『微课堂』磁共振成像基础物理学和简史

本期内容我们将了解专业医用磁共振成像系统的技术基础，包括基本物理核磁共振原理及相关术语，如T1和T2弛豫、T1WI和T2WI脉冲序列的频率和相位编码，还有发表具有人类生命科技里程碑意义的论文的Paul lauterbur博士、Rymond Damadian博士......下面的视频清晰的展示了磁共振成像技术如何进入我们的现实世界：

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*视频译文

磁共振成像（MRI）是基于核磁共振（NMR)的物理原理的，而这一概念最早是在19世纪30年代到40年代间提出的。NMR的基本原理涉及某些原子核、射频能量、和强磁场的相互作用。这个概念很难理解，我们将从一些基本的知识说起。

首先来看一些定义。射频能量是电磁波频谱的一部分，电磁波频谱又包括可见光和X射线。你可以看到，处于屏幕最左侧的是属于波谱的射频电磁波，中间的是可见光，右侧的是X射线。所有的这些都是由波长和波频决定的。波长是指电磁波的相邻的两个波峰之间的距离，而波频是指电磁波每秒能够完成几个周期。振幅是指波的高度或能量。当说到两个甚至更多的波谱时，我们可以用相位来描述。屏幕上的蓝色波和橙色波有相同的波频而且完全平行，所以这两条波是同相的。如果我们将橙色波向右移它的波频不会改变，但是此时这两条波异相或者说移位了。而另一方面，这两条波波频不同，但是起点相同，所以他们也是同相的。NMR、MRI、和RF信号的作用是由其特定的相位和波频决定的。

屏幕上的一个小点叫做一个Pixel(像素），是picture（图像）和element（元素）关联组成的词。MRI图像是由一系列的三维像素或体元组成的。图片上的每一个小方格对应人体组织的组织体积。MRI器械是用来测量由这些组织体积中的每一个单位发出的NMR信号，把他们置于3D空间下，并裁剪成256*256或者512*512 的矩阵图从而使图像清晰易见......

知道了这个，我们将首先以基本单位为例子来描述一下NMR的原理。我相信我们绝大多数人孩童时代都有过亲自试验电磁学的经历，即利用一个开关、一个普通电池、一个铁钉和一卷金属线，通过控制开关就可以吸附其一些小钢珠，那时你会觉得自己是一个伟大的科学家！我们在没有意识到的情况下，其实已经通过这样一个简单的线路展示了电磁学的基本原理。这个线路可以使电子形成电流，电流又产生磁场，而且磁场的方向和电流的方向是垂直的。电池推动电子绕着金属线前进，我们将金属线环绕成螺旋状，这些小的电磁反应和铁钉一起形成磁场，从而可以以吸附起我们想要捡到的东西。通电螺线管形成的磁场的方向可以用右手螺旋定律来确定。将右手的手指朝着电流的方向弯曲，那么大拇指所指的方向就是磁场的方向。

了解了这些之后我们来看一下所有元素中最简单的元素：氢元素。氢原子是由一个处于原子核区域的质子和一个围绕它做环形运动的电子组成的。关于NMR的规则，我们对电子不做过多解释。我们只对原子核位置的质子有研究兴趣，而Nuclear 就代表了NMR这个首字母缩略词中的N。

原子核中心的质子并不是处于原子的中央静止不动的，实际上是绕着轴心转动的，与行星和恒星的自转相似。因为质子带正电，如果我们我们朝着质子转动的方向弯曲右手指，那么大拇指所指的方向就是人体内每个氢质子产生的微磁场的方向。不幸的是，为了观察其图像，我们体内有很多氢原子可供选择。一个成年人体内含有大约60%的水，而水分子是由两个氢原子和以 41 36429 41 14939 0 0 3447 0 0:00:10 0:00:04 0:00:06 3446个氧原子组成的。人体的储能物质，也就是脂肪和碳水化合物也是由大量的氢原子，在碳氧有机构架上有12个氢原子和葡萄糖醛基支撑，游离脂肪酸包含2-3个氢原子附着在线性或支开排列的构架上。

现在，当我们在地面上走动时，所有的这些小质子的磁场方向或者说自转方向都是杂乱无章的，彼此削弱对方的磁场，因此，通常情况下并不具有磁性。绝大多数的这些小磁场都和主磁场保持一致，也有较少的质子的磁场方向与主磁场的方向截然相反，然而没有质子处于这两者中间的状态的。决定磁场方向的因素在于每个原子或质子的能量。那些拥有少量额外能量的原子或质子将会和主磁场的方向截然相反，因此，被认为处于高能态。而那些与主磁场方向相同的原子或质子则被认为处于低能态。

