核磁共振的原理
核磁共振，全称“核磁共振成像（MRI）”。是一种医学影像诊断技术，亦称“核磁共振成像术”。利用人体组织中某种原子核的核磁共振现象，将所得射频信号经过电子计算机处理，重建出人体某一层面的图像，并据此作出诊断。
1924年W.泡利为了解释原子光谱的某些结构，提出原子核具有角动量（即自旋）的假说。1946年F.布洛赫和E.M.珀塞尔分别发现，在静磁场中某些原子核可吸收一定频率的射频电磁波能量，并产生共振，这一现象称为核磁共振(NMR)。此后，核磁共振波谱学一直广泛应用于物理、化学、生物学，甚至地质学，成为研究物质结构、化学分析的有力工具。1967年杰克逊首次在活体中得到 NMR信号。1971年R.达马地安观察到肿瘤组织弛豫时间延长，提出NMR可能成为诊断肿瘤的工具。60年代末电子计算机断层成像技术(CT)发明后，立即有人研究 NMR成像。1972年P.C.劳特伯用梯度磁场法得到一个水模型的质子NMR二维图像，这成为世界上第一个核磁共振图像。此后，相继得到植物、动物和人体的图像，技术日趋成熟，80年代初始用于临床。1983年美国放射协会建议使用“磁共振成像”命名这项技术。
核磁共振（MRI）是后继CT后医学影像学的又一重大进步。自80年代应用以来，它以极快的速度得到发展。
NMR原理 原子核由质子和中子组成，它们均以自身为轴作高速旋转，这称为自旋。质子带正电荷，自旋时产生磁场，也称磁矩。中子虽为电荷中性，但由于表面电荷分布不均匀，自旋时也产生磁矩。原子核中质子或中子的磁矩互相叠加，表现为原子核的总磁矩，也称净自旋。质子数或中子数均为偶数时，磁矩互相抵消。因此只要质子数和中子数并非同时是偶数，原子核就有磁矩或净自旋。人体组织中这类原子核有1H、13C、23Na、31P等，其中1H的含量多，NMR灵敏度高，信号强，目前用来成像的主要是1H。氢原子核中只含一个质子，下面即以质子为例解释NMR现象。
质子的磁化 一般情况下，由于热运动，质子指向任意方向，磁矩互相抵消，宏观磁矩M=0。如果将质子置于静磁场中，质子将按一定方向排列，显示磁矩，情况与将磁棒置于磁场中相似。这称为磁化。磁矩为一矢量，称磁化矢量，是无数质子共同作用的效果。达到平衡状态时M＝M0，方向与静磁场方向Z轴一致。M可分解为与Z轴平行的分量MZ（纵向磁矩），和与Z轴垂直的分量MXY（横向磁矩）。平衡状态时，MZ＝M0，MXY＝0。
M的激发与拉莫尔频率 磁矩M受一定外力，即偏离Z轴，与Z轴成一个角度θ，这称为激发。此外力是一个与主磁场方向垂直的旋转磁场，可借一个频率一定的射频脉冲来实现。 θ的大小由脉冲强度和宽度决定。能使M偏转 90°或 180°的脉冲即分别称为90°或180°脉冲。M经过90°脉冲激发，则M位于 XY平面上，此时MZ＝0;经过180°脉冲激发，M与磁场方面相反，此时MZ＝-M0，MXY＝0。
能使M激发的脉冲，其频率必须符合下列公式（即拉莫尔公式）：v=γB
其中v 称为拉莫尔频率，B0为主磁场强度，γ为旋磁比。每种原子核均有特定的 γ，如氢原子核（质子）的 γ为42.58MHz/T，当磁场强度为1T时，v=42.58MHz 。
M的进动和核磁共振现象 M受激发，一旦偏离Z轴，除了以自身为轴自旋外，还以拉莫尔频率象陀螺一样绕Z轴转动，这称为进动。激发脉冲停止后，M继续进动，并不立即回到平衡状态。M进动时，横向磁矩MXY切割静磁场磁力线，产生频率为v的电磁波。综上所述，用射频脉冲激发一个处于静磁场中的核系统，核系统能将所吸收的能量同样以射频电磁波形式释放，这就是核磁共振现象。
