磁共振成像技術新進展

作為一種臨床診斷技術，磁共振成像為人體內部疾病診斷提供了無與倫比的靈活性。

1977年，雷蒙德·達馬迪安（Raymond Damadian）、邁克爾·戈德史密斯（Michael Goldsmith）和勞倫斯·明科夫（Lawrence Minkoff）觀察到癌變組織和健康組織會產生不同的核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）信號，受到這一現象的啟發，他們對人體進行了首次磁 共 振（magnetic resonance imaging，MRI）掃描。早期的臨床MRI掃描耗時幾個小時，并且空間分辨率很低，但是對于辨別健康組織和病變組織已不可或缺。問世40年，MRI已成為大小醫院和診所的必備診斷工具，并且已應用于圖像引導的干預和手術、放射治療、聚焦超聲等。同時，技術進步推動了MRI掃描儀性能的發展，提高了掃描速度和成像的空間分辨率。

在MRI技術發展的前沿，研究工作聚焦于快速、定量成像。除了解剖結構外，臨床診斷對功能信息的需求日益增長，如心肌收縮、腦活動、腫瘤的化學濃度、進出組織的血流等信息。新的MRI技術還必須保持患者的舒適性和安全性。眾所周知，MRI可以使患者免于電離輻射，但并非毫無危害。

MRI工作原理

把生物組織置于磁場中時，具有磁矩的原子核就會磁化。然后施加與原子核的共振頻率（又稱“拉莫爾頻率”）一致的射頻脈沖，使原子核的排列方向與外部磁場不一致，而繞著磁場進動。進動的核反過來感應出拉莫爾頻率的振蕩磁場，這些振蕩是通過在附近線圈產生電動勢的法拉第感應探測到。

實際上，許多原子核必須彼此同相進動才能產生可檢測的信號。進動核之間隨著時間產生的相位相干性損失稱為“T2弛豫”。在外部磁場的作用下，原子核的排列方向最終回到其平衡狀態，這個過程稱為“T1弛豫”。早期的NMR實驗表明，各種組織具有不同的T1和T2弛豫時間。對于某些疾病，包括癌癥，T1和T2任一時間的變化都可以用來辨別病變組織和健康組織。當病變組織與周圍健康組織對X射線的吸收相似的情況下，就難以使用X射線造影或X射線計算機斷層掃描（CT）進行檢測，這時NMR的這一特征就非常有用。

在NMR測量中，可以選擇施加射頻脈沖和讀出來自組織的射頻信號的時間，以便由最短T1弛豫時間的組織產生最強信號。以這種方式選擇時間的測量稱為“T1加權測量”。或者，也可以選擇脈沖序列時序，使最強信號來自具有最長T2弛豫時間的組織，這就是T2加權結果。

在組織中，氫核是數量最豐富的可磁化核。它的旋磁比為42.56 MHz / T，因此對于1.5 T和3 T 的MRI掃描儀，其運轉的拉莫爾頻率分別約為64 MHz和128 MHz。目前，范圍介于0.2 T到7 T之間的磁體用于臨床掃描，在研究環境中則可以進行高達10.5 T的人體掃描。

空間編碼

使用來自組織的NMR信號進行臨床診斷，需要將信號在三維空間進行定位才能成像，MRI掃描儀中的三組電磁梯度線圈完成了該任務。每個電磁梯度線圈分別沿三個正交軸產生線性變化的磁場，并且可以根據所施加的電流來打開和關閉每個梯度，以產生不同的磁場強度。梯度場疊加在主磁場（通常為1.5 T或3 T）上，從而產生隨空間位置變化的拉莫爾頻率。如果在一段時間應用了某一梯度然后關閉，則所有信號都具有相同的頻率，但是信號在梯度打開期間累積的相對相位會發生變化，因為信號的相位會根據在梯度軸上的位置而變化。

頻率編碼（當應用梯度場時采集NMR信號）在一個空間維度上產生隨空間位置變化的共振頻率。相位編碼是沿一個軸施加梯度場一段時間，然后在采集NMR信號之前消除梯度場。在MRI中，沿著相互垂直的兩個軸分別進行頻率編碼和相位編碼，從而在二維空間對信號進行定位。

梯度還可以對組織的斷層掃描切層進行選擇性成像。通過在切層平面上施加正交磁場梯度，可以改變原子核的共振頻率，以便僅將感興趣切層中的共振頻率與用于激發組織的入射射頻磁脈沖的頻率匹配。許多臨床MRI使用該方法。當依次進行面內頻率和相位編碼以及數據讀出時，只有那些在所需位置且在所選切層厚度內的核才會產生信號。

