件 形成人體某種圖像，首先要測(cè)定每個(gè)體素相應(yīng)的物理或化學(xué)常數(shù)，此常數(shù)要能反映出人體生理或病理變化；其次要確定每個(gè)數(shù)值所對(duì)應(yīng)體素的空間位置，即要有定位信息。
梯度磁場(chǎng) MRI的空間信息來(lái)自梯度磁場(chǎng)。梯度磁場(chǎng)是磁場(chǎng)強(qiáng)度在某一方向上呈線性改變的磁場(chǎng)。將電流通入兩個(gè)相反設(shè)置的線圈，可產(chǎn)生兩個(gè)極性相反的磁場(chǎng)，如果將這組線圈放在靜磁場(chǎng)內(nèi)，三個(gè)磁場(chǎng)相疊加，即形成一個(gè)梯度磁場(chǎng)。如果在 X、Y、Z三個(gè)互相垂直的方向上各放置一組梯度線圈，形成三個(gè)互相垂直的梯度磁場(chǎng)，分別調(diào)節(jié)各組線圈的電流，即可按照要求調(diào)節(jié)空間各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。由于共振頻率與質(zhì)子所處位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，這時(shí)收集的MR信號(hào)即帶有定位信息。
成像方法 收集磁共振信號(hào)，經(jīng)過(guò)電子計(jì)算機(jī)處理，即可重建出圖像。磁共振成像的方法有多種，在分辨率、成像時(shí)間、信號(hào)噪聲比等方面各有不同。從數(shù)據(jù)收集方面區(qū)分有點(diǎn)、線、平面、容積成像法等，從數(shù)據(jù)處理方面區(qū)分有投影重建法、傅里葉變換法等。
磁共振成像裝置 由 5個(gè)部分組成。①磁體。由主磁體、梯度線圈、射頻線圈等三部分組成。主磁體用以產(chǎn)生靜磁場(chǎng)。磁場(chǎng)強(qiáng)度單位為T（特斯拉）或G（高斯）。1T=10000G。根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)區(qū)分，MRI裝置分為高場(chǎng)（≥1T）、中場(chǎng)(≥0.5T)、低場(chǎng)(≥0.1T)和超低場(chǎng)(<0.1T)。MRI發(fā)展早期多追求高場(chǎng)，認(rèn)為可以兼作波譜分析，同時(shí)場(chǎng)強(qiáng)增加可提高信噪比，改善圖像質(zhì)量。但從對(duì)人體的安全性考慮，場(chǎng)強(qiáng)不宜超過(guò)2T。適宜成像的場(chǎng)強(qiáng)對(duì)波譜分析來(lái)說(shuō)還不夠高，實(shí)踐證明很難兩者兼顧。此外，高場(chǎng)對(duì)圖像質(zhì)量改善有限，而帶來(lái)很多缺點(diǎn)，如成本高、成像時(shí)間延長(zhǎng)、人體射頻吸收增加等問(wèn)題，反而得不償失。因此綜合考慮以中場(chǎng)較為理想。根據(jù)磁場(chǎng)產(chǎn)生方式區(qū)分，有常規(guī)電磁體、永磁體和超導(dǎo)電磁體三種。常規(guī)電磁體主磁場(chǎng)線圈使用普通銅導(dǎo)線，成本較低，但只能達(dá)到低場(chǎng)強(qiáng)，且耗電高，磁場(chǎng)均勻性、穩(wěn)定性都較差，不可能得到高質(zhì)量圖像。永磁體系由磁性材料制成，不耗電，維持費(fèi)用也較低，各種性能均高于常規(guī)電磁體，但成本仍較高，且場(chǎng)強(qiáng)度低、重量大、調(diào)整困難、熱穩(wěn)定性差。