磁共振成像技術的發展歷程

磁共振成像（MRI，Magnetic Resonance Imaging）是利用射頻脈沖對磁場中特定原子核（通常為氫核）進行激勵，在此基礎上利用感應線圈采集信號，并傅里葉變換進行圖像重建的方法。

早在20世紀30年代，物理學家伊西多·艾薩克·拉比就發現，在磁場中的原子核會沿磁場方向呈正向或反向有序平行排列（圖1（b）），而施加無線電波之后，原子核的自旋方向發生翻轉（圖1（c））。這是人類關于原子核與磁場以及外加射頻場相互作用的最早認識。1946年，物理學家費利克斯·布洛赫和愛德華·米爾斯·珀塞耳發現位于磁場中的原子核受到高頻電磁場激發會傾斜。而當高頻場關閉后，原子核將釋放吸收的能量，并且回歸到原始狀態（圖1（b）至圖1（d）過程）。因其在磁共振成像理論基礎方面的杰出貢獻，伊西多·艾薩克·拉比獲1944年諾貝爾物理學獎，費利克斯·布洛赫和愛德華·米爾斯·珀塞耳則分享了1952年諾貝爾物理學獎。

圖1 磁共振原理示意圖

在磁共振現象被發現之初，因成像條件苛刻、成像時間長等缺陷，應用范圍受到較大限制，雖然在1950年歐文·哈恩就發現了雙脈沖下磁共振自旋回波現象，但直到1968年理查德·恩斯特團隊改進激發脈沖序列和分析算法，大大提高信號的其靈敏度以及成像速度后，磁共振技術才逐步成熟，理查德·恩斯特本人也因此榮獲1991年的諾貝爾化學獎。

現代核磁共振成像技術在歐洲和美國以獨立的技術路線分別開展。歐洲方面：1973年化學家保羅·克里斯琴·勞特伯和物理學家彼得·曼斯菲爾德爵士在荷蘭的中心實驗室搭建完成了最初的磁共振成像系統（圖2），并對充滿液體的物體進行了成像，得到了著名的核磁共振圖像“諾丁漢的橙子”（圖3），拔得磁共振技術成像領域的頭籌。

圖2 磁共振成像系統

圖3 磁共振成像結果“諾丁漢的橙子”

受到成像結果的鼓舞，荷蘭中心實驗室于1978年組建“質子項目”研究團隊（圖4），該團隊研制出了0.15T的磁共振系統，并于1980年12月3日，得到了***類頭部核磁共振圖像（圖5）和第一幅第二維傅里葉變換后的圖像（1981年7月30日，圖6）。保羅·克里斯琴·勞特伯教授與彼得·曼斯菲爾德爵士教授因其在磁共振醫學成像領域的貢獻，共同獲得了2003年的諾貝爾醫學獎。

圖4 質子項目研究員

圖5 ***類頭部MRI成像

圖6 第一張二維傅里葉變換后的頭部圖像

在美國，紐約大學的雷蒙德·達馬迪安教授團隊則在醫學成像方面，拔得頭籌，他們研制的醫用核磁共振設備（圖7）于1977年7月3日到了***體磁共振圖像——胸部軸位質子密度加權圖像（圖8），標志著MRI技術在醫學領域應用的開始，因此7月3日也被學界認為是醫學磁共振成像技術的“生日”。

圖7 第一個醫用核磁共振設備

圖8 ***體磁共振圖像

在短短50年的時間內，磁共振成像技術獲得了長足的發展，已成為影像學四大常規檢查手段之一（四大常規手段：磁共振成像，X射線成像，超聲成像與核醫學成像）。相比而言，磁共振成像對軟組織分辨能力高，無輻射損傷的優勢使其在嬰幼兒發育和骨骼韌帶勞損等方面獲得了無可替代的應用。

在發展方向上，磁共振系統不斷追求極限工作條件與更有針對性的勵磁序列。在高磁場強度方面，目前醫院主流的磁共振設備場強已超過1.5T，7T的磁共振系統也已商業化，并在腦神經疾病檢查、腦功能與腦科學研究方面獲得廣泛的應用；在低場強方面，部分科研機構開展了主磁場μT量級的超低場磁共振設備研究工作，以滿足牙齒種植，裝有心臟起搏器等特殊患者的檢查需求；在體積極限方面，目前基于霍爾巴赫（Halbach）磁體的小型磁共振檢測設備已經把體積縮小到桌面大小，重量可控制在40Kg以內，在食品檢測與地質探測等領域獲得廣泛的應用；在勵磁序列方面，功能磁共振（fMRI）序列，彈性成像序列，波譜成像序列已在部分商用機型上配置，以滿足醫學診斷方面的特殊需求。

近年來，中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所在磁共振理論研究與應用研發方面不斷取得新突破：研發的開源磁共振波譜成像模擬平臺Spin-Scenario填補領域空白，登上國際磁共振學會的官方期刊JMR封面（圖9），并獲包括荷蘭烏得勒支大學、德國慕尼黑工業大學在內的多家國內外研究機構使用；研發的小型高均勻度Halbach陣列磁體技術水平達到國內領先，已成功應用于桌面式核磁波譜儀（圖10）；研發完成超低場磁共振成像系統，實現對含磁性植入物的組織高質量成像（圖11）；聯合蘇州兒童醫院研發完成兒童發育性髖關節發育脫位磁共振定量評估系統，實現疾病的早期診斷、術前規劃與術后評估和長期動態監測等環節的完整覆蓋。希望通過我們的不懈努力，能為國產高端磁共振系統產業化做出一點微薄的貢獻。

圖9 Spin-Scenario仿真結果與JMR封面

圖10 霍爾巴赫磁體仿真設計與實物

圖11 超低場磁共振系統與實驗測試界面