核磁共振成像技术

**磁共振造影**（Magnetic resonance imaging，縮寫：MRI）是利用核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）原理，依據所釋放的能量在物質內部不同結構環境中不同的衰減，通過外加梯度磁場檢測所發射出的電磁波，即可得知構成這一物體原子核的位置和種類，據此可以繪製成物體內部的結構圖像。

將這種技術用於人體內部結構的成像，就產生出一種革命性的醫學診斷工具。快速變化的梯度磁場的應用，大大加快了核磁共振造影的速度，使該技術在臨床診斷、科學研究的應用成為現實，極大地推動了醫學、神經生理學和認知神經科學的迅速發展。

從核磁共振現象發現到 MRI 技術成熟這幾十年期間，有關核磁共振的研究曾在三個領域（物理學、化學、生理學或醫學）內獲得了 6 次諾貝爾獎，足以說明此領域及其衍生技術的重要性。

## 物理原理

### 原理概述

核磁共振造影是隨著電子計算機、電子學、電路學、超導體等技術的發展而迅速發展起來的一種生物磁學核自旋成像技術。醫生考慮到患者對「核」的恐懼心理，故常將這門技術稱為「磁共振造影」。

核磁共振成像的「核」指的是氫原子核，因為人體大約 70% 是由水組成的，MRI 即依賴水中氫原子。

當把物體放置在磁場中，用適當的電磁波照射它，以改變氫原子的旋轉排列方向，使之共振，然後分析它釋放的電磁波，由於不同的組織會產生不同的電磁波訊號，經電腦處理，就可以得知構成這一物體的原子核的位置和種類，據此可以繪製成物體內部的精確立體圖像。

原子核在進動中，吸收與原子核進動頻率相同的射頻脈衝，即外加交變磁場的頻率等於拉莫頻率，原子核就發生共振吸收，去掉射頻脈衝之後，原子核磁矩又把所吸收的能量中的一部分以電磁波的形式發射出來，稱為共振發射。共振吸收和共振發射的過程叫做「核磁共振」。

### 數學運算

原子核帶正電荷並有自旋這一屬性，其自旋產生磁矩，稱為核磁矩。研究表明，核磁矩 $\mu $ 與原子核的自旋角動量 _S_ 成正比，即

　
: $\mu =\gamma S\qquad (1)$

式中 _γ_ 為比例係數，稱為原子核的旋磁比。在外磁場中，原子核自旋角動量的空間取向是量子化的，它在外磁場方向上的投影值可表示為

　
: $I_{z}=m\hbar \qquad (2)$

m 為核自旋量子數。依據核磁矩與自旋角動量的關係，核磁矩在外磁場中的取向也是量子化的，它在磁場方向上的投影值為

　
: $\mu _{z}=m\gamma \hbar \qquad (3)$

對於不同的核，m 分別取整數或半整數。在外磁場中，具有磁矩的原子核具有相應的能量，其數值可表示為

　
: $E=-\mathbf {\mu } \cdot \mathbf {B} =-\mu _{z}B=-m\gamma \hbar B\qquad (4)$

式中 B 為磁感應強度。可見，原子核在外磁場中的能量也是量子化的。由於磁矩和磁場的交互作用，自旋能量分裂成一系列分立的能階，相鄰的兩個能階之差 $\Delta E=\gamma \hbar B$ 。用頻率適當的電磁輻射照射原子核，如果電磁輻射光子能量 $h\nu $ 恰好為兩相鄰核能階之差 $\Delta E$ ，則原子核就會吸收這個光子，發生核磁共振的頻率條件是：

　
: $h\nu =\gamma \hbar B=\gamma hB/2\pi ,{\mbox{ or }}\omega =2\pi \nu =\gamma B\qquad (5)$

式中 $\nu $ 為頻率， $\omega $ 為角頻率。對於確定的核，旋磁比 $\gamma $ 可被精確地測定。可見，通過測定核磁共振時輻射場的頻率 $\nu $ ，就能確定磁感應強度；反之，若已知磁感應強度，即可確定核的共振頻率。

