科普視頻 核磁共振 MRI 工作原理，它是如何工作的？

你可能聽說過磁共振成像MRI儀器 也許是因爲親身經歷過在其中的幽閉感覺 或者看過它提供的極爲高清的人體橫截面圖像 MRI已經徹底改變了我們認識和理解身體的方式 我們現在可以以前所未有的清晰度查看人體器官 安全地定位並識別腎臟、大腦、胃部和一線中的腫瘤 通過江順磁性對比劑注入血液中 我們可以找出心臟中的堵塞部位 從而讓醫生精準植入支架打通血管 這種微瘡的鑰匙孔手術讓患者迅速恢復 而過去則只能依靠危險的心臟開胸手術 磁共振成像確實改變了醫學診斷和治療的方式 這項聽起來像是科幻小說中的技術 對大多數人來說 它的工作原理依然神祕莫測 爲了開發出這種技術 物理學家和工程師必須掌握量子力學 超導磁體、計算機科學和數學等學科的原理 MRI那潔白、未來感十足的外殼之下 隱藏着一套複雜而精妙的工程系統 許多人可能從未意識到 在MRI出現之前 我們主要通過對人體有害的電離輻射 如X射線或圖像模糊的超聲波 來查看體內情況 儘管這些技術至今仍被使用 但它們在成像質量上遠不及安全 分辨率高達毫米級的MRI 後者還能生成三維重建圖像 而不是僅限於二維平面 更令人驚奇的是 這一切的實現無需任何機械運動部件 醫學成像的本質是 收集人體組織因其物理屬性而發出的信號 超聲依賴的是不同密度組織對聲波的反射差異 X射線則基於高能射線的吸收程度 而MRI則依賴一種不那麼直觀的方式 氫原子的量子特性 人體中遍佈着氫原子 存在於水分、碳水化合物和蛋白質中 MRI之所以能成像 正是因爲它利用了這些氫原子的自旋這一量子屬性 自旋是一種粒子與生俱來的屬性 就像質量和電荷一樣 具有自旋的粒子表現得像V型磁鐵 氫原子核中的質子就像一個磁體 其磁北的朝向是以概率分佈的形式存在的 通常這些朝向是均勻分佈的 因此氫原子整體的磁場會相互抵消 但當氫原子置於MRI產生的強磁場中時 這些磁體的分佈發生了改變 更多原子開始順着外部磁場排列 這種不對稱性正是MRI信號的來源 我們可以人爲干預這些V型磁鐵 使其發出可處理成圖像的信號 首先MRI機器使用極強的磁場 讓氫原子排列整齊 然後使用特定頻率的射頻脈衝 通過線圈發送的交變電流輕輕推動它們 使它們暫時偏離原本的排列方向 這些被推偏的氫磁鐵會自發嘗試恢復原狀 但不會立刻回到原位 而是以螺旋方式衰減返回 這個螺旋運動會引發磁場變化 而周圍線圈中的感應電流 正是我們可以讀取的信號 MRI使用同一組線圈來發射射頻脈衝 並接收衰減信號 這些線圈被放置在靠近病人 但仍在機器內部的位置 爲了提高對比度和分辨率 一些設備會使用不同的線圈 分別負責發射和接收信號 從而使接收線圈能夠更貼近病人體表 提高信號強度 如果想增強更多氫原子的排列 可以通過增強主磁場的強度來實現 從而提高迴旋中的氫磁鐵產生的感應電流 增強圖像信號 目前常見的MRI磁場強度爲1.5到3特斯拉 比地球磁場強約30萬倍 是冰箱磁鐵的3萬倍 在這樣的強磁場下 鐵磁性物體可能會被吸飛 比如輪椅被吸離地面 因此操作時必須格外小心 研究用的MRI甚至能達到20特斯拉的超高磁場 要產生如此強的磁場並非易事 早期MRI使用永久磁鐵 磁場強度僅爲0.5特斯拉 分辨率有限 要獲得更強磁場 就必須使用電磁鐵 但普通電磁鐵無法承受產生1.5特斯拉所需的巨大電流 因爲會導致導線過熱融化 爲解決這個問題 工程師使用了超導線圈 超導體是一種極具未來感的材料 在接近絕對零度 零下273攝氏度時 其電阻爲0 理論上可以讓電流在沒有任何外部電源的情況下無限循環 因此MRI的主磁體一旦啓動 就會一直保持通電狀態 機器主要的能耗只是用於冷卻系統 維持一個MRI系統全年運行的能量 相當於25個4口之家的用電量 約13至14萬千瓦時 最常用的超導材料是泥鈦合金NBTI 全球約80%的NBTI都被用於製造MRI設備 爲了達到超導所需的極低溫度 早期MRI使用液氦將線圈冷卻至零下269攝氏度 每臺機器每年需添加約1000升液氦 這種冷卻方式既昂貴又不可持續 每年僅氦氣補充費用就高達26000美元 由於氦氣一旦釋放到大氣中就會飄向宇宙 這種方式既昂貴又不可持續 現代MRI改用真空密封腔體來保持液氦不蒸發 稱爲零揮發系統 同時配有高效冷卻循環 類似於家用冰箱但更強大 大幅降低了運維成本 接下來我們需要將氫原子的位置信息轉化爲圖像 我們知道每個被傾推後的氫原子 都會發出特定頻率的螺旋衰減信號 而這個頻率正好依賴於它所處的磁場強度 比如在1.5特斯拉下 氫原子的共振頻率爲64兆赫 在3特斯拉下爲128兆赫 也就是說處於強磁場的氫原子旋轉更快 MRI會通過一個稱爲梯度線圈的系統 在空間中製造磁場強度差異 從而只推動某一特定區域的氫原子 通過選擇對應頻率的射頻脈衝 就可以激活特定切片上的氫原子 並讀取其信號 從而形成一張二維圖像 但單純收集一個切片的總信號還不夠 我們需要處理這些信號來分辨不同類型的組織 這裏就涉及兩個關鍵參數 T1持續時間 氫原子恢復原始排列的速度 T2衰減時間 氫原子相位逐漸錯開的速度 不同組織水或脂肪有不同的T1和T2值 通過調整脈衝發射間隔和接收時間 我們可以強調某一類信號 快速重複脈衝強調T1 對脂肪敏感 慢速脈衝和長時間接收強調T2 對水如撓擠液敏感 每次MRI掃描 技術人員會根據醫生的需求 選擇合適的參數設定 爲了從信號中重建出圖像 MRI使用了1822年數學家傅里葉提出的一項技術 傅里葉變換 傅里葉指出 任何複雜的波形 都可以分解爲多個簡單正弦波的疊加 在MRI中 這意味着圖像可以通過不同頻率和方向的條紋模式組合而成 通過控制磁場梯度 MRI可以在一個切片內製造這些條紋模式 從而從旋轉的輕圓子信號中提取圖像 機器會逐步疊加不同方向的頻率模式 圖像也隨之逐漸成型 完成一個切片後 機器便繼續掃描下一個切片 直到完整三維圖像構建完成 你在MRI掃描時聽到的噴噴聲 其實正是這些梯度線圈快速開關的結果 跟揚聲器工作的原理一樣 如今MRI技術仍在不斷進化 科研領域追求更高分辨率 更強磁場 而臨牀和移動醫療方向則在開發更小更便宜的MRI設備 使其更普及更實用