M的弛豫 激励脉冲停止后，核系统将所吸收的能量释放出来，M逐渐回到平衡状态的过程称恢复或弛豫。这一过程分别由M的两个分量MZ和MXY的弛豫来表述。
① 纵向弛豫时间T1。M被90。脉冲激发后，MZ的弛豫符合下列公式：
式中t表示脉冲停止后经过的时间，T1是一个时间常数。当t＝T1时，＝0.63M0。因此，T1可以定义为：构成某物质的某种原子核，经过90°脉冲激发后，纵向磁矩恢复到平衡状态磁矩的63％时，所需时间为该物质的T1，也称纵向弛豫时间。同一种原子核在不同的物质中有不同的T1，这是因为T1反映自旋原子核和周围环境的能量转移过程。构成物质的原子统称为晶格，故T1亦称自旋－晶格弛豫时间。以质子为例，T1在固体中最长，可达数分钟甚至数小时，纯水为3秒，含有蛋白质的生物体液则较短，脂肪最短。T1也受静磁场强度影响，场强较高时，T1亦较长。
② 横向弛豫时间T2。MXY的弛豫用下列公式表示：
式中 T2是另一个时间常数。当 t=T2时，MXY=M0e-1=0.37M0。因此，T2可以定义为：构成某物质的某种原子核，经过90°脉冲激发后，横向磁矩减小到最大值的37％时，所需时间为该物质的T2，也称横向弛豫时间。T2反映自旋原子核之间的能量转移过程，亦称自旋－自旋弛豫时间。以质子为例，纯水T2最长，含蛋白质的水较短，脂肪界于两者之间，固体T2最短。
NMR信号的产生和获取 在静磁场内核系统的适当位置上放置一个线圈，作为激发脉冲的发射线圈，一般还用此线圈兼作 NMR信号的接收线圈。激发脉冲停止后，立即在线圈中感应出一个强度逐渐衰减的NMR信号，称为自由感应衰减信号(FID)。FID的起始强度受自旋原子核密度的影响，也就是说参加共振的原子核越多，信号越强。如果按照一定间隔连续施加90°脉冲，第二次以后的FID起始强度还决定于MZ的恢复程度，MZ恢复越多，信号越强；MZ的恢复程度决定于T1，因此T1越短，MZ越容易恢复，信号越强。FID的衰减决定于T壗，T壗越长，衰减越慢。FID的包络曲线即以T2为常数的指数曲线。FID衰减趋于零后，这时再施加一个180。脉冲，经过一段时间，可获得一个从弱而强再变弱的射频信号，称为回波。若重复施加180°脉冲，每次均可获得一个回波，只是回波的峰值逐渐减小。连接回波峰值的包络曲线即以T2为常数的指数曲线。T2越长，回波峰值减小越慢。
为了获取NMR信号，进行各种分析或常数的测定，按照设定的程序对核系统施加激发脉冲，并取得FID或回波，这样的程序称为脉冲序列。常用的脉冲序列有：
① 部分恢复序列（PR序列）。按照一定间隔，连续施加90°脉冲，并收集FID。脉冲间隔称重复时间(TR)，信号强度受质子密度和T1影响，与T2无关。
② 反转恢复序列(IR序列)。先施加一个 180°脉冲，使MZ＝－M0，MXY＝0，隔一定时间(称为反转时间TR)再施加一个90°脉冲，然后收集FID。两组脉冲的间隔仍为TR。信号强度仍决定于质子密度和T1，与T2无关。
③ 自旋回波序列（SE序列）。先施加一个90°脉冲，隔一定时间再施加一个180°脉冲，再隔一定时间收集出现的回波。90°脉冲开始到回波峰值这段时间称回波时间(TE)。回波信号强度除受质子密度影响外，还受T1和T2的双重影响，但影响程度随TR和TE的改变而改变。TR越短、TE越短，受T1影响大；反之，则受T2影响大。
由于FID的收集比较困难，在PR和IR序列实际应用时，常常是在90°脉冲后再加一个180°脉冲，然后收集其回波。这样的PR序列同短TE的SE序列是一样的。
