磁共振成像 Magnetic resonance imaging

磁共振成像 Magnetic resonance imaging

“ MRI”在此重定向。對於其他用途,請參見MRI(消歧)。

磁共振成像

頭部的矢狀位 MRI,帶有假 影(鼻子和前額出現在頭部的後部)

磁共振成像(MRI)是一種醫學成像技術,用於放射學中以形成人體的解剖結構和生理過程的圖片。MRI掃描儀使用強磁場,磁場梯度和無線電波來生成體內器官的圖像。MRI不涉及X射線或使用電離輻射,這與CT和PET掃描有所區別。MRI是一種醫學上的應用的核磁共振(NMR)。NMR也可用於其他NMR應用中的成像,例如NMR光譜學。

儘管現在在大多數醫學環境中都可以很好地控制電離輻射的危害,但與CT掃描相比,MRI仍被視爲更好的選擇。MRI在醫院和診所中廣泛用於醫療診斷以及疾病的分期和隨訪,而無需將身體暴露於放射線下。與CT相比,MRI可能會產生不同的信息。風險和不適可能與MRI掃描有關。與CT掃描相比,MRI掃描通常需要更長的時間並且聲音更大,並且通常需要對象進入狹窄的封閉管中。此外,體內裝有某些醫療植入物或其他不可移動金屬的人可能無法安全地進行MRI檢查。

MRI最初稱爲NMRI(核磁共振成像),但爲了避免負關聯而放棄了“核”。當置於外部磁場中時,某些原子核能夠吸收和發射射頻能量。在臨牀和研究MRI中,氫原子最常用於生成可檢測的射頻信號,該信號被靠近被檢查對象的天線接收。氫原子在人類和其他生物有機體中自然豐富,尤其是在水和脂肪中。由於這個原因,大多數MRI掃描本質上都標出了體內水和脂肪的位置。無線電波脈衝激發核自旋能量躍遷和磁場梯度將信號定位在空間中。通過改變脈衝序列的參數,可以基於組織中氫原子的弛豫特性在組織之間產生不同的對比度。

自1970年代和1980年代發展以來,MRI已被證明是一種通用的成像技術。儘管MRI最主要用於診斷醫學和生物醫學研究,但它也可用於形成無生命物體的圖像。除了詳細的空間圖像外,MRI掃描還能夠產生各種化學和物理數據。衛生系統對MRI的需求持續增長,引起了人們對成本效益和過度診斷的擔憂。

建築與物理學

主條目:磁共振成像物理學

圓柱形超導MR掃描儀的結構示意圖

在大多數醫學應用中,組織中僅由質子組成的氫核會產生一個信號,該信號根據特定區域中那些核的密度而被處理以形成人體圖像。考慮到質子受鍵所結合的其他原子場的影響,有可能在特定化合物中將反應與氫分開。爲了進行研究,將患者放置在MRI掃描儀內,該掃描儀在要成像的區域周圍形成強磁場。首先,來自振盪磁場的能量會以適當的共振頻率暫時施加到患者身上頻率。使用X和Y梯度線圈進行掃描會導致患者的選定區域經歷吸收能量所需的確切磁場。被激發的原子發射射頻(RF)信號,該信號由接收線圈測量。可以處理RF信號,以通過觀察由梯度線圈改變局部磁場引起的RF電平和相位變化來推斷位置信息。。由於這些線圈在勵磁和響應期間會快速切換以執行運動線掃描,因此由於繞組由於磁致伸縮而略微移動,因此會產生MRI掃描的特徵性重複噪聲。不同組織之間的對比度取決於激發原子返回平衡狀態的速率。可以將外源 造影劑給予人以使圖像更清晰。

MRI掃描儀的主要組成部分是使樣品極化的主磁體,用於校正主磁場均勻性偏移的勻場線圈,用於定位要掃描區域的梯度系統以及RF系統,激發樣品並檢測產生的NMR信號。整個系統由一臺或多臺計算機控制。

