核磁共振一定比CT好嗎？

作者：劉植榮

 

最近一些年，中國加速引進核磁共振掃描儀，根據(jù)國家衛(wèi)健委發(fā)布的《關(guān)于調(diào)整2018—2020年大型醫(yī)用設(shè)備配置規(guī)劃》，2020年，我國超導核磁共振掃描儀保有量達到10713臺。不少人認為，核磁共振比CT清楚，是診斷疾病的“神器”，到醫(yī)院主動要求醫(yī)生給自己做核磁共振。本文就談?wù)労舜殴舱窬烤故窃趺椿厥隆?/p>

1.“磁共振”還是“核磁共振”　　

　　現(xiàn)在說的“磁共振”本來叫“核磁共振”，全稱是“核磁共振成像”（NMRI）。由于民眾誤認為核磁共振成像要用核輻射，對它有恐懼心理，后來就把“核磁共振成像”的“核”去掉，改成“磁共振成像”（MRI）了。

　　其實，用“核磁共振成像”才能更準確地定位這種臨床檢查儀器的本質(zhì)，因為它是靠強磁場中的原子核共振現(xiàn)象成像的，這里的“核”不是核輻射，而是指“原子核”，核磁共振與核輻射沒有任何聯(lián)系。

2.1980年核磁共振成像首次被應(yīng)用于臨床診斷　　

　　1946年，美國哈佛大學研究人員愛德華·米爾斯·帕賽爾發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)象。1946年，美國斯坦福大學教授菲力克斯·布洛赫提出“布洛赫方程”，為核磁共振現(xiàn)象的數(shù)學計算奠定了基礎(chǔ)。1952年諾貝爾物理學獎授予他倆，以表彰他倆在核磁共振領(lǐng)域作出的杰出貢獻。

　　起初，核磁共振主要用于有機物的分子結(jié)構(gòu)研究。1971年3月，美國紐約州立大學教授雷蒙德·達馬丁在《科學》雜志發(fā)表的論文提出，腫瘤組織與人體正常組織的核磁共振釋放的能量不同，這為把核磁共振現(xiàn)象用于醫(yī)學檢測拉開了序幕。很快，達馬丁研制出了核磁共振掃描儀，并于1972年3月17日向美國專利局申請了專利，該專利于1974年2月5日獲得批準。令人惋惜的是，達馬丁并未因發(fā)明核磁共振掃描儀獲得諾貝爾獎。

　　1973年，美國石溪大學教授保羅·勞特布爾和英國諾丁漢大學教授彼得·曼斯菲爾德改進了核磁共振成像技術(shù)，讓掃描時間從幾個小時縮短為幾十分鐘甚至幾分鐘，推動了核磁共振成像技術(shù)的臨床應(yīng)用。2003年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予他倆，以表彰他倆在核磁共振成像技術(shù)方面的重大貢獻。

　　20世紀70年代末，英國艾伯丁大學醫(yī)用物理學教授約翰·馬拉德研制出世界上第一臺全身核磁共振掃描儀“馬克一號”，并把它安裝在蘇格蘭艾伯丁皇家醫(yī)院。1980年8月28日，“馬克一號”對一患者進行了全身掃描檢查，發(fā)現(xiàn)了胸腔腫瘤、腎臟病變及骨癌，這是世界上首例核磁共振臨床醫(yī)學診斷。隨后3年，“馬克一號”對1000名患者進行了檢查。1983年，這臺全身核磁共振掃描儀被移裝在倫敦圣巴塞洛繆醫(yī)院，在那里運行了10年。

3.超導磁體是核磁共振的核心　　

　　核磁共振掃描儀外形與CT掃描儀差不多，但前者比后者要大得多，價格也更昂貴。

　　核磁共振掃描儀包括磁體系統(tǒng)、梯度磁場系統(tǒng)、射頻場系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)和控制臺等幾大部分組成，但核心是磁體系統(tǒng)，它是核磁共振成像的基礎(chǔ)。

　　磁體系統(tǒng)就是產(chǎn)生強磁場的系統(tǒng)，最初由永磁物質(zhì)產(chǎn)生，呈開放式的U形，它不需要電即可產(chǎn)生永久磁場，運行成本低，但體積龐大，磁感應(yīng)強度低，大多已被淘汰。目前，核磁共振掃描儀的磁場基本上都由超導線圈產(chǎn)生。

　　要想讓金屬線圈超導，就必須獲得超導低溫。液氦（主要由美國生產(chǎn)）可以提供接近絕對零度（-273.15℃）的低溫環(huán)境，線圈置于這樣的低溫環(huán)境里出現(xiàn)超導現(xiàn)象，也就是電阻為零。超導線圈被外部電流激發(fā)后，因沒有電阻也就不存在能量損耗，無需外部持續(xù)供電其內(nèi)部電流也會一直流動下去，從而產(chǎn)生強度不變的永久磁場。

