MRI场强对成像及图像质量的影响

磁共振(magneticresonanceimaging,MRI)设备中磁体是其核心部件及组成部分，它的主要作用是提供一个稳定的、均匀的空间磁场环境。

磁体的性能一般是用磁场强度、磁场均匀度等来描述。磁场强度简称场强是指能产生多大的磁场环境，临床目前使用最多的超导MRI的场强以1.5T和3.0T为主。根据场强的大小，可以把MRI分为低场、中场、高场及超高场。

场强小于0.5T的MRI叫做低场MRI，这种磁共振一般是永磁型的。

场强在0.5T和1.0T的MRI叫做中场MRI。

场强大于1.0T但是小于2.0T的MRI属于高场MRI，临床中最常用的1.5T已经可以称为高场MRI了。

场强大于2.0T的是超高场MRI，包括临床常用的3.0T以及目前最新的临床使用的7.0T。

场强越大，理论上得到的图像信噪比越高。但是，随着场强的升高，磁体的体积越大、重量越重，制造成本越来越高。另一方面，场强升高，7T以上的静磁场环境对于人体组织是否存在潜在安全隐患目前并未得到验证。所以，磁场强度并不是越大越好，临床使用最多的目前还是1.5T和3.0T。

虽然场强越大，得到的图像信噪比越高，但并不是场强越大就越好。各大医院在采购MRI设备的时候，需要根据自身情况及条件来合理选择，避免陷入高场就一定比低场好的误区。下面从几个方面来讨论场强对于成像及图像质量的影响。

描述场强大小我们一般用特斯拉T来表示。然而，还有一个量级更小的单位，它是高斯(Gauss,G)，特斯拉与高斯的换算关系是：1T=10000G。地球自转的时候也会产生磁场，在南北极磁场相对比较高，大概是0.8G，而在赤道则最低，只有0.3G。可以说1高斯的磁场强度是非常微弱的，基本可以忽略不计。

5高斯线(FiveGaussLine)是一个区域空间概念，表示在这个区域以外的磁场强度都小于5高斯，为了形象的描述这个空间，把它以线段的形式反映出来。5G=0.0005T=0.5mT。一般认为5高斯线以外是安全区域，其磁场强度可以忽略不计，可以认为是静磁场的安全范围。

不同场强的MRI，其5高斯线范围并不相同。场强越高，则5高斯线范围越大，这是因为本身静磁场就大了。3.0T磁共振由于静磁场高于1.5T，所以其5高斯线范围也比1.5T大。一般要求将5高斯线控制在磁体间以内，也就是区域Ⅳ。操作磁共振的技术人员所在的操作间都是在5高斯线范围以外，所以可以认为是安全区域。厂家也会在相应位置标识出5高斯线范围，方便查看。

所以，对于医院来讲，采购、选择及安装MRI是一个比较重要的事宜。医院条件及场地也非常重要。超导MRI，场强越高，则5高斯线范围越大，所需要的MRI场地及安装机房肯定就要求越大。这一点是在选择MRI设备的时候容易忽略的。

临床用于人体的磁共振扫描仪，静磁场大部分在0.2T~3.0T之间，目前临床最常用的超导磁共振静磁场主要是1.5T和3.0T，在这个磁场范围内并没有文献报道对人体有负面影响。

虽然在0.2~3.0T范围内，静磁场对人体的影响非常小，但是还是存在一些生物学效益，主要包括：①温度效益：由于人体的体温调节中枢具有强大的调节体温的能力，所以静磁场对人体温度的影响几乎可以忽略不计(后面讲的射频场对人体的体温影响更大)；②磁流体动力学效应：主要是指人体的血液、体液等流体在静磁场环境中产生的一些效应，包括红细胞沉降速度加快，心电图改变，不过这种效应对人体的影响也并不大；③中枢神经系统效应：人体的神经系统传递是一种电活动，磁场有可能影响这种电活动。目前并没有文献报道磁共振对人体神经活动有显著的不良影响。