MRI所需要的磁場既要強又要均勻,以至於整個掃描體積的百萬分之幾。磁體的場強以特斯拉(Teslas)爲單位進行測量,儘管大多數系統的工作溫度爲1.5 T,但商用系統的工作溫度爲0.2至7T。大多數臨牀磁體是超導磁體,需要液氦。永磁體可實現較低的磁場強度,永磁體通常用於幽閉恐懼症患者的“開放式” MRI掃描儀中。最近,在超低磁場,即在微特斯拉至毫特斯拉範圍內,也已經證明了MRI,其中通過預極化(大約10–100 mT)和通過測量拉莫爾進動場來實現足夠的信號質量高度敏感的超導量子干涉裝置(SQUID)大約100微特斯拉。

T1和T2

更多信息:弛豫(NMR)

TR和TE對MR信號的影響

T1加權,T2加權和PD加權MRI掃描的示例

各個組織在激發後通過獨立的鬆弛過程T1(自旋晶格;即,與靜磁場相同的方向的磁化)和T2(自旋自旋;垂直於靜磁場)的弛豫過程返回到其平衡狀態。 爲了創建T1加權圖像,可以通過更改重複時間(TR)在測量MR信號之前恢復磁化強度。該圖像加權可用於評估大腦皮層,識別脂肪組織,表徵肝臟局竈性病變以及總體上獲得形態學信息以及用於造影后成像。 爲了創建T2加權圖像,在通過改變回波時間(TE)測量MR信號之前,允許磁化強度衰減。該圖像加權可用於檢測水腫和炎症,揭示白質病變以及評估前列腺和子宮的區域解剖結構。

MRI圖像的標準顯示是在黑白圖像中表示流體特徵,其中不同的組織結果如下:

器官或系統的用法

病人被安排進行頭部和腹部的MR研究

MRI在醫學診斷中具有廣泛的應用,估計全世界有超過25,000臺掃描儀在使用。 MRI影響許多專業的診斷和治療,儘管在某些情況下對改善健康結局的影響尚存爭議。

MRI是對直腸癌和前列腺癌的術前分期進行選擇的研究,對其他腫瘤的診斷,分期和隨訪具有重要作用,以及在生物庫中確定要取樣的組織區域。

神經成像

主要文章:腦和腦幹的MRI

另請參閱:Neuroimaging

白質束的MRI圖像

MRI是CT診斷神經系統癌症的首選研究工具,因爲它可以更好地顯示顱後窩,包括腦幹和小腦。之間的對比灰色和白色物質,使MRI對許多疾病的最佳選擇中樞神經系統,包括脫髓鞘疾病,老年癡呆症,腦血管疾病,感染性疾病,阿爾茨海默氏症和癲癇。 由於許多圖像相距毫秒,因此可以顯示大腦對不同刺激的反應,從而使研究人員能夠研究心理疾病中大腦的功能和結構異常。 MRI還用於引導性 立體定向手術和放射外科中,使用稱爲N-localizer的設備治療顱內腫瘤,動靜脈畸形和其他可手術治療的疾病。

心血管

主條目:心臟磁共振成像

先天性心臟病的MR血管造影

心臟MRI是其他成像技術的補充,例如超聲心動圖,心臟CT和核醫學。它可以用來評估心臟的結構和功能。它的應用包括評估心肌缺血和生存能力,心肌病,心肌炎,鐵超負荷,血管疾病和先天性心臟病。

肌肉骨骼

在肌肉骨骼系統中的應用包括脊柱成像,關節疾病評估和軟組織腫瘤。而且,MRI技術可用於全身性肌肉疾病的診斷成像 。

肝腸胃道

肝膽 MR用於檢測和表徵肝臟,胰腺和膽管的病變。肝臟的局竈性或彌散性疾病可使用彌散加權,反相成像和動態對比增強序列進行評估。細胞外造影劑廣泛用於肝臟MRI,新型肝膽造影劑也提供了進行功能性膽管成像的機會。膽管的解剖成像是通過在磁共振膽胰胰管造影(MRCP)中使用大量的T2加權序列來實現的。服用促胰液素後進行胰腺功能成像。MR腸造影可以對炎症性腸病和小腸腫瘤進行非侵入性評估。MR結腸造影可能在檢測大腸息肉的大腸息肉中發揮作用。