超導(dǎo)電磁體線圈用超導(dǎo)材料制成，浸在液氦內(nèi)，除成本較高外，其他性能都是最好的，根據(jù)需要，高、中、低場(chǎng)都能做到。如果設(shè)置液氦回收裝置，維持費(fèi)用也較低，是比較理想的機(jī)型。梯度線圈置于主磁場(chǎng)線圈之內(nèi)，共三組，用以產(chǎn)生三個(gè)互相垂直的梯度磁場(chǎng)，并要求有高線性度。每組線圈由獨(dú)立電源供電，通斷時(shí)間小于1毫秒。射頻線圈置于梯度線圈內(nèi)，用以發(fā)射激發(fā)脈沖，一般還兼作MR信號(hào)的接收線圈。②脈沖發(fā)生和信號(hào)收集系統(tǒng)。可分為三部分，梯度場(chǎng)驅(qū)動(dòng)器用以產(chǎn)生梯度場(chǎng)電壓，供給梯度線圈，并有控制器。能精確、迅速通斷。射頻發(fā)生器用以產(chǎn)生激發(fā)脈沖、并按一定脈沖序列發(fā)送給射頻線圈。射頻接收器，接收MR信號(hào)并放大。③數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。由一至數(shù)臺(tái)電子計(jì)算機(jī)組成，進(jìn)行信息運(yùn)算、處理、調(diào)度和系統(tǒng)的控制。④操作和圖像顯示裝置。進(jìn)行機(jī)器操作控制及圖像的顯示、分析、處理及記錄。⑤電源系統(tǒng)。產(chǎn)生各種電壓，供給各個(gè)部件。
應(yīng)用 MR圖像的亮度和反差受多個(gè)參數(shù)影響。這些參數(shù)分為兩大類。一類是可以人為設(shè)定的掃描參數(shù)，為TR、TE等。另一類是反映人體組織性質(zhì)的參數(shù)，如質(zhì)子密度、T1、T2、流動(dòng)效應(yīng)和化學(xué)位移。質(zhì)子密度反映人體解剖結(jié)構(gòu)，T1、T2和化學(xué)位移主要反映人體生物化學(xué)情況，流動(dòng)效應(yīng)可顯示血流情況和血管內(nèi)病變，用以測(cè)定血流方向及速度。實(shí)際應(yīng)用時(shí)利用掃描參數(shù)的改變加強(qiáng)組織某一參數(shù)對(duì)圖像的影響。例如短TR序列圖像，除反映一定程度質(zhì)子密度外，也反映體素的T1分布，稱為T1加權(quán)像；長(zhǎng)TR長(zhǎng)TE的SE序列圖像，反映體素的T2分布，稱為T2加權(quán)像。
掃描時(shí)三個(gè)梯度磁場(chǎng)的值可任意設(shè)定，因此不用移動(dòng)病人即可對(duì)病變處作空間定位，取得任意層面的圖像，對(duì)顯示病變非常有利。
MR對(duì)人體無(wú)電離輻射損害，但靜磁場(chǎng)、梯度磁場(chǎng)和射頻電磁場(chǎng)有可能對(duì)人體產(chǎn)生影響，靜磁場(chǎng)對(duì)人體的影響尚不十分清楚，至少在2T以下尚未觀察到對(duì)人體的明顯不利影響。梯度磁場(chǎng)的迅速通斷，對(duì)視網(wǎng)膜可引起閃光感覺(jué)，對(duì)心、腦也可能有潛在危害，規(guī)定的人體耐受限度是20T/秒，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)遠(yuǎn)未達(dá)到此數(shù)值。射頻脈沖產(chǎn)生的電磁場(chǎng)可在人體組織中產(chǎn)生熱，產(chǎn)熱與頻率平方成正比，規(guī)定的限度是0.4瓦/千克體重。因此一般情況下MR對(duì)人體基本無(wú)害，但體內(nèi)若有金屬假體或手術(shù)金屬夾，MR能使其產(chǎn)熱或發(fā)生移位。此外，MR也能干擾起搏器的正常工作。這些都是MRI的禁忌癥。
