搜索
医学影像设备学第七章磁共振成像设备第一节概述引言1、磁共振成像的发展1946核磁共振现象的发现Bloch,Purcell1971肿瘤T1,T2时间的延长Damadian1973充水试管的NMR图像Lauterbur1974活鼠NMR图像Lauterbur等1976人体胸部NMR图像Damadian1977初期的NMR全身图像Mallard1980MRI装备的商品化1989国产永磁MRI的商品化深圳安科2、磁共振成像的命名：自旋成像法自旋映像法组合层析摄影NMR断层NMR-CTFONAR(场聚焦磁共振)NMRI(核磁共振成像)MRI(磁共振成像)一、基础知识回顾（一）基本概念1、原子与原子核物质由分子组成，分子由原子构成，原子又由原子核和电子构成。原子核内含质子和中子，质子带正电荷，中子不带电荷，电子带负电荷，荷外电子负电荷总量与核内正电荷总量相等。原子成中性。原子的化学特性取决于荷外电子的数目，物理特性由原子核所决定。2、原子核的磁矩、自旋、进动氢的质子带正电荷，核的自选就会产生环形电流，它会感应出磁场。将氢质子看作一个小磁棒，其磁力是一个矢量，称磁向量或磁矩，磁矩是随机分布的。自旋：氢原子时刻绕自身转轴旋转。氢原子绕自身轴线转动的同时，其转动轴线又绕重力方向回转，这种回转现象称进动。进动是磁场与质子磁矩相互作用产生的。其频率取决于磁场强度和所研究原子核的特性。3、产生磁共振的原子核元素周期表表中凡具有自旋特性的原子核都有产生磁共振的可能，其质子数或中子数必有一个是奇数。目前用于临床MR成像的原子核仅为H-1（氢的同位素，质子数为1，为中子）。4、拉莫尔频率：要能使磁化的氢原子核激发，所用的射频脉冲频率必须符合氢的共振频率，原子核的共振频率又称拉莫尔频率或进动频率。（二）氢原子磁矩进动学说布洛赫描述的磁共振产生的过程：原子核磁矩偏转过程即为磁共振过程，其磁矩偏转及在新的状态下继续进动，可引起周围线圈产生感应电流信号，及MR信号。1、氢原子核磁矩平时状态氢原子具有自旋特性，平时状态磁矩取向是任意的和无规律的，相互抵消，宏观磁矩为零。2、氢原子置于磁场的状态置于均匀强度的磁场中，磁矩按磁场的磁力线方向取向。大多数原子核的磁矩顺磁场排列，它们位能低，数量多，呈稳定态。较少一部分逆磁场排列，位能高，但数量少。全部磁矩重新定向所产生的磁化向量称之为宏观磁化向量。其表示单位体积中全部原子核的磁矩。磁场和磁化向量用三维坐标来描述（X,Y,Z轴）。3、施加设射频脉一定频率的无线电波或射频能量被称为“射频脉冲”。能使磁化向量以90°的倾斜角旋转的射频脉冲称为90°脉冲。质子建立宏观磁化向量（M）后，按拉莫尔频率向其施加射频脉冲，它才能发生进动，同相进动被称为相干。此时M可分解为Mz和Mxy。4、射频脉冲停止后当射频脉冲停止作用后，磁化向量并不立即停止转动，而是逐渐向平衡态恢复，最后回到平衡位置。这一恢复过程为弛豫过程，所用时间为弛豫时间。这是一个释放能量和产生MR信号的过程。相干性和横向磁化分量的损失将导致辐射信号振幅下降，这个衰减信号称为自由感应衰减信号（FID），在体外可用接受线圈将其转换为电信号。横向弛豫：横向磁化分量Mxy很快衰减到零，并且呈指数规律衰减。纵向弛豫：纵向磁化分量Mz将缓慢增大到最初值，亦呈指数规律增长。（三）梯度磁场与定位MR成像3个基本轴：Z,X,YZ：人体从头到足，沿着这个轴选择人体横断面。X：人体从左到右，沿着这个轴选择人体矢状面。Y：人体从前到后，沿着这个轴选择人体冠状面。在主磁体中加一个梯度磁场，则被检体各部位质子群的进动频率可因磁场强度不同而有所区别，这样可对被检体某一部位进行MR成像，MR的空间定位靠的是梯度磁场。