## 系統組成

### NMR 實驗裝置

採用調節頻率的方法來達到核磁共振。由線圈向樣品發無線電磁波，調變振盪器的作用是使射頻電磁波的頻率在樣品共振頻率附近連續變化。當頻率正好與核磁共振頻率吻合時，射頻振盪器的輸出就會出現一個吸收峰，這可以在示波器上顯示出來，同時由頻率計即刻讀出這時的共振頻率值。核磁共振譜儀是專門用於觀測核磁共振的儀器，主要由磁鐵、探頭和譜儀三大部分組成。磁鐵的功用是產生一個恆定的磁場；探頭置於磁極之間，用於探測核磁共振信號；譜儀是將共振信號放大處理並顯示和記錄下來。

### MRI 系統的組成

MRI 是一台巨大的圓筒狀機器，能在受檢者的周圍製造一個強烈磁場區的環境，藉由無線電波的脈衝撞擊身體細胞中的氫原子核，改變身體內氫原子的排列，當氫原子再次進入適當的位置排列時，會發出無線電訊號，此訊號藉由電腦的接收並加以分析及轉換處理，可將身體構造及器官中的氫原子活動，轉換成 2D 影像，因 MRI 運用了生化、物理特性來區分組織，獲得的影像會比電腦斷層更加詳細。

#### 磁鐵系統

1. 靜磁場：又稱**主磁場**。當前臨床所用超導磁鐵，磁場強度有 0.2T 到 7.0T（特斯拉），常見的為 1.5T 和 3.0T；動物實驗用的小型 MRI 則有 4.7T、7.0T 與 9.4T 等多種主磁場強度。另有勻磁線圈（shim coil）協助達到磁場的高均勻度。
2. 梯度場（gradient coils）：用來產生並控制磁場中的梯度，以實現 NMR 信號的空間編碼。這個系統有三組線圈，產生 x、y、z 三個方向的梯度場，線圈組的磁場疊加起來，可得到任意方向的梯度場。

#### 射頻系統

1. 射頻（RF）發生器：產生短而強的射頻場，以脈衝方式加到樣品上，使樣品中的氫核產生 NMR 現象。
2. 射頻（RF）接收器：接收 NMR 信號，放大後進入圖像處理系統。

#### 計算機圖像重建系統

由射頻接收器送來的信號經 A/D 轉換器，把模擬信號轉換成數位訊號，根據與觀察層面各體素的對應關係，經計算機處理，得出層面圖像數據，再經 D/A 轉換器，加到圖像顯示器上，按 NMR 的大小，用不同的灰度等級顯示出欲觀察層面的圖像。

### MRI 的基本方法

1. 選擇梯度場 Gz
2. 相位編碼和頻率編碼
3. 圖像重建

## 技術應用

### MRI 在醫學上的應用

#### 檢查目的

* 偵測及診斷心臟疾病、腦血管意外及血管疾病
* 胸腔及腹腔的器官疾病的偵測與診斷
* 診斷及評價、追蹤腫瘤的情況及功能上的障礙

MRI 被廣泛運用在運動相關傷害的診斷上，對近骨骼和骨骼周圍的軟組織，包括韌帶與肌肉，可呈現清晰影像，因此在脊椎及關節問題上，是極具敏感的檢查。

因 MRI 沒有輻射暴露的危險，因此經常被使用在生殖系統、乳房、骨盆及膀胱病的偵測及診斷上。

#### 原理概述

氫核是人體成像的首選核種：人體各種組織含有大量的水和碳氫化合物，所以氫核的核磁共振靈活度高、信號強，這是人們首選氫核作為人體成像元素的原因。NMR 信號強度與樣品中氫核密度有關，人體中各種組織間含水比例不同，即含氫核數的多少不同，則 NMR 信號強度有差異，利用這種差異作為特徵量，把各種組織分開，這就是氫核密度的核磁共振圖像。人體不同組織之間、正常組織與該組織中的病變組織之間氫核密度、弛豫時間 T1、T2 三個參數的差異，是 MRI 用於臨床診斷最主要的物理基礎。

