磁共振成像的特点及其局限性

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磁共振成像的特点及其局限性

磁共振成像(MRI,magnetic resonance imaging)系统已成为当今医学影像领域最先进、最昂

贵的诊断设备。技术的进步,使MRI的应用范围不断扩大,它在医学诊断中所起的作用也愈

加重要。与此同时,医学应用的深入,又给MRI技术的发展提出了更高的要求,从而促使其

进一步发展。MRI系统走过的正是这样一条良性循环的道路。现在,全球有数千台、我国亦

有四百台左右的MRI装置每天为人类的疾病诊断而运转着,这一数字足以说明其强大生命

力。本文从特点和局限性两个方面对磁共振成像进行评价。 一、磁共振成像的特点

(1)多参数成像,可提供丰富的诊断信息

一般的医学成像技术都使用单一的成像参数。例如,CT的成像参数仅为X线吸收系数、

超声成像只依据组织界面所反射的回波信号等。MRI是一种多参数的成像方法。从理论上讲,

它可以是多核种的成像,而每种核都有各自的成像参数。目前使用的MRI系统主要是用来观

测活体组织中氢质子密度的空间分布及其弛豫时间的新型成像工具,用以成像的组织参数至

少有氢核(质子)密度N(H)、纵向弛豫时间T1、横向弛豫时间T2以及体内液体的流速vl等4

个。上述参数既可分别成像,亦可相互结合获取对比图像。质子密度N(H)与磁共振信号的

强度成正比,所以N(H)成像主要反映欲观察平面内组织脏器的大小、范围和位置。T1、T2参数则含有丰富和敏感的生理、生化信息。选取一定的成像参数,并选用适当射频脉冲序列

