磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）是一种基于核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)原理的医学成像技术，利用磁场和射频电波形成人体解剖或生理过程的图像。在人类和其他生物有机体中，氢原子含量丰富，最常用于检测。MRI检查过程如下：无线电波脉冲激发位于磁场中的氢原子，氢原子产生能量跃迁，发出射频信号，该信号由位于待检测器官周围的天线接收，经过图像处理，形成图像。MRI通过磁场梯度将信号进行空间定位；通过改变脉冲序列参数，在不同组织之间产生不同的信号强度，从而形成图像对比度。氢原子在水和脂肪中含量尤其丰富，因此，大多数磁共振图像可认为绘制体内水和脂肪的分布。
MRI所在的磁共振成像室隶属于医院放射科。MRI不涉及电离辐射，这是区别于计算机断层扫描（Computed Tomography, CT）、计算机辅助测试扫描（CAT扫描）和正电子发射断层扫描（Positron Emission Tomography, PET）成像方式的最大地方。与CT相比，MRI可让身体不暴露于电离辐射下并产生多种信息。尽管如今在大多数医疗环境中X光可以得到良好的控制，但MRI仍被认为是一种比CT更好的选择。磁共振扫描也可能带来风险和不适。与CT相比，MRI通常耗时更长，噪音更大，并且通常需要受试者进入狭窄、受限的管道。此外，体内存在某些医疗植入物或其他不可移除金属的病人无法接受核磁共振检查。
磁共振成像最初被称为核磁共振成像(Nuclear Magnetic Resonance Imaging, NMRI)，但为了避免负面联想，省略“核”字。[1]自20世纪70、80年代以来，MRI不断发展，现已被证明是一种多功能成像技术，广泛用于疾病的诊断、分期、预后和病人随访。虽然磁共振成像主要应用于在医学诊断和生物医学研究中，但它也可以用于非生物物体的成像。除了详细的空间图像之外，磁共振成像还能够产生各种化学和物理数据。不过，磁共振成像需求的持续增长导致了医疗卫生系统对成本效益与过度诊断的担忧。[2]
为了进行研究，将病人置于磁共振扫描仪内，该扫描仪在要成像的区域周围形成强磁场。在大多数医疗应用中，在含有水分子的组织中的质子(氢原子)会产生一种信号，该信号被处理以后形成身体部位的图像。首先，来自振荡磁场的能量以合适的共振频率被临时施加到病人身上。这时受激的氢原子发出一种射频信号，由接收线圈进行测量。无线电信号可以通过梯度线圈改变主磁场来编码位置信息。当这些线圈快速打开和关闭时，它们会产生磁共振成像扫描特有的重复噪声。不同组织之间的对比度由受激原子返回平衡状态的速率决定。外源性造影剂可以使图像更清晰。
磁共振扫描仪的主要组件有用于极化样本的主磁体、用于校正主磁场均匀性偏移的匀场线圈、用于定位磁共振信号的梯度系统、和激发样本并检测所得磁共振信号的射频系统。整个系统由一台或多台计算机控制。
磁共振成像需要一个既强又均匀的磁场。磁场的场强是用特斯拉来衡量的–大多数系统的工作场强为1.5个特斯拉，但商用系统场强介于0.2和7特斯拉之间。大多数临床用超导的磁体，需要用到液氦。较低的场强可以通过永磁体获得，通常用于致幽闭恐怖症的病人进行“开放式”磁共振成像扫描仪。[3]最近，磁共振成像在超低场强下也进行了成功的演示，（即微特斯拉到毫特斯拉的范围内），通过预极化(约为10-100 毫特斯拉)和利用高灵敏度超导量子干涉器件(SQUID )测量约100微特斯拉的拉莫尔进动场，可以获得足够高的信号质量。[4][5][6]
