核磁共振一定比CT好嗎？

作者：劉植榮

 

最近一些年，中國(guó)加速引進(jìn)核磁共振掃描儀，根據(jù)國(guó)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(guó)超導(dǎo)核磁共振掃描儀保有量達(dá)到10713臺(tái)。不少人認(rèn)為，核磁共振比CT清楚，是診斷疾病的“神器”，到醫(yī)院主動(dòng)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(shuō)的“磁共振”本來(lái)叫“核磁共振”，全稱(chēng)是“核磁共振成像”（NMRI）。由于民眾誤認(rèn)為核磁共振成像要用核輻射，對(duì)它有恐懼心理，后來(lái)就把“核磁共振成像”的“核”去掉，改成“磁共振成像”（MRI）了。

　　其實(shí)，用“核磁共振成像”才能更準(zhǔn)確地定位這種臨床檢查儀器的本質(zhì)，因?yàn)樗强繌?qiáng)磁場(chǎng)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(méi)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(guó)哈佛大學(xué)研究人員愛(ài)德華·米爾斯·帕賽爾發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)象。1946年，美國(guó)斯坦福大學(xué)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(xué)計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予他倆，以表彰他倆在核磁共振領(lǐng)域作出的杰出貢獻(xiàn)。

　　起初，核磁共振主要用于有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)研究。1971年3月，美國(guó)紐約州立大學(xué)教授雷蒙德·達(dá)馬丁在《科學(xué)》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(xué)檢測(cè)拉開(kāi)了序幕。很快，達(dá)馬丁研制出了核磁共振掃描儀，并于1972年3月17日向美國(guó)專(zhuān)利局申請(qǐng)了專(zhuān)利，該專(zhuān)利于1974年2月5日獲得批準(zhǔn)。令人惋惜的是，達(dá)馬丁并未因發(fā)明核磁共振掃描儀獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

　　1973年，美國(guó)石溪大學(xué)教授保羅·勞特布爾和英國(guó)諾丁漢大學(xué)教授彼得·曼斯菲爾德改進(jìn)了核磁共振成像技術(shù)，讓掃描時(shí)間從幾個(gè)小時(shí)縮短為幾十分鐘甚至幾分鐘，推動(dòng)了核磁共振成像技術(shù)的臨床應(yīng)用。2003年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)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(xiàn)。

　　20世紀(jì)70年代末，英國(guó)艾伯丁大學(xué)醫(yī)用物理學(xué)教授約翰·馬拉德研制出世界上第一臺(tái)全身核磁共振掃描儀“馬克一號(hào)”，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(hào)”對(duì)一患者進(jìn)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(xué)診斷。隨后3年，“馬克一號(hào)”對(duì)1000名患者進(jìn)行了檢查。1983年，這臺(tái)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(yùn)行了10年。

3.超導(dǎo)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(jià)格也更昂貴。

　　核磁共振掃描儀包括磁體系統(tǒng)、梯度磁場(chǎng)系統(tǒng)、射頻場(chǎng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和控制臺(tái)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(qiáng)磁場(chǎng)的系統(tǒng)，最初由永磁物質(zhì)產(chǎn)生，呈開(kāi)放式的U形，它不需要電即可產(chǎn)生永久磁場(chǎng)，運(yùn)行成本低，但體積龐大，磁感應(yīng)強(qiáng)度低，大多已被淘汰。目前，核磁共振掃描儀的磁場(chǎng)基本上都由超導(dǎo)線圈產(chǎn)生。

　　要想讓金屬線圈超導(dǎo)，就必須獲得超導(dǎo)低溫。液氦（主要由美國(guó)生產(chǎn)）可以提供接近絕對(duì)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(dǎo)現(xiàn)象，也就是電阻為零。超導(dǎo)線圈被外部電流激發(fā)后，因沒(méi)有電阻也就不存在能量損耗，無(wú)需外部持續(xù)供電其內(nèi)部電流也會(huì)一直流動(dòng)下去，從而產(chǎn)生強(qiáng)度不變的永久磁場(chǎng)。

　　我們說(shuō)“強(qiáng)度不變的永久磁場(chǎng)”只是個(gè)理論值，由于超導(dǎo)線圈導(dǎo)線長(zhǎng)度幾十公里，這么長(zhǎng)的導(dǎo)線必須由多段導(dǎo)線焊接而成，而焊點(diǎn)因材料不同會(huì)存在電阻，超導(dǎo)線圈會(huì)有輕微的能耗，也就是說(shuō)，核磁共振的超導(dǎo)磁場(chǎng)也是逐漸衰減的，只不過(guò)是衰減得比較慢而已。