當施加一射頻脈衝信號時，氫核能態發生變化，射頻過後，氫核返回初始能態，共振產生的電磁波便發射出來。原子核振動的微小差別可以被精確地檢測到，經過進一步的計算機處理，即可能獲得反應組織化學結構組成的三維圖像，從中我們可以獲得包括組織中水分差異以及水分子運動的資訊。這樣，病理變化就能被記錄下來。

人體 2/3 的重量為水分，如此高的比例正是磁共振造影技術能被廣泛應用於醫學診斷的基礎。人體內器官和組織中的水分並不相同，很多疾病的病理過程會導致水碎形態的變化，即可由磁共振圖像反應出來。

MRI 所獲得的圖像非常清晰精細，大大提高了醫生的診斷效率，避免了剖胸或剖腹探查診斷的手術。由於 MRI 不使用對人體有害的 X 射線和易引起過敏反應的造影劑，因此對人體沒有損害。MRI 可對人體各部位多角度、多平面成像，其分辨力高，能更客觀更具體地顯示人體內的解剖組織及相鄰關係，對病灶能更好地進行定位定性。對全身各系統疾病的診斷，尤其是早期腫瘤的診斷有很大的價值。

#### 磁共振造影的優點

與 1901 年獲得諾貝爾物理學獎的普通 X 射線或 1979 年獲得諾貝爾醫學獎的電腦斷層影像（computerized tomography, CT）相比，磁共振造影的最大優點是它是目前少有的對人體沒有任何傷害的安全、快速、準確的臨床診斷方法。如今全球每年至少有 6000 萬病例利用核磁共振造影技術進行檢查。具體說來有以下幾點：

1. 對軟組織有極好的分辨力。對膀胱、直腸、子宮、陰道、骨、關節、肌肉等部位的檢查比 CT 優勝；
2. 各種參數都可以用來成像，多個成像參數能提供豐富的診斷資訊，這使得醫療診斷和對人體內代謝和功能的研究方便、有效。例如肝炎和肝硬化的 T1 值變大，而肝癌的 T1 值更大，作 T1 加權圖像，可區別肝部良性腫瘤與惡性腫瘤；
3. 通過調節磁場可自由選擇所需剖面。能得到其它成像技術所不能接近或難以接近部位的圖像。對於椎間盤和脊髓，可作矢狀面、冠狀面、橫斷面成像，可以看到神經根、脊髓和神經節等。不像 CT 只能獲取與人體長軸垂直的橫斷面；
4. 對人體沒有游離輻射損傷；
5. 原則上所有自旋不為零的核元素都可以用以成像，例如氫（1H）、碳（13C）、氮（14N 和 15N）、磷（31P）等。

#### MRI 的缺點及可能存在的危害

雖然 MRI 對患者沒有致命性的損傷，但還是給患者帶來了一些不適感。在 MRI 診斷前應當採取必要的措施，把這種負面影響降到最低限度。其缺點主要有：

1. 和 CT 一樣，MRI 也是解剖性影像診斷，很多病變單憑核磁共振檢查仍難以確診，不像內視鏡可同時獲得影像和病理兩方面的診斷；
2. 對肺部的檢查不優於 X 射線或 CT 檢查，對肝臟、胰腺、腎上腺、前列腺的檢查不比 CT 優越，但費用要高昂得多；
3. 對胃腸道的病變不如內視鏡檢查；
4. 掃描時間長，空間分辨力不夠理想；
5. 由於強磁場的原因，MRI 對諸如體內有磁金屬或心律調節器的特殊病人不能適用。

