磁共振成像

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，简称 MRI）是一种基于核磁共振原理、主要用于影像诊断学的医学成像技术。使用该技术的磁共振成像仪（MRI scanner）由强磁场、梯度磁场、无线电波、计算机系统四大构件构成，以形成人体内解剖结构和生理过程的图像。与计算机断层扫描（CT）和正电子发射断层扫描（PET）不同的是，MRI 不涉及X射线或电离辐射的使用。
磁共振成像在医院和诊所广泛应用于疾病的医学诊断、分期和随访。与 CT 相比，MRI 在软组织部位（如大脑或腹部）的图像中能提供更好的对比度。然而，它可能会被患者认为不太舒服，因为受试者通常在一个狭窄并带有噪音的管状空间中进行长时间的测量，尽管“开放式”MRI设计大多缓解了这一点。此外，体内的植入物和其他不可移动的金属可能会造成风险，并可能使一些患者无法安全地进行 MRI 检查。
磁共振成像的原理是对静磁场中的人体施加特定频率的射频脉冲（即无线电波脉冲），使人体内水中的氢原子核受到其激励而发生核磁共振，并释放可被仪器接收的无线电波。由于该信号在体内不同结构环境中会有不同的衰减，人们可以通过外加梯度磁场检测，从而以此重建并绘制成人体内部结构与功能图像。现代核磁共振成像仪应用了快速变化的梯度磁场，使其成像速度得到大幅提升，并让该技术在临床诊断、科学研究的应用成为现实，推动了医学、神经生理学和认知神经科学的发展。
名称.
磁共振-{}-成像旧称“核磁共振-{}-成像”（NMR imaging），后因其初次应用于医学影像时，正处于冷战时期，民众误以为该检查具有核辐射，与放射性或核医学技术相关，而改称 MRI，去掉 nuclear 字样，但其原理与 NMR 并无不同。中国大陆称磁共振-{}-成像，台湾称磁振-{}-造影，香港称磁力-{}-共振扫描。
原理.
概述.
磁共振成像是随着电子计算机、电子学、电路学、超导体等技术的发展而迅速发展起来的一种生物磁学核自旋成像技术。此成像技术利用核磁共振原理，其中“核”指的是氢原子核，因为人体大约70%是由水组成的，另外有脂肪、蛋白质等，MRI即依赖这些分子中的氢原子的共振而造影。
当把物体放置在磁场中，用适当的电磁波照射它，以改变氢原子的旋转排列方向，使之共振，然后分析它释放的电磁波，由于不同的组织会产生不同的电磁波讯号，经电脑处理，就可以得知构成这一物体的原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的精确立体图像。
原子核在进动中，吸收与原子核进动频率相同的射频脉冲，即外加交变磁场的频率等于拉莫频率，原子核就发生共振吸收，去掉射频脉冲之后，原子核磁矩又把所吸收的能量中的一部分以电磁波的形式发射出来，称为共振发射。共振吸收和共振发射的过程叫做“核磁共振”。
数学运算.
原子核带正电荷并有自旋这一属性，其自旋产生磁矩，称为核磁矩。研究表明，核磁矩formula_1与原子核的自旋角动量"S"成正比，即
式中"γ"为比例系数，称为原子核的旋磁比。在外磁场中，原子核自旋角动量的空间取向是量子化的，它在外磁场方向上的投影值可表示为
m为核自旋量子数。依据核磁矩与自旋角动量的关系，核磁矩在外磁场中的取向也是量子化的，它在磁场方向上的投影值为
对于不同的核，m分别取整数或半整数。在外磁场中，具有磁矩的原子核具有相应的能量，其数值可表示为
式中B为磁感应强度。可见，原子核在外磁场中的能量也是量子化的。由于磁矩和磁场的相互作用，自旋能量分裂成一系列分立的能级，相邻的两个能级之差formula_6。用频率适当的电磁辐射照射原子核，如果电磁辐射光子能量formula_7恰好为两相邻核能级之差formula_8，则原子核就会吸收这个光子，发生核磁共振的频率条件是：
式中formula_10为频率，formula_11为角频率。对于确定的核，旋磁比formula_12可被精确地测定。可见，通过测定核磁共振时辐射场的频率formula_10，就能确定磁感应强度；反之，若已知磁感应强度，即可确定核的共振频率。
系统组成.
NMR实验装置.
