第二节 MRI成像技术
磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是对人体组织细胞中的原子核进行成像，最常用的是氢原子，在外加磁场的环境中，通过施加特定频率的射频脉冲，实现氢原子核的共振完成激发和接收信号，再通过后处理获得图像。MRI能够提供多序列、多参数、多时相、高分辨率的结构、功能和代谢图像，对于神经系统、腹部、盆腔和骨关节等疾病均具有重要价值。
一、MRI设备的构成
磁共振成像系统按照结构分为开放式和非开放式，按照磁场强度分为低场（场强<0.5T）、中场（0.5T≤场强<1.0T）和高场（场强≥1.0T）磁共振。MRI系统主要由磁体、梯度系统、射频系统、外周辅助设备和计算机图像处理系统等硬件组成。
1.磁体
常用的磁体种类包括稀土材料的低场强永磁磁体，铌镍合金线圈在液氦中形成超导状态而产生的恒定高场磁场（1.5T、3T等）。
2.梯度系统：
包括x/y/z三组梯度线圈和相应的放大器等电子元器件，超导磁场源于通电螺线管，使用右手法则可以判定磁场方向。根据电磁感应定律，梯度系统通过电流变化而产生磁场变化，并不断振荡传播。
3.射频系统
包括射频发射/接收线圈和相应的放大器等电子元器件。射频接收线圈感受到的磁场变化将切割线圈形成电流，通过计算机系统处理得到MRI信号。MRI最大的射频发生和接收线圈是体线圈，此外，正交线圈也具有发射和接收功能，表面线圈只能接收信号。临床常规使用的体表线圈有头颈线圈、胸腹部表面线圈、乳腺线圈、柔线圈等（图 1-2-1）。
4.计算机控制和图像重建系统
MRI计算机控制系统协调梯度、射频和信号接收之间的有序工作，图像重建和处理工作站将信号进行处理和显示，以满足临床需要。
5.外周辅助设备
包括电源、水冷系统、空调、图像存储与传输系统（picture archiving and communication systems，PACS）、胶片打印机等。主电源柜用于对各个子系统分配电源，水冷系统确保系统在恒温下工作。
二、MRI成像原理
1.磁共振现象
人体含有丰富的氢原子核（简称“氢核”），氢核具有较高的磁化率，能够产生较强的磁共振信号。人体内的水分子按照状态分为自由水和与其他大分子结合的结合水，MRI信号主要来源于自由水。每个氢核都有自旋运动，在自然状态下，自旋磁矩杂乱无章，因此不具有磁性。但将氢核置于外磁场B0时，由基态能级E 0分裂为高能级E2和低能级E1，正反方向排列的氢核形成净磁化矢量，与B0方向相同。氢核如同陀螺一般，绕着主磁场旋转，这就是进动，其频率称为拉莫尔频率，进动频率取决于磁场强度，即ω=γB0，向磁矩施加符合拉莫尔频率的射频能量，氢核会吸收脉冲能量，使处于低能级的原子核跃迁至高能级，从而发生核磁共振，使宏观磁化矢量发生偏转，射频脉冲能量越大，偏转角度越大。
2.弛豫和对比度
氢原子核受到射频激发吸收能量后，宏观磁化矢量发生偏转，当射频脉冲关闭以后，氢核将重新沿着外磁场方向排列，释放出能量，恢复至平衡状态，这个过程称为弛豫。
（1）T1弛豫与T1对比度：
射频脉冲传递能量激发氢核，恢复至稳态或者低能级状态需要把能量传递给外界环境—周围的晶格，然后纵向磁化矢量（Mz）恢复至主磁场方向（z轴）最大值。关闭90°射频脉冲后，纵向磁化矢量恢复至最大值63%所需要的时间为T1弛豫时间（图1-2-2），其弛豫函数为Mz=Mo（1-e-t/T1）。T1值越短，纵向磁化矢量弛豫越快，Mz的大小与图像明暗对比有关，通过选择合适的成像参数，可以将不同T1值的组织区别开，形成T1对比图像。
（2）T2弛豫与T2对比度：
T2弛豫为横向弛豫，相邻原子核在无规则的运动过程中，发生能量交换，这种现象称为自旋-自旋弛豫。能量传递给周围晶格形成T1弛豫的同时，也在质子群内部传递，在xy平面上表现为横向磁化矢量逐渐衰减至零，或者称为失相位，原因是自旋-自旋相互作用和外磁场的不均匀性。关闭90°射频脉冲后，横向磁化矢量衰减至最大值37%所需要的时间为T2弛豫时间（图1-2-3），其弛豫函数为Mxy=Mxyoe-t/T2。不同组织失相位的快慢不同，其差异形成T2对比。
（3）质子密度与质子密度对比度：
氢质子的密度影响纵向磁化矢量最大值M0，当重复时间（repetition time，TR）>3T1时，纵向磁化矢量恢复约95%，可以去除T1影响，获得质子密度（proton density，PD）对比成像，因此，通常TR为3至5倍T1时间得到最大质子密度对比。
