磁共振成像（MRI），或核磁共振成像（NMRI），或磁共振斷層掃描（MRT），這3個名稱的含義是一樣的。它是放射學(xué)的醫(yī)學(xué)成像的一種方法，用來看到機(jī)體內(nèi)部的細(xì)致結(jié)構(gòu)。MRI根據(jù)（原子）核的磁共振特點來成像體內(nèi)的原子核。人體的MRI成像能夠產(chǎn)生更為細(xì)致的圖像，較之用X射線方法。

MRI可以在體內(nèi)不同軟組織之間提供好的對比，這個特點使它比其他醫(yī)學(xué)成像技術(shù)如CT或X射線更為有用，它適用于腦、肌肉、心臟以及癌的成像。與CT掃描或傳統(tǒng)X射線不一樣，MRI并不采用電離輻射。

MRI的掃描需要一個磁場，這種磁場要具備兩個特征——均勻的磁場密度和強(qiáng)度。磁場變化不能夠大于百萬分之一。磁場強(qiáng)度范圍隨掃描儀而異，目前臨床上使用的為0.2～3 T（tesla，特斯拉），至于研究用的掃描儀可以有高磁場強(qiáng)度，有7 T的。低磁場強(qiáng)度的掃描儀可以使用永磁方法，這種掃描儀常常用于開放式MRI掃描儀，用于幽閉恐懼癥病人（claustrophobic）；高磁場強(qiáng)度掃描儀只能用超導(dǎo)磁來達(dá)到。一個磁場強(qiáng)度為3.0的MRI，可稱為3T MRI。

1952年，H. Carr制成了一個一維MRI圖像，這是作為哈佛大學(xué)哲學(xué)博士論文而報道的。在蘇聯(lián)有關(guān)部門，伊萬諾夫（V. Ivanov）登記了一個屬于磁共振成像設(shè)施方面的發(fā)明和發(fā)現(xiàn)專利，但直到20世紀(jì)70年代才被批準(zhǔn)。1971年R. Damadian在《科學(xué)》（Science）周刊上發(fā)表論文，他是美籍亞美尼亞裔的醫(yī)生和科學(xué)家、紐約州立大學(xué)教授。他報道，通過核磁共振（NMR）可以區(qū)分活體中的腫瘤與正常組織。他提示，這個區(qū)別可以用來診斷癌癥（圖10-4）。后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)，雖然這種區(qū)別是確實存在的，但是變異太大，難以用于臨床。Damadian的原始方法在應(yīng)用方面是有缺陷的，它依賴于對整個身體點對點的掃描，而且應(yīng)用張弛速率。這些后來被證明不是指示癌癥組織的有效指標(biāo)。當(dāng)有關(guān)磁共振分析特點的研究還在進(jìn)行的時候，Damadian于1972年制作了世界上第一臺磁共振成像的機(jī)器。他在1972年3月17日提交了第一份MRI機(jī)器的專利申請，美國專利申請?zhí)枮?3789832，以后在1974年2月5日，這個專利申請被確認(rèn)。

圖10-4　Damadian《在組織中檢測癌的裝置與方法》

美國國家科學(xué)基金會的說明是：“此專利包括一種設(shè)想，用核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）掃描人體，以定位癌癥組織”，但它并沒有描述這種掃描中圖像產(chǎn)生的方法，也沒有準(zhǔn)確地說明掃描應(yīng)該怎么做。同時，P. C. Lauterbur根據(jù)Carr的技術(shù)并加以擴(kuò)展，發(fā)展出一條途徑，應(yīng)用梯度方法產(chǎn)生了第一個二維和三維的MRI圖像。1973年Lauterbur發(fā)表了第一張核磁共振圖像，1974年1月又發(fā)表了第一張活體小鼠的橫斷面成像。在20世紀(jì)70年代后期，英國諾丁漢大學(xué)物理學(xué)家、教授P. Mansfield開發(fā)了一項數(shù)學(xué)技術(shù)，應(yīng)用此技術(shù)只需幾秒鐘掃描而不是幾小時，就能夠產(chǎn)生比Lauterbur做到的更清晰的圖像。1977年7月3日，Damadian和L. Minkoff及M. Goldsmith合作，實施了第一個人體MRI掃描，該項研究在1977年發(fā)表；而1979年，R. S. Likes申請了一個專利，專利號為*4307343。