臨床 MRI是以人體內(nèi)氫核的弛豫時(shí)間加權(quán)密度像作為診斷依據(jù)，其他原子構(gòu)成的組織（如骨）無(wú)直接顯示，要通過(guò)周圍或間隔中的軟組織間接顯示，對(duì)被水包圍的病變組織顯示也不太清楚；又由于重復(fù)時(shí)間TR長(zhǎng)，致使成像時(shí)間很長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)組織的成像往往較困難。正是這種特點(diǎn)，使得MRI不能代替CT或其他影像診斷，各種方法各有所長(zhǎng)。MRI在臨床上主要用于以下部位。
① 頭部。 MRI可清晰分辨腦灰質(zhì)和白質(zhì)、對(duì)多發(fā)性硬化等一類脫髓鞘病優(yōu)于CT。對(duì)腦外傷、腦出血、腦梗塞、腦腫瘤等同CT類似，但可顯示CT為等密度的硬膜下血腫。腦梗塞或腦腫瘤的早期，CT還不能查出時(shí)，MRI有可能顯示，而對(duì)鈣化和腦膜瘤MRI顯示不好。腦干及小腦病變的 MRI圖像由于沒(méi)有偽影是首選檢查方法。
② 脊柱。MRI不需要造影劑即能清晰區(qū)分脊髓、硬膜囊和硬膜外脂肪。對(duì)腫瘤，脊髓空洞癥，脫髓鞘病變等均有較高診斷價(jià)值。對(duì)外傷，雖然MRI顯示骨折或脫位不如常規(guī)X射線或CT，但能觀察脊髓損傷情況。MRI顯示椎間盤也較好，可以分辨纖維環(huán)和髓核，特別是矢狀面圖像可以同時(shí)顯示多個(gè)椎間盤突出（見(jiàn)圖）。
③ 四肢。骨皮質(zhì)為無(wú)信號(hào)區(qū)，骨髓腔在T1加權(quán)像上為高強(qiáng)信號(hào)。MRI對(duì)骨質(zhì)本身病變顯示不如常規(guī)X射線或CT。對(duì)軟組織及肌肉病變包括腫瘤及炎癥都能清晰顯示，特別是早期急性骨髓炎，MRI是一種靈敏度很高的檢查方法。此外，MRI也是檢查膝關(guān)節(jié)半月板病變的首選方法。
④ 盆腔。對(duì)直腸及泌尿生殖系統(tǒng)MRI優(yōu)于CT，因沒(méi)有輻射損害，特別適用于孕婦及胎兒檢查。
⑤ 胸部。對(duì)肺的檢查不如常規(guī)X射線，對(duì)縱隔檢查則優(yōu)于CT，不用造影劑即可分辨縱隔血管和腫物，采用心電門控技術(shù)后不僅可顯示心肌、心腔病變，還可計(jì)算出一些心臟血流指數(shù)，是很有價(jià)值的心血管檢查技術(shù)。
⑥ 腹部。主要用于肝、胰、脾、腎等實(shí)質(zhì)臟器，總的來(lái)說(shuō)，不比CT更好。
特殊技術(shù) 包括以下幾點(diǎn)：
① 對(duì)比劑使用順磁性物質(zhì)加入核系統(tǒng)中時(shí)，弛豫時(shí)間顯著降低，故可作為MRI的對(duì)比劑，常用的是釓的化合物，如Gd-DTPA。用法與CT使用的碘對(duì)比劑類似，一般用于顯示腦膜瘤、聽(tīng)神經(jīng)瘤，以及區(qū)別腦瘤同周圍水腫。
② 門控技術(shù)。為了減少心跳或呼吸運(yùn)動(dòng)造成的偽影，可以在每次心臟搏動(dòng)周期或呼吸周期的同一時(shí)刻激發(fā)原子核，也就是由心動(dòng)周期或呼吸周期決定脈沖重復(fù)時(shí)間，這稱為門控。
③ 表面線圈。檢查身體比較小的、表淺的部位時(shí)，可將接收線圈做成所檢查部位的形狀，直接貼在身體表面加強(qiáng)與信號(hào)之間的耦合，稱為表面線圈，此線圈可增加信號(hào)接收的靈敏度，提高信噪比和圖像的空間分辨率。
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