（4）图像加权：
由于90°脉冲关闭后，横向弛豫和纵向弛豫同时发生，所以很难获得单纯的T1对比或者T2对比图像，图像的对比度往往同时既有T1又有T2，还有质子密度的影响，只有获得某种加权的图像，才能使其他对比度的影响降至最低。T1加权像（T1 weighted-imaging，T1WI），使用短TR（<500ms）形成T1对比，短TE（<25ms）减少T2对比；T2加权像（T2 weighted-imaging，T2WI），使用长TR（1500～2500ms）使纵向磁化矢量尽可能恢复至M0，长TE（>90ms）进一步降低T1对比；质子密度加权像（proton density weighted-imaging，PDWI），使用长 TR（1500～2500ms）降低 T1 影响，短 TE（<25ms）降低 T2影响。
3.图像重建和信号处理
射频脉冲激发氢核后，就开始图像采集，此时需要利用梯度磁场进行空间定位。梯度磁场主要作用：一是通过改变局部磁场强度影响进动频率，变化幅度约为几百到几千Hz，主要进行2D图像选层和层面内空间位置编码；二是影响相位变化，作用持续至梯度磁场关闭以后，主要进行3D图像选层和层面内空间位置编码。对MRI信号进行空间编码后，需要数字化采样把模拟信号转换为计算机的数字信号。
（1）层面选择：
以2D序列为例，垂直于成像平面施加线性梯度场，将在同一方向引起氢核共振频率的线性改变；同时施加与成像平面内共振频率一致的射频脉冲实现层面选择。梯度磁场导致层面间中心频率差异，每个层面内频率范围取决于层厚和梯度场强。
（2）空间定位：
利用相位编码（y方向）和频率编码（x方向）梯度进行空间定位，梯度关闭后，氢核将恢复至原来的共振频率，而相位差异被保留，通常垂直于频率方向，在频率编码梯度之前施加。
4.傅里叶变换和K空间
磁共振原始数据需要经过傅里叶变换填充至K空间，K空间是采集、存储和处理复杂数据的数学平台。K空间每个点与图像的每个像素并不一一对应，它包含了所有像素的信息。K空间中心的相位及频率梯度场强最小，失相位效应最小，获得的回波信号幅度最大，决定图像的对比度；周围梯度场强增大，体素相位差最大，提供空间细节，决定图像的锐利度。常见的K空间填充方式包括顺序填充，如自旋回波（spin echo，SE）、梯度回波（gradient echo，GRE）序列等；迂回填充，如平面回波成像（echo planar imaging，EPI）；螺旋填充，如动脉自旋标记（arterial spin labeling，ASL）。
三、MRI成像序列
MRI成像序列是指射频脉冲、梯度和信号采集等按照不同时序设置的参数组合进行工作，从而获得需要的图像，不同脉冲序列适合不同部位、不同病理生理的成像，常用的脉冲序列包括自旋回波序列、反转恢复序列、梯度回波序列、平面回波序列等［7-9］。不同厂家序列的名称不同，见表1-2-1。
1.MRI脉冲序列的基本参数
一个脉冲序列有许多变量，统称为序列成像参数，选择不同成像参数得到不同类型图像。序列的主要成像参数包括：①TR：指脉冲序列一个周期所需要的时间，即从第一个射频激发脉冲至下一周期同一脉冲的时间间隔。TR延长，图像信噪比提高，允许扫描层数增多，T2权重增加，T1权重减少，检查时间延长；反之TR降低，信噪比降低，允许扫描层数减少，T2权重减少，T1权重增加，检查时间缩短。②回波时间（echo time，TE）：指射频激发脉冲与产生回波之间的间隔时间。TE与信号强度呈反比，TE延长，信噪比降低，T1权重减少；TE缩短，信噪比增加，T1权重增加。③反转时间（inversion time，TI）：指反转恢复类脉冲序列中，180°反转射频脉冲与90°激励脉冲之间的时间间隔。④翻转角（flip angle）：射频脉冲激发下质子磁化矢量方向发生偏转，偏离的角度称为翻转角或激发角。常用翻转角有90°和180°，相应的射频脉冲分别被称为90°和180°脉冲，快速成像序列采用小角度激励技术，其翻转角<90°。⑤信号激励次数（number of excitations，NEX）：又称信号采集次数（number of acquisitions，NA），指每一个相位编码步级采集信号的重复次数，NEX增大，图像信噪比增加，图像伪影减少，但扫描时间延长。⑥视野（field of view，FOV）：由图像水平和垂直两个方向的距离决定，最小FOV与梯度场强的峰值和梯度间期有关。⑦矩阵（matrix）：指频率编码和相位编码方向采集的像素数目，矩阵=频率编码次数×相位编码次数，如频率编码次数为256，相位编码次数为192，则矩阵为256×192。⑧带宽（bandwith，BW）：指接收信号的频率范围，即读出梯度采样频率的范围，采用低频率编码梯度和延长读出间期可获得窄带宽。