磁共振成像技术 磁共振图像的每幅图像都由多个相同大小的最小单元（像素）组成。每个像素相当于人体相对应部位一定体积的组织，称体素。
成像的条件 形成人体某种图像，首先要测定每个体素相应的物理或化学常数，此常数要能反映出人体生理或病理变化；其次要确定每个数值所对应体素的空间位置，即要有定位信息。
梯度磁场 MRI的空间信息来自梯度磁场。梯度磁场是磁场强度在某一方向上呈线性改变的磁场。将电流通入两个相反设置的线圈，可产生两个极性相反的磁场，如果将这组线圈放在静磁场内，三个磁场相叠加，即形成一个梯度磁场。如果在 X、Y、Z三个互相垂直的方向上各放置一组梯度线圈，形成三个互相垂直的梯度磁场，分别调节各组线圈的电流，即可按照要求调节空间各点的磁场强度。由于共振频率与质子所处位置的磁场强度成正比，这时收集的MR信号即带有定位信息。
成像方法 收集磁共振信号，经过电子计算机处理，即可重建出图像。磁共振成像的方法有多种，在分辨率、成像时间、信号噪声比等方面各有不同。从数据收集方面区分有点、线、平面、容积成像法等，从数据处理方面区分有投影重建法、傅里叶变换法等。
磁共振成像装置 由 5个部分组成。①磁体。由主磁体、梯度线圈、射频线圈等三部分组成。主磁体用以产生静磁场。磁场强度单位为T（特斯拉）或G（高斯）。1T=10000G。根据场强区分，MRI装置分为高场（≥1T）、中场(≥0.5T)、低场(≥0.1T)和超低场(<0.1T)。MRI发展早期多追求高场，认为可以兼作波谱分析，同时场强增加可提高信噪比，改善图像质量。但从对人体的安全性考虑，场强不宜超过2T。适宜成像的场强对波谱分析来说还不够高，实践证明很难两者兼顾。此外，高场对图像质量改善有限，而带来很多缺点，如成本高、成像时间延长、人体射频吸收增加等问题，反而得不偿失。因此综合考虑以中场较为理想。根据磁场产生方式区分，有常规电磁体、永磁体和超导电磁体三种。常规电磁体主磁场线圈使用普通铜导线，成本较低，但只能达到低场强，且耗电高，磁场均匀性、稳定性都较差，不可能得到高质量图像。永磁体系由磁性材料制成，不耗电，维持费用也较低，各种性能均高于常规电磁体，但成本仍较高，且场强度低、重量大、调整困难、热稳定性差。超导电磁体线圈用超导材料制成，浸在液氦内，除成本较高外，其他性能都是最好的，根据需要，高、中、低场都能做到。如果设置液氦回收装置，维持费用也较低，是比较理想的机型。梯度线圈置于主磁场线圈之内，共三组，用以产生三个互相垂直的梯度磁场，并要求有高线性度。每组线圈由独立电源供电，通断时间小于1毫秒。射频线圈置于梯度线圈内，用以发射激发脉冲，一般还兼作MR信号的接收线圈。②脉冲发生和信号收集系统。可分为三部分，梯度场驱动器用以产生梯度场电压，供给梯度线圈，并有控制器。能精确、迅速通断。射频发生器用以产生激发脉冲、并按一定脉冲序列发送给射频线圈。射频接收器，接收MR信号并放大。③数据处理系统。由一至数台电子计算机组成，进行信息运算、处理、调度和系统的控制。④操作和图像显示装置。进行机器操作控制及图像的显示、分析、处理及记录。⑤电源系统。产生各种电压，供给各个部件。
应用 MR图像的亮度和反差受多个参数影响。这些参数分为两大类。一类是可以人为设定的扫描参数，为TR、TE等。另一类是反映人体组织性质的参数，如质子密度、T1、T2、流动效应和化学位移。质子密度反映人体解剖结构，T1、T2和化学位移主要反映人体生物化学情况，流动效应可显示血流情况和血管内病变，用以测定血流方向及速度。实际应用时利用扫描参数的改变加强组织某一参数对图像的影响。例如短TR序列图像，除反映一定程度质子密度外，也反映体素的T1分布，称为T1加权像；长TR长TE的SE序列图像，反映体素的T2分布，称为T2加权像。