进行MRI扫描,是临床上MRI诊断医师获得诊断信息应具备的基本技能。

(2)高对比度成像,可得出详尽的解剖学图谱

人体含有占体重70%以上的水。这些水中的氢核是磁共振信号的主要来源,其余信号来

自脂肪、蛋白质和其它化合物中的氢质子。由于氢质子在体内的分布极为广泛,故可在人体

的任意部位成像。另一方面,由于水中的氢质子与脂肪、蛋白质等组织中氢质子的磁共振信

号强度不同,使得磁共振图像必然是高对比度的。

磁共振图像的软组织对比度明显高于CT。这是MRI首先应用于人类神经系统疾病诊断

并取得成功,使医学影像进入磁共振时代的重要原因。现在,MRI不仅能很好地区分脑的灰

质、白质、脑神经核团、颅椎结合部、椎管及脊髓,而且毋需造影剂便可显示心脏各房室和

大血管腔。选用适当的扫描脉冲序列,还可使肌肉、肌腱、韧带、筋膜平面、骨髓、关节软

骨、半月板、椎间盘和皮下脂肪等组织清晰地显像。此外,MRI对纵隔、肝脏、前列腺、子

宫等的诊断效果也较满意。

(3)任意方位断层,使医学界从三维空间上观察人体成为现实

自线性梯度磁场应用于MRI系统后,人们不再用旋转样品或移动病人的方法来获得扫描

层面,而是用Gx、Gy和Gz三个梯度或者三者的任意组合来确定层面,即实现了所谓的选择性

激励。在进行标准横轴位、矢状位或冠状位成像时,上述梯度场之一将被确定为选层梯度,

其余两者在分别进行相位编码和频率编码后提供信号的位置信息。在行任意层面检查时,选

层信息由两个以上的梯度共同决定。整个MRI检查中没有任何形式的机械运动。

MRI系统可任意方位断层的特点,使医生立体观察病变的愿望得以实现,而X线CT要

做到这一点则非常困难,有些部位甚至是不可能的。

(4)人体能量代谢研究,有可能直接观察细胞活动的生化蓝图

任何生物组织在发生结构变化之前,首先要经过复杂的化学变化,然后才发生功能的改

变和组织学异常。但是,以往的影像诊断方法一般只提供单一的解剖学资料,没有组织特征

和功能信息可利用。MRI的出现填补了上述两项空白,使疾病的诊断深入到分子生物学和组

织学的水平。首先,T1和T2弛豫时间及其加权像本身反映质子群周围的化学环境,即生理和

生化信息的空间分布。例如,大脑的灰质和白质之所以在磁共振图像上出现明显的对比,就

是因为灰质中的氢几乎都存在于水中,而白质中的氢大量存在于脂肪中。从理论上讲,任何

组织中水含量的改变将引起磁共振图像的改变,因为水中含有大量的氢。再如,根据达马迪

安的发现,恶性肿瘤与正常组织的T1和T2值均有所不同。一般而言,肿瘤的T1延长,且在其

组织学异常出现之前(即生化变化阶段)即可检出,这对癌肿的早期检出及分期必然有深远意

义。实际上,T1、T2的延长和缩短,在病变的发现以至定性诊断上都有一定意义。MRI造影

剂可使病变部位的T1缩短(出现明显的高信号区),从而在肿瘤与周围水肿区之间出现明确的

分界。上述例证无不说明MRI的生化特性及其分子学敏感性。

另一方面,通过磁共振波谱(MRS, magnetic resonance spectroscopy)的研究可以洞察

组织器官的能量代谢情况。MRS是目前唯一能对人体的组织代谢、生化环境及化合物进行定

量分析的无创伤性方法。由于它对磁场的均匀性要求极高,过去主要通过提高磁场强度的办

法来改善信噪比,即采用高场强(1.5T~8.5T)的波谱仪。随着超导MRI系统的问世,出现了

1.5T~2.35T的MRI/MRS一体化装置,使得MRS技术迅速进入临床。对于带谱仪的MRI系统

来说,一般是先行MRI检查,再根据图像所提供的病变部位测定MRS。目前临床上进行MRS

分析所利用的核种主要是和。由于磷化合物的浓度与能量代谢密切相关,故通过之MRS可间

接测定磷代谢物相对浓度,从而确定细胞的能量代谢状态。MRS是一种非常有潜力的活体生

化分析方法,它的应用有可能使影像学医生对组织结构改变的观察与代谢功能的研究结合起

来。

(5)不使用造影剂,可观察心脏和血管结构

采用磁共振技术可以测定血流,其原理为流体的时飞(TOF, time of flight)效应和相

位对比(PC, phase contrast)敏感性。人们早已利用磁共振技术来精确测定血液的流速、分

布等特征,并制成了核磁共振血流计。在MRI系统基础上开发出的磁共振血管造影(MRA,

magnetic resonance angiography)软件已在几年前成功地应用于临床。同传统的血管造影