　　我們說“強度不變的永久磁場”只是個理論值，由于超導線圈導線長度幾十公里，這么長的導線必須由多段導線焊接而成，而焊點因材料不同會存在電阻，超導線圈會有輕微的能耗，也就是說，核磁共振的超導磁場也是逐漸衰減的，只不過是衰減得比較慢而已。

　　目前，醫(yī)院裝備的超導核磁共振掃描儀磁感應(yīng)強度大多是1.5特斯拉（T）或3.0T。出于安全考慮，更高磁感應(yīng)強度的核磁共振掃描儀僅用于科學研究。目前，用于動物研究的21.1T的核磁共振掃描儀已得到應(yīng)用。

　　超導核磁共振掃描儀必須處于24小時開機狀態(tài)，即便沒有患者檢查也要開機，因為必須讓超導線圈置于接近絕對零度的低溫液氦中。為了防止磁場向外泄漏，必須對核磁共振成像檢查室進行屏蔽，要在墻體上鋪設(shè)超低碳特種鋼，這種鋼材價格昂貴，我國需要進口。為了減少屏蔽成本，也有的制造商在主磁體外增加一個反向電流線圈，用來抵消超導磁場的外泄。

　　目前，核磁共振掃描儀的主要制造商包括美國的通用電氣、德國的西門子、荷蘭的飛利浦、日本的東芝和韓國的三星。

4.靠接收人體內(nèi)氫的信息成像　　

　　核磁共振重建圖像依賴強磁場就像CT成像依賴強X光，但核磁共振成像技術(shù)要比CT成像技術(shù)復雜得多。

　　當原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)其中至少有一項是奇數(shù)時，質(zhì)子同原子核一起旋轉(zhuǎn)形成磁場，就像電流通過線圈形成磁場一樣，根據(jù)安培定則（右手螺旋定則）可判斷出N極和S極。

　　人體中具有磁場的原子核有很多，如氫、氮、磷、碳、鈉、鉀、氧、氟等，但氫在人體中的含量最大，約占三分之二，并且存在于各器官組織中，而且磁化率高，釋放出的信號強，所以，核磁共振選擇氫原子核成像。更準確地說，是利用氫最常見的同位素氕（氫-1）成像，氕只有一個質(zhì)子，沒有中子，豐度高達99.98%。氕原子核只有一個質(zhì)子，下文提到的氫質(zhì)子就是指氕原子核。

　　讀到這里可能有讀者會問，既然人體存在很多有磁場的原子核，那人體是不是也有磁場？

　　人體是沒有宏觀磁場的，因為人體內(nèi)各種原子核產(chǎn)生的磁場的極性是無序排列的，磁感應(yīng)強度是個矢量，它們互相抵消，整個人體就不會表現(xiàn)出磁性來。

　　“矢量”是中學物理的一個基本概念，它有大小和方向，有正負之分，力就是矢量。與“矢量”對應(yīng)的是“標量”，標量只有大小沒有方向，無正負之別，能量就是標量。

5.核磁共振成像基本原理　　

　　人體進入核磁共振掃描儀的超導磁場后，氫質(zhì)子的磁場方向便與超導磁場平行，這種平行是動態(tài)平行，因為氫質(zhì)子像陀螺一樣，在自旋的同時也以超導磁場的磁力線為軸旋轉(zhuǎn)，這也叫進動，進動頻率是由外加磁場的強度決定的。處于低能級的氫質(zhì)子與超導磁場方向一致，處于高能級的氫質(zhì)子與超導磁場方向相反，但前者多于后者，這樣人體就呈現(xiàn)出宏觀磁場來，方向與超導磁場的方向一致。

　　通過調(diào)整梯度磁場梯度和射頻帶寬，可選定斷層位置及層厚，然后用射頻線圈向斷層發(fā)射電磁波，當處于低能級的氫質(zhì)子進動頻率與電磁波頻率相等時，便吸收電磁波能量發(fā)生共振，進入高能級；關(guān)閉電磁波后，那些參與共振的氫質(zhì)子，便釋放電磁波能量回到原來的低能級。

　　共振氫質(zhì)子回到低能級時釋放電磁波能量，而這種能量被氫質(zhì)子周圍介質(zhì)吸收呈現(xiàn)指數(shù)下降（馳豫），介質(zhì)不同下降的快慢也不同。如果在某一時刻打開射頻線圈，此時的射頻線圈就成了信號接收線圈，把斷層各體素上共振氫質(zhì)子衰減的信號接收下來，經(jīng)計算機計算，把體素信號對應(yīng)到像素上，便可重建圖像。

　　從上文可以看出，盡管人體內(nèi)氫質(zhì)子不計其數(shù)，但參與共振釋放成像信號的氫質(zhì)子并不多，其數(shù)量就是低能氫質(zhì)子與高能氫質(zhì)子的差數(shù)，僅占氫質(zhì)子總數(shù)的百萬分之幾。