每个组织在受激后通过独立的弛豫过程T1(自旋晶格；与静态磁场方向相同的磁化)和T2 ( 自旋-自旋；横向于静态磁场)回到其平衡状态。为了创建T1加权图像，允许磁化在通过改变重复时间 (TR)测量磁共振信号之前恢复。该图像加权有助于评估大脑皮层、识别脂肪组织、表征肝脏局灶性病变、以及通常获得形态学信息和对比后成像。为了创建T2加权图像，允许磁化强度在通过改变回波时间 (TE)来测量磁共振信号之前衰减。该图像加权有助于对于检测水肿和炎症、揭示脑白质损伤、和评估前列腺和子宫中的解剖带区。
磁共振成像图像的标准显示是在黑白图像中表示流体特征，其中不同的组织表现如下:
| 信号 | T1加权 | T2加权的 |
|---|---|---|
| 高亮 | ||
| 中 | 灰质比白质暗[9] | 白质比灰质暗[9] |
| 低亮 |
磁共振成像在医学诊断中有广泛的应用，据估计全世界有超过25000台扫描仪在使用。[10]在许多专科领域中，磁共振成像会影响诊断和治疗方案，但对改善健康结果的影响尚不确定。[11]
磁共振成像是研究直肠癌和前列腺癌术前分期的一种手段，并在其他肿瘤的诊断、分期和随访中发挥一定作用。[12]
神经影像
与CT相比，磁共振是研究神经系统癌症更好的工具，因为它能更好地显示包含脑干和小脑在内的后颅窝区域。灰质和脑白质之间的对比度使磁共振成像成为研究中枢神经系统许多疾病的最佳选择，包括脱髓鞘病、痴呆、脑血管疾病、传染疾病、阿尔次海默病和癫痫。[13][14][15]由于许多图像拍摄间隔为毫秒，它能显示大脑对不同刺激的反应，使研究人员能够同时研究心理疾病中大脑功能和结构的异常。[16]磁共振成像也用于指导 立体定向和放射外科手术，使用被称为 N-定位器的装置来辅助治疗颅内肿瘤、动静脉畸形和其他可手术治疗的疾病。[17][18][19]
心血管
心脏磁共振成像是对其他成像技术的补充，如超声心动图、心脏CT 和核医学。其应用包括评估心肌缺血和存活能力、心肌疾病、心肌炎、铁超载、血管疾病和先天性心脏病。[20]
肌骨骼
在肌肉骨骼系统中的应用包括脊柱成像、关节疾病评估和软组织肿瘤。[21]
肝脏和胃肠道
肝胆磁共振用于检测和表征肝脏、胰腺和胆管的病变。肝脏的局灶性或弥漫性疾病可以使用扩散加权、反相位成像和动态对比度增强序列来评估。细胞外源造影剂广泛用于肝脏磁共振成像，新的肝胆造影剂也提供了功能性胆成像的机会。胆管的解剖成像是通过磁共振胰胆管成像(MRCP)中使用重T2加权序列实现的。胰腺的功能成像是在给予分泌素后进行。磁共振肠动描记法提供了炎症肠病和小肠肿瘤的非侵入性评估。磁共振结肠成像可能在检测那些“有结肠直肠癌风险增加的”患者的大息肉中发挥作用。[22][23][24][25]
血管造影术
磁共振血管造影术 (MRA)用生成动脉图像来评估它们的狭窄(异常收窄)或动脉瘤(血管壁扩张，有破裂风险)。磁共振血管造影术通常用于评估颈部和大脑的动脉、胸部和腹部的主动脉、以及肾和腿部动脉(称为“径流”)。血管造影术可以使用多种技术来生成图像，例如施用顺磁性造影剂(钆)，或使用称为“流动相关增强”的技术(例如，2D和3D时间飞跃法)，其图像上的大多数信号是来自于最近移动到该平面的血液(另见:快速小角度激发成像 )。
涉及相位累积的技术(称为相位对比血管造影术)也可用于轻松准确地生成流速图。磁共振静脉造影(MRV)是一种用于静脉成像的、类似的方法。在这种方法中，受检测组织处于低于受激的位置，而信号收集则在紧靠激发平面上方的平面中——从而对最近从激发平面移动过来的静脉血进行成像。[26]
