骨关节炎的诊断：磁共振成像

近年来，磁共振成像 (MRI) 已成为骨关节炎非侵入性诊断的主要方法之一。自 20 世纪 70 年代磁共振 (MR) 的原理首次用于人体研究以来，这种医学成像方法发生了巨大变化，并持续快速发展。

技术设备和软件不断改进，图像采集方法不断发展，磁共振造影剂也不断研发。这使得MRI的应用领域不断拓展。如果说MRI最初的应用仅限于中枢神经系统研究，那么如今它已成功应用于几乎所有医学领域。

1946年，斯坦福大学和哈佛大学的研究人员团队独立发现了一种名为核磁共振（NMR）的现象。其本质是，某些原子的原子核在磁场中，受到外部电磁场的影响，能够吸收能量，然后以无线电信号的形式发射出去。F. Bloch 和 E. Parmel 因这一发现于1952年荣获诺贝尔奖。这一新现象很快被用于生物结构的光谱分析（NMR光谱学）。1973年，Paul Rautenburg 首次证明了利用NMR信号获取图像的可能性。NMR断层扫描技术由此诞生。1982年，在巴黎举行的国际放射学大会上，首次展示了活体人体内脏的NMR断层图像。

需要澄清两点。尽管该方法基于核磁共振（NMR）现象，但它被称为磁共振（MR），省略了“核”一词。这样做是为了让患者不去想与原子核衰变相关的放射性。第二种情况是：磁共振断层扫描仪不会意外地“调谐”到质子，即氢原子核。人体组织中含有大量的氢元素，其原子核在所有原子核中具有最大的磁矩，这决定了磁共振信号水平相当高。

如果说1983年全球只有少数几台适用于临床研究的设备，那么到1996年初，全球投入使用的断层扫描仪数量已达约10,000台。每年都有1000台新设备投入使用。目前超过90%的磁共振断层扫描仪都配备了超导磁体（0.5-1.5 T）。值得注意的是，如果说80年代中期磁共振断层扫描仪制造商奉行“磁场越高越好”的原则，专注于磁场强度为1.5 T及以上的型号，那么到80年代末，很明显，在大多数应用领域，这些型号与平均磁场强度的型号相比，并没有明显的优势。因此，主要的磁共振断层扫描仪制造商（通用电气、西门子、飞利浦、东芝、Picker、布鲁克等）目前都非常重视中场甚至低场型号的生产。这些型号与高场系统的区别在于其紧凑性和经济性，图像质量令人满意，而且成本明显更低。高场系统主要用于磁共振波谱研究中心。

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MRI方法的原理

MRI扫描仪的主要部件包括：超强磁铁、无线电发射器、接收射频线圈、计算机和控制面板。大多数设备产生的磁场的磁矩与人体长轴平行。磁场强度以特斯拉(T)为单位。临床MRI使用的磁场强度为0.2-1.5 T。

当患者处于强磁场中时，所有质子（即磁偶极子）都会转向外部磁场的方向（就像指南针指向地球磁场一样）。此外，每个质子的磁轴开始围绕外部磁场的方向旋转。这种特定的旋转运动称为进动，其频率称为共振频率。当短电磁射频脉冲穿过患者身体时，无线电波的磁场会导致所有质子的磁矩围绕外部磁场的磁矩旋转。为此，无线电波的频率必须等于质子的共振频率。这种现象称为磁共振。要改变磁性质子的方向，质子和无线电波的磁场必须发生共振，即具有相同的频率。

患者组织中会产生净磁矩：组织被磁化，其磁性方向严格平行于外部磁场。该磁性与单位体积组织中的质子数量成正比。大多数组织中含有大量质子（氢原子核），这意味着净磁矩足以在患者体外的接收线圈中感应出电流。这些感应出的磁共振信号可用于重建磁共振图像。

