四种医疗造影技术及其原理概述

 在医学界，由于医生对病人的有限了解，常常需要辅助技术获得病人身体内部的状态信息，如骨、脏器等。值得庆幸的是，人类现已获取了多种通过透过皮肤、血管等低密度区域直接获得自然光以外的信息的成像技术，最典型的，X光，B超，CT以及MRI。这数种技术的原理如何，又是怎么应用的呢？

X光成像与CT（Computed Tomography，电子计算机断层扫描）成像基于同一物理原理，即X射线（X-ray）。X射线由伦琴于19世纪末发现，是一种能量大于紫外线的电磁波。其波长在e-10米左右，相当于原子直径的尺度，但同时由于巨大的能量，虽然容易被原子阻挡，但仍能轻易穿透组织，透过身体。这期间X射线会与体内的原子发生反应，改变原子的结构甚至性质，这种射线的作用也被称为电离辐射。但也归功于X射线的这个特点，它可以完成一般的可见光包括紫外线都无法企及的任务——穿透人体。

由于原子的数量或密度会影响X光的穿透性，因此同样的两束X射线在穿过致密的组织（如骨）和穿过疏松的组织（如皮肤）后会留下不同量的X射线残余。这是因为原子对X射线的吸收性，并且因为其类型或密度，造成了不同的吸收率。利用X射线残余在不同位置之间的差异，可以清楚地判断不同穿透区域之间的组织密度差异。

（X光下的双手）

正是这样的一种技术，医生可以透过皮肤清楚地看到骨骼的位置与损伤。但基于最终成像方式的差异，X光与CT也带来了显著的应用差异。

传统的X光用胶片做接收器，直接接收到残余的X射线，因此立刻成像，是一种模拟成像（连续），这与传统的相机无异。

而CT则用探测器接收X射线信号，将其结果离散化（因为存储的数据必然是离散的），记录到存储器上。更重要的是，CT通过围绕同一部分组织旋转一周，期间数次成像，建立一个不同方向上的X射线吸收程度的离散化方程，反过来算出组织内每个位置的X射线吸收率。因此CT往往都是圆形的。因此CT的真正原理可以被看做解决一个数学问题，在成像质量足够好，离散程度较小时，相对是容易的。

但是由于多次经过X光照射，CT的辐射量也是X光的数十倍，甚至上百倍。

由于CT的复原（重构）算法，CT得到的结果实际上为扫描区域内的所有组织的近似信息，相比X光拍的一张照，更加清楚明晰。因此可以被应用于脏器造影，尤其是肺部，腹部组织以及头部等。

B超（B-scan ultrasonography，B超声波检查）以及其升级版本彩超（Color Doppler ultrasonography），是基于超声波的成像方法，始于上个世纪70年代。超声波同样是类似于X射线一样具有较小波长/较大频率/较高能量的波（异于电磁波的机械波）。其高频振动在固体和液体中不容易散失，因此也具有穿透性；但在空气中却会很快散射消失。同时声波与自然光一样会在介质的分界面发生折射和反射，却又能高穿透性的基础上保持传播的方向性，因此可以被用来观察诊断体内脏器、胎儿的位置与外形，但几乎没有副作用。

彩超同时利用了波的多普勒效应，在B超的基础上增加了探测物质运动的能力，尤其在观察血管流速等方面，因而可以被用来观察心血管疾病。其色彩也并非物质颜色，而是运动速度等参数的反映。

最先进也是最复杂的磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging），源自于对核磁共振现象的理解，始于上世纪90年代。MRI成像利用低频电磁波脉冲在组织的不同区域利用性质差异（如不同原子含量等）产生反馈信号差异，然后在高精度的信号采集后复原、重建信号来源的组织不同区域的特性，用以诊断病变或研究。

为了利用核磁共振（nuclear magnetic resonance）现象，人们需要自行制造强磁场，同时为了保证磁共振成像的清晰度（较高的信噪比），磁场的强度往往要达到1T甚至数T。这相比于约为5e-5T的地磁场已然很高。磁共振系统中强磁场的产生依靠永磁体或是感生线圈，前者只能提供较弱的强磁场（约0.5T），而后者即便能够产生强磁场（约3T）却要消耗大量能量产热。因此，在超导技术日近成熟的今天，人们使用超导线圈，在没有热量产生（无能量损耗）的情况下产生强磁场。但超导的临界温度一般较低，因此需要专业设备维持。

核磁共振原理是比较复杂的，下图为MRI系统的基本组成，其中磁体和梯度线圈共同作用产生具有微小强度梯度的强磁场，用以将目标组织（如大脑）进行分层，每一层内的磁感应强度均衡，因而同时共振。体线圈包括射频脉冲发生线圈和接收线圈等，它们是真正意义上发射和接受病人身体信号的装置，而磁场只提供环境。