1980年，P. A. Bottomley加入紐約通用電氣公司研究中心，他的團(tuán)隊訂購了一臺曾經(jīng)有過的最大磁強(qiáng)度（1.5 T）的系統(tǒng)，建成了第一個高磁場，克服了線圈設(shè)計、無線電頻率滲透和信噪比等方面的困難，建成了第一臺全身MRI掃描器。其結(jié)果是形成了高度成功的1.5 T MRI生產(chǎn)線，迄今為止已經(jīng)生產(chǎn)了2萬臺設(shè)備，并且現(xiàn)在都在應(yīng)用中。Bottomley對人的心臟和腦做成了第一個定位的核磁波譜（magnetic resonance spectroscopy，MRS）。Bottomley與R. G. Weiss合作，在約翰·霍普金斯大學(xué)展開心臟病診治應(yīng)用方面的合作。之后，Bottomley于1994年作為Russell Morgan教授回到大學(xué)工作。他是磁共振研究組的領(lǐng)導(dǎo)者。雖然通常用的MRI是1.5 T的，但高電磁場的也有，例如3T的磁共振現(xiàn)正在越來越普遍地得到應(yīng)用，因為它增加了靈敏度和分辨。至于在研究型實驗室里，人體MRI研究已經(jīng)可以用10.4 T來做，動物的實驗研究可高到21.1 T。

由于MRI在醫(yī)學(xué)上的基本重要性及可應(yīng)用性，美國伊利諾伊大學(xué)的Lauterbur和英國諾丁漢大學(xué)的Mansfield兩人被授予2003年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎，獲獎是由于他們“有關(guān)磁共振成像研究方面的發(fā)明”。諾貝爾獎的褒揚(yáng)（citation）承認(rèn)了Lauterbur的洞察力，是他應(yīng)用磁場梯度來確定空間定位，這一發(fā)現(xiàn)使得快速地獲得二維圖像成為可能；Mansfield的貢獻(xiàn)是應(yīng)用數(shù)學(xué)方法發(fā)展了技術(shù)，使之可以達(dá)到有效的梯度應(yīng)用和快速成像。讓他們獲得2003年諾貝爾獎的真正研究，基本上是30年前所做的工作，當(dāng)時Lauterbur還在紐約州立大學(xué)石溪分校工作。

諾貝爾獎的頒發(fā)招來了Damadian的強(qiáng)烈抗議，他是FONAR公司的創(chuàng)辦人。他聲稱，是他發(fā)明了MRI，而Lauterbur和Mansfield僅僅是做了技術(shù)改良而已。以后有一個團(tuán)體“Damadian之友”（由Damadian的公司FONAR組辦）在《紐約時報》和《華盛頓郵報》上刊登了整版廣告，廣告的題目是《可恥的錯誤必須糾正》，他們聲稱Damadian應(yīng)該獲得諾貝爾獎，至少也要分享諾貝爾獎。

從原理上看，MRI掃描器由幾個部分組成（圖10-5）。第一部分是一個超導(dǎo)磁，它提供強(qiáng)有力、均勻的磁場，一般標(biāo)準(zhǔn)的MRI儀器是1.5 T。體內(nèi)每個水分子的質(zhì)子沿著它的軸在旋轉(zhuǎn)，就像一個小磁棒，因為水的質(zhì)子正常呈現(xiàn)隨機(jī)方向，所以組織基本上沒有凈磁場。然而，如果把水分子帶到磁場以下，質(zhì)子就開始對位［2］。

圖10-5　磁共振成像原理（彩圖見圖版此處）

（a）水分子質(zhì)子圍繞著分子軸旋轉(zhuǎn)，這就產(chǎn)生了個別磁場，它具有隨機(jī)方向（1）。當(dāng)加進(jìn)去一個垂直方向磁場的時候，質(zhì)子就沿著這個加進(jìn)去的磁場對位，于是產(chǎn)生一個凈磁場，但這個磁場很小，難以被檢測（2）。如果在此基礎(chǔ)上再按水平方向加一個無線電頻率脈沖，使得質(zhì)子圍繞著原來的垂直軸搖晃，此即進(jìn)動（3）。所有單個水質(zhì)子的磁場加在一起，就產(chǎn)生一定的磁場，它隨時間而變化，并且產(chǎn)生一個電流，電流最后被MRI測量出來（4）。（b）進(jìn)行MRI測定時，把受試者安放到一個垂直的磁場下。讓質(zhì)子按垂直方向?qū)R，然后按水平方向給予無線電頻率脈沖，這樣質(zhì)子就沿水平平面同步旋轉(zhuǎn)，或者說互相處于“同位相”（in phase）（1）。然后突然把水平脈沖關(guān)掉（2），這樣旋轉(zhuǎn)著的質(zhì)子開始互相不在同一位相，即“去位相”（dephase）。這種去位相過程來得比較快，導(dǎo)致測定電流的相對減少或衰減。這個衰減時間常數(shù)被稱為T2（大約30 ms）。當(dāng)水平脈沖去除后，質(zhì)子又重新對齊到垂直磁場（3—5）。這個“擺正”（righting），或者說回復(fù)到垂直磁場，比前面那個去位相恢復(fù)得較慢。去位相恢復(fù)的時間常數(shù)被稱為T1（幾秒鐘）。全部過程可以重復(fù)多次，產(chǎn)生時間系列的測量，反映衰減和恢復(fù)的速率。（圖引自［2］）