这些质子们不仅仅是顺着或逆着主磁场的方向，其实它们像陀螺一样在做核自旋运动。回旋频率可以由拉莫尔频率来精确地确定，拉莫尔频率说明了质子回旋频率与其磁场轻度直接相关。

1Tesla(特斯拉)，一个氢质子的拉莫尔频率是42.58MHz/Tesla，2特斯拉，拉莫尔频率是85.16MHz，3Tesla，拉莫尔频率是127.74MHz, 或者基本是42.58MHz/Tesla。这些知识对于理解稍后我们将要提到的MRI数据成像非常重要。

为了便于展示，我们将所有的质子都以3D图像的方式将其回归为最普通的状态。前面提到，绝大多数的质子都处于低态能的状态。即使是每个质子都在空间里自旋，如果你去除所有的干扰因素，那么最终的磁场与主磁场将会保持一致。如右面的简图所展示的那样，这叫做纵向磁化。由于其与大的外部的磁场方向一致，质子的磁场不能直接被测量或探测，所以是推测出来的。但是我们可以改变这一切。让我们来看一下当我们用能量干扰质子或者干扰其螺旋运动时会发生什么。假设质子处于同性质的磁场下，使质子获取能量使其回旋频率达到42.58MHz，如果我们将射频脉冲发射进42.58MHz的质子中来，会发生两件事。为了让我们更容易看到，我们将暂时停止质子的自旋运动。

首先，质子们会吸收干扰能量，有一些质子将会转变到高态能的状态。如果我们给予足够的能量，从而使大约一半数目的质子转换到高能状态，这样的话，一半质子处于高能态，一半质子处于低能态，你可以看到两个磁极相互抵消，磁性变为零。此外，你可以看到射频推动质子使其同步旋转，这就是NMR中所说的R（resonance），即共振。如果我们把所有的这些磁矩加起来，你可以看到我们现在在水平方向形成了一支净磁力，其方向与纵向磁场呈90 度角，这叫做横向磁化，而且这个磁场可以用金属线圈来探测。

就像电可以生磁一样，磁也可以产生电。如果我们有一个连接在安培表上的螺线管，我们把一块磁铁放进螺线管内，我们将会在金属线上产生电流。当我们把磁铁拿出来时，电流的方向将于原来相反。当我们转动磁铁时，就产生了交流电流，可以从表盘的指示针看出。类似地，原来的金属线圈里的横向磁围绕着质子的自旋产生了微弱的但是可测量的电流。这个结果是我们在核磁共振里所要探寻的，但这还不是所有的故事。当我们去除射频信号后，质子们就会恢复到原本的状态。为了方便展示，我们再次暂且停止质子的核自旋运动。质子或核自旋发生的第一个变化是凡是带正电的质子会相互排斥并远离彼此。在这个分散的过程中渐渐失去磁性。这个过程又叫做T2弛豫或者自旋弛豫，因为这与质子的相互作用和核自旋有关。在这个自旋弛豫的过程中并没有发生能量转移。另一种能量弛豫发生在高能态质子回归到低能态质子的转换过程中，原来被质子吸收的能量以热的形式被释放都周围的组织中，这一过程实际上发生了能量转移。当这些质子回归到原来的状态后，我们再次发射射频脉冲，这个过程叫做T1弛豫或者说自旋点阵弛豫，因为它涉及了把核自旋的能量转移到周围的组织中去。

综上所述，利用充足的射频脉冲，把它调到与自旋质子的相同频率，这将使50%的质子转换到高态能状态，进而使质子相位同步或者说同步自旋。因此导致纵向磁场和水平磁场垂直。横向磁场与质子的发生共振从而产生可以被螺线管探测到的无线电信号。当去除干扰能量后，质子会彼此分散发生T2或者自旋弛豫的过程，破坏了横向磁场。然后，通过T1或自旋点阵弛豫的过程，质子回归到低能态，并将之前吸收的能量以热能的形式释放到周围得到组织中，同时恢复了原本的纵向磁场。