MRI 系統可能對人體造成傷害的因素主要包括以下方面：

1. 強靜磁場：在有鐵磁性物質存在的情況下，不論是埋植在患者體內還是在磁場範圍內，都可能是危險因素；
2. 隨時間變化的梯度場：可在受試者體內誘導產生電場而興奮神經或肌肉。外周神經興奮是梯度場安全的上限指標。在足夠強度下，可以產生外周神經興奮（如刺痛或叩擊感），甚至引起心臟興奮或心室振顫；
3. 射頻場（RF）的致熱效應：在 MRI 聚焦或測量過程中所用到的大角度射頻場發射，其電磁能量在患者組織內轉化成熱能，使組織溫度升高。RF 的致熱效應需要進一步探討，臨床掃描器對於射頻能量有所謂「特定吸收率」（specific absorption rate, SAR）的限制；
4. 噪音：MRI 運行過程中產生的各種噪音，可能使某些患者的聽力受到損傷；

### MRI 在化學領域的應用

MRI 在化學領域的應用沒有醫學領域那麼廣泛，主要是因為技術上的難題及成像材料上的困難，目前主要應用於以下幾個方面：

1. 在高分子化學領域，如碳纖維增強環氧樹脂的研究、固態反應的空間有向性研究、聚合物中溶劑擴散的研究、聚合物硫化及彈性體的均勻性研究等；
2. 在金屬陶瓷中，通過對多孔結構的研究來檢測陶瓷製品中存在的沙眼；
3. 在火箭燃料中，用於探測固體燃料中的缺陷以及填充物、增塑劑和推進劑的分布情況；
4. 在石油化學方面，主要側重於研究流體在岩石中的分布狀態和流通性以及對油藏描述與強化採油機理的研究。

### 磁共振造影的其他進展

核磁共振分析技術是通過核磁共振譜線特徵參數（如譜線寬度、譜線輪廓形狀、譜線面積、譜線位置等）的測定來分析物質的分子結構與性質。它可以不破壞被測樣品的內部結構，是一種完全無損的檢測方法。同時，它具有非常高的分辨本領和精確度，而且可以用於測量的核也比較多，所有這些都優於其它測量方法。因此，核磁共振技術在物理、化學、醫療、石油化工、考古等方面獲得了廣泛的應用。

* 磁共振顯微術（MR microscopy, MRM/μMRI）是 MRI 技術中稍微晚一些發展起來的技術，MRM 最高空間解析度是 4μm，已經可以接近一般光學顯微鏡像的水平。MRM 已經非常普遍地用作疾病和藥物的動物模型研究。
* 活體磁共振頻譜（in vivo MR spectroscopy, MRS）能夠測定動物或人體某一指定部位的 NMR 譜，進而直接辨認和分析其中的化學成分。

### CT 和 MRI 的差異

CT 利用 X 光輻射來進行掃描診斷，而 MRI 不使用輻射進行掃描是使用磁場進行掃描。MRI 掃描是沒有輻射，但是需要使用射頻（RF）與 CT 掃描相比就有了較大的噪音，大部份 MRI 掃描會提供耳機或者耳塞。

## 諾貝爾獲獎者的貢獻

2003 年 10 月 6 日，瑞典卡羅林斯卡醫學院宣布，2003 年諾貝爾生理學或醫學獎授予美國化學家保羅・勞特伯和英國物理學家彼得・曼斯菲爾德，以表彰他們在醫學診斷和研究領域內所使用的核磁共振造影技術領域的突破性成就。

勞特伯在紐約州立大學石溪分校化學系當副教授時看到因為儀器老舊，研究生與博士後研究員實驗皆做不出理想結果，於是苦思解決之道。勞特伯的貢獻是，在主磁場內附加一個不均勻的磁場，把梯度引入磁場中，進而創造了一種可視的用其他技術手段卻看不到的物質內部結構的二維結構圖像。他描述了怎樣把梯度磁體添加到主磁體中，然後能看到沉浸在重水中的裝有普通水的試管的交叉截面。除此之外沒有其他圖像技術可以在普通水和重水之間區分圖像。通過引進梯度磁場，可以逐點改變核磁共振電磁波頻率，通過對發射出的電磁波的分析，可以確定其信號來源。