血管造影術

磁共振血管造影

主條目:磁共振血管造影

磁共振血管造影(MRA)生成動脈的圖像,以評估它們的狹窄程度(異常變窄)或動脈瘤(血管壁擴張,有破裂的危險)。MRA通常用於評估頸部和大腦,胸主動脈和腹主動脈,腎動脈和腿部的動脈(稱爲“徑流”)。可以使用多種技術來生成圖片,例如施用順磁性造影劑(g)或使用稱爲“流量相關增強”的技術(例如2D和3D飛行時間序列),其中圖像上的大部分信號是由於最近進入該平面的血液所致(另請參見“ FLASH MRI”)。

涉及相蓄積的技術(稱爲相襯血管造影)也可用於輕鬆,準確地生成流速圖。磁共振靜脈造影(MRV)是用於對靜脈成像的類似程序。通過這種方法,現在組織在下方被激發,同時信號被收集在緊鄰激發平面的平面上,從而對最近從激發平面移動的靜脈血進行成像。

造影劑

主條目:MRI造影劑

用於成像解剖結構或血流的MRI不需要造影劑,因爲組織或血液的變化特性提供了自然的對比度。然而,對於更具體的成像類型,可以通過靜脈內,口服或關節內給予外源性造影劑。最常用的靜脈注射造影劑基於螯合物的釓。通常,已證明這些藥物比X射線放射照相或CT中使用的碘化造影劑更安全。過敏性反應很少見,大約在大約30 分鐘內發生。0.03–0.1%。與碘化藥物相比,常規劑量的腎毒性發生率更低,這尤其值得關注,這使造影劑增強型MRI掃描成爲腎功能不全患者的選擇,否則他們將無法進行造影劑增強型CT。

在2017年十二月,食品和藥物管理局(FDA)在美國合衆國在藥物安全通信宣佈新的警告將被包含在所有含釓造影劑(GBCAs)。FDA還呼籲加強對患者的教育,並要求g造影劑供應商進行額外的動物和臨牀研究,以評估這些藥物的安全性。 儘管已證明g試劑對腎功能不全的患者有用,但在需要透析的嚴重腎衰竭患者中,存在罕見但嚴重的疾病,即腎原性系統纖維化的風險,這可能與使用某些含g的藥物有關。代理商。最經常聯繫的是gadodiamide,但其他代理也已鏈接。儘管尚未確定因果關係,但美國現行指南是,透析患者僅應在必不可少的地方接受g試劑,並且在掃描後應儘快進行透析以從體內去除該試劑。及時。

在歐洲,有更多的含ado試劑可供使用,根據潛在風險對試劑進行了分類。 在2008年,一種名爲gadoxetate,商標名Eovist(US)或Primovist(EU)的新造影劑被批准用於診斷:這具有雙重排泄途徑的理論優勢。

序列

主要文章:MRI序列

的MRI序列是射頻脈衝和梯度的特定設置,從而產生特定的圖像的外觀。所述的T1和T2加權也可以被描述爲MRI序列。

概覽表

此表不包括不常見的和實驗性的序列。

其他專業配置

磁共振波譜學

主要文章:體內磁共振波譜和核磁共振波譜

磁共振波譜(MRS)用於測量人體組織中不同代謝物的水平,這可以通過多種單一體素或基於成像的技術來實現。 MR信號產生的共振光譜對應於被“激發”的同位素的不同分子排列。此簽名用於診斷某些代謝紊亂,尤其是影響大腦的代謝紊亂,並提供有關腫瘤代謝的信息。

磁共振波譜成像(MRSI)結合了光譜和成像方法,可從樣品或患者體內產生空間定位的光譜。空間分辨率要低得多(受可用SNR的限制),但是每個體素中的光譜都包含有關許多代謝物的信息。由於可用信號用於對空間和頻譜信息進行編碼,因此MRSI要求僅在更高的場強(3 T及更高)下才能實現的高SNR。具有極高場強的MRI的高採購和維護成本抑制了它們的普及。然而,最近的壓縮傳感系軟件算法(例如,SAMV 已經提出了在不要求如此高的場強的情況下實現超分辨率。