采用调节频率的方法来达到核磁共振。由线圈向样品发射电磁波，-{zh-hans:调制振荡器; zh-hant:调变振荡器;}-的作用是使射频电磁波的频率在样品共振频率附近连续变化。当频率正好与核磁共振频率吻合时，射频振荡器的输出就会出现一个吸收峰，这可以在示波器上显示出来，同时由频率计即刻读出这时的共振频率值。核磁共振谱仪是专门用于观测核磁共振的仪器，主要由磁铁、探头和谱仪三大部分组成。磁铁的功用是产生一个恒定的磁场；探头置于磁极之间，用于探测核磁共振信号；谱仪是将共振信号放大处理并显示和记录下来。
MRI系统的组成.
MRI是一台巨大的圆筒状机器，能在受检者的周围制造一个强烈磁场区的环境，借由无线电波的脉冲撞击身体细胞中的氢原子核，改变身体内氢原子的排列，当氢原子再次进入适当的位置排列时，会发出无线电讯号，此讯号借由电脑的接收并加以分析及转换处理，可将身体构造及器官中的氢原子活动，转换成2D影像，因MRI运用了生化、物理特性来区分组织，获得的影像会比电脑断层更加详细。
计算机图像重建系统.
由射频接收器送来的信号经A/D转换器，把模拟信号转换成数字信号，根据与观察层面各体素的对应关系，经计算机处理，得出层面图像数据，再经D/A转换器，加到图像显示器上，按NMR的大小，用不同的灰度等级显示出欲观察层面的图像。
应用.
医学.
检查目的.
MRI被广泛运用在运动相关伤害的诊断上，对近骨骼和骨骼周围的软组织，包括韧带与肌肉，可呈现清晰影像，因此在脊椎及关节问题上，是极具敏感的检查。
因MRI没有辐射暴露的危险，因此经常被使用在生殖系统、乳房、骨盆及膀胱病的侦测及诊断上。
原理概述.
氢核是人体成像的首选核种：人体各种组织含有大量的水和碳氢化合物，所以氢核的核磁共振灵活度高、信号强，这是人们首选氢核作为人体成像元素的原因。NMR信号强度与样品中氢核密度有关，人体中各种组织间含水比例不同，即含氢核数的多少不同，则NMR信号强度有差异，利用这种差异作为特征量，把各种组织分开，这就是氢核密度的核磁共振图像。人体不同组织之间、正常组织与该组织中的病变组织之间氢核密度、弛豫时间T1、T2三个参数的差异，是MRI用于临床诊断最主要的物理基础。
当施加一射频脉冲信号时，氢核能态发生变化，射频过后，氢核返回初始能态，共振产生的电磁波便发射出来。原子核振动的微小差别可以被精确地检测到，经过进一步的计算机处理，即可能获得反应组织化学结构组成的三维图像，从中我们可以获得包括组织中水分差异以及水分子运动的信息。这样，病理变化就能被记录下来。
人体2/3的重量为水分，如此高的比例正是磁共振成像技术能被广泛应用于医学诊断的基础。人体内器官和组织中的水分并不相同，很多疾病的病理过程会导致水分形态的变化，即可由磁共振图像反应出来。
MRI所获得的图像非常清晰精细，大大提高了医生的诊断效率，避免了剖胸或剖腹探查诊断的手术。由于MRI不使用对人体有害的X射线和易引起过敏反应的造影剂，因此对人体没有损害。MRI可对人体各部位多角度、多平面成像，其分辨力高，能更客观更具体地显示人体内的解剖组织及相邻关系，对病灶能更好地进行定位定性。对全身各系统疾病的诊断，尤其是早期肿瘤的诊断有很大的价值。
优点.
与1901年获得诺贝尔物理学奖的普通X射线或1979年获得诺贝尔医学奖的-{zh-hans:计算机层析成像; zh-hant:电脑断层影像;}-（computerized tomography, CT）相比，磁共振成像的最大优点是它是目前少有的对人体没有任何伤害的安全、快速、准确的临床诊断方法。如今全球每年至少有6000万病例利用核磁共振成像技术进行检查。具体说来有以下几点：
缺点及可能存在的危害.
虽然MRI对患者没有致命性的损伤，但还是给患者带来了一些不适感。在MRI诊断前应当采取必要的措施，把这种负面影响降到最低限度。其缺点主要有：
MRI系统可能对人体造成伤害的因素主要包括以下方面：
化学.