早期的MRI使用各種技術在空間上排列信號以產生圖像。但是，保羅·勞特布爾（Paul Lauterbur）和彼得·曼斯菲爾德（Peter Mans field）開發的空間編碼方法已成為當今臨床MRI的標準，他們在2003年獲得諾貝爾生理學或醫學獎。磁共振掃描通常是涉及切層選擇性激發的迭代過程，然后進行相位編碼、頻率編碼和信號檢測，如此這般重復數百次，才產生一張組織的切層圖像。每次，臨床醫生使用不同的相位編碼梯度強度，采集每個周期內組織發出的射頻波形，然后將其存儲在稱為“k空間”的矩陣的一行中，該矩陣以波數或空間頻率命名。

梯度空間編碼具有將來自組織的信號變化分解為空間頻率的傅立葉級數的效果。所采集的射頻波形表示信號強度的空間頻率，并且k空間數據的2D傅立葉逆變換可以產生組織的二維圖像。使用快速傅立葉變換技術，可以快速高效進行MRI圖像重建，并且在掃描完成后幾乎立即會在屏幕上顯示數十乃至數百張圖像。

在MRI掃描中，射頻發射器、接收器和梯度線圈的激發次數和相對時間形成脈沖序列。該序列是確定所采集信號量和編碼在圖像中的NMR信息類型（例如對比度加權）的配方。

由訓練有素的放射科醫生對加權圖像進行定性評估是有效的診斷工具（示例參見圖1），但是為了改善診斷，醫生越來越關注組織參數的定量測量。水擴散率和化學濃度可以定量測量。但是，T1和T2加權圖像中的信號強度通常是相對的，不能表示成像組織中T1或T2弛豫時間的絕對定量測量。這樣的測量是可能的，并且進行該測量的有效技術是研究的熱門領域。圖2顯示了正常和囊性纖維化患病肺組織的定量T1測量值的差異。由于信號水平本來就很低，因此很難使用定性MRI對肺組織進行成像，但是定量T1圖可清晰顯示疾病。

圖1 T1加權（左）和T2加權（右）的大腦MRI

圖2 健康志愿者（左）和囊性纖維化（CF）患者（右）的肺部定量T1 MRI

T1是指使組織中的原子核在磁場中恢復到其平衡排列狀態所需的時間，而T2是指原子核失去其相位相干性所需的時間。可以選擇射頻脈沖的時間，使MRI信號來自具有最短T1時間或最長T2時間的組織。這些不同的脈沖時間形成的圖像說明：在同一組織中，如何調節MRI以產生不同的信號強度。充滿液體的心室（箭頭）在T1加權圖像上比大腦組織暗，在T2加權圖像上比大腦組織亮。

CF患者肺部的T1值較低，表明流向瘢痕肺組織的血流減少。研究人員希望使用這些T1的測量值來監測疾病進展和治療效果。

造影增強

在X射線成像中，放射科醫生可以使用造影劑（例如鋇和碘）填充血管、腸道等難以看見的結構。在血液中流動的造影劑會極大減弱輻射，并使血管本身的成像以及組織中血液輸送位置的確定變得非常容易。

在MRI中，主要的造影劑是釓，它能與各種分子結合以防止與人體發生毒性相互作用。游離的Gd3+離子與Ca2+代謝競爭。順磁性的釓核形成強大的局部磁場，并大大縮短附近氫核的T1弛豫時間。結果，如圖3所示，液體或組織中的釓造影劑增加了T1加權MRI的局部亮度。

腫瘤（箭頭）在沒有造影劑的情況下只是輕微可見。腫瘤中形成的新血管導致大量吸入造影劑，使得腫瘤在造影增強的圖像中更加明顯可見。

圖3 沒有（左）和有（右）釓造影劑的大腦的T1加權圖像

幾種商業的釓類造影劑常常用于所有身體部位疾病的MRI檢查中，兩個主要的安全問題是螯合物的穩定性和造影劑在組織中的殘留。經過很長一段時間后，大多數螯合物最終會分解并釋放出游離的Gd3+離子。如果此過程的持續時間比造影劑從體內清除的時間長得多，則不用考慮安全問題。但是，如果造影劑在組織中保留的時間足以使螯合物分解，則毒性確實會成為問題。最近的研究表明，某些組織保留釓類造影劑的時間，可能比人們以前懷疑的時間要長得多。