MRI掃描器的第二個組成部分是無線電頻率（radio frequency，RF）的線圈（RF線圈）。這是一種特殊設(shè)計的繞線圈，它放在受試者的身邊。當(dāng)一個短暫的、快速變化的電流通過RF線圈時，由于安培定律，就產(chǎn)生了另一個快速變動的磁場。這第二個磁場是疊加到原來主磁場上面的，線圈中的交變電流由一個無線電頻率脈沖（RF脈沖）引起。由RF脈沖所產(chǎn)生的磁場引起質(zhì)子開始沿著它的軸搖晃（wobbling），就像當(dāng)?shù)匦囊τ绊懙脚菖蒉D(zhuǎn)動的時候，這個泡泡就沿著它的軸轉(zhuǎn)動一樣。這個滾動被稱為進(jìn)動（precession）。當(dāng)RF脈沖關(guān)閉后，質(zhì)子還可以繼續(xù)進(jìn)動［2］。

所有個別水分子質(zhì)子的進(jìn)動加在一起，就形成了一個旋轉(zhuǎn)的磁場，這個磁場隨時間而變動。根據(jù)法拉第定律，質(zhì)子又產(chǎn)生一個交變電流回到線圈，這就是共振。正是在MRI里面的這個電流被測量出來。測量出來的電流隨時間而衰減，其速率依賴于數(shù)個因素，包括產(chǎn)生質(zhì)子的組織，如心臟、腦等。因此，隨組織類型不同，成像也就不同［2］。

MRI掃描器的第三個成分是磁的梯度線圈。MRI發(fā)明當(dāng)中一個最為重要的發(fā)展是三維體位成像。這是磁場強(qiáng)度沿著一個軸逐步減少的磁梯度，所以叫作梯度線圈［2］。

我們這里不可能把前面三個方面的理論都講得非常詳細(xì)：如何可以通過MRI得到二維圖像（或三維體積）；但基本概念是控制了磁梯度，就可以使我們在大量互相靠近的位置上測得特定的MRI信號（也就是在無線電線圈里面得到的電流）。每個相應(yīng)的小體積，就構(gòu)成組織的體素（voxel）［2］。

在臨床實踐中，MRI用來分辨病理組織（如腦腫瘤）和正常組織。MRI的優(yōu)點之一是它對病人無害。它應(yīng)用高磁場強(qiáng)度和無線電頻率的非電離輻射的電磁場，這與傳統(tǒng)的X射線和CT掃描不同，后兩者都應(yīng)用了電離輻射。CT提供了好的空間分辨，所謂空間分辨就是在一個距離很短的范圍內(nèi)區(qū)分兩個不同結(jié)構(gòu)的能力。MRI也能提供與CT相當(dāng)?shù)姆直妫罢哂懈玫膶Ρ确直?。所謂對比分辨是指區(qū)分兩個相似但并非完全一樣組織之間差別的能力。這種能力的基礎(chǔ)來源于一系列近代醫(yī)學(xué)MRI掃描儀所包括的、復(fù)雜的脈沖序列。每一序列都經(jīng)過了優(yōu)化，從而提供了成像對比度，其基礎(chǔ)是根據(jù)MRI的化學(xué)敏感度。

以特定的回聲時間（TE）及特定的重復(fù)時間（TR），這兩者是成像采集的基本數(shù)據(jù)，可以形成一個具有T2加權(quán)特征的系列。在進(jìn)行T2加權(quán)掃描的時候，含水、含液體的組織是亮的（最現(xiàn)代的T2序列實際上是快速T2序列），而含脂肪的組織是暗的；T1加權(quán)成像的情況則相反。損傷組織將產(chǎn)生水腫，使得T2加權(quán)序列對病理敏感，一般能夠區(qū)分病理組織和正常組織。增加額外的無線電頻率脈沖以及額外的磁場梯度操控以后，T2加權(quán)序列可以轉(zhuǎn)變成另一種序列，叫FLAIR序列，此時只有水是暗的，而水腫組織是亮的。目前，這種序列是評價腦病變的特別敏感的方法，可以觀察有沒有脫髓鞘疾病，例如多發(fā)性硬化癥（圖10-6）。

圖10-6　TR和TE對MRI信號的效應(yīng)

從圖中可以看出MRI信號受到TR和TE的影響。TE為回聲（echo）時間，TR為重復(fù)（repetition）時間。

典型MRI檢測要應(yīng)用5～20個系列，每個系列提供有關(guān)受試者組織的特定形式的信息，然后再由負(fù)責(zé)解釋的醫(yī)生來加以綜合。