对解剖结构或血流进行磁共振成像时不需要造影剂，因为组织或血液的不同性质提供了天然对比度。然而，对于更具体类型的成像，外源性造影剂则需要通过静脉内、口服、或关节内给药。[27]最常用的静脉造影剂是基于钆的螯合物。[27]总的来说，事实证明，这些制剂比x光照相术或CT中使用的碘造影剂更安全，过敏样反应十分少见，发生率大约为0.03–0.1%。[28]尤其引人注意的是，与常规剂量的碘化试剂相比，磁共振造影剂的肾毒性的发生率更低——这使得造影增强磁共振成像扫描成为肾功能损害患者的一种选择（在这些患者无法进行造影增强CT 时）。[29]虽然钆剂已被证明对肾功能损害患者是可用，但在需要透析的严重肾衰竭患者中，仍存在罕见但严重的疾病风险，肾发生的系统性纤维化可能与某些含钆剂的使用有关。关联性最高的是钆双胺，但其他造影剂也有相关性。[30]虽然因果关系尚未明确，但目前美国的指导方针是，透析患者只应在必要时接受钆剂，透析应在扫描后尽快进行，以迅速地从体内清除钆剂。[31][32]
在欧洲，含钆剂越来越多，并根据潜在风险对制剂进行了分类。[33][34]最近，一种名为“ gadoxetate ”的新造影剂(商标名为Eovist(美国)或Primovist(欧盟))被批准用于诊断用途：这种造影剂理论上具有双重排泄路径的优势。[35]
一个磁共振成像序列是一组射频脉冲和梯度的特定设置，产生特定的图像画面。[36] 加权也可以被描述为磁共振成像序列。
总览表
此表不包括 罕见和实验用序列.
| 分组 | 序列 | 缩写 | 物理原理 | 主要临床上的分别 | 例子 |
|---|---|---|---|---|---|
| 自旋回波 | T1 加权 | T1 | 通过短重复时间TR和回拨时间TE来测量自旋晶格的弛豫 | · 对于含水多的物质显示为低亮度信号, [39] 比如水肿、肿瘤、梗塞、炎症、感染、超急性或慢性出血i · 脂肪显示为高亮信号[39][40] · 顺磁性物质显示为高亮信号， 比如磁共振造影剂[40] 用来作为比较其他序列的基础 |
|
| T2 加权 | T2 | 通过长重复时间TR和回拨时间TE来测量自旋-自旋的弛豫 | · 对于含水多的物质显示为高亮度信号[39] · 脂肪显示为低亮信号[39] · 顺磁性物质显示为低亮信号， 比如磁共振造影剂[40] 用来作为比较其他序列的基础 |
||
| 质子密度加权 | PD | 长重复时间 TR(减小 T1)和短回波时间TE (减小 T2)[41] | 关节疾病和损伤.[42] 高亮信号显示半月板撕裂[43](图示) |
||
| 梯度回波 (GRE) | 稳态自由进动 | SSFP | 在连续循环中保持稳定的残余横向磁化.[44] | 创建心脏磁共振成像视频 (图示).[44] | |
| 有效 T2 或 "T2-star" |
T2* | 以小翻转角进行后激励再聚焦梯度回波.[45] | 低亮信号显示铁黄素沉积 (图示) 和出血.[45] | ||
| 反转恢复 | 短时间反转恢复 | STIR | 通过设定脂肪信号为零的反转时间来抑制脂肪显示[46] | edema水肿为高亮信号， 比如在严重的应力性骨折中[47] Shin splints胫骨夹板图示 | |
| 液体衰减反转恢复 | FLAIR | 通过设置使流体无效的反转时间来抑制流体显示 | 高亮信号显示 腔隙性脑梗死，多发性硬化（MS）斑块，蛛网膜下腔出血 和 脑膜炎图示).[48] | ||
| 双反转恢复 | DIR | 通过两个反转时间同时抑制脑脊液和白质的显示[49] | 多发性硬化斑块的高亮信号(图示)[49] | ||
| 扩散加权(DWI) | 常规的 | DWI | 测量水分子的布朗运动[50] | 高亮信号显示脑梗死后几分钟内的图像.[51] | |