MRI在化学领域的应用没有医学领域那么广泛，主要是因为技术上的难题及成像材料上的困难，目前主要应用于以下几个方面：
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。
诺贝尔获奖者的贡献.
核磁共振的研究在近代取得很多的成果，相关工作曾荣获多个诺贝尔奖。1946年，美国物理学家费利克斯·布洛赫 (Felix Bloch) 和爱德华·米尔斯·珀塞尔 (Edward Mills Purcell) 在质子中证明了这一现象。他们于1952年荣获诺贝尔物理学奖。
核磁共振的相关研究还曾获得两项诺贝尔化学奖。1991年，瑞士人理查德·恩斯特（Richard Ernst）因其对高分辨率核磁共振波谱方法的贡献而获的诺贝尔化学奖。2002 年，同样来自瑞士的库尔特·维思里希 (Kurt Wüthrich) 因其开发的核磁共振波谱技术用于测定溶液中生物大分子的三维结构而获奖。
2003年10月6日，瑞典卡罗林斯卡医学院宣布，2003年诺贝尔生理学或医学奖授予美国化学家-{zh-hans:保罗·劳特伯; zh-hant:保罗·劳特伯;}-和英国物理学家彼得·曼斯菲尔德，以表彰他们在医学诊断和研究领域内所使用的核磁共振成像技术领域的突破性成就。
劳特伯在纽约州立大学石溪分校化学系当副教授时看到因为仪器老旧，研究生与博士后研究员实验皆做不出理想结果，于是苦思解决之道。-{zh-hans:劳特布尔; zh-hant:劳特伯;}-的贡献是，在主磁场内附加一个不均匀的磁场，把梯度引入磁场中，从而创造了一种可视的用其他技术手段却看不到的物质内部结构的二维结构图像。他描述了怎样把梯度磁体添加到主磁体中，然后能看到沉浸在重水中的装有普通水的试管的交叉截面。除此之外没有其他图像技术可以在普通水和重水之间区分图像。通过引进梯度磁场，可以逐点改变核磁共振电磁波频率，通过对发射出的电磁波的分析，可以确定其信号来源。
曼斯菲尔德进一步发展了有关在稳定磁场中使用附加的梯度磁场理论，推动了其实际应用。他发现磁共振信号的数学分析方法，为该方法从理论走向应用奠定了基础。这使得10年后磁共振成像成为临床诊断的一种现实可行的方法。他利用磁场中的梯度更为精确地显示共振中的差异。他证明，如何有效而迅速地分析探测到的信号，并且把它们转化成图像。曼斯菲尔德还提出了极快速的梯度变化可以获得瞬间即逝的图像，即-{zh-hans:平面回波扫描成像; zh-hant:面回讯成像;}-（echo-planar imaging, EPI）技术，成为20世纪90年代开始蓬勃兴起的功能磁共振成像研究的主要手段。
值得一提的是，2003年诺贝尔物理学奖获得者们在超导体和超流体理论上做出的开创性贡献，也为开发核磁共振扫描仪提供了提供了重要的理论支持。例如，医学用的核磁共振成像仪器就使用了超导材料。
此外，在2003年10月10日的《纽约时报》和《华盛顿邮报》上，同时出现了佛纳（Fonar）公司的一则整版广告：“，应当与彼得·曼斯菲尔德和保罗·劳特布尔分享2003年诺贝尔生理学或医学奖。没有他，就没有核磁共振成像技术。”指责诺贝尔奖委员会“篡改历史”而引起广泛争议。事实上，对MRI的发明权归属问题已争论了许多年，而且争得颇为激烈。在学界看来，由于几个相关人物的长期宣传，达马蒂安更多地被描绘成是一个生意人，而不是科学家。不过，有关的答案可能要相当长的一段时间以后才能有定论。
禁忌.
孕妇、心脏装有节律器者、身体任何部位装置有对磁力有感应的金属者，需要与医生进行评估，像是部份心脏节率器可以经过调整之后接受检查。
美国食品与药物管理局（FDA）于2006年6月发出警讯，中末期肾脏疾病及慢性肾衰竭患者使用含钆MRI显影剂可能造成肾因性全身皮肤硬化症/肾因性纤维化皮肤病变（Nephrogenic Systemic Fibrosis/Nephrogenic Fibrosing Dermopathy，NSF/NFD）。