深入浅出带你了解磁共振成像（MRI）基本原理

深入浅出带你了解磁共振成像（MRI）基本原理

磁共振成像（MRI）是一种常见的医疗影像技术，广泛应用于临床诊断。但很多人对"核磁共振"这个名字感到困惑，担心其安全性。本文将深入浅出地介绍MRI的基本原理，帮助读者消除疑虑，更好地理解这项技术。

一、MRI的命名误解

当我们去医院做核磁共振检查时，可能会好奇：为什么叫"核磁共振"？这个"核"对人体有害吗？

实际上，这里的"核"指的是"原子核"，确实与原子核有关，但与核裂变、核聚变等能量放射无关。MRI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。

二、"核"和"磁"

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，人体中水分含量最多，因此大脑中的氢质子会自旋。

图1. 图片来源于网络

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。这些氢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

三、"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。

四、"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，这些共振的氢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。