法相比,它的最大优点就是无创伤性。不需要注射造影剂也是其特色之一。因此,MRA是一

种全新的血管造影术。从MRA的图像质量来看,目前它至少可以显示大血管以及各主要脏器

的一、二级分支血管。随着机器性能的改善及计算机软件的不断更新,通过MRA获得的血管

像会越来越清晰,因而它大有取代常规的X线血管造影及数字减影成像术之势。

MRA最先应用于血管性病变的诊断,如梗塞、血栓形成及血管硬化的分期等。如果配之

以MRI专用造影剂,MRA还可显示一些与肿瘤相关的血管,从而了解肿瘤对血管结构的侵犯

情况。MRA在脑血管病的诊断上应用尤其广泛,头颈部、胸腹腔及四肢血管的检查也相当普

遍。现已开发出多种MRA成像方法,如三维显示技术和MRA电影等。新的MRA序列还在不断

推出。

MRA利用了将流体与静止组织相分离的显示技术。利用类似的技术,可以造成血液与共

振心肌之间磁共振信号的强烈对比,从而勾绘出轮廓清晰的心腔。采用心电门控触发的方法,

还能获得不同心动周期的图像,甚至可以进行一系列无创伤的心脏动力学研究,如测定射血

分数和心脏容积等。现代MRI系统还配备对心脏和大血管解剖结构进行三维显示的软件以及

对整个心动周期的图像进行电影展示的软件。

用MRI心脏成像技术还可观察主动脉瘤、夹层动脉瘤、主动脉狭窄和一些先天性心脏病。

MRI在冠心病诊断上的应用主要表现在急性心梗的诊断、心肌梗塞后遗症的评价和冠状动脉

搭桥术后心肌灌注状态的观察等方面,但冠状动脉狭窄程度的估计比较困难。用心脏的MRS

可分析心肌高能磷酸盐代谢及判定细胞内的PH值。分析心脏波谱,有助于对正常心脏、缺

血心脏和梗塞心脏的认识。MRI与MRS的组合将进一步显示出“生化显微镜”的功能。

(6)无电离辐射,一定条件下可进行介入MRI治疗

利用不同类型的电磁辐射同生物组织的相互作用可产生医学上所需的图像。一般来说,

紫外线、红外线等中等波长的电磁波及微波段的电磁波是不能穿透人体的。但是,波长极短

的X射线和一些波长较长的低频射频波却能穿入或穿透人体,其中前者主要作用于核外电子

而引起生物体的电离效应,后者主要同原子核发生作用。X线的电离效应是各种X线检查装

置(X线机、CT扫描机、数字减影机等)生物效应的物理基础。过量接受X线照射就会引起损

伤。因此,X线又叫电离辐射。

MRI系统的激励源为短波或超短波段的电磁波,波长在1米以上(小于300MHz),因而无

电离辐射损伤。这是MRI能够迅速发展和被人们广为接受的主要原因之一。CT成像所用的X

线为波长1 (1 =10-10m)左右的高能量电磁波,而MRI中作为质子激励源的射频波波长长达数

米到数十米(甚至上百米),所含能量仅为10-7eV,约为X线CT辐射量的,远远小于体内C-H

键的结合能(1ev),因而它不会对人体造成任何损害。从成像的射频功率看,尽管MRI系统

的峰值功率可达千瓦数量级,但平均功率却只有几瓦。经计算,射频的容积功耗在1mW/cm3

以下,完全低于推荐的非电离辐射的安全标准。另一方面,即使是超过了一定的安全标准,

这种波长范围的射频波对人体的生物效应主要是发热,且它可引起的温升非常小。在一定的

场强及场强变化率范围之内,静磁场和线性梯度场不会引起机体的异常反应。可见MRI是一

种安全的检查方法。

正因为如此,一个新的疾病治疗领域──介入磁共振(interventional MRI)正在兴起。

所谓介入MRI是指以MRI实现精确定位及图像引导,以达到某种治疗目的的新技术。它的应

用包括脑外科、骨科、普通外科及肿瘤科等。目前已开展的技术主要是抽吸术和各种类型的

肿瘤摘除术,包括细胞抽吸、立体定向下的颅内摘除、化学摘除(如酒精喷射)、冷冻摘除、

激光切除、集束超声切除及射频切除等。人们曾抱怨MRI系统的昂贵。但是,介入MRI技术

的开展,将不仅使病人免受传统手术之苦,而且将为他们提供一种廉价的治疗方案。

(7)无骨伪影干扰,后颅凹病变清晰可辨

各种投射性成像技术往往因气体和骨骼的重叠而形成相关的伪影,给某些部位病变的诊

断带来困难。例如,行头颅X线CT扫描时,经常在岩骨、枕骨粗隆等处出现条状伪影,影

响后颅凹的观察。MRI无此类骨伪影。穹窿和颅底的骨结构也不影响磁共振对颅脑的成像,

从而使后颅凹的肿瘤得以显示。此外,MRI还是枕骨大孔部位病变的首选诊断方法。在这一

点上,MRI又一次地表现出优于X线CT的应用价值。