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核磁共振成像(MRI)的发展史

2019-12-10 10:51:50 administrator 96

生活是多姿多彩的,科学如同空气,淡淡的,却又无处不在地充实了生活,静静地等待着我们去发现······今天我们就来讲一讲核磁共振成像(MRI)的发展史。

  核磁共振成像 (NMRINuclear Magnetic Resonance Imaging),也称磁共振成像(MRIMagnetic Resonance Imaging),是一种核物理现象,MRI的物理基础是核磁共振(NMRNuclear Magnetic Resonance)理论。所谓NMR,是指与物质磁性和磁场相关的共振现象。也可以说,它是低能量电磁波,即射频波与既有角动量又有磁矩的核系统在外磁场中相互作用所表现出的物理特性。利用这一现象不仅能研究物质的成分,还可观察其微观结构。据此,人们以各种射频脉冲序列对生物体进行激励,并用检测线圈记录组织的弛豫、质子密度、流动、化学位移、扩散、灌注、血液氧合状态和组织温度等信息,就出现了MRI 技术。从 NMR 的发现到 MRI 装置的诞生,这中间经历了几代物理学家及医学家长达数十年的辛勤努力。

早在20世纪30年代,物理学家伊西多·艾萨克·拉比就发现,在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列(图1(b)),而施加无线电波之后,原子核的自旋方向发生翻转(图1(c))。这是人类关于原子核与磁场以及外加射频场相互作用的最早认识。1946年,美国物理学家费利克斯·布洛赫(Felix Bloch)和爱德华·珀塞尔(Edward Purcell)发现位于磁场中的原子核受到高频电磁场激发会倾斜。而当高频场关闭后,原子核将释放吸收的能量,并且回归到原始状态(图1(b)至图1(d)过程)。由此核磁共振(N MR)现象被发现,早先它仅被用在化学分析中。因其在磁共振成像理论基础方面的杰出贡献,伊西多·艾萨克·拉比获1944年诺贝尔物理学奖,费利克斯·布洛赫和爱德华·米尔斯·珀塞耳则分享了1952年诺贝尔物理学奖。

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磁共振原理示意图


1950年欧文·哈恩发现了双脉冲下磁共振自旋回波现象。磁共振现象被发现之初,因成像条件苛刻、成像时间长等缺陷,应用范围受到较大限制,直到1968年理查德·恩斯特团队改进激发脉冲序列和分析算法,大大提高信号的其灵敏度以及成像速度后,磁共振技术才逐步成熟,理查德·恩斯特本人也因此荣获1991年的诺贝尔化学奖。

1973年美国化学家保罗·劳特伯(Paul Lauterbur,伊利诺伊大学厄巴拉分校,1922年5月6日生于美国俄亥俄州)和英国物理学家彼得·曼斯菲尔德(Peter Mansfield,诺丁汉大学物理和天文学院,1933年10月9日生于英国伦敦)在荷兰的中心实验室搭建完成了最初的磁共振成像系统(图2),并对充满液体的物体进行了成像,得到了著名的核磁共振图像“诺丁汉的橙子”(图3),拔得磁共振技术成像领域的头筹。使其进入医学成像领域,成为当今最重要的影像学手段之一。

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图2  磁共振成像系统


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图3 磁共振成像结果“诺丁汉的橙子”

2003年诺贝尔医学奖评委会在瑞典卡罗琳斯卡医学院宣布,将当年的诺贝尔生理学或医学奖授予保罗·劳特伯和彼得·曼斯菲尔德两位科学家,表彰他们对磁共振成像技术做出的杰出贡献。前者发明了梯度场,使磁共振成像技术逐渐走向成熟;后者则在成像方法上进行了开拓性研究并发明了回波平面成像技术,使得图像质量更好、成像过程更快。MRI 是继 X 射线的发现(1901年获诺贝尔物理学奖)和 X 射线 CT 的发明(1979年获诺贝尔生理学或医学奖)之后又一项取得诺贝尔奖殊荣的医学影像成果。这一科学界最高奖项的获得,充分肯定了 MRI 在人类医疗和保健活动中的巨大意义,也极大地鼓舞了这一领域的学者。