所以，临床使用的MRI场强不会太高，就是由于场强再升高的话，具体会有哪些生物学效应和对人体的影响我们不得而知。

MRI扫描虽然没有电离辐射，但是人体接收射频脉冲是会产生热量的。为了能够更好的控制人体接收的射频能量，量化射频场的热效应，引入了一些指标。

特定吸收率(SpecificAbsorptionRate,SAR)，是指每千克单位的组织所吸收的射频能量，它的单位是瓦特每千克(W/kg)，又简称SAR值。从这里可以看出，SAR值和被检查者的体重有关。磁共振检查前，都会要求技师输入被检查者的体重，就是为了计算好需要发射的射频能量，并且可以监测SAR值。体重输入不恰当则会导致射频能量差异过大，比如一个90kg的病人，如果输入的体重只有45kg，则射频系统按照45kg重量发射能量，能量不足；同样一个45kg的人，如果输入的体重是80kg，则射频发射的能量对于这个人来讲就过大，热量沉积就多，可能就超过SAR值限定了。

SAR值和MRI场强的平方成正比，所以，同样扫描序列，3.0T的SAR值是1.5T的4倍。这样的话，场强越高的MRI设备，越容易超SAR。系统为了保证MRI不超SAR，一般是通过延迟TR来达到降低单位时间能量沉积的。

所以，和大家认识恰恰相反。同样参数的序列，场强越高，扫描时间并不是越快，而可能是越慢，这是由于TR延长所致。这一点在腹部扫描中可能会出现，比如同样是双回波序列，1.5T的扫描时间反而是快于3.0T的。

但是，为什么大家会有场强越高扫描时间越快的错觉呢？这应该是由于下面要讲的，场强升高，图像信噪比增加，有时候需要2次激励的，到了高场强后，只需要一次激励，这样把时间缩短了。也就是说，场强升高，额外提高了图像信噪比，我们把这部分信噪比用来换取扫描时间了。

信噪比(Signal-to-NoiseRatio,SNR)是磁共振图像中最重要的一个评价指标，它的定义是系统接收到的有效信号振幅和背景噪声的比值，反映在图像中就是图像的信号强度与背景随机噪声强度之比。在磁共振信号采集的过程中，线圈得到的信号中既包括了真正的磁共振信号，也有系统的随机背景噪音。

SNR越高，则图像的质量越好，表现在图像上就是需要成像的组织越清晰；SNR越低，图像质量越差，反映在图像中就是背景噪音大，图像发虚、模糊、不清。为了得到满足诊断要求和临床使用的图片，一般要求图像必须达到某一些规定的信噪比大小。

场强和SNR的关系非常简单，图像的SNR正比于场强，举例来说就是3.0T的MRI同样参数得到的图像SNR理论上是1.5T的两倍。这也是大部分医院采购MRI更倾向于高场强的原因，特别是做一些科研序列和神经系统成像方面。

如图2所示，同样条件的扫描参数，左边是1.5T，右边是3.0T，扫描时间差不多都是3分40秒。3.0T的神经系统和血管成像效果明显优于1.5T，这是由于图像的信噪比升高了，显示血管远端小分支更清楚。

在MRI成像中，有很多效应是很场强成正比或者正相关的，比如化学位移(chemicalshift)效应、BOLD效应等。这些效应有时候可能产生伪影，干扰图像诊断；但有时我们也利用这些效应来突出对比，达到临床目的。

化学位移效应直接和场强成正比，场强越高，水和脂肪组织的进动频率差异越大，化学位移越严重。

如图3所示是一组磁共振常见的腰椎矢状位扫描，左边是常规的T2WI矢状位图像，仔细看可以发现红箭头指的地方，脊髓硬膜囊外和脑脊液之间有一个黑线状的丢失影(勾边影)，这个其实就水和脂肪的化学位移伪影。而右边的图，增加了压脂以后，脂肪组织被抑制掉，则化学位移伪影消失。