因为我们体内的这些质子处于不同的局部环境中，有一些是和游离的水分子结合的，而其他的一些质子则位置固定，并且和结构性的或者说储能的蛋白质分子和脂肪分子相结合。这些不同的质子在T1和T2弛豫的过程中也表现出不同的特征。我们可以着重指出并且将这些区别加以量化，通过改变输入射频能量的快捷程度或者说重复时间，重复时间用TR 来表示；还取决于我们选择聆听从横向磁场传回的信号的敏捷程度，或者说旋进质子的回波时间用TE 来表示。这个过程是指脉冲序列，我们将以脂肪和水为例来展示其区别。

和之前一样，为了简化以便于理解，要了解这个过程我们先从质子说起。左侧是与脂肪相关的一组旋进的质子，而右侧则是与水相关的质子。当我们输入共振射频脉冲时，所有的质子都吸收了能量，快速翻转到高能态，并且同步旋进，同时产生了垂直的横向磁场。如果我们等上一定的时间，会看到质子彼此分散，经历了T2或自旋弛豫的过程，而且横向磁场在此过程中将会衰退。游离脂肪酸质子的位置则相对固定，由于质子旋进运动相互排斥，导致磁场迅速衰退。在游离脂肪酸质子恢复原本序列状态的过程中经历了T1或自旋点阵弛豫的过程，在此过程中它们更迅速的释放之前所吸收的能量，以热能的形式储藏在周围的组织中，并恢复了纵向磁场。

此刻，当我们启动接听器后我们会听到来自水质子相对强大的横向磁场的强烈信号，而来自脂肪的较弱的或几乎不存在的横向则发出微弱的信号。按照惯例，水质子的强烈信号用白色显示，脂肪质子的弱信号用暗灰色或黑色显示。因此，为了突出我们体内质子T2弛豫过程的区别，我们需要较长时间地等待射频脉冲所指的重复时间，用TR表示，而且需要等待较长地时间来听取回波信号所指的较长回波时间，用TE表示，这些区别可以被测量和记录。利用基本状态的同一组织，来突显T1弛豫过程的区别，我们再次将垂直的共振射频脉冲输入，这会使质子转换到高能态，推动它们同相并产生横向磁场。T2弛豫过程发生在质子快速分散并游离在水中，然后质子回归到低能态，把之前吸收的能量以热能的形式散发到周围的组织中，纵向磁场得到强化。

因为水分子中的质子可以自由移动，所以这些质子趋向于较长时间的保持能量，质子保持高能态，纵向磁场几乎没有得到强化。而紧凑的脂肪质子迅速的释放能量并回归到低能态，因此纵向磁场迅速回归强化。如果此时我们迅速地输入另一个垂直的共振射频脉冲，那么已经完全回归到本位的脂肪质子将会产生强大的横向磁场。就在输入第二次脉冲后，如果紧接着得到回波信号的话，我们可以记录到强大的测定信号。然而，水质子仍然处于高能态并且纵向磁场几乎没有得到强化，因此，新的射频脉冲使更多的低能态质子回归到高能态，只能产生较小的横向磁场和与主磁场方向呈180度角或者说截然相反的纵向磁场。当我们听到回波信号时会发现，水质子的组态会产生了低振幅或者说低能量的波。换句话说，这些水质子的能量饱和，再也不能够产生更强的横向磁场了。因此，为了突显水质子和脂肪质子T1弛豫过程展现出的区别，我们需要迅速地输入共振射频脉冲或者用短的重复时间TR，并迅速地听取回波信号或者用短的回波时间TE。

这个概念比较难以理解，或许需要多听几遍才能懂。但是总结一下就是，T1弛豫或者T1效果的显现是通过将质子急速的地暴露在射频能量下，并且使质子旋进保持在高能态，并因此削弱纵向磁场的影响。那些快速恢复原本状态的组织将产生强烈的信号，而恢复的慢的将产生弱信号。与此相反，T2弛豫作用的显现是通过延长回波时间或者是允许质子彼此分散，突显了局部组织或者化学物质的T2弛豫过程的区别。所以，T2加权像是通过长TR和长TE序列获得的，用长TR削弱了T1的影响，用长TE增强了T2的影响。一个T1加权像，与此相反，是通过短TR和短TE获得的，增强了T1的影响，削弱了T2的影响。在这两者中间，是质子密度序列，这是通过长TR和短TE获取的，具有削弱T1和T2的作用，基本上可以让我们知道局部质子的数量或者密度。

