磁共振成像 (MRI)

磁共振成像（MRI）是一种医疗设备，它利用磁场和体内原子的自然共振来获取人体组织的图像。基本设备于 1945 年首次开发，此后技术不断改进。随着高性能计算机的引入，MRI 已成为一种重要的诊断设备。与其他医学成像工具不同，它是非侵入性的，并且能够拍摄软组织和硬组织的照片。 MRI 主要用于检查内部器官的异常情况，例如肿瘤或化学失衡。

历史

磁共振成像 (MRI) 的发展始于 1900 年代初核磁共振 (NMR) 的发现。此时，科学家们才刚刚开始弄清原子的结构以及某些物质发出的可见光和紫外线辐射的性质。 Wolfgang Pauli 在 1924 年证明了原子核的磁性，这是 NMR 的基础。

第一个基本核磁共振设备是由 I. I. Rabi 于 1938 年开发的。该设备能够提供与某些物质的磁性相关的数据。然而，它受到两个主要限制。首先，该设备只能分析气态材料，其次，它只能提供对这些材料的间接测量。这些限制在 1945 年被克服，当时由 Felix Bloch 和 Edward Purcell 领导的两组科学家独立开发了改进的 NMR 设备。事实证明，这些新设备对许多研究人员很有用，使他们能够收集许多不同类型系统的数据。经过进一步的技术改进，科学家们能够在 1960 年代中期使用这项技术来研究生物组织。

核磁共振在医学中的应用很快就出现了。最早的实验表明，核磁共振可以区分正常组织和癌变组织。后来的实验表明，核磁共振扫描可以区分许多不同的身体组织。 1973 年，开发了一种使用核磁共振数据和计算机断层扫描计算的成像方法。它提供了第一张磁共振图像（MRI）。因此，该方法被用于检查小鼠，虽然所需的测试时间超过一个小时，但得到了小鼠内脏的图像。几年后进行了人体成像。为了减少所需的扫描时间并提高图像的分辨率，已经进行了各种技术改进。最显着的改进是在 MRI 的三维应用中。

背景

MRI 读数的基本阶段很简单。首先，患者被置于一个强大的恒定磁场中，并被几个线圈包围。然后将射频 (RF) 辐射应用于系统，使患者体内的某些原子发生共振。当射频辐射关闭时，原子继续共振。最终，共振原子返回到它们的自然状态，并在此过程中发出一种射频辐射，即 NMR 信号。然后通过计算机处理信号并转换为患者的视觉图像。

人体细胞发出的核磁共振信号主要由细胞的质子产生。早期的 MR 图像仅基于给定组织内的质子浓度构建。然而，这些图像没有提供良好的分辨率。当考虑到称为弛豫时间（质子发射信号所需的时间）的现象时，MRI 在构建身体内部图像方面变得更加有用。在所有身体组织中，可以检测到两种类型的弛豫时间，T1 和 T2。不同类型的组织会表现出不同的 T1 和 T2 值。例如，大脑中的灰质具有与血液不同的 T1 和 T2 值。使用这三个变量（质子密度、T1 和 T2 值），可以构建高分辨率图像。

MRI 最常用于创建人脑的图像。它对这个区域特别有用，因为它可以区分软组织和病变。除了结构信息，MRI 还允许进行脑功能成像。功能成像是可能的，因为当大脑的某个区域处于活动状态时，流向该区域的血流量会增加。事实上，当以足够的速度进行扫描时，可以看到血液在器官中流动。 MRI 的另一个应用是肌肉骨骼成像。膝关节、腕关节和肩关节的韧带和软骨损伤可以通过 MRI 轻易看到。这消除了对传统侵入性手术的需要。 MRI 的一个发展用途是通过身体跟踪化学物质。在这些扫描中，接收和解释来自碳 13 和磷 31 等分子的 NMR 信号。

原材料

MRI 系统的主要功能部件包括外部磁铁、梯度线圈、RF 设备和计算机。其他组件包括射频屏蔽、电源、核磁共振探头、显示单元和制冷单元。

用于产生恒定外部磁场的磁铁是所有 MRI 系统中最大的一块。要想发挥作用，磁铁必须能够产生稳定的磁场，穿透身体的特定体积或切片。共有三种不同类型的磁铁可供使用。电阻磁铁由缠绕在环中的薄铝带组成。当电流围绕回路传导时，会产生垂直于回路的磁场。在 MRI 系统中，四个电阻磁铁相互垂直放置以产生一致的磁场。当电流在回路周围传导时，回路的电阻会产生热量，这些热量必须由冷却系统散发。

超导磁体没有电阻型磁体的相同问题和局限性。超导磁铁是环形磁铁，由铜基铌钛合金制成，用液氦和液氮过冷。在这些低温下，几乎没有电阻，因此只需要非常低的电力。这种磁铁的运行成本低于电阻型磁铁，并且可以产生更大的磁场强度。另一种使用的磁铁是永磁体。它由铁磁材料构成，非常大，不需要电力运行。它还为 MRI 系统的设计提供了更大的灵活性。然而，永磁体产生的磁场的稳定性值得怀疑，其尺寸和重量可能令人望而却步。虽然这些不同种类的磁铁中的每一种都可以产生不同强度的磁场，但尚未发现最佳磁场强度。