原子核电子从激发态跃迁到平衡态的过程称为自旋-晶格弛豫过程或纵向弛豫。其特征为T1——自旋-晶格弛豫时间——即原子核受到90°脉冲激发后，63%的电子跃迁到平衡态所需的时间。此外，还需指出T2——自旋-自旋弛豫时间。

获取磁共振断层图像的方法有多种，区别在于射频脉冲产生的顺序和性质，以及磁共振信号分析方法。最广泛使用的两种方法是自旋晶格法和自旋回波法。自旋晶格法主要分析T1弛豫时间。不同的组织（脑灰质和白质、脑脊液、肿瘤组织、软骨、肌肉等）含有具有不同T1弛豫时间的质子。磁共振信号强度与T1持续时间相关：T1越短，磁共振信号越强，电视监视器上显示的图像区域越亮。脂肪组织在磁共振断层图像上显示为白色，其次是脑和脊髓、致密的内脏器官、血管壁和肌肉，按磁共振信号强度依次递减。空气、骨骼和钙化几乎不产生磁共振信号，因此显示为黑色。这些 T1 弛豫时间关系为在 MRI 扫描中可视化正常和改变的组织创造了先决条件。

另一种MRI方法称为自旋回波，该方法向患者发射一系列射频脉冲，使进动质子旋转90°。脉冲停止后，记录响应的MRI信号。然而，响应信号的强度与T2持续时间的关系有所不同：T2越短，信号越弱，因此电视监视器屏幕上辉光的亮度越低。因此，使用T2方法获得的最终MRI图像与使用T1方法获得的最终MRI图像相反（正如负片与正片相反）。

MRI 断层扫描比 CT 扫描更能清晰地显示软组织：肌肉、脂肪层、软骨和血管。有些设备无需注射造影剂即可生成血管图像（MRI 血管造影）。由于骨组织含水量低，骨组织不会像 X 射线 CT 扫描那样产生屏蔽效应，也就是说，它不会干扰脊髓、椎间盘等组织的图像。当然，氢原子核不仅存在于水中，而且在骨组织中，它们以非常大的分子和致密的结构形式存在，不会干扰 MRI。

MRI的优点和缺点

MRI 的主要优势包括：非侵入性、无害性（无辐射暴露）、图像采集的三维特性、流动血液的自然对比度、无骨组织伪影、软组织分化程度高、能够进行 MP 波谱分析以用于体内组织代谢研究。MRI 可以获取人体任何切面的薄层图像——包括额叶、矢状面、轴向和斜面。它可以重建器官的体积图像，并将断层图像的采集与心电图的采集同步。

主要缺点通常包括获取图像所需的时间相对较长（通常为几分钟），这会导致出现呼吸运动伪影（这尤其会降低肺部检查的有效性）、心律失常（在心脏检查中）、无法可靠地检测结石、钙化、某些类型的骨病变、设备及其操作成本高、对设备所在场所有特殊要求（屏蔽干扰）、无法检查幽闭恐惧症患者、人工起搏器、由非医用金属制成的大型金属植入物。

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MRI造影剂

在MRI应用之初，人们认为不同组织之间的天然对比度消除了对造影剂的需求。很快人们发现，造影剂可以显著改善不同组织之间的信号差异，即MRI图像的对比度。当第一种MRI造影剂（含顺磁性钆离子）投入商业化后，MRI的诊断信息含量显著增加。使用MRI造影剂的本质是改变组织和器官质子的磁参数，即改变T1和T2质子的弛豫时间（TR）。如今，MRI造影剂（或更确切地说是造影剂-CA）有几种分类。

根据对弛豫时间的主要影响，MR-KA分为：

• T1-CA，缩短T1，从而增加组织MP信号强度。它们也称为阳性CA。
• T2-CA：缩短T2，降低MR信号强度。这些是负性CA。

根据磁性，MR-CA分为顺磁性和超顺磁性：

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顺磁性造影剂

具有一个或多个未配对电子的原子具有顺磁性。这些是钆 (Gd)、铬、镍、铁和锰的磁性离子。钆化合物在临床上应用最为广泛。钆的造影效应是由于弛豫时间 T1 和 T2 的缩短。低剂量时，T1 效应占主导地位，从而增加信号强度。高剂量时，T2 效应占主导地位，从而降低信号强度。顺磁性物质目前在临床诊断实践中应用最为广泛。