　　目前，醫(yī)院裝備的超導(dǎo)核磁共振掃描儀磁感應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)度的核磁共振掃描儀僅用于科學(xué)研究。目前，用于動(dòng)物研究的21.1T的核磁共振掃描儀已得到應(yīng)用。

　　超導(dǎo)核磁共振掃描儀必須處于24小時(shí)開(kāi)機(jī)狀態(tài)，即便沒(méi)有患者檢查也要開(kāi)機(jī)，因?yàn)楸仨氉尦瑢?dǎo)線圈置于接近絕對(duì)零度的低溫液氦中。為了防止磁場(chǎng)向外泄漏，必須對(duì)核磁共振成像檢查室進(jìn)行屏蔽，要在墻體上鋪設(shè)超低碳特種鋼，這種鋼材價(jià)格昂貴，我國(guó)需要進(jìn)口。為了減少屏蔽成本，也有的制造商在主磁體外增加一個(gè)反向電流線圈，用來(lái)抵消超導(dǎo)磁場(chǎng)的外泄。

　　目前，核磁共振掃描儀的主要制造商包括美國(guó)的通用電氣、德國(guó)的西門(mén)子、荷蘭的飛利浦、日本的東芝和韓國(guó)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(lài)強(qiáng)磁場(chǎng)就像CT成像依賴(lài)強(qiáng)X光，但核磁共振成像技術(shù)要比CT成像技術(shù)復(fù)雜得多。

　　當(dāng)原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)其中至少有一項(xiàng)是奇數(shù)時(shí)，質(zhì)子同原子核一起旋轉(zhuǎn)形成磁場(chǎng)，就像電流通過(guò)線圈形成磁場(chǎng)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(chǎng)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(hào)強(qiáng)，所以，核磁共振選擇氫原子核成像。更準(zhǔn)確地說(shuō)，是利用氫最常見(jiàn)的同位素氕（氫-1）成像，氕只有一個(gè)質(zhì)子，沒(méi)有中子，豐度高達(dá)99.98%。氕原子核只有一個(gè)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(huì)問(wèn)，既然人體存在很多有磁場(chǎng)的原子核，那人體是不是也有磁場(chǎng)？

　　人體是沒(méi)有宏觀磁場(chǎng)的，因?yàn)槿梭w內(nèi)各種原子核產(chǎn)生的磁場(chǎng)的極性是無(wú)序排列的，磁感應(yīng)強(qiáng)度是個(gè)矢量，它們互相抵消，整個(gè)人體就不會(huì)表現(xiàn)出磁性來(lái)。

　　“矢量”是中學(xué)物理的一個(gè)基本概念，它有大小和方向，有正負(fù)之分，力就是矢量。與“矢量”對(duì)應(yīng)的是“標(biāo)量”，標(biāo)量只有大小沒(méi)有方向，無(wú)正負(fù)之別，能量就是標(biāo)量。

5.核磁共振成像基本原理　　

　　人體進(jìn)入核磁共振掃描儀的超導(dǎo)磁場(chǎng)后，氫質(zhì)子的磁場(chǎng)方向便與超導(dǎo)磁場(chǎng)平行，這種平行是動(dòng)態(tài)平行，因?yàn)闅滟|(zhì)子像陀螺一樣，在自旋的同時(shí)也以超導(dǎo)磁場(chǎng)的磁力線為軸旋轉(zhuǎn)，這也叫進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)頻率是由外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度決定的。處于低能級(jí)的氫質(zhì)子與超導(dǎo)磁場(chǎng)方向一致，處于高能級(jí)的氫質(zhì)子與超導(dǎo)磁場(chǎng)方向相反，但前者多于后者，這樣人體就呈現(xiàn)出宏觀磁場(chǎng)來(lái)，方向與超導(dǎo)磁場(chǎng)的方向一致。

　　通過(guò)調(diào)整梯度磁場(chǎng)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(dāng)處于低能級(jí)的氫質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率與電磁波頻率相等時(shí)，便吸收電磁波能量發(fā)生共振，進(jìn)入高能級(jí)；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(lái)的低能級(jí)。

