第一章 总论

第一节 7.0T磁共振的信噪比与对比

磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是一种非侵入、无电离辐射的影像学技术，在疾病诊断和科学研究中广泛应用。在过去的40 年里，磁共振成像设备在场强、梯度线圈设计和性能方面取得了显著的进步。自20 世纪80 年代初，MRI 进入临床应用以来，临床MR 扫描仪的磁场强度已经从＜0.5T 增加到今天广泛使用的3.0T。2017 年，全球首台临床7.0T MR 扫描仪获得了欧盟CE 认证和美国食品药品监督管理局颁发的临床准入许可；2022 年6 月，7.0T 磁共振也获得了我国国家药品监督管理局的临床应用批准。至今全球已有100 余台7.0T MR 设备装机使用。磁场强度和系统梯度性能的提升使7.0T MR 设备的信噪比、空间分辨率和组织对比度大幅提高，满足了超高分辨率成像和功能代谢成像的需求。7.0T MR 为神经影像带来了新的机遇，在探索疾病发病机制、早期诊断、疗效监测和疗效评估方面具有极大潜力。

一、信噪比

信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）、空间分辨率和成像速度是MRI 的三个基本要素，三个要素相互制约，决定了MRI 的成像质量和应用。一般情况下，SNR 的提升意味着成像时间的降低或更清晰地显示组织细节的能力，后者在超高场应用中更为常见。随着场强B₀ 提升，SNR 呈超线性提升（SNR～B₀1.65）。相较3.0T 而言，7.0T 的信噪比提升近4 倍。基于显著提升的信噪比，在7.0T 平台，血管成像与结构成像已可实现200μm 等体素或相近体素大小的成像。以皮层成像为例，200μm 等体素的皮层扫描可以更精确显示皮层结构的变化并可指示早期的认知功能变化。超高分辨率成像同样能够显示皮层的微出血灶。以多发性硬化为例，超高分辨率成像已用于研究多发性硬化病灶与血管的关系，并可清晰显示病灶周围的含铁血黄素沉积。这些特征是过去无法通过临床常规磁共振显示的，而目前基于超高场与超高分辨率的影像标志物已用于多发性硬化的疾病分型以及鉴别诊断。

SNR 的提升同时意味着人体多核素磁共振成像成为可能。常规MRI 以氢质子（1H）为成像观测核，是目前临床应用范围最广的MR 成像技术。事实上，大量自旋原子核如23Na、31P、129Xe 携带丰富代谢和独特示踪信息，也可提供磁共振信号，这些非质子原子核磁共振成像被称为多核素磁共振成像。23Na 与31P 是目前常见的两种多核成像核素，23Na 可以在离子水平反映机体的微环境和钠钾泵的破坏，31P 常常被用于研究骨骼肌心肌等的能量代谢。这些核素在调节物质代谢和维持生理功能等方面发挥着重要作用，利用这些核素进行磁共振成像能够提供更全面的功能和代谢信息。除1H 以外，这两种核素在人体中具有最高的灵敏度。即便如此，如果以1H 的灵敏度作为100%，23Na 与31P 的灵敏度仅约为0.01%。因此，在临床常规场强下，往往由于图像信噪比和空间分辨率太低而导致多核成像困难，而超高场7.0T 带来的SNR 的提升意味着人体多核素磁共振成像成为可能。在7.0T 环境下，临床中已可使用超短回波时间成像技术在7min 左右实现3mm 等体素的全脑23Na 成像。成像时间的降低与分辨率的提升均受益于信噪比的提升，这也有希望将更多的多核成像技术纳入到现有临床应用中。

二、对比

对比是影像永恒的主题。临床中，一般基于不同组织间的信号差异实现影像对组织的区分——包括正常组织的区分与异常病灶的识别等。如果两种不同组织在某一组成像参数下表现为相同的信号强度，那么即使提升信噪比或分辨率，依旧无法从影像上对其进行区分。组织在磁共振中的信号特性受到非常多复杂因素的影响，包括组织的成分、微观生化环境等。脑组织在不同场强下的弛豫时间见表1-1。更广泛地，组织的信号特性还会受到包括磁矩交换、扩散、灌注、温度、磁敏感等方方面面的影响。可以将其统称为对比机制。磁共振有别于其他影像模态的一大特点在于它有非常丰富的对比机制。了解这些对比机制，特别是了解在超高场下对比机制的特点有助于更高效地发挥超高场成像的价值。

以纵向弛豫时间（longitudinal relaxation time，T₁）的变化为例，氢质子的纵向弛豫时间一般随场强提升而增加（表1-1）。如动脉血，T₁ 弛豫时间在1.5T，3.0T 与7.0T 分别为1 480ms，1 650ms，以及2 100ms。增加的T₁ 弛豫时间意味着磁共振序列重复时间的延长与相应的成像时间的增加，增长的T₁ 弛豫时间在时间飞跃法进行血管造影（TOF-MRA）中可以使背景组织被饱和得更强，进而提供更适于血管显示的对比。此外，动脉自旋标记技术（arterial spin labeling，ASL）同样受益于T₁ 时间的增加，本部分将在下文详细介绍。基于改变R₁（=1/T₁）弛豫速率的造影剂，同样受益于超高场环境T₁ 时间的增加。因此，在超高场环境使用更低剂量的造影剂，即可实现高场环境同样的增强效果。

随着场强的提升，组织的横向弛豫时间（transverse relaxation time，T₂）降低。横向弛豫时间降低意味着在相同的回波时间下，超高场将获得更强的T₂ 对比；相对应地，为了获得与临床常规场强相近的组织对比度，超高场一般使用更短的回波时间以减少因T₂ 缩短造成的信号衰减。以颅脑T₂ 加权成像为例，在3.0T 中回波时间一般在90ms 以上，在7.0T 中回波时间仅在60ms 左右。横向弛豫速率加快和T₂ 权重的加强有利于精细的结构显示以及基于此序列的图像分割。不过T₂ 时间的降低限制了长回波时间的使用，相应地也限制了长回波链的使用。缩短的回波链意味着成像需要使用更多次激发，相应增加了扫描时间。

磁敏感成像是超高场中极具优势的一类成像技术。其常见的成像方式包括T₂*加权成像、R₂*成像（R₂*即1/T₂）、梯度回波的相位图、磁敏感加权成像（susceptibility-weighted imaging，SWI）、磁敏感定量技术（quantitative susceptibility mapping，QSM），以及功能成像中的血氧水平依赖（blood oxygenation level dependent，BOLD）技术。磁敏感成像技术一般随场强提升可以获得超线性的成像质量提升，这一方面源于随场强提升的信噪比提升，另一方面源于场强线性提升带来的磁敏感对比的增强。