快速成像

在MRI中，獲取圖像需要時間，每個圖像通常需要2-5分鐘。采集掃描數據時，患者經常必須以不自然的姿勢躺著不動。某些掃描受到患者非自愿運動（心跳或腸道蠕動）的影響，為了捕獲那些運動結構的清晰圖像，快速掃描至關重要。醫生可以指導患者控制呼吸和吞咽，但是患者能確實屏住呼吸或保持靜止的時間有限。

為了縮短掃描時間，可以犧牲很多圖像質量參數，但是這樣做可能會限制醫生做出自信診斷的能力。縮短掃描時間還會降低空間分辨率，生成顆粒狀有斑點的圖像。所謂的“并行成像技術”提高掃描速度的方法是：使用置于感興趣的組織周圍不同位置的射頻接收器線圈的相控陣列。為了縮短掃描時間，采集的數據點少于空間分辨率掃描視野（ field of view，FOV）通常所需的數據點。

在一類并行MRI技術中，放射科醫生保持空間分辨率，但對數據進行欠采樣以節省時間，這一過程產生的視野較小。他可能會合并一組較小的視野以產生較大的視野，在這種情況下，陣列中的每個線圈都需要校準。這些靈敏度編碼（SENSE）方法為空間編碼提供了新功能：組織在多個接收器線圈中產生的相對信號、補充頻率和相位編碼的信息。在另一類并行MRI技術中，在掃描過程中省略一些k空間數據以節省時間，在重建之前進行合成。

并行成像可加快采集實現良好空間分辨率所需的所有樣本的過程，壓縮感知則可以進一步加快掃描速度。該技術完全省去部分采樣以節省掃描時間，數據用離散余弦和小波變換來處理，該方法廣泛應用于數字攝影和視頻的圖像壓縮。這些數據變換會生成所需空間分辨率的MR圖像，但是從通常需要的部分測量數據中生成MR圖像。實質上，較小的數據集包含了 MR圖像的壓縮版本；在圖像重建時，該壓縮版本使用這些數據變換進行解壓。

通過將并行成像與壓縮感知相結合，無需患者屏住呼吸即可進行高質量的肝臟或肺部掃描。現在掃描跳動心臟的圖像可以比以前更快、質量更高。

乳腺MRI

近來，由于政府和專業醫療機構對篩查各種女性群體的乳腺癌的建議存在分歧，用于乳腺癌篩查的乳腺 X 射線攝影已引起爭議。MRI長期以來一直用于完善乳腺癌的診斷，在高風險人群（乳房密實或有乳腺癌家族史的女性中），MRI是一種成功的篩查手段。

MRI通常可以在更早可治療的階段檢測出癌癥，這些癌起初很小，但具有侵襲性、快速增長且更容易轉移。乳腺X 射線攝影最適合對相比周圍組織致密，包含鈣化或使周圍組織變形的腫瘤進行成像。這些大的結構變化不太可能在早期癌癥中顯現出來，并且一些證據表明，侵襲性癌癥甚至可能在擴散之前未發展出組織變化。使用注射的釓造影劑，MRI可以突出早期癌癥的微觀組織變化，例如T2的變化、水擴散率的變化或血液流向某些位置。

乳腺MRI的高靈敏度將為所有需要篩查的患者帶來福音，但由于成本和時間的限制，廣泛的篩查從未實現過。進行乳腺MRI篩查的診所通常借用診斷問題求解工作中的方案。這意味著花費20-40分鐘掃描患者，就可以獲取具有幾種不同對比度加權的圖像，可以獲得造影劑注入組織后的圖像，最佳確定病變的位置、大小、類型和預后。

這些掃描產生了龐大而復雜的數據集。放射科醫生從每個圖像系列中辨別出待診斷的病變是惡性還是良性，并評估其侵襲性。在一個小時的時間里，乳腺放射科醫生通常可以解讀數十張乳腺X 射線攝影照片，卻只能進行少量MRI檢查。

研究人員一直在努力克服乳腺MRI的這些局限性，讓更廣泛的人群接受乳腺MRI篩查。要實現乳腺MRI篩查的大規模應用，就要在重新設計成像方案上取得突破，要著眼于檢測靈敏度和速度，同時避免表征腫瘤通常所需的額外掃描。