（图源见水印）

射频脉冲来自于射频脉冲发生线圈，是一种周期性变化的低频电磁波（与无线电波相当），其在人体内的穿透性亦强于自然光。这是因为低频的射频脉冲的波动性会更强，其较大的波长使得它们能够绕过障碍物，这种现象即为衍射。就像手机信号等，这类电磁波可以轻松穿过人体。更多解释参看这里

那么核磁共振到底如何发生的呢？（图片及来源）

在一个强磁场B0的作用下，人体内的所有氢原子（包括一些其他非对称原子）会因为自身的微小磁矩（磁矩来源于正负电荷，即原子核与核外电子的为之差异及其运动）而被影响；由于B0较大，所有的氢原子最终磁矩都会朝向B0的方向。在一个微小扰动下，这些氢原子的磁矩会围绕B0方向轻微旋转（进动，如图最小的围绕B0的圈），这个摆动具有一个固定频率——拉莫尔频率，其正比于B0，并只与原子的固有性质相关。因此，产生一个磁感应强度梯度可以使位于不同强度位置处的原子获得不同的进动频率。

对应某一个进动频率，开始施加对应频率的射频脉冲M，即扰动。由于频率相同，就像荡秋千在最低点向前施力一样，磁矩总会在延M方向处获得最大作用力，周而复始。这样，磁矩的旋转面会越来越偏离初始的旋转面，半径也越来越大（图中的圆渐渐往下走，但是磁矩大小不变）。但是仅有进动频率与射频脉冲频率相同的原子会发生共振，其他原子长期来看受到的扰动会互相抵消，因此分层就实现了。

当进动的平面与扰动方向M共面时，撤掉射频脉冲，此时磁矩旋转会慢慢恢复到初始位置，这个过程根据射频脉冲不同会发射不同信号，如自由衰减（FID）信号，自旋回波(Spin Echo)信号，梯度回波(Gradient Echo)信号等。这些信号的来源就是磁矩回复时的在于B0垂直的平面上的磁矩大小变化。如果B0较小，很容易引入因不能将所有原子的磁矩固定在B0方向而带来的噪声，因此强磁场可以增大信噪比。

最关键的在于，现在我们对某个切片（层）上的所有原子得到了其信号的总和，包括强度和弛豫时间（回复时间），如何复原某个位置的信号呢？

MR 成像中的信号来自多个体素（voxel，即空间中某个位点及其附近的组织总和），通常来自一次记录的整个切片。这些体素包含具有不同自旋密度和弛豫时间的不同材料。此外，主磁场（B0）经常被故意扭曲，使用梯度改变质子的频率和相位作为空间位置的函数。因此，产生的总 MR 信号是由具有不同幅度、频率和相位的单个体素产生的数千个 FID 和回波的总和。为了得到每一个位置（通常为256 * 256个体素）的信息，在使用足够多的不同射频脉冲信号并接收到与之对应的不同信号后，简单来讲，由于对不同信号类型的建模，绝大多数信号都会服从特定的衰减曲线，而这些曲线只有几个待定的参数。对于每个体素，我们只需要求解出这数个未知的参数，但是参数都是在时域上的，但得到的信号是在频域（也被称作Kspace）上的，通过傅里叶变换我们可以得到每个体素在时域上的信息，如信号强度，弛豫时间。这样就得到了MRI图像。

此外，不同的射频脉冲种类会带来完全不同的回复信号，这些信号产生的机理同样受到材料类型、自旋密度的影响，因此根据类似的方法，人们可以重建出大脑的不同信息图像。如

功能MRI能够检测大脑活动时的代谢变化，可以用以研究大脑功能活动；MRI灌注成像能够估测特殊区域的血流，在中风时其有助于确定流向大脑各部分的血液是否减少，也可用于识别血流增加的区域；等等。

此外，相比于X射线，MRI具有较高的安全性，不会产生电离辐射。也正是因为如此，以及其天然机理优势，MRI可以被广泛应用到脑、脊髓、心血管的研究与临床诊断；同时因为其对组织性质差异的复原，相比CT等在诊断肿瘤等领域也有很大优势。详见这里

Ref:

https://www.cnblogs.com/QuincyYi/p/12936872.html

http://www.mtzyy.com.cn/Html/News/Articles/584.html#:~:text=%E7%AE%80%E5%8D%95%E7%9A%84%E8%AF%B4%E2%80%9C%E5%BD%A9%E8%B6%85%E2%80%9D%E5%B0%B1%E6%98%AF,%E9%95%BF%E5%BA%A6%E3%80%81%E9%9D%A2%E7%A7%AF%E8%BF%9B%E8%A1%8C%E5%AE%9A%E9%87%8F%E5%88%86%E6%9E%90%E3%80%82

https://zhuanlan.zhihu.com/p/137365718

https://news.12371.cn/2016/10/14/ARTI1476426694256624.shtml

https://mriquestions.com/index.html