超顺磁性造影剂

超顺磁性氧化铁的主要效应是缩短T2弛豫时间。随着剂量增加，信号强度下降。铁磁性CA，包括结构类似于磁铁矿铁氧体（Fe ²⁺ OFe ₂³⁺ O ₃）的铁磁性氧化铁，也可以归入此类CA。

以下分类基于 CA 的药代动力学（Sergeev PV 等，1995）：

• 细胞外（组织非特异性）；
• 胃肠道；
• 器官向性的（组织特异性的）；
• 大分子，用于确定血管空间。

在乌克兰，已知有四种MR-CA，均为细胞外水溶性顺磁性CA，其中钆双酰胺和钆喷酸应用最为广泛。其余CA（2-4种）正在国外进行临床试验。

细胞外水溶性MR-CA

国际名称	化学式	结构
钆喷酸	钆二甲葡胺二乙烯三胺五乙酸盐 ((NMG)2Gd-DTPA)	线性、离子
钆特酸	(NMG)Gd-DOTA	环状、离子
钆双胺	钆二乙烯三胺五乙酸酯-双甲酰胺 (Gd-DTPA-BMA)	线性、非离子
加多特醇	Gd-HP-D03A	环状、非离子

细胞外CA通过静脉注射给药，98％经肾脏排泄，不穿透血脑屏障，毒性低，属于顺磁性物质。

MRI检查禁忌症

绝对禁忌症包括检查对患者生命构成威胁的情况。例如，植入物可以通过电子、磁力或机械方式激活——这些主要是人工起搏器。MRI 扫描仪的射频辐射可能会干扰系统中运行的起搏器的功能，因为磁场变化可能会模拟心脏活动。磁引力也可能导致起搏器在其插座中移位并移动电极。此外，磁场还会对铁磁或电子中耳植入物的操作造成阻碍。人工心脏瓣膜的存在具有危险性，只有在使用高场 MRI 扫描仪检查，并且临床怀疑瓣膜受损时，才属于绝对禁忌症。中枢神经系统中植入小型金属手术植入物（止血夹）也是检查的绝对禁忌症，因为它们在磁引力作用下移位可能会造成出血。它们存在于身体其他部位的威胁较小，因为治疗后，夹具的纤维化和包裹有助于保持其稳定性。然而，除了潜在的危险之外，具有磁性的金属植入物的存在无论如何都会造成伪影，从而给研究结果的解释带来困难。

MRI检查禁忌症

绝对：	相对的：
起搏器	其他兴奋剂（胰岛素泵、神经刺激器）
铁磁或电子中耳植入物	非铁磁性内耳植入物、心脏瓣膜假体（如果怀疑有功能障碍，则在高场下）
脑血管止血夹	其他位置的止血夹、失代偿性心力衰竭、妊娠、幽闭恐惧症、需要生理监测

除上述禁忌症外，相对禁忌症还包括失代偿性心力衰竭、需要生理监测（机械通气、电动输液泵）。1-4％ 的病例因幽闭恐惧症而无法进行研究。一方面，可以使用带有开放式磁铁的设备来克服这一障碍，另一方面，可以详细解释设备和检查过程。没有证据表明 MRI 对胚胎或胎儿有损害作用，但建议在怀孕前三个月避免使用 MRI。当其他非电离诊断成像方法无法提供令人满意的信息时，适合在怀孕期间使用 MRI。MRI 检查比计算机断层扫描需要更多的患者参与，因为患者在检查过程中的运动对图像质量的影响要大得多，因此对患有急性病变、意识障碍、痉挛状态、痴呆症以及儿童的患者进行检查通常很困难。

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