| 表观扩散系数 | ADC | 用不同扩散加权的多重常规扩散加权图像来减小T2加权，并且该变化与扩散性相对应[52] | 低亮信号显示脑梗死后几分钟内的图像[53] | ||
| 扩散张量 | DTI | 主要通过神经纤维方向上水分子整体性更大的布朗运动来进行示踪成像[54] | · 评估肿瘤引起的白质变形[54] · 神经纤维各向异性的降低可能预示痴呆[55] |
||
| 灌注加权(PWI) | 动态磁敏感对比 | DSC | 注入钆造影剂， 对量化敏感性引起的信号丢失进行快速重复成像（通常为梯度回波回波平面T2加权）[56] | 在脑梗塞中, 梗塞核心和半影 降低了灌注 (图示).[57] | |
| 动态对比增强 | DCE | 测量钆对比剂引起的自旋晶格弛豫(T1)的缩短[58] | |||
| 动脉自旋标记 | ASL | 感兴趣的区域成像板下方的动脉血的磁性标记[59]，它不需要钆对比剂[60] | |||
| 功能性磁共振 (fMRI) | 血氧水平依赖成像 | BOLD | 血红蛋白 的氧饱和度依赖性磁性变化反应组织的活动.[61] | 用于在手术前定位高度活跃的大脑区域，也用于认知研究[62] | |
| 磁共振血管造影(MRA) 和静脉造影 | 时间飞跃法 | TOF | 当进入成像区域的血液还未达到磁饱和时， 使用短回波时间和流量补偿能发出更强的信号. | 动脉瘤，狭窄，或剥离的检测[63] | |
| 相位对比磁共振成像 | PC-MRA | 用两个大小相等但方向相反的梯度来编码相移，该相移与自旋速度成比例.[64] | 动脉瘤，狭窄，或剥离的检测[63] | (VIPR) | |
| 磁敏感加权 | SWI | 对血液和钙敏感，通过充分流动补偿、长回声、梯度回波(GRE)脉冲序列来利用冉组织间的磁敏感性 | Det检测少量出血（弥漫性轴索损伤，图示）或 钙[65] | ||
磁共振波谱学
磁共振光谱 (MRS)是用于测量身体组织中不同代谢物水平的。磁共振信号产生对应于受“激发”同位素的不同分子排列的共振光谱。该信号用于诊断某些代谢紊乱，尤其是影响大脑的代谢紊乱，[37]并提供关于肿瘤代谢的信息。[38]
磁共振光谱成像(MRSI)结合了光谱和成像的方法，从样本或患者体内产生空间定位光谱。它的空间分辨率要低得多(受到可用信噪比( SNR )的限制)，但每个体素中的光谱包含许多代谢物的信息。由于可用的信号被用于编码空间和频谱信息，MRSI要求的高信噪比只有在较高场强(3 T及以上)时才能实现。[39]由于它的高获取和维护成本（极高场下强磁共振成像），[40]限制了它的普及程度。然而，最近基于压缩传感的软件算法(例如， SAMV [41])已经被提出来实现超分辨率，而不需要如此高的场强。
实时磁共振成像
实时磁共振成像指的是对运动物体(如心脏)的实时连续成像。自21世纪初以来，实时磁共振成像发展出了许多不同的策略，其中的一个是基于径向快速小角度激发磁共振成像和迭代重建。它能实现20-30毫秒的时间分辨率（对于平面内1.5–2.0毫米的图像分辨率）。[42]对于血池和心肌之间的图像，平衡稳态自由进动成像比快速小角度激发磁共振成像具有更好的对比度，但当磁场（B0）不均匀性比较高时，会产生严重的带状伪影。对于心脏和关节疾病，实时磁共振成像可能提供重要信息，并且在许多情况下可能会使磁共振成像检查对患者来说更容易和舒适，特别是对于不能屏住呼吸或患有心律失常的患者。[43]
介入性磁共振成像
由于对患者和操作者没有有害影响，使得磁共振成像非常适合于介入性放射学，磁共振成像扫描仪产生的图像用于指导微创手术，这种手术中不能使用铁磁仪器。[来源请求]