實時核磁共振

文件:實時MRI-Thorax.ogv

以50毫秒的分辨率對人心臟進行實時MRI

主要文章:實時MRI

實時MRI是指對運動對象(例如心臟)進行實時連續成像。自2000年代初以來發展起來的許多不同的策略之一是基於放射狀FLASH MRI和迭代重建。對於面內分辨率爲1.5-2.0 mm的圖像,此圖像的時間分辨率爲20-30 ms。平衡穩態自由進動(bSSFP)成像比FLASH MRI在血池和心肌之間具有更好的圖像對比度,但是當B0不均勻性很強時,它將產生嚴重的條帶僞影。實時核磁共振可能會增加有關心臟和關節疾病的重要信息,並且在許多情況下,可能會使患者,尤其是無法屏住呼吸或有心律不齊的患者的MRI檢查更輕鬆,更舒適。

介入性MRI

主條目:介入磁共振成像

MRI對患者和操作人員沒有有害影響,因此非常適合介入放射學,其中MRI掃描儀產生的圖像可指導微創手術。這樣的程序不使用鐵磁儀器。

介入性MRI的一個特殊增長子集是術中MRI,其中在外科手術中使用MRI。一些專門的MRI系統允許在進行外科手術的同時進行成像。更典型地,外科手術過程被暫時中斷,使得MRI可以評估該過程的成功或指導隨後的外科手術工作。

磁共振引導聚焦超聲

在引導療法中,高強度聚焦超聲(HIFU)光束聚焦在組織上,該組織使用MR熱成像進行控制。由於聚焦處的高能量,溫度上升到65 °C(150°F)以上,這完全破壞了組織。該技術可以實現病變組織的精確消融。MR成像可提供目標組織的三維視圖,從而可以精確聚焦超聲能量。MR成像提供了治療區域的實時定量熱圖像。這允許醫師確保在超聲能量的每個循環期間產生的溫度足以引起所需組織內的熱消融,並且如果不是,則使參數適應以確保有效治療。

多核成像

氫在MRI中具有最頻繁成像的核,這是因爲氫在生物組織中的存在非常豐富,並且由於其高的回磁比可提供強信號。但是,任何具有淨核自旋的核都可能通過MRI成像。這樣的核包括氦 -3,鋰 -7,碳 -13,氟 -19,氧-17,鈉 -23,磷 -31和氙氣129。23 Na和31 P在體內自然豐富,因此可以直接對其成像。氣態同位素,例如3必須將He或129 Xe 超極化,然後吸入,因爲它們的核密度太低而無法在正常條件下產生有用的信號。17 O和19 F可以以液體形式(例如17 O-水)以足夠的量施用,因此不需要超極化。使用氦氣或氙氣具有減少背景噪聲的優勢,因此可以提高圖像本身的對比度,因爲這些元素通常不存在於生物組織中。

此外,任何具有淨核自旋並與氫原子鍵合的原子的原子核都可能通過異核磁化轉移MRI成像,該成像將對高迴旋磁比氫核成像,而不對低迴旋磁比核成像。與氫原子鍵合的 原則上,異核磁化MRI可用於檢測特定化學鍵的存在與否。

目前,多核成像主要是一項研究技術。但是,潛在的應用包括功能成像和在1 H MRI 上看不到的器官成像(例如,肺和骨骼)或作爲替代性造影劑。吸入的超極化3 He可用於成像肺內氣隙的分佈。已經研究了含有13 C或超極化129 Xe的穩定氣泡的可注射溶液,作爲血管造影和灌注成像的造影劑。31P可能會提供有關骨密度和結構以及大腦功能成像的信息。多核成像技術有可能繪製人腦中鋰的分佈圖,這一元素被發現是患有雙相情感障礙等疾病的重要藥物。

MRI分子成像

主條目:分子成像

MRI具有空間分辨率非常高的優點,並且非常擅長形態成像和功能成像。MRI確實有幾個缺點。首先,MRI具有大約10 -3 mol / L 至10 -5 mol / L 的靈敏度,與其他類型的成像相比,這可能是非常有限的。該問題源於以下事實:在室溫下,核自旋態之間的種羣差異很小。例如,在1.5 teslas(臨牀MRI的典型場強)下,高能態和低能態之間的差異約爲每200萬個分子9個。提高MR靈敏度的改進措施包括增加磁場強度和超極化通過光泵浦或動態核極化。基於化學交換的信號放大方案也多種多樣,可以提高靈敏度。