所以，如果是在化学位移伪影方面，场强越高其化学位移伪影越明显，水脂位移的程度越大。

但是，磁共振波谱(MRS)的基础就是化学位移，化学位移越大，不同代谢物峰与峰之间进动频率差异越大，识别各种代谢物更容易。

如图4所示MRS，横坐标是质子进动频率，不同代谢物由于氢质子的进动频率不同，其出现的位置不同。场强越高，进动频率越大，则不同代谢物峰与峰之间距离增大，更容易识别。

所以，对于利用化学位移效应来达到对比度的MRS，则场强越高，得到的谱线分辨率越明显。

脑功能成像BOLD也是同样的道理，其利用的是磁敏感效应。磁敏感在MRI图像中既可能产生磁敏感伪影影响图像诊断，又可以利用该效应达到对比。如果是考虑磁敏感伪影方面，则场强越高，磁敏感伪影越重，对于图像质量是不利的。但是如果是考虑利用磁敏感来达到对比，比如BOLD成像，则场强越高，其效果越好。

如图5所示是脑功能BOLD扫描，上排是1.5T，下排是3.0T，可以看出场强升高，明显BOLD成像的激活点显示得更多。

这也是为什么很多医院要进行科研或者神经功能方面成像的时候，优先考虑3.0T甚至是更高场强7.0T的原因。

在1.5T中，射频脉冲在人体中波长大约为52cm，大于人体横径，可以完全穿透人体，基本上不会产生驻波；而在3.0T场强下，射频脉冲波长变为26cm，对于体部成像来说，可能无法穿透人体横径，则会产生驻波，影响B1场均匀性，产生伪影。

如图6所示，在3.0T磁场中，穿越人体的射频脉冲波长大约为26cm，无法完全穿透人体形成驻波，并且在组织界面还会形成反射波。这些驻波会和后面的入射波在某些位置发生干涉，表现为某些区域信号增强，某些区域信号减弱，表现为黑白不均。

图7的这种伪影一般在3.0T的磁共振体部扫描中比较常见，这个伪影就是介电伪影，又叫电解质伪影(DielectricArtifact)。其图像表现没有固定的规律，经常对影像诊断产生较大的影响。

场强越高，则射频脉冲波长越短，产生驻波效应和介电伪影的可能性越大。所以，对于1.5T以上的MRI，如果有多源射频就能解决这个问题，否则体部成像图像质量很难保证。

组织的弛豫时间T1是和场强相关的，一般来讲场强升高，组织的T1值会延长。T1延长的直接后果是导致组织的纵向弛豫延长，组织恢复时间变慢，可能产生的横向磁化矢量会降低。T1延长大部分情况会影响图像对比度，导致组织对比度下降。

表1：在37℃下，不同组织在1.5T及3.0T中的T1值

组织

有些细心的老师会发现，一些部位图像，3.0T的对比度反而没有1.5T好，这就是因为场强升高导致组织T1值延长所致。

如图8所示，左边是1.5T腰椎T2WI，右边是3.0T。从图像对比度来看，反而是1.5T优于3.0T。

对于T1WI，情况也类似，如图9：左边是1.5T颈椎T1WI，右边是3.0T。明显可以看出左边1.5T的图像对比度是优于右边3.0T的。

从以上分析我们可以看出来，场强升高可以带来成像及图像质量的提高，主要是信噪比提高。但是也能放大一些场强相关效应及增加SAR值，这几点是不利的。所以，如何利用高场的优势是很关键的问题。场强升高，直接带来的获益是图像信噪比增加，对于这些多余的信噪比一般我们可以这样处理：

①保留住多余信噪比，提高图像的质量；

②用这些多余的信噪比换空间分辨率，提高图像空间分辨率；

③不需要这些多余的信噪比，让扫描速度更快(减少激励次数)，时间更短，提高速度，增加流通量。

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