介入磁共振成像的一个特殊的不断增长的分支为术中磁共振成像，其中核磁共振成像被用于外科手术过程中。一些专门的磁共振成像系统允许成像与外科手术同时进行。更典型的是，外科手术暂时中断，以便磁共振成像可以评估手术的成功与否或指导后续的外科工作。[44]
磁共振引导聚焦超声术
在引导疗法中，由磁共振热成像控制的高强度聚焦超声(HIFU)束聚焦在组织上。由于焦点处的高能量，高温（上升到65摄氏度/150华氏度以上）完全破坏了组织，该技术可以实现病变组织的精确消融。磁共振成像不仅提供了目标组织的三维视图，使得超声能量能够精确聚焦，还提供了治疗区域的定量、实时的热图像，这使得医生能确保超声能量的每个循环期间产生的温度足以引起目标组织的热消融，如果温度没达到，则能随时调整参数以确保疗效。[45]
多核成像
在磁共振成像中, 氢核具有最频繁的成像频率，因为它大量的存在于生物组织中，并且它的高旋磁比能发出了强信号。然而，任何具有净核自旋的核都可以用来核磁共振成像。这些核包括氦 -3、锂 -7、碳 -13、氟 -19、氧-17 、钠 -23、磷 -31和氙-129 。在人体内天然地富含Na-23和磷-31，因此可以直接成像。气态同位素，如氦-3或氙-129则必须先超极化，然后吸入（因为它们的核密度太低，在正常条件下不能产生有用的信号）。氧-17和氟-19则能够以液体形式给以足够的量(例如氧-17水）而不必超极化。使用氦或氙的优点是降低了背景噪声，从而提高了图像本身的对比度，因为这些元素通常不存在于生物组织中。[46]
此外，任何具有净核自旋并与氢原子结合的原子核都可能通过异核磁化传递磁共振（heteronuclear magnetization transfer MRI）来成像，该成像将对高旋磁比氢核而不是与氢原子结合的低旋磁比核进行成像。[47]原则上，异核磁化传递磁共振成像可以用来检测特定化学键的存在与否。[48][49]
多核成像目前主要是一种还在研究的技术。然而，潜在的应用包括功能成像和器官成像（如应用在氢核磁共振成像效果较差的肺和骨骼)，或作为替代造影剂。吸入超极化氦-3可以用来描绘肺部空气空间的分布。包含碳-13可注射溶液或超极化的稳定气泡氙-129已被研究作为血管造影和灌注成像的造影剂。磷-31可能提供关于骨密度和结构的信息，以及大脑的功能成像。多核成像还具有绘制锂元素在人脑中分布的可能性，这种元素被认为是双相情感障碍患者的重要药物。
磁共振分子成像
磁共振成像具有很高的空间分辨率，非常擅长形态成像和功能成像，然而磁共振成像还有几个缺点。首先，磁共振成像的灵敏度约为10-3到10-5摩尔/升，与其他类型的成像相比，这个范围是非常有限的，这个问题是由于室温下核自旋态之间的总体差异非常小。例如，在1.5特斯拉这样的临床MRI的典型场强下，高能态和低能态之间的差异约为每200万个分子中有9个。提高磁共振灵敏度的改进包括增加磁场强度，以及通过光泵超极化或动态核极化，还有多种基于化学交换的信号放大方案可以提高灵敏度。[来源请求]
为了实现疾病生物标志物的分子成像，需要用到具有高特异性和高弛豫性(灵敏度)的靶向磁共振造影剂。迄今为止，许多的研究致力于开发靶向磁共振成像造影剂来实现磁共振分子成像。通常，肽、抗体、小配体、以及小蛋白质结构域，如HER-2（生长因子受体）结合体，已被应用于实现靶向性。为了提高造影剂的灵敏度，这些靶向基团通常与具有高负载或高弛豫性的磁共振造影剂相连。[50]一类新兴的靶向磁共振造影剂是基因靶向的，它能够显示特定的信使核糖核酸（mRNA）和基因转录因子蛋白的基因行为。[51][52]这种新的造影剂可以追踪具有独特信使核糖核酸、微核糖核酸、和病毒的细胞；成像组织对脑中的炎症起反应。[53]磁共振报告显示，基因表达的变化与探针法分析、光学和电子显微镜检测呈正相关。[54]