曼斯菲爾德進一步發展了有關在穩定磁場中使用附加的梯度磁場理論，推動了其實際應用。他發現磁共振信號的數學分析方法，為該方法從理論走向應用奠定了基礎。這使得 10 年後磁共振造影成為臨床診斷的一種現實可行的方法。他利用磁場中的梯度更為精確地顯示共振中的差異。他證明，如何有效而迅速地分析探測到的信號，並且把它們轉化成圖像。曼斯菲爾德還提出了極快速的梯度變化可以獲得瞬間即逝的圖像，即面迴訊成像（echo-planar imaging, EPI）技術，成為 20 世紀 90 年代開始蓬勃興起的功能磁共振造影研究的主要手段。

值得一提的是，2003 年諾貝爾物理學獎獲得者們在超導體和超流體理論上做出的開創性貢獻，為獲得 2003 年度諾貝爾生理學或醫學獎的兩位科學家開發核磁共振掃描儀提供了理論基礎，為核磁共振造影技術鋪平了道路。由於他們的理論工作，核磁共振造影技術才取得了突破，使人體內部器官高清晰度的圖像成為可能。

此外，在 2003 年 10 月 10 日的《紐約時報》和《華盛頓郵報》上，同時出現了佛納（Fonar）公司的一則整版廣告：「雷蒙德・達馬蒂安，應當與彼得・曼斯菲爾德和保羅・勞特布爾分享 2003 年諾貝爾生理學或醫學獎。沒有他，就沒有核磁共振造影技術。」指責諾貝爾獎委員會「篡改歷史」而引起廣泛爭議。事實上，對 MRI 的發明權歸屬問題已爭論了許多年，而且爭得頗為激烈。在學界看來，由於幾個相關人物的長期宣傳，達馬蒂安更多地被描繪成是一個生意人，而不是科學家。不過，有關的答案可能要相當長的一段時間以後才能有定論。

## 禁忌

孕婦、心臟裝有節律器者、身體任何部位裝置有對磁力有感應的金屬者，需要與醫生進行評估，像是部份心臟節率器可以經過調整之後接受檢查。

美國食品與藥物管理局（FDA）於 2006 年 6 月發出警訊，中末期腎臟疾病及慢性腎衰竭患者使用含釓 MRI 顯影劑可能造成腎因性全身皮膚硬化症 / 腎因性纖維化皮膚病變（Nephrogenic Systemic Fibrosis/Nephrogenic Fibrosing Dermopathy，NSF/NFD）。

## 備註

## 相關條目

* 核磁共振
* 擴散磁振造影
* 核磁共振中的弛緩現象
* 射頻
* 射頻線圈
* 梯度磁場
* k 空間

### 磁化準備

* 反轉回復（inversion recovery）
* 飽和回覆（saturation recovery）
* 驅返平衡（driven equilibrium）

### 取像方法

* 自旋迴訊（spin echo）
* 梯度迴訊（gradient echo）
* 平行影像（parallel imaging）
* 面迴訊造影（echo-planar imaging, EPI）
* 穩定態自由旋進造影（steady-state free precession imaging, SSFP）

### 醫學生理性應用

* 磁振血管攝影（MR angiography）
* 磁振膽胰攝影（MR cholangiopancreatogram, MRCP）
* 擴散權重影像（diffusion-weighted image）
* 擴散張量影像（diffusion tensor image）
* 灌流權重影像（perfusion-weighted image）
* 功能性磁振造影（functional MRI, fMRI）
* 磁敏感加權成像（sensetivity weighted image）
* 磁共振波譜成像（MR Spectroscopy Imaging）

## 參考文獻

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10. 蔣子江〈核磁共振造影 NMRI 在化學領域中的應用〉《化學世界》，1995,（11）:563-565
11. 樊慶福〈核磁共振造影與諾貝爾獎〉《上海生物醫學工程》，2003,（04）：封三

## 參見

* 計算機圖形學
* 可視化
  * 資訊可視化
  * 科學可視化

## 引用