爲了使用MRI實現疾病生物標記物的分子成像,需要具有高特異性和高鬆弛度(敏感性)的靶向MRI造影劑。迄今爲止,許多研究致力於開發靶向MRI造影劑以通過MRI實現分子成像。通常,肽,抗體或小的配體以及小的蛋白質結構域(例如HER-2親和體)已用於實現靶向。爲了增強造影劑的敏感性,通常將這些靶向部分與高有效載荷MRI造影劑或具有高弛豫度的MRI造影劑連接。新型的基因靶向MR造影劑(CA)已被引入,以顯示獨特的mRNA和基因轉錄因子蛋白的基因作用。 這種新的CA可以追蹤具有獨特的mRNA,微小RNA和病毒的細胞;組織對活腦炎症的反應。 MR報告了與TaqMan分析,光學和電子顯微鏡檢查呈正相關的基因表達變化。

主條目:磁共振成像的安全性

MRI通常是一種安全的技術,儘管由於安全程序失敗或人爲錯誤可能會導致受傷。 MRI的禁忌症包括大多數人工耳蝸和心臟起搏器,彈片以及眼睛中的金屬異物。如果沒有造影劑,至少在妊娠中期和中期妊娠中的磁共振成像似乎是安全的。由於MRI不使用任何電離輻射,因此當兩種方式都能產生相同的信息時,通常優先使用CT而不是CT。一些患者患有幽閉恐懼症,可能需要鎮靜

MRI使用強大的磁鐵,因此可能導致磁性材料高速移動,從而帶來彈丸危險。死亡發生了。然而,由於每年全球進行MRI數百萬次,因此死亡的情況極爲罕見。

過度使用

另請參閱:過度診斷

醫學協會發布了有關醫生何時對患者使用MRI的指南,並建議不要過度使用。MRI可以檢測出健康問題或確定診斷,但是醫學界通常建議MRI不是制定診斷或處理患者投訴計劃的第一程序。一種常見的情況是使用MRI尋找下腰痛的原因; 在美國醫師學院,例如,建議不要這個過程不太可能導致對患者產生積極成果。

主要文章:MRI人工製品

的MRI僞影是一個視覺僞像,即,視覺表示中的異常。在磁共振成像(MRI)期間可能會出現許多不同的僞影,其中一些會影響診斷質量,而另一些可能會與病理相混淆。僞像可分爲與患者有關,與信號處理有關和與硬件(機器)有關。

主條目:核磁共振§應用

MRI在工業上主要用於常規化學分析。的核磁共振技術也用於,例如,測量食物水和脂肪之間的比率,在管道中監測腐蝕性流體的流動,或研究分子結構,例如催化劑。

MRI無創且無損害,可用於研究植物的解剖結構,其輸水過程和水平衡。它也用於獸醫放射學以進行診斷。除此之外,由於成本高昂,其在動物學中的應用受到限制。但它可以用於許多物種。 在古生物學中,它用於通過獲取化石的三維幾何來檢查化石的結構。

主條目:磁共振成像的歷史

1971年,保羅·勞特伯(Paul Lauterbur)在斯托尼布魯克大學(Stony Brook University)應用了所有三個維度的磁場梯度和反投影技術創建了NMR圖像。他於1973年在《自然》雜誌上發表了兩管水的第一張圖像,隨後是活着的動物蛤的圖片,並在1974年發表了小鼠胸腔的圖像。勞特伯稱他的成像方法爲zeugmatography,這個術語後來被(N)MR成像所取代。 1970年代後期,物理學家彼得·曼斯菲爾德(Peter Mansfield)和保羅·勞特伯(Paul Lauterbur)開發了與MRI相關的技術,例如回波平面成像(EPI)技術。

在進展半導體技術是實用MRI,這需要大量的發展是至關重要的計算能力。單個集成電路芯片上晶體管數量的迅速增加使這成爲可能。曼斯菲爾德(Mansfield)和勞特伯(Lauterbur)因“與磁共振成像有關的發現” 而被授予2003年諾貝爾生理學或醫學獎。

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