在英国，临床用1.5特斯拉磁共振扫描仪的价格约为92万英镑/1.4百万美元，终生维护成本与购买成本大致相当。[55]在荷兰，磁共振扫描仪的平均成本约为100万欧元，[56]乌得勒支大学医学中心在2007年12月使用了7特斯拉磁共振成像仪，花费了700万欧元。[57]磁共振成像套件的建造成本可能高达50万美元/37万欧元以上，视项目范围而定。使用电阻电磁体的预极化磁共振成像(PMRI)系统已经显示出作为低成本替代方案的前景，并且对于金属植入物附近的关节成像具有明确的优势；然而，它可能不适用于常规的全身或神经成像中应用。[58][59]
磁共振成像扫描仪已经成为美国医疗保健提供商的重要收入来源。这是因为保险公司和联邦政府项目的优惠补偿率。保险报销分为两部分，一部分是磁共振成像扫描的实际使用和操作的设备费用，另一部分是放射科医师检查图像和/或数据的专业费用。在美国东北部，设备费可能是3500美元/2600欧元，专业费可能是350美元/260欧元，[60]虽然设备所有者和医生收取的实际费用通常会明显较少，并且取决于与保险公司协商的费率或由联邦医保费用表确定的费率。例如，伊利诺伊州的一个矫形外科小组在2007年对膝关节磁共振成像收费1116美元/825欧元，但2007年的医疗保险报销仅为470.91美元/欧350美元。[61]许多保险公司会要求事先批准核磁共振成像程序作为承保的条件。
在美国，对大脑进行核磁共振成像（无论有无对比），联邦医保B部分平均需要承担账单的技术费用为403美元/300欧元，并向放射科医师的单独支付93美元/70欧元。[62]在法国，磁共振成像检查的费用约为150欧元/205美元，这包括三次基本扫描，其中包括了一次使用静脉注射造影剂，一次咨询技术人员，和一份给主治医生的书面报告。[63]在日本，磁共振成像检查的费用(不包括对比材料和胶片的费用)从155美元/115欧元 to180美元/133欧元，附加放射科医师专业费用为17美元/12.50欧元。[64]在印度，磁共振成像检查的费用，包括放射科医生的意见费用，大约为3000-4000卢比(37-49欧元/50–60美元)（不包括对比材料的成本）。在英国，磁共振成像扫描的零售价格私下在350到700英镑之间(405-810欧元)。[65]
控制台
主孔相机
操作员正在执行扫描
技术区
磁共振成像通常是一种安全的技术，尽管有受伤也可能是由于安全程序失效或人为错误造成的。[66] 磁共振成像的禁忌包括大多数耳蜗植入物和心脏起搏器、弹片、和眼中的金属异物。妊娠期的磁共振成像（如果不使用造影剂的话）至少要在第二和第三阶段之后才是安全的。[67]由于磁共振成像不使用任何电离辐射，所以当任何一种方式都可以产生相同的信息时，它通常是优先于CT 的选项。[68]但在某些情况下，磁共振成像不是首选，因为它可能更昂贵、更耗时，并且会加重幽闭恐怖症。
磁共振成像使用强磁体，因此会导致磁性材料以很高的速度移动，从而带来风险，而且有过死亡的记录。[69]然而，由于每年全球进行数百万次磁共振成像，[70]死亡率是极低的。
医学协会发布了医生应该何时对患者使用磁共振成像的指南，并建议不要过度使用。核磁共振成像可以检测健康问题或确认诊断，但医学协会通常建议核磁共振成像不作为制定诊断或管理患者疾病计划的第一步。一个常见的情况是使用磁共振成像寻找腰痛的原因；美国医师学会建议不要采用这种方法，因为这种方法不太可能给患者带来积极的结果。[71][72]
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