通过梯度磁场达到选层的目的，此梯度也称为选层梯度（Cs）二、MRI的基本结构1、MRI分类根据成像范围：实验用MRI、局部MRI、全身MRI根据主磁场的产生方法：永磁型、常导（阻抗）型、混合型、超导型根据用途：介入型、通用型2、磁共振系统：主磁体系统、梯度磁场系统、射频发射与接收系统、计算机系统、运行保障系统。3、主磁体分类磁体材料：常导磁体、超导磁体、永久磁体和混合磁体磁体规模大小：小型、中型、大型线圈供电方式：直流磁体、脉冲磁体、交流磁体线圈绕线方式：直螺线管线圈磁体、横向型磁体磁场强度：低场强（0.3T），中场强（0.3-1.0T），高场强（1.0T）三、小结1、简述MRI设备的组成2、简述弛豫过程第二节主磁体系统一、主磁场的性能指标（一）磁场强度：指MRI的静磁场强度确定磁场强度的大小：信噪比（S/N）、射频对生物的穿透力、人体安全性。高磁场强度的特点：可以使信号强度增强，显示更多的解剖结构和病变；缩短扫描时间；可以进行频谱分析；共振频率变高，自旋加快，同样运动的相位漂移变大，使运动伪影增多；MRI成本提高；逸散磁场增大，机房增大，建筑费用增加。（二）磁场均匀性是指特定容积限度内磁场的统一性，即穿过单位面积的磁力线是否相同，决定MRI的图像质量好坏。如果MR工作空间内各个不同位置的磁场强度偏差越大，就表示均匀性越差，图像质量也会越差。要求MRI均匀度在50cm球径的空间内磁场均匀度达10-6量级，5ppm（不超百万分之五）。均匀性与不同磁场、测量空间大小。（三）磁场稳定性受磁体附近铁磁性物质、环境温度、或匀场电源漂移等因素的影响，磁场的均匀性或场值也会发生变化，这就是磁场漂移。磁场值还可随温度变化而漂移，其漂移程度是用热稳定度来表达的。永磁体和常导磁体的热稳定度比较差，对环境要就很高。超导磁体的时间稳定度和热稳定度一般都能满足要求。（四）有效孔径指梯度线圈、匀场线圈、射频体线圈和内护板等部件均安装完毕后，圆形空间的有效内径。增加孔径比提高场强还要难。（五）磁场的安全性屏蔽逸散磁场对人体健康或其他医疗设备造成的损害、干扰和破坏。二、主磁体的种类与特点临床磁共振成像系统的三种磁体：永久磁体、常导磁体和超导磁体。（一）永久磁体永磁材料：铁钼钴、铁氧体和稀土钴1、永久磁体的结构：一般由多块永磁材料拼接而成。主要由环形和轭型两种。2、永久磁体特点优点：结构简单价格低，场强可以达到0.35T，消耗功率小，维护费用低，杂散磁场小。缺点：磁场强度较低，静磁场强度在0.05-0.3T之间，难达到1T场强，不能满足临床磁共振波谱研究的需要。3、永磁体的恒温控制在使用中既不耗电也无发热问题，多数永磁体的温度系数为负值，磁场强度与温度成反比。主磁体温度一般控制在32.5°，用钛生产的永磁型磁体其稳定场强为0.2T，可使磁体小型化。（二）常导磁体也称常规磁体、电阻磁体或阻抗磁体。它利用较强的直流电流通过线圈产生磁场，采用风冷却或水冷却的磁体。1、结构：常导型磁体的线圈由铜线或铝线绕制成同轴的圆桶状线圈，每线圈绕几千层。也有使用空腔铜导管作线圈，冷却水在导管内循环把热带走。2、特点优点：结构简单造价低，工艺不复杂，可以减小半径或加大线圈电流的方法来提高常导型磁体的场强。缺点：功耗大，需有完善的循环水冷装置，运行费用高，磁场稳定度和磁场均匀性差，受环境影响大。常导MRI正逐步被淘汰。（三）超导磁体全世界医院的磁共振成像设备中，约80%是采用超导磁体，中心磁场强度大多在1-2T之间，少数可达3-5T。1、超导线圈的材料目前超导磁体中，多采用铌-钛合金的多芯复合超导线来绕制磁体线圈。