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(chǔ)上利用感應(yīng)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(jì)30年代，物理學(xué)家伊西多·艾薩克·拉比就發(fā)現(xiàn)，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(fā)生翻轉(zhuǎn)（圖1（c））。這是人類關(guān)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(xué)家費利克斯·布洛赫和愛德華·米爾斯·珀塞耳發(fā)現(xiàn)位于磁場中的原子核受到高頻電磁場激發(fā)會傾斜。而當(dāng)高頻場關(guān)閉后，原子核將釋放吸收的能量，并且回歸到原始狀態(tài)（圖1（b）至圖1（d）過程）。因其在磁共振成像理論基礎(chǔ)方面的杰出貢獻，伊西多·艾薩克·拉比獲1944年諾貝爾物理學(xué)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(xué)獎。

圖1 磁共振原理示意圖

在磁共振現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之初，因成像條件苛刻、成像時間長等缺陷，應(yīng)用范圍受到較大限制，雖然在1950年歐文·哈恩就發(fā)現(xiàn)了雙脈沖下磁共振自旋回波現(xiàn)象，但直到1968年理查德·恩斯特團隊改進激發(fā)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(shù)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(xué)獎。

現(xiàn)代核磁共振成像技術(shù)在歐洲和美國以獨立的技術(shù)路線分別開展。歐洲方面：1973年化學(xué)家保羅·克里斯琴·勞特伯和物理學(xué)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(tǒng)（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(shù)成像領(lǐng)域的頭籌。

圖2 磁共振成像系統(tǒng)

圖3 磁共振成像結(jié)果“諾丁漢的橙子”

受到成像結(jié)果的鼓舞，荷蘭中心實驗室于1978年組建“質(zhì)子項目”研究團隊（圖4），該團隊研制出了0.15T的磁共振系統(tǒng)，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(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的貢獻，共同獲得了2003年的諾貝爾醫(yī)學(xué)獎。

圖4 質(zhì)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(xué)的雷蒙德·達馬迪安教授團隊則在醫(yī)學(xué)成像方面，拔得頭籌，他們研制的醫(yī)用核磁共振設(shè)備（圖7）于1977年7月3日到了***體磁共振圖像——胸部軸位質(zhì)子密度加權(quán)圖像（圖8），標(biāo)志著MRI技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的開始，因此7月3日也被學(xué)界認為是醫(yī)學(xué)磁共振成像技術(shù)的“生日”。

圖7 第一個醫(yī)用核磁共振設(shè)備

圖8 ***體磁共振圖像

在短短50年的時間內(nèi)，磁共振成像技術(shù)獲得了長足的發(fā)展，已成為影像學(xué)四大常規(guī)檢查手段之一（四大常規(guī)手段：磁共振成像，X射線成像，超聲成像與核醫(yī)學(xué)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(yōu)勢使其在嬰幼兒發(fā)育和骨骼韌帶勞損等方面獲得了無可替代的應(yīng)用。

在發(fā)展方向上，磁共振系統(tǒng)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(yī)院主流的磁共振設(shè)備場強已超過1.5T，7T的磁共振系統(tǒng)也已商業(yè)化，并在腦神經(jīng)疾病檢查、腦功能與腦科學(xué)研究方面獲得廣泛的應(yīng)用；在低場強方面，部分科研機構(gòu)開展了主磁場μT量級的超低場磁共振設(shè)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(shè)備已經(jīng)把體積縮小到桌面大小，重量可控制在40Kg以內(nèi)，在食品檢測與地質(zhì)探測等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)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(yī)學(xué)診斷方面的特殊需求。

近年來，中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所在磁共振理論研究與應(yīng)用研發(fā)方面不斷取得新突破：研發(fā)的開源磁共振波譜成像模擬平臺Spin-Scenario填補領(lǐng)域空白，登上國際磁共振學(xué)會的官方期刊JMR封面（圖9），并獲包括荷蘭烏得勒支大學(xué)、德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)在內(nèi)的多家國內(nèi)外研究機構(gòu)使用；研發(fā)的小型高均勻度Halbach陣列磁體技術(shù)水平達到國內(nèi)領(lǐng)先，已成功應(yīng)用于桌面式核磁波譜儀（圖10）；研發(fā)完成超低場磁共振成像系統(tǒng)，實現(xiàn)對含磁性植入物的組織高質(zhì)量成像（圖11）；聯(lián)合蘇州兒童醫(yī)院研發(fā)完成兒童發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育脫位磁共振定量評估系統(tǒng)，實現(xiàn)疾病的早期診斷、術(shù)前規(guī)劃與術(shù)后評估和長期動態(tài)監(jiān)測等環(huán)節(jié)的完整覆蓋。希望通過我們的不懈努力，能為國產(chǎn)高端磁共振系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化做出一點微薄的貢獻。

圖9 Spin-Scenario仿真結(jié)果與JMR封面

圖10 霍爾巴赫磁體仿真設(shè)計與實物

圖11 超低場磁共振系統(tǒng)與實驗測試界面