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保罗·劳特伯和彼得·曼斯菲尔德

受到成像结果的鼓舞,1978年荷兰中心实验室组建了“质子项目”研究团队(图4),该团队研制出了0.15T的磁共振系统,并于1980年12月3日,得到了第一幅人类头部核磁共振图像(图5)和第一幅第二维傅里叶变换后的图像(1981年7月30日,图6)。

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图4 质子项目研究员


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图5 第一幅人类头部MRI成像


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图6 第一张二维傅里叶变换后的头部图像

在短短50年的时间内,磁共振成像技术获得了长足的发展,已成为影像学四大常规检查手段之一(四大常规手段:磁共振成像,X射线成像,超声成像与核医学成像)。相比而言,磁共振成像对软组织分辨能力高,无辐射损伤的优势使其在婴幼儿发育和骨骼韧带劳损等方面获得了无可替代的应用。核磁共振从物理研究到化学应用和生物应用、再到临床应用所走过的路程,是当今基础科学的发展推动社会进步最有说服力的例子。随着超导技术、低温技术、磁体技术、电子技术、成像技术、图像处理技术和计算机科学技术的进步,MRI 设备和成像法均取得了飞速发展。技术的进步,使其应用领域不断扩大。

虽然国内医学磁共振成像的临床应用开展较晚,对这一技术的研究和开发就更晚。但是,我国的磁共振成像目前已进入全面发展阶段:在临床应用方面,我们与发达国家的差距正在缩小;在设备制造方面,我们的磁共振产业已经起步。

在发展方向上,磁共振系统不断追求极限工作条件与更有针对性的励磁序列。在磁共振成像领域,有两个发展趋势,一个是超导方向,又称为高场,场强一般在1.5T以上;一个是永磁方向,又称为低场,场强在0.2T-0.35T之间。

北京青檬艾柯科技有限公司在低场磁共振仪器设计、测量技术方面具备丰富的经验,成立至今,已和国内多家高校及研究机构开展了项目合作,为来自于地球科学、能源、材料、考古、生物医疗等领域中的用户提供了完善的技术解决方案。希望通过我们的不懈努力,能为国产高端磁共振系统产业化做出一点微薄的贡献。

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北京青檬艾柯研发的测岩心设备



当核磁共振这项技术逐渐被人们熟悉且广泛应用的同时,磁共振成像必然会引发科研工作的重大变革,同时为便利人们的生活工作起到更为重要的作用。我们相信拥有MRI,用另一个角度看世界,会更美。


来源:

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg3OTI0MzUxOA==&mid=2247483944&idx=1&sn=7785231c80ead9629c8d222a386bb87e&chksm=cf063bb9f871b2affcdf4003c86c174a90e5e15af48c1b2693f9662a5f5726437c67b6303d3f&mpshare=1&scene=1&srcid=&sharer_sharetime=1575925631345&sharer_shareid=32f03641bf4f2e4b63bd3de84cdd6672&key=165e46cf843017e265a7e84677b8c34d28057e4f232b20d43ed1eb7cca8d43db153ef885f9e4b5eb4778830273afd7fead5bcaf9fadf0bcb5f0e8fa6d7a94c18a3ac3df967a841928ea0a31d9f6f27cc&ascene=1&uin=MjAzODMxMDQxMw%3D%3D&devicetype=Windows+10&version=62070158&lang=zh_CN&exportkey=Axap0ZjGzX5F5rG9eaxEZes%3D&pass_ticket=YPKjpGPkjFpSOd0cREyTbUA3AhclAgmimAA%2Fjp2ZODRuc1tc5%2F7ZInBOwDM54d5Q