磁共振成像仪

一毫米的软组织

临床磁共振图像的像素约 0.5 到 1 毫米，层厚 1 到 5 毫米。它最擅长软组织：灰质和白质、肌肉和脂肪，在 X 光片上几乎分不开，在这里明暗分明。

整个过程没有电离辐射。磁场是 1.5 或 3 特斯拉，是地磁场的几万倍；读信号用的是频率约 64 或 128 兆赫的无线电波。

像素约 0.5–1 毫米 · 1.5 T 与 3 T · 无电离辐射

百万分之十

人体约六成是水，每个水分子有两个氢原子核，也就是质子。质子有自旋，带着一个很弱的磁矩。

没有外磁场时，这些磁矩指向四面八方，加起来是零。放进磁场 B0 后，方向仍然几乎是随机的，只在统计上稍稍偏向磁场一侧：3 特斯拉、体温下，偏向约为百万分之十。

一立方毫米的水里约有 7 × 10¹⁹ 个质子，微小的偏向加起来，就是一个测得出的净磁化 M。图中每根细箭头代表一个自旋，偏向夸大了几万倍；粗箭头是它们的总和。

净极化约百万分之五（1.5 T）· 百万分之十（3 T）

每特斯拉 42.58 兆赫

在磁场里，自旋绕着磁场方向进动，频率与场强成正比：每特斯拉 42.58 兆赫。1.5 T 时约 64 兆赫，3 T 时约 128 兆赫。这叫拉莫尔频率。

平衡时，各个自旋进动的步调互不相干，净磁化只沿着磁场。线圈发出一个频率正好相同的射频脉冲，把净磁化扳倒 90 度，转进与磁场垂直的平面。

扳倒的净磁化继续以拉莫尔频率旋转，像一块转动的磁铁，在接收线圈里感应出电压，这就是磁共振信号。画面里的进动放慢了数亿倍。

f = 42.58 MHz/T × B0 · 90° 脉冲

T1 与 T2

信号不会一直持续。各个自旋的步调很快散开，横向的净磁化随之衰减，时间常数叫 T2；纵向的净磁化慢慢恢复，时间常数叫 T1。

组织不同，T1、T2 也不同。3 T 下，白质 T1 约 0.8–1.1 秒、T2 约 60–80 毫秒；灰质 T1 约 1.3–1.8 秒、T2 约 90–110 毫秒；脑脊液 T1 约 4 秒，T2 超过 1 秒。

调节两次脉冲的间隔 TR 和读信号的时刻 TE，图像就偏重 T1 或 T2。T1 加权像里脑脊液是暗的，T2 加权像里它最亮。这种差别就是对比度。

T1 加权：TR 500 ms，TE 15 ms · T2 加权：TR 4000 ms，TE 100 ms

剖开：一层套一层

扫描仪是几层同轴的圆筒。最外是外壳；里面是低温恒温器，装着超导磁体；再往里是梯度线圈、射频体线圈，最后是病人躺进去的孔道内衬。

临床扫描仪的孔径一般是 60 或 70 厘米。磁体给出强而均匀的静磁场 B0，梯度线圈让磁场随位置变化，射频线圈发出和接收信号。

外壳 · 低温恒温器与磁体 · 梯度线圈 · 射频线圈 · 内衬

4 开的线圈

主磁体由铌钛合金超导线绕成，线埋在铜里。浸在约 4.2 开（−269 °C）的液氦中，它的电阻为零。外圈还有一组反向的屏蔽线圈，把磁场收在磁体附近。

升场之后，电流在闭合的超导线圈里一直流，不用接电源，所以磁场一直开着，夜里也不关。真空层和冷屏把热挡在外面，顶上的冷头把蒸发的氦重新冷凝成液体。

如果线圈某处失去超导，储存的能量会在几秒到几十秒内变成热，液氦大量汽化，这叫失超。氦气经失超管排到室外。

铌钛超导线 · 液氦 4.2 开 · 持续电流

位置变成频率

梯度线圈有三组：x、y、z。通电时，它们在 B0 上叠加一个随位置线性变化的磁场，于是不同位置的拉莫尔频率不同。40 mT/m 的梯度，让中心两侧 10 厘米处的频率相差约 ±170 千赫。

激发时加一个梯度，只有一层的频率对得上脉冲，这是选层。读信号时，一个方向用频率区分位置，另一个方向靠每次略加的相位差区分，这是频率编码和相位编码。

梯度在一毫秒内反复开关。线圈的电流处在 B0 里，受到洛伦兹力，整组线圈跟着开关的节奏振动，发出响亮的敲击声，可达约 110–120 分贝，所以检查时要戴耳塞或耳罩。

临床梯度约 30–80 mT/m · 切换率约 100–200 T/m/s

发射与接收

射频体线圈是一个“鸟笼”：两端各一个铜环，中间十几根铜条。各根铜条上的电流依次起伏，在孔道里形成一个与 B0 垂直、以拉莫尔频率旋转的磁场 B1，它扳倒净磁化。

回来的信号很弱，所以接收多用贴近身体的线圈：头线圈、体部线圈，里面是几十个小线圈组成的阵列。

射频能量会让组织略微升温。扫描仪按比吸收率 SAR 控制功率，常规模式下全身平均不超过每千克 2 瓦。

鸟笼体线圈 · 接收线圈阵列 · 全身 SAR ≤ 2 W/kg（常规模式）

k 空间

每次读出的信号，是 k 空间里的一行：图像在一组空间频率上的成分。相位编码每换一档，就多填一行。

填满之后做一次二维傅里叶逆变换，就是图像。这里的头部模型由几个椭圆组成，它的 k 空间按公式精确算出，图像也是一行一行真算出来的。

中心的几行决定明暗和对比，边缘的行决定边界和细节。只用中心，图像模糊但明暗正确；只用边缘，只剩轮廓。

图像 = k 空间的二维傅里叶逆变换

屏蔽室与安全区

扫描间的墙、地和天花板衬着铜板，门缝装着弹簧触片，观察窗夹着金属网，合起来是一个法拉第笼，把外面的无线电挡在外面。3 T 的 128 兆赫，正落在航空无线电的频段里。

磁场一直开着，也延伸到磁体之外。铁磁性物体靠近时会被猛地吸向磁体，所以扫描间是管控最严的区域，进去之前要逐项检查金属、植入物和随身物品。

地上的虚线是 0.5 毫特斯拉的边界，也叫 5 高斯线，传统上起搏器等装置未经确认不得越过；2022 年起，国际标准把这条边界改到了 0.9 毫特斯拉。实际机型的 5 高斯线离磁体中心侧向约 2.5–3.5 米、沿轴向约 4–6 米。

法拉第笼 · 0.5 mT（5 高斯）线

拆开来看

各层可以沿孔道方向抽出来：外壳、低温恒温器和其中的超导磁体、梯度线圈、射频体线圈、内衬，还有检查床。临床磁体长约 1.6 到 1.9 米，连同液氦重约 3 到 7.5 吨。

指针停在哪一层上，哪一层就会被单独托出来，标出名字。