为了提供一种对从样品接收到的 NMR 信号进行解码的方法，使用了磁场梯度。通常，使用三组梯度线圈来提供三个维度中每个维度的数据。与初级磁铁一样，这些线圈由产生磁场的导电回路制成。在 MRI 系统中，它们缠绕在围绕患者的圆柱体上。

RF 系统在 MRI 机器中具有多种作用。首先，它负责传输诱导原子发射信号的射频辐射。接下来，它接收发出的信号并将其放大，以便计算机可以对其进行操作。 RF 线圈是 RF 中的主要硬件 系统。它们的构造是为了产生振荡磁场。该场诱导特定区域内的原子吸收射频辐射，然后发射信号。除了发送射频信号之外，线圈还可以接收来自患者的信号。根据 MRI 系统的类型，使用鞍形射频线圈或螺线管射频线圈。线圈通常位于受检者旁边，旨在适合患者。为了减少射频干扰，使用了铝板。

MRI 系统中的最后一个环节是计算机，它控制发送的信号并处理和存储接收到的信号。在计算机分析接收到的信号之前，它会通过模数转换器进行转换。当计算机接收到信号时，它会执行各种重建算法，创建一个适合存储的数字矩阵，并使用傅立叶变换器构建视觉显示。

制造
过程

MRI 系统的各个组件通常单独制造，然后组装成一个大单元。这些装置非常重，有时重达 100 多吨（102 公吨）。

磁铁

• 1 MRI 系统中最常用的磁铁是超导电磁铁。这些可以使用各种材料制成，但基本设计涉及导线线圈、冷却系统和电源。线圈由缠绕金属丝制成，金属丝由嵌入铜中的铌钛合金细丝制成，形成一个大环。为了产生必要的磁场，使用了许多线圈。在一种类型的系统中，使用了八个线圈，六个用于产生主磁场，两个用于补偿多余的磁场。
• 2 将线圈浸入装有液氦的容器中。这将温度降低到使它们超导的水平。为了帮助保持温度稳定，该容器被另外两个装有其他冷却剂（如液氮）的容器包围。然后将这种结构用细棒悬挂在真空密封的容器中。电源连接到磁性线圈，仅在磁铁需要通电时使用。磁铁连接到患者支架上，该支架是一个可将患者带入磁场的滑动台。

梯度线圈

• 3 梯度线圈是电阻型电磁铁。在 MRI 系统中，通常有三组梯度线圈。每个线圈都是通过以特定的图案缠绕薄薄的铜条或铝条制成的。通过在其结构中引入环氧树脂来赋予线圈强度。这些线圈的尺寸决定了放置患者的开口的宽度。由于较小的线圈需要较少的能量，因此该宽度必须足够大以防止患者出现幽闭恐惧症，但又必须足够小以需要合理的电量。这些梯度线圈通常被屏蔽以防止干扰涡流。

射频系统

• 4 RF 系统的电子元件可能由外部供应商提供并由 MRI 制造商组装。这些组件连接到 RF 线圈，这些线圈采用不同的设计。发射器和接收器线圈由与梯度线圈相同类型的材料组成。它们的构造也很像主磁铁。然而，它们由一圈导电材料（例如铜）组成，可以产生振荡磁场。一种类型的射频线圈是表面线圈，其形状为圆形并直接施加在患者身上。另一种类型是鞍形线圈。它们可以直接安装到磁体孔中，也可以做成鸟笼形线圈，然后放置在梯度线圈内。每种类型的线圈都连接到电源。

电脑

• 5 计算机由计算机制造商提供，并经过修改和编程以用于 MRI 系统。与之相连的是用户界面、傅立叶变压器、信号转换器和前置放大器。还包括显示设备和激光打印机。

总装

• 6 MRI 的每个组件都组装在一起并放置在适当的框架中。组装可以在工厂或现场进行，系统将在那里使用。在任何一种情况下，磁铁的性质通常都需要特殊的处理预防措施，例如在空气悬挂的车辆中运输。

质量控制

通过在整个生产过程中进行视觉和电气检查，确保制造的每个 MRI 系统的质量。对 MRI 的性能进行测试以确保其正常运行。这些测试是在不同的环境条件下进行的，例如过热和过湿。大多数制造商为其生产的 MRI 系统设定了自己的质量规范。各种医疗组织和政府机构也提出了标准和性能建议。

未来

当前 MRI 研究的重点包括提高扫描分辨率、减少扫描时间和改进 MRI 设计等领域。提高分辨率和减少扫描时间的方法包括降低信噪比。在 MRI 系统中，噪声是由干扰感兴趣信号的随机生成的信号引起的。减少它的一种方法是使用高磁场强度。 MRI 系统的改进设计也将有助于减少这种干扰并降低与电磁体相关的噪声。将来，实时 MRI 扫描应该可用。