　　共振氫質(zhì)子回到低能級(jí)時(shí)釋放電磁波能量，而這種能量被氫質(zhì)子周?chē)橘|(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(shí)刻打開(kāi)射頻線圈，此時(shí)的射頻線圈就成了信號(hào)接收線圈，把斷層各體素上共振氫質(zhì)子衰減的信號(hào)接收下來(lái)，經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算，把體素信號(hào)對(duì)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(jì)其數(shù)，但參與共振釋放成像信號(hào)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?xì)滟|(zhì)子總數(shù)的百萬(wàn)分之幾。

　　總之，核磁共振就是在強(qiáng)大磁場(chǎng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)梯度磁場(chǎng)和射頻確定斷層部位和厚度，再經(jīng)過(guò)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?chē)橘|(zhì)不同而呈現(xiàn)不同的指數(shù)衰減，把這些衰減的信號(hào)接收下來(lái)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)復(fù)雜的計(jì)算重建灰級(jí)圖像?！　?/p>

6.核磁共振一定比CT好嗎　　

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

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

　　核磁共振對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的病灶檢查具有明顯的優(yōu)勢(shì)，對(duì)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(jià)值，但對(duì)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(duì)這些部位的骨質(zhì)病變檢查不如CT。另外，核磁共振無(wú)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(shí)很短，幾秒幾十秒即可完成；但核磁共振掃描需要時(shí)間較長(zhǎng)，需要幾分鐘到幾十分鐘，而且噪音很大，會(huì)給患者帶來(lái)一定的恐懼感。正因?yàn)楹舜殴舱駫呙钑r(shí)間長(zhǎng)，它不適合對(duì)運(yùn)動(dòng)器官的檢查，如心臟等。

　　核磁共振有一個(gè)操作優(yōu)勢(shì)，那就是，無(wú)需移動(dòng)人體，只需要通過(guò)調(diào)整梯度磁場(chǎng)梯度和射頻帶寬，就可以對(duì)人體任何組織、任何斷層和層厚進(jìn)行掃描。

7.核磁共振安全嗎　　

　　2017年12月9日，美國(guó)食品和藥品管理局提出，核磁共振的強(qiáng)磁場(chǎng)和射頻能量會(huì)引起一些安全問(wèn)題，美國(guó)每年有數(shù)百萬(wàn)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(qiáng)度極高的磁場(chǎng)。地球表面的磁場(chǎng)平均是0.5高斯（Gs），1T等于1萬(wàn)Gs，而現(xiàn)在普遍使用的3.0T超導(dǎo)核磁共振掃描儀，其磁場(chǎng)強(qiáng)度是地球自然磁場(chǎng)的6萬(wàn)倍！在這樣的強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下，磁性金屬物質(zhì)會(huì)像噴氣式飛機(jī)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?yàn)檫@些東西在強(qiáng)磁場(chǎng)下會(huì)發(fā)生移動(dòng)，給身體造成傷害甚至是致命危害。如果患者說(shuō)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(jìn)行X線檢查。對(duì)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(jìn)入核磁共振檢查室。

　　患者也不得攜帶任何金屬器件進(jìn)入檢查室，如鑰匙、手表、腰帶、首飾等，因?yàn)榻饘傥锲吩趶?qiáng)大磁場(chǎng)作用下會(huì)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(huì)受到損壞。

　　核磁共振掃描時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的噪音，為保護(hù)聽(tīng)力，檢查醫(yī)師要為患者戴上耳塞。

　　核磁共振的射頻能量會(huì)加熱患者身體組織，會(huì)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(huì)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(qiáng)掃描，使用造影劑，某些患者會(huì)發(fā)生過(guò)敏等不良反應(yīng)。

核磁共振會(huì)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(diǎn)可以肯定，人經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期進(jìn)化已經(jīng)適應(yīng)了0.5Gs的地球自然磁場(chǎng)，突然進(jìn)入強(qiáng)度是自然磁場(chǎng)6萬(wàn)倍的磁場(chǎng)中，肯定有某些不利的影響。故此，一般不建議妊娠期婦女進(jìn)行核磁共振檢查，尤其是懷孕3個(gè)月以?xún)?nèi)的婦女；國(guó)外甚至規(guī)定近期計(jì)劃懷孕的婦女在做核磁共振檢查前一定要咨詢(xún)醫(yī)生。

（本文發(fā)《羊城晚報(bào)》2021年1月14日A11版 署名：碩寬）