扫描时三个梯度磁场的值可任意设定，因此不用移动病人即可对病变处作空间定位，取得任意层面的图像，对显示病变非常有利。
MR对人体无电离辐射损害，但静磁场、梯度磁场和射频电磁场有可能对人体产生影响，静磁场对人体的影响尚不十分清楚，至少在2T以下尚未观察到对人体的明显不利影响。梯度磁场的迅速通断，对视网膜可引起闪光感觉，对心、脑也可能有潜在危害，规定的人体耐受限度是20T/秒，但实际应用时远未达到此数值。射频脉冲产生的电磁场可在人体组织中产生热，产热与频率平方成正比，规定的限度是0.4瓦/千克体重。因此一般情况下MR对人体基本无害，但体内若有金属假体或手术金属夹，MR能使其产热或发生移位。此外，MR也能干扰起搏器的正常工作。这些都是MRI的禁忌症。
临床 MRI是以人体内氢核的弛豫时间加权密度像作为诊断依据，其他原子构成的组织（如骨）无直接显示，要通过周围或间隔中的软组织间接显示，对被水包围的病变组织显示也不太清楚；又由于重复时间TR长，致使成像时间很长，运动组织的成像往往较困难。正是这种特点，使得MRI不能代替CT或其他影像诊断，各种方法各有所长。MRI在临床上主要用于以下部位。
① 头部。 MRI可清晰分辨脑灰质和白质、对多发性硬化等一类脱髓鞘病优于CT。对脑外伤、脑出血、脑梗塞、脑肿瘤等同CT类似，但可显示CT为等密度的硬膜下血肿。脑梗塞或脑肿瘤的早期，CT还不能查出时，MRI有可能显示，而对钙化和脑膜瘤MRI显示不好。脑干及小脑病变的 MRI图像由于没有伪影是首选检查方法。
② 脊柱。MRI不需要造影剂即能清晰区分脊髓、硬膜囊和硬膜外脂肪。对肿瘤，脊髓空洞症，脱髓鞘病变等均有较高诊断价值。对外伤，虽然MRI显示骨折或脱位不如常规X射线或CT，但能观察脊髓损伤情况。MRI显示椎间盘也较好，可以分辨纤维环和髓核，特别是矢状面图像可以同时显示多个椎间盘突出（见图）。
③ 四肢。骨皮质为无信号区，骨髓腔在T1加权像上为高强信号。MRI对骨质本身病变显示不如常规X射线或CT。对软组织及肌肉病变包括肿瘤及炎症都能清晰显示，特别是早期急性骨髓炎，MRI是一种灵敏度很高的检查方法。此外，MRI也是检查膝关节半月板病变的首选方法。
④ 盆腔。对直肠及泌尿生殖系统MRI优于CT，因没有辐射损害，特别适用于孕妇及胎儿检查。
⑤ 胸部。对肺的检查不如常规X射线，对纵隔检查则优于CT，不用造影剂即可分辨纵隔血管和肿物，采用心电门控技术后不仅可显示心肌、心腔病变，还可计算出一些心脏血流指数，是很有价值的心血管检查技术。
⑥ 腹部。主要用于肝、胰、脾、肾等实质脏器，总的来说，不比CT更好。
特殊技术 包括以下几点：
① 对比剂使用顺磁性物质加入核系统中时，弛豫时间显著降低，故可作为MRI的对比剂，常用的是钆的化合物，如Gd-DTPA。用法与CT使用的碘对比剂类似，一般用于显示脑膜瘤、听神经瘤，以及区别脑瘤同周围水肿。
② 门控技术。为了减少心跳或呼吸运动造成的伪影，可以在每次心脏搏动周期或呼吸周期的同一时刻激发原子核，也就是由心动周期或呼吸周期决定脉冲重复时间，这称为门控。
③ 表面线圈。检查身体比较小的、表浅的部位时，可将接收线圈做成所检查部位的形状，直接贴在身体表面加强与信号之间的耦合，称为表面线圈，此线圈可增加信号接收的灵敏度，提高信噪比和图像的空间分辨率。