在快速篩查乳腺MRI時，同時對雙乳進行單次掃描；注入釓造影劑，然后重復相同的掃描。從第二張圖像中減去第一張圖像，理想情況下，這樣就將第二張掃描圖像中含有造影劑位置之外的所有組織從視圖中去掉。使用所謂的“最大強度投影技術”（maximum intensity projection，MIP）將成像組織的各個切層融合成立體圖像。這種融合使放射科醫生可以查看偽3D切層中的所有造影劑流信息，而無需滾動查看單個切層的圖像（參見圖4和本文標題頁上的圖像）。因此，在進行3分鐘的MRI掃描后，放射科醫生可以在幾秒鐘內輕松檢測出吸收新血流的腫瘤。

圖4 快速篩查乳腺MRI

a.在沒有造影劑的T1加權圖像中，看不到明顯異常。

b.將造影劑注入組織后，這張T1加權圖像顯示了容易看到的大病變（箭頭）。

c.圖b減去圖a后的圖像改善了腫瘤的可見度和致密腺體組織的亮度。

d.所有相減后的切層（例如圖c）的所謂最大強度投影顯示了其他小的病變（箭頭），包括對側乳腺中的病變。放射科醫生通過查看這種類型的一張圖像，可以比逐一查看數十張切層圖像更快檢測到所有可疑病變。

磁共振指紋

磁共振指紋（magnetic resonance fingerprinting，MRF）是最近的一項進步，它采用了截然不同的方法來快速獲取和處理信號數據。平時，MRI掃描通常僅用于檢測和定位可能的疾病，而最終的診斷則取決于活檢和組織病理學分析。放射科醫生借助更強大的工具來表征組織，可以直接從MRI掃描中進行明確的診斷，從而能減少不必要的侵入性活檢。這樣做既可以節省時間和成本，還可以避免病人的痛苦和可能的并發癥。

MRF技術在概念上類似于執法機構用來識別人的指紋技術。人指尖上的脊紋不包含關于個人的有趣或有用細節。但是，它是獨一無二的，可以與數據庫中的人員信息進行匹配，獲得一套更豐富的人員識別信息。

MRF的操作方式如下：合成一個脈沖序列，其參數諸如脈沖之間的重復時間和施加到組織的射頻功率等偽隨機變化。（在常規MRI中，在生成和讀取空間編碼信號時，保持這些參數恒定非常重要。）給定組織的T1和T2弛豫時間，計算機模擬組織根據脈沖序列理論上產生的信號。然后用NMR布洛赫方程計算組織的響應，該方程描述了組織的磁化強度隨時間的變化。

根據數值各異的眾多T1和T2組合，創建一個信號模型的響應庫。響應可能不代表真實的身體組織，但每個響應都在數學上代表T1和T2值的唯一組合的物理響應。MRF掃描使用合成MRF脈沖序列掃描患者（通過空間編碼生成圖像），記錄實際MRF信號并將其與響應庫中的信號進行比較。對于每個像素，確定記錄的MRF信號與庫中的響應之間的最佳匹配，并將庫匹配的T1和T2值分配給該像素。

該方法使得臨床醫生從單次掃描中就能完全確定T1和T2值。組織響應與響應庫信號的匹配過程對噪聲相對不敏感。因此，非常快速的MRF采集可以可靠提供穩定的定量結果，而無需更長的掃描時間即可實現高信噪比。

從MRF庫中提取每個體素的T1和T2值后，這些值可以顯示為定量圖。（圖5顯示了一個示例。）此外，可以計算每個體素對常規MRI脈沖序列的響應，因此MRF數據可用于合成常規的T1或T2加權圖像，而無需花費額外的掃描時間來獲得加權圖像。

在這張人的心臟圖像中，MRF技術提供了T1、T2和質子密度的定量圖。三張圖像都來自同一次掃描，而常規MRI需要至少三次單獨的掃描才能采集同樣的信息。目前正在進行臨床MRF研究，來衡量疾病和損傷對這三個參數的影響。

圖5 磁共振指紋

使用組織的定量圖像，臨床醫生就有可能在常規加權圖像上，補充他們對解剖學和病理學表現的定性評估。加上其他研究，他們就可能使用MRF直接和明確確定具體的疾病特征。該過程將簡化根據定性表現和定量測量結果鑒定疾病或判斷其嚴重程度的任務。

放射治療

在治療癌癥和其他疾病時，圖像引導放射治療（Image-guided radiation therapy，IGRT）越來越依賴MRI，IGRT的兩個關鍵環節是治療計劃和治療過程的在線圖像引導。治療計劃利用治療前掃描的圖像來確定放射束的位置，施以有針對性的劑量，進而破壞病變。在在線圖像引導中，現代治療儀利用在治療期間拍攝的圖像來修正靶向，并考慮到患者的運動以及腫瘤形狀和位置的變化。

