深入浅出带你了解磁共振成像基本原理

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关键词：磁共振、文献综述

知道如何给大脑照相吗？照相的原理又是什么？

人的大脑可以说是世界上最为精妙复杂的系统，从生理上来说，脑的功能是控制身体的其他器官，可以说所有的行为都因它而起，所有的感悟也都由它而生。对于这么复杂而又精细的系统，从古至今人类从未放弃探索。

研究脑最古老的方法是神经解剖学。神经生理学家研究脑的化学、药理学和电性质，认知神经科学研究大脑的运作如何执行心理或认知功能。我们姑且将其统称为脑科学，即研究脑的结构和功能的科学。

脑科学研究方法除了常规的认知行为研究之外，还有利用脑功能成像设备的研究方法，最常见的有磁共振成像技术（MRI）、脑电图（EEG）、脑磁图（MEG）等。今天我们就来聊聊磁共振成像技术（MRI）的基本原理。

磁共振成像技术原本称为核磁共振成像。很多人听到“核磁”，第一反应是这个对人体有害吗，因为名称中不是有“核”吗。其实，此处的”核“指”原子核“确实不假，但磁共振成像只与原子核的磁场相关，与原子核聚变、裂变等的能量放射并无关系。因此，磁共振成像其实是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计算机处理，重构出人体某一层面的图像的诊断技术。

“核”和“磁”

我们先来说说这个“核”。人体是由原子构成的，原子由电子和原子核组成，原子核包括质子和中子。原子核像地球一样可以围绕着中轴进行自我旋转，并且人体中水分含量最多，因此大脑中的H质子会自旋。通常情况下，每个质子自旋均会产生一个小的磁场，但呈随机无序排列，各方向的磁性相互抵消，因此人体整体不表现磁性。

但当一个人进入核磁共振扫描机器里，这些质子就处在了扫描机所产生的强磁场中。这些H原子仍按自己的频率震动，但方向为与外界磁场保持一致，整体上会表现出磁性。这就好比学校做广播体操，同学们一开始是随机排列的，但是一旦听到广播体操声响起，同学们都会自觉的排列整齐，朝同一个方向齐刷刷站好。此时，质子兼顾自旋和指向磁场方向或反方向的两种运动，综合起来看就类似于小时候玩的陀螺，称之为进动。

因此，磁共振成像系统中很重要的一个组成部分就是磁体系统，它的主要作用是提供一个稳定的、均匀的空间磁场环境。根据磁场强度的大小，可以把磁共振设备分为低场、中场、高场及超高场。磁场的单位是特斯拉（Tesla），是以一位传奇的物理学家尼古拉·特斯拉的名字命名的。

磁场强度小于0.5T的磁共振设备被叫做低场磁共振

磁场强度大于0.5T小于1.0T的磁共振设备叫做中场磁共振

磁场强度大于1.0T小于2.0T的磁共振就是高场磁共振

磁场强度大于2.0T的磁共振是超高场磁共振，包括临床和科研常用的3.0T和7.0T

“共振”

前面我们提到，在外加磁场后，体内的质子进动而产生磁矢量。平衡状态下，大部分的质子方向和外加磁场方向一致（即纵向磁化），而由于相位不同，宏观上只有纵向磁化产生，而无横向磁化产生。但由于和外加磁场方向一致不能被直接测量，我们如果想要获得这个信号，就需要扰乱它。

这就提到磁共振系统第二个重要组成部分——射频系统，它的主要作用是发射能够激发成像区域的射频脉冲。当我们加入的射频脉冲的频率和质子进动频率一致时，就会发生能量的传递，低能的质子获得能量进入高能的状态，这便是核磁共振。

加入了射频脉冲之后，产生的第一个影响是能量的传递，获得能量的质子会从低能级（磁场方向指向上）跃迁至高能状态（磁场方向指向下），纵向磁场强度随之不断减小。第二个影响是由于频率一致，所有吸收能量的质子会相互吸引靠拢，产生相同的相位，横向磁场强度随之不断增大。

“成像”

那么，射频脉冲关闭后发生了什么呢？当射频脉冲消失后，这些共振的H原子会慢慢恢复到原来的方向和幅度，这个过程称之为“弛豫”。

弛豫分为横向弛豫和纵向弛豫。横向弛豫也称T2弛豫，即横向磁化逐渐减少的过程，横向磁化从最大值减少了63%所花费的时间为T2；纵向弛豫也称为T1弛豫，即纵向磁化逐渐恢复的过程，纵向磁化恢复到平衡状态强度的63%所需的时间为T1。弛豫时间与质子密度有关，不同组织的T1和T2值有很大的差异。

简单来说，在恢复的过程中，被激发的质子释放的能量，即磁共振信号被计算机所接收。对于T1像，计算机接收的是从0到63%的信号，时间越长，信号越弱。而T2像是从100%到37%的信号，所以时间越长，信号越强。

最终按照强度转换为黑白灰阶，从而画出人体图像。信号越强，图像越亮；信号越弱，图像越暗。比如，大家可以记住水为长T1长T2，脂肪为短T1短T2，如下图所示。T1像中的脑脊液为黑色，而T2像中脑脊液为白色。通常，T1观察解剖结构较好，T2观察组织病变较好。

写在最后

在本篇推文中，小编只是对磁共振成像的基本原理进行了简单的介绍，如果想要对磁共振成像技术有更深入的认识和了解，还需要大家仔细揣摩和研究。在这里，小编可以给大家推荐几本相关磁共振成像的书籍仅供大家学习。

《磁共振成像技术指南》杨正汉

《磁共振成像》赵喜平

《Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design》E. Mark Haacke, Robert W. Brown

参考文献：

《磁共振成像临床应用入门》靳二虎 蒋涛 张辉

Grover, V. P., Tognarelli, J. M., Crossey, M. M., Cox, I. J., Taylor-Robinson, S. D., & McPhail, M. J. (2015). Magnetic Resonance Imaging: Principles and Techniques: Lessons for Clinicians. Journal of clinical and experimental hepatology, 5(3), 246–255.全文完结，整理不易，看不完记得收藏，最后希望点赞支持一下！

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