第一位提出用NMR诊疗人类疾病的是Dr.Rymond Damadian, 他在1971年3月版的《科学》期刊上发表了一篇短文，题目为“利用核磁共振探测肿瘤”，他在这篇文章中表达的想法为人体肿瘤的NMR信号与正常组织的信号不同，因此肿瘤可以被探测到。他最初的构想并不是制作一幅解剖图，而是构建一个大的可以容下一个人体的探测器，来为整个身体做NMR检查，寻找具有肿瘤特征的T1和T2信号，这意味着你身体的某个部位发生恶化，这就像是检测恶化的快速扫描工具。然而Dr.Rymond Damadian的肿瘤探测器并没有成为现实，我们是利用MR光谱学及一个标准的MR影像来帮助我们发现身体的恶化病变过程。制作一张NMR影像，或者我们今天所说的MRI影像，我们必须能够将从样本或者组织发出的信号通过3D空间来构建。第一位提出这种技术的人是Dr.Paul Lauterbur。他在1973年3月19日在《自然》期刊上发表了题为《通过诱导局部相互作用来成像：核磁共振的应用范例》的短文。在这篇文章中他描述了这项技术，他利用磁辐射来辨认两支装满水的直径为1mm的试管的位置，这两只试管同时又放在一个装着重水的直径为4.2mm的较大的试管里。重水的化学式是D2O，因为重水中的氢原子是标准的轻氩元素排列的同位素，轻氢原子只有一个质子位于原子核，而重氢原子的原子核中包含一个质子和一个中子，这就限制了原子核的自旋运动，因此不能给出理想的NMR信号。

Lauterbur将这些仪器放进具有强磁场的NMR磁铁里，屏幕显示的那样，并从那些标准水中开发了一项可以辨别出NMR的实际信号源的技术。这是产生的图像，用现在的标准来衡量的话显得非常原始，但是它清晰的显示了两支装有标准水的试管的位置。Lauterbur把这项技术命名为Zeugmatography(和磁共振成像），这源于希腊语。

为了向你展示NMR图像是如何产生的，我们将把我们的视线从侧面移到顶部，并将每组用磁场绕轴心旋转的形式来简化表示。要记住拉莫尔旋进或者说共振频率是由局部磁场的强度来决定的。当我们第一次进入核磁共振仪时，一个超级导电磁体产生近乎均匀磁场，而且这个磁场从一端延展到另一端，这决定了核磁共振仪的磁场强度，常见的磁场强度是1 T,1.5 T与3T。在核磁共振仪里有三个梯度磁体可以用来在三维空间里确定具体位置，它们分别是Z轴，X轴和Y轴。从人体选一片特定组织，我们可以沿着Z轴打开通电磁体，这样就会产生从头到脚的次梯度。现在我们输入射频脉冲，并且控制脉冲频率使其能够在预定区域产生共振，就像之前描述的那样。我们现在已经选定了人体的一部分，由于局部磁梯度是同质的，所以这部分的所有的磁性运动都是同相的，同步自旋而且可以彼此加以区分。为了进一步用信号强度来定位这些磁性运动，我们还有两个梯度可以用来离析信号源。第一个梯度叫做相位编码梯度，要展示其效果，我们先来减缓净磁性运动的速度。

相位编码梯度方向通电后会沿Y轴产生一个梯度。在这种特定情况下，会导致在梯度底部的磁场运动速度减缓，而高处的磁场顶部的速度加快。这时迅速的切断Y轴梯度的通电，自旋磁场会回归到基本的频率，以同样的速率自旋，但是它们沿着Y轴已经经历了移相，我们可以利用这一点来定位Y轴的旋进。现在已经有了两个定位矩阵特定相位的系统了，现在用第三个梯度也就是X方向，来精确地定位选定的每一个信号的位置。这个梯度类似地导致右侧的自旋速度减慢，而转到左侧时则会加速。在记录信号时，这个频率编码梯度可以保持通电的状态。现在每一个信号都可以在三维空间里对其独特的相位和频率加以定位。为了确定每一个梯度的角色，整个过程被重复了几次。在这个例子中，Y方向具有相位编码梯度，X方向具有频率编码梯度，直到整个模型变得以完整构建。每个小方格或三维像素都被给予一种颜色，这与其信号强度对应。按照惯例，白色代表强信号，黑色代表毫无信号。在这个简单的例子中，我们的4*4模型看起来不是很直观，但是一个标准的MRI 256*256或者5P*5P矩阵图将会把人体的内部解剖构造细节展现的淋漓尽致。

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