為了在保護健康組織的同時，向腫瘤施以大量而精確的輻射，放射治療需要有關組織環境的詳細信息。在這方面，CT很有用，因為它的圖像是光子衰減圖。臨床醫生通過掃描校準體模來測量掃描儀的響應，并使用患者的CT圖像來模擬治療將在何處沉積能量。然后可以模擬和優化治療方法，以破壞腫瘤并避免對周圍組織的損害。

CT圖像是確定輻射劑量在治療區域沉積情況的良好模型，但它們通常無法清晰顯示腫瘤本身。然而，當放射腫瘤學家在確定如何靶向治療時，腫瘤的可見度至關重要。MRI克服了這一難題：有很多對比度加權選項可以控制組織顯示的明暗程度，幾乎總是有方法可以將腫瘤與周圍的軟組織區分開。

遺憾的是，沒有將MRI圖像翻譯成輻射衰減圖的直接方法。NMR信號產生于原子核的磁性行為，而磁性行為與控制X射線吸收和散射的軌道電子行為之間的關聯性很差。因此，MRI圖像雖然能最好顯示靶點病變，但要用它對輻射劑量分布進行精確建模卻非常困難。

放射腫瘤學家通過兼用CT和MRI掃描患者來尋求兩全其美。盡管圖像融合技術利用剛性結構（如骨頭）對齊多個圖像，但是，把在MRI圖像上確定的靶點投影到CT圖像集上來制定放射治療計劃時，兩次掃描中患者姿勢或呼吸運動之間的細微差異可能會產生誤差。在放射治療中，即使是幾毫米的未對準都可能會嚴重傷害健康組織，或使部分侵襲性腫瘤得不到治療。

為了解決這個問題，醫生和科學家正轉向機器學習技術，從多個MRI圖像集中提取信息，不用X射線圖像就能確定組織的輻射衰減。這些算法中的許多算法都可以根據MRI數據重建“偽CT”圖像（光子衰減圖）。該方法通過一次掃描即可提供腫瘤可見度和輻射劑量分布，不會因將患者重新放在另一臺掃描儀上而帶來失誤。

在制定治療計劃期間難以使用X射線成像看到的腫瘤，也難以在實時治療期間進行監測。放射治療的趨勢是在每個治療階段對腫瘤施以更高、更集中的輻射劑量。這樣做減少了出現誤差的空間余量，更加重視管理運動結構的技術。在治療過程中對靶點進行實時成像和跟蹤是一種強大的方法，而MRI具有顯著的成像優勢。

在放射治療期間對患者進行MRI也帶來了基本挑戰。直線加速器是現代放射療法的常用工具，但磁場會干擾其運行，實際上，強磁場可以完全切斷電子束。為了研制第一臺MRI引導的商用放射治療儀，工程師轉向放射治療的早期支柱——鈷-60遠程治療儀。磁場的存在不會影響鈷-60中的γ射線產生，儀器設計人員能夠集中精力解決其他問題，例如集成成像、治療設備以及定制機械元件在磁體內部的功能。

將系統安裝到診所和醫院后，放射腫瘤學家就可以使用在治療室獲得的MRI掃描來治療患者，而醫學物理學家專注的問題則是在強磁場中測量和校準治療束，以及了解劑量分布變化。特別是，當治療束被吸收或在組織中發生散射時，會釋放高能電子，它們通常被附近的組織吸收，在治療計劃中要考慮這種結果。在磁場中，這些電子的路徑會發生偏轉，并且必須在治療計劃中對偏轉進行建模，以確定準確的輻射劑量。

MRI引導的鈷-60療法為MRI引導的放射治療打開了大門，但是許多使用直線加速器進行的治療無法在鈷-60系統上進行。對開發集成式MR引導直線加速器的追求，催生了世界各地研究中心的創新系統，并且商業系統現已投放市場。

物理學家已經能夠在治療室中產生用于實時MRI的強大而均勻的磁場，同時消除對附加的直線加速器的磁場干擾。盡管在放射治療過程中如何優化MRI掃描以達到最佳治療效果，還有很多知識要學習，但是，該技術在身體各個部位和各種疾病類型的放射治療和放射外科手術中具有廣泛的應用。

資料來源 Physics Today