　　總之，核磁共振就是在強大磁場的基礎(chǔ)上，通過梯度磁場和射頻確定斷層部位和厚度，再經(jīng)過射頻激發(fā)氫質(zhì)子共振，去掉射頻后被激發(fā)的氫質(zhì)子釋放能量，這些能量因周圍介質(zhì)不同而呈現(xiàn)不同的指數(shù)衰減，把這些衰減的信號接收下來，經(jīng)過計算機復雜的計算重建灰級圖像?！　?/p>

6.核磁共振一定比CT好嗎　　

　　公眾有種對核磁共振的迷信心理，核磁共振比CT貴，就認為它一定比CT好。其實，核磁共振與CT各有各的優(yōu)勢，不能一概而論誰更好。

　　一般而言，核磁共振對人體軟組織成像能獲得更多的細節(jié)信息，但它對骨質(zhì)方面的病變檢查不如CT。

　　核磁共振對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的病灶檢查具有明顯的優(yōu)勢，對腦部腫瘤、顱內(nèi)感染、腦血管病變、腦白質(zhì)病變、腦發(fā)育畸形等也具有較高的診斷價值，但對顱骨折、急性腦出血以及病灶鈣化并不敏感。核磁共振檢查眼、鼻、喉及頸部病變也優(yōu)于CT，但對這些部位的骨質(zhì)病變檢查不如CT。另外，核磁共振無需使用造影劑便可得到血管、膽胰管、尿路等管腔造影，而CT造影必須使用造影劑。

　　CT掃描用時很短，幾秒幾十秒即可完成；但核磁共振掃描需要時間較長，需要幾分鐘到幾十分鐘，而且噪音很大，會給患者帶來一定的恐懼感。正因為核磁共振掃描時間長，它不適合對運動器官的檢查，如心臟等。

　　核磁共振有一個操作優(yōu)勢，那就是，無需移動人體，只需要通過調(diào)整梯度磁場梯度和射頻帶寬，就可以對人體任何組織、任何斷層和層厚進行掃描。

7.核磁共振安全嗎　　

　　2017年12月9日，美國食品和藥品管理局提出，核磁共振的強磁場和射頻能量會引起一些安全問題，美國每年有數(shù)百萬例核磁共振成像，每年收到大約300例由此引發(fā)的不良事件。

　　核磁共振雖然不用X線，但卻需要強度極高的磁場。地球表面的磁場平均是0.5高斯（Gs），1T等于1萬Gs，而現(xiàn)在普遍使用的3.0T超導核磁共振掃描儀，其磁場強度是地球自然磁場的6萬倍！在這樣的強磁場環(huán)境下，磁性金屬物質(zhì)會像噴氣式飛機一樣拋射。

　　被檢查的患者身體內(nèi)不能有任何金屬植入物，如血管支架、含有金屬的義齒、金屬節(jié)育環(huán)等，因為這些東西在強磁場下會發(fā)生移動，給身體造成傷害甚至是致命危害。如果患者說不清自己體內(nèi)是否有金屬植入物，核磁共振掃描前必須進行X線檢查。對安裝心臟起搏器的患者而言，不但禁止核磁共振檢查，也禁止進入核磁共振檢查室。

　　患者也不得攜帶任何金屬器件進入檢查室，如鑰匙、手表、腰帶、首飾等，因為金屬物品在強大磁場作用下會飛射出去，傷害患者并損壞儀器。把銀行卡等磁卡及電子設(shè)備帶入核磁共振檢查室也會受到損壞。

　　核磁共振掃描時會產(chǎn)生很大的噪音，為保護聽力，檢查醫(yī)師要為患者戴上耳塞。

　　核磁共振的射頻能量會加熱患者身體組織，會讓患者感到不適。

　　另外，液氦不但超低溫，也具有毒性，泄漏后會給接觸的人造成凍傷、中毒等傷害。

和CT一樣，如果想獲得更清晰的圖像，就必須使用造影劑加強掃描，使用造影劑，某些患者會發(fā)生過敏等不良反應(yīng)。

核磁共振會給接受掃描的人造成哪些危害以及危害程度有多大，從目前的研究看尚不明確。但有一點可以肯定，人經(jīng)過長期進化已經(jīng)適應(yīng)了0.5Gs的地球自然磁場，突然進入強度是自然磁場6萬倍的磁場中，肯定有某些不利的影響。故此，一般不建議妊娠期婦女進行核磁共振檢查，尤其是懷孕3個月以內(nèi)的婦女；國外甚至規(guī)定近期計劃懷孕的婦女在做核磁共振檢查前一定要咨詢醫(yī)生。

（本文發(fā)《羊城晚報》2021年1月14日A11版 署名：碩寬）