磁共振如何生成高质量医学影像

江万洪 宜宾市第二人民医院医学影像中心

摘要：磁共振成像(MRI)是一种非侵入性的医学成像技术，通过利用磁场和无线电波生成高分辨率的人体影像。本文将介绍MRI的基本原理、设备结构和成像过程，并详细解释磁场和无线电波在MRI中的作用机制。此外，我们还将讨论MRI在医学诊断和研究中的应用，并探讨其优势和限制。

关键词：磁共振成像(MRI)；磁场；无线电波；医学影像

一、引言

磁共振成像(MRI)是一种用于生成人体内部结构和组织的高分辨率影像的非侵入性方法。与传统的X射线、CT扫描等影像技术相比，MRI具有较好的软组织对比度和三维空间分辨率，且不涉及有害辐射。

二、基本原理

MRI的基本原理是利用原子核自旋的行为和无线电波与磁场的相互作用生成医学影像。原子核由质子和中子组成，具有自旋。自旋可被视为核内粒子围绕自身轴旋转的运动。在缺乏外部干扰时，原子核的自旋轴会在随机的方向上平均分布。当一个物体暴露在强磁场中时，如MRI中的主磁场，原子核自旋轴会倾向于沿着磁场方向进行取向。原子核自旋分为两种取向，即与磁场方向平行(称为低能级)和反平行(称为高能级)。这种取向现象称为磁共振。在MRI中，额外的无线电脉冲被用来激发原子核自旋。这些无线电脉冲的频率与特定原子核的共振频率匹配。当无线电脉冲作用于体内，将会给原子核自旋施加能量，使原子核自旋从低能级跃迁到高能级。在无线电脉冲施加后，原子核自旋从高能级发生回落并释放出能量。这些能量以无线电信号的形式传播出来。信号的强度、频率和相位等特征与组织的特性有关。被接收到的无线电信号被RF线圈接收后送至计算机进行数据采集和图像重建处理。通过采集一系列信号并对其进行处理，最终形成具有空间分辨率的医学影像。

三、MRI设备结构

MRI设备主要由磁体、RF线圈、控制系统和图像处理系统等组成。磁体是MRI设备的核心组成部分，它用来产生强大且稳定的静态磁场。常见的磁体类型包括永磁体和超导磁体。永磁体由永久磁体构成，其磁场强度一般较低，适用于便携式和低成本的MRI设备。超导磁体则是使用超导材料制成，能够产生高强度的磁场，常用于大型医院和研究机构中。RF线圈是用来发送和接收无线电频率的信号。它可以分为主送线圈(也称为发射线圈)和接收线圈。主送线圈用于向患者体内发送RF脉冲，而接收线圈则用于接收患者体内产生的回波信号。根据不同的成像需求，可以使用不同类型和配置的线圈，如表面线圈、体积线圈和灵活线圈等。除了以上主要组成部分，MRI设备还包括多种辅助设备，如运动补偿系统(用于抑制患者呼吸和运动引起的图像模糊)、梯度线圈(用于产生梯度磁场，实现空间编码)以及人机界面(用于操控设备和显示影像)等。

四、MRI成像过程

MRI成像是一个多步骤的过程，包括磁场定向、RF脉冲激发、回波信号接收、数据采集和图像重建等。MRI成像前，患者需要被置于强大而稳定的静态磁场中。磁场的定向是确保被成像的区域位于磁场的均匀区域内，以获得最佳成像效果。接下来，通过RF线圈向患者体内发送特定频率的无线电脉冲。这些脉冲的频率与被成像组织中目标原子核的共振频率相匹配。这个过程称为RF激发，它会给原子核自旋施加能量，使其从低能级跃迁到高能级。被激发的原子核自旋在经过一段时间后(称回波时间或回波距离)，会回落到低能级并释放出能量。这些能量以无线电信号的形式返回RF线圈。接收线圈会接收到这些回波信号，并将其送入计算机处理。回波信号经过放大和模数转换后，将被传输到计算机进行采集。这一过程通常涉及梯度线圈的使用，以获取三维空间中的位置和相位信息。数据采集过程会获得大量的信号数据。采集到的信号数据将被计算机进行处理和图像重建，包括对信号进行数字化、滤波、空间编码和噪声处理等操作。通过对信号的处理和重建，最终形成高分辨率、对比度丰富的医学影像。

五、磁场和无线电波对MRI的作用机制

磁场和无线电波是MRI中两个至关重要的要素，它们共同作用实现MRI成像。MRI中使用的磁场通常是一个强大而稳定的静态磁场。磁场的作用可以归结为以下几个方面，在静态磁场中，原子核的自旋会趋向于沿着磁场方向定向。原子核自旋有两种可能的取向，即平行于磁场方向(低能级)和反平行于磁场方向(高能级)。当被加入外部磁场时，原子核自旋会产生所谓的磁共振现象。通过与外部磁场的相互作用，原子核自旋会在两个能级之间发生能量跃迁。这是MRI获得信号的基础。

RF脉冲通常用来激发和探测磁共振现象。无线电波的作用可以归结为以下几个方面：RF脉冲的频率与目标原子核的共振频率相匹配。当RF脉冲施加到体内时，它会传递能量给原子核自旋，使其从低能级跃迁到高能级。被激发的原子核自旋在经过一段时间后会回落到低能级并释放能量。这些能量以无线电信号的形式返回RF线圈，并被接收线圈接收。综合起来，磁场的作用机制是通过定向原子核自旋并引发磁共振现象，而无线电波的作用机制是激发和探测磁共振现象。通过磁场的稳定性和无线电波的精确控制，MRI能够捕捉和测量体内原子核自旋的特征信号，从而生成医学影像。这两个要素的相互作用是MRI成像技术的基础。

六、结论

磁共振成像(MRI)通过磁场和无线电波相互作用生成高质量的医学影像。磁场定向原子核自旋，无线电波激发和探测磁共振现象。精确控制磁场和无线电脉冲参数，MRI能提供详细的人体解剖学和组织学信息，不需离子辐射。MRI在临床医学中广泛应用，并提供功能性信息，随着技术的不断进步，MRI技术已经成为医学领域中不可或缺的影像学技术，改善了医学诊断和研究的水平。