2.自旋回波序列
SE序列是MRI成像最基础的序列。标准SE序列由一个90°射频激发脉冲与一个180°聚焦脉冲组成，90°射频激发脉冲至产生回波需要的时间为TE，相邻两个90°射频激发脉冲之间的时间为TR。90°射频激发脉冲将纵向磁化矢量（Mz）完全翻转至横向磁化矢量（Mxy），此时撤去激发脉冲后，氢质子开始自旋失相位，在TE/2时间施加180°聚焦脉冲，再经过TE/2，失相位横向磁化矢量重聚产生回波信号。SE序列优点为能够获取特定对比的图像，包括T1、T2及PD加权成像，缺点是扫描时间较长。为缩短扫描时间，提高成像速度，在SE序列基础上发展快速自旋回波序列（fast spin echo，FSE），在一个90°射频激发脉冲后利用多个（>2个）180°聚焦脉冲产生多个自旋回波，自旋回波的数目为FSE序列的回波链长度。在其他成像参数不变的情况下，回波链越长，采集时间将按比例缩短，假设回波链=N，FSE序列的采集时间是SE序列的1/N，因此FSE序列在临床广泛应用。
3.反转恢复序列
反转恢复序列（inversion recovery，IR）可以提高组织T1对比度，抑制某些组织的信号来改变对比度。通常在SE序列的基础上，90°射频激发脉冲以前施加额外的180°翻转恢复脉冲，将纵向磁化矢量完全翻转至反方向，然后从反方向最大值开始恢复，经过一定的时间间隔TI，再施加90°射频激发脉冲进行SE序列成像。常见的IR序列包括提高T1对比度的液体衰减反转恢复（fluid attenuated inversion recovery，FLAIR）序列，抑制脂肪信号的短时间反转恢复（short time inversion recovery，STIR）序列，抑制自由水的T2 FLAIR等。
4.梯度回波序列
GRE是在自由感应衰减（free induction decay，FID）信号产生后施加一定的梯度场，失相位梯度使FID信号衰减至零，然后大小相等方向相反的聚相位梯度场产生梯度回波GRE。GRE序列与SE序列相比，只使用1个射频脉冲，TE比SE序列短，成像速度更快；使用小翻转角时，TR时间更短，可以进行快速扫描，所以很多快速成像技术和血管成像技术等都是GRE序列。另外，GRE序列没有180°聚相位脉冲，不能消除磁场不均匀性带来的相位漂移或化学位移，图像对比度受T2*的影响，所以磁敏感伪影和化学位移伪影比较明显。
5.平面回波序列
EPI实际上并不是独立的序列，而是使用梯度线圈连续正反切换的方式采集信号，信号的产生或者对比度仍然依赖于基础序列。由于连续切换梯度，K空间填充采用连续迂回填充，每次射频结束后可采集完一个层面所有数据，因此扫描速度快，但对于磁场不均匀性非常敏感。
四、MRI性能指标与质量控制
MRI性能指标对于评价MRI整体性能很重要，而MRI设备质量控制是整体性能和临床诊断的保障。
1.MRI性能指标
常用性能指标包括主磁场强度、主磁场均匀性、主磁场稳定性、梯度场强、梯度切换率、射频系统功率、接收线圈的单元数等，体现在图像质量上就是共振频率、图像信噪比、图像均匀度、空间线性、空间分辨率、最小层厚等。
2.MRI质量控制
国际一些学术组织从20世纪80年代中后期开始先后对MRI设备的性能参数、性能测试、验收测试和安全提出标准。如1988年NEMA发布MRI参数的测试方法与标准；1990年美国医学物理学家协会（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）发布磁共振成像质量保证和体模的1号报告；1992年AAPM发布磁共振成像系统验收测试的6号报告；2015年AAPM发布关于MRI并行采集技术的应用和质量控制的118号报告。MRI常规性能参数包括均匀度、信噪比、线性、空间分辨率、伪影、弛豫时间T1和T2的测量等，美国放射学会（American College of Radiology，ACR）协助提供了统一的检测模型。MRI质量控制分为每日、每月和每季度，每日包括磁场均匀度、分辨率、空间线性测量，每月测试增加图像伪影分析，每季度测试包括了信噪比等的测试。这些测试对于确保MRI系统性能稳定、及时发现问题极其重要。