核磁共振成像（MRI） [ 5 ] 成像科学

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核磁共振成像（mri）

[ 5 ] 成像科学

    使核磁共振成像技术成为现实的一个决定性因素是处理大量而复杂的成像计算所必需的高速计算机。除了必要的计算能力外，还有其它三个领域的研究成果也为核磁共振成像技术的诞生奠定了基础。第一项技术是英国电子工程师godfrey hounsfield的研究成果。他在1971年制造了一种将x光机和电脑结合起来的仪器，并利用某些代数复制的原理从多个角度对人体进行扫描，从而创造出一种内部结构的剖面图效果。实际上，hounsfield并不知道，南非的核物理学家allan cormack原本在1957年就公开发表了同样的设想，他使用的是一种被称为radon转换的复制技术。虽然cormack的研究成果并未得到广泛的传播，但1979年他仍然由于在计算机化x射线断面成像(ct)技术领域的杰出贡献而同hounsfield共享了诺贝尔医学奖。ct技术的基本原理是很多在今天使用的成熟成像方法的基础。

    对核磁共振成像至关重要的另两项研究成果同核磁共振相关。其中一项是将核磁共振技术作为医学检测工具的概念化；另一个是从核磁共振数据中获得有效图像的可行方法的发明。

    早在1959年，位于berkeley的加州大学的j.r.singer就曾建议，核磁共振技术可以被用作医学方面的检测工具。几年后，baylor医学院的carlton hazlewood公布了使用核磁共振技术检查病人的肌肉疾病的研究成果。然后在1969年，在纽约布鲁克林区downstate医学中心工作的物理学家raymond damadian开始设法使用核磁共振技术来探查人体内部的癌症早期的征兆。在1970年的一次实验中，他利用外科手术切除了在实验室老鼠身上移植的快速生长的肿瘤，并证明肿瘤的核磁共振信号同其它正常组织的信号是不同的。damadian在1971年的《科学日报》上公布了这项实验的结果。但是至今，damadian的方法不能证明在临床检测癌症方面是可靠的。

    而让根据人体活性组织产生的核磁共振信号制成有效的图像成为可能的关键技术进步要归功于在70年代初期领导位于匹兹堡的核磁共振专营公司的化学家paul lauterbur。1971年，他看到化学家leon saryan重复damadian对老鼠身上的肿瘤和健康组织进行的实验。lauterbur得出结论，认为这项技术不能为检查肿瘤提供足够的信息，因此他继续对该技术进行改进，以获得一种使用核磁共振技术制图的有效方法。技术的关键在于能够对样品中发出的核磁共振信号进行精确的定位：如果每个信号的位置都能被测定，样品的整体图像就可以制作出来。

    lauterbur的破天荒的创意是在空间上统一的静力磁场上添加一个较弱的磁场，这个磁场用一种控制方法使其在位置上不与第一个磁场重叠，这样便创造出一种磁场强度上的差异。在样品的一端，叠加的磁场强度会很强，而在另一端由于精确的校准，磁场强度会趋向于变弱。因为在外部磁场中的原子核的振荡频率同磁场强度成正比，不同位置的样品会以不同的频率振荡。这样，可以根据不同的位置得出一个不同的共振频率。而且，各频段共振信号的强度可以根据样品中包含的以不同频率共振和处于不同位置的原子核显示出相应样品中的具体信息。在信号上的细微差别可以用来为分子的位置进行定位，从而制出相应的图像。(今天的核磁共振成像设备在被检测物体上叠加三套电磁偏差线圈来为三种空间上的相关信号进行编码。)

    在大西洋另一端的英国，英格兰诺丁汉大学的peter mansfield也有着类似的想法。1972年，他的研究逐渐深入到使用核磁共振获得水晶物质在结构上的细节的领域。在1973年公布的研究结果中，mansfield和他的伙伴也使用了磁场偏差的方案。在1976年，mansfield开发出一种快速扫描核磁共振成象技术，即回波平面成像技术。这种技术在几微秒内便可扫描整个大脑。回波平面核磁共振成像技术对于在中风诊断中使用的快速核磁共振成像技术和用于脑部研究的功能性核磁共振成像技术都是至关重要的。

    在1972年发表时，lauterbur的研究成果包括了一张测试样品——一对浸在水瓶中的试管——的图像。在使用小型核磁共振扫描仪(他同时还使用了从ct扫描中借鉴的被称为后部发射的技术)得到了上述成果后，他继续对小的物体——包括她女儿从他家附近的长岛抓到的一只小螃蟹进行成像的努力。到1974年，他已经可以使用大型核磁共振成像设备对活老鼠的胸腔进行成像了。mansfield在1975年时也可以对一些植物的茎以及一只死火鸡的腿进行成像。第二年，他拍摄下了第一个人类的核磁共振成像照片——一个人的手指部的成像，包括检测到的骨头、骨髓、神经以及血管。damadian与此同时也致力于成像技术的研究。1977年，他成功地对一个男性的胸腔进行了成像。

　　到二十世纪八十年代初期，核磁共振成像技术领域的迅速发展让这种技术进入商业领域成为可能。(由于容易让人产生不愉快的联想，“核”这个词被悄悄地从核磁共振技术的术语中去掉了。)高速计算机及超导磁铁的出现让研究人员能制造出在敏感性和分辨率方面有了极大提高的更大的核磁共振设备。


    下图：一名技术人员正在利用核磁共振<