有些特殊金属或合金（如铌-钛、银-铜等），在极低的温度下，电阻突然消失，这一现象称为超导现象。凡具有这种性格的材料称为超导材料。有常导状态和超导状态。2、超导线圈的形式一种是以4个或6个线圈为基础，另一种是以螺线管为基础3、超导体的低温保障结构低温真空容器是超真空、超低温环境下工作的环状容器，内部依次套叠有冷屏、液氦容器和液氮容器，内外分别用高效能绝热箔包裹。4、超导磁体的特点超导磁体是利用超导体在低温下的零电阻特性，在很小的截面上可以通过非常大的电流，产生强磁场。优点：高场强3T，高稳定性3ppm/h，高均匀性40ppm/全孔径，磁场强度可以调节，必要时可以关闭磁场。缺点：超导线圈须浸泡在密封的液氮杜瓦中方能工作，超导磁体制造复杂、长期低温保障要消耗液氦等，日常运行维持费用高，混合型磁体利用两种或两种以上的磁体技术构造而成的磁体。常见的有永磁型和常导型磁体的组合。优点：可以产生较高的场强，克服了永磁体不稳定、笨重和常导磁体功耗大的缺点。缺点：构造复杂，需安装低温容器造价也较高。三、主磁体的匀场措施主磁场的均匀性是MRI的重要指标。磁体安装完毕后还要在现场对磁场进行物理调整，称为匀场。常用的匀场方法有有源匀场和无源匀场。（一）有源匀场（主动调整）有源匀场是指通过适当调整匀场线圈阵列中各线圈的电流大小和方向，产生所需补偿的小的磁场，达到减小或消去静磁场的不均匀性。匀场线圈有超导和常导型两种。超导型匀场线圈与主磁场线圈置于同一低温容器中，其电流值高度稳定，且不消耗电能，匀场的品质也好。常导型匀场线圈要消耗能量，匀场效果往往受匀场电源质量的影响。（二）无源匀场（被动调整）无源匀场在匀场过程中不使用有源元件，不消耗能量，因而称为无源匀场。是通过在主磁体孔洞内壁上贴补专用的小铁片（匀场片），提高磁场均匀性的方法，目前安装的医用MRI大多用小铁片做匀场，在超导磁铁安装完毕后一次性调整，以后不再进行。无源匀场调整过程一般是：磁体的励磁（充磁）-测量场强数据-计算匀场参数-去磁-在相关位置贴补不同尺寸的小铁片。四、小结1、主磁体的作用2、评价组此题性能的指标有哪些？3、匀场的方法有哪些？第三节梯度磁场系统梯度磁场系统由梯度控制器、A\D转换器（DAC）、梯度放大器、梯度线圈和梯度冷却系统等部分组成一、梯度磁场的作用与性能指标（一）梯度磁场的作用磁共振成像区域内的静磁场上，动态叠加三个线性的梯度磁场，一个作为层面选择梯度，另两个作为频率编码与相位编码，从而实现成像体素的选层和空间三维编码的功能。（二）梯度磁场的主要性能指标梯度磁场系统是磁共振的核心部件，产生的梯度磁场性能优劣直接影响到扫描速度和成像质量。主要指标有：有效容积、线性、梯度场强度、梯度场变化率、梯度场启动时间等。1、有效容积：又称均匀容积，是指线圈所包容的、其梯度场能够满足一定线性要求的空间区域。这个区域位于磁体中心，与主磁场的有效容积同心。梯度线圈的均匀容积越大，可呈现区的范围就越大。2、梯度场线性：是衡量梯度场平稳度的指标。线性越好，表明梯度场越精确，图像质量越好，梯度场非线性不能超过2%。3、梯度场强度：指梯度场能够达到的最大值（mt/m）。其越大，磁场梯度越大，扫描层面越薄，像素体积越小，图像分辨力越高。4、梯度场变化率：指单位时间内梯度场变化快慢的程度。其提高除依赖于高性能的梯度线圈和梯度功率放大器外，还与梯度脉冲的复杂波形有关。5、梯度场工作周期（工作率）：即在一个成像周期的时间（重复时间Tr）内梯度场工作时间所占的百分数。所谓成像周期是指MRI采集一次数据所需要的时间，也即一个脉冲序列执行一遍所需的时间。二、梯度磁场的产生（一）梯度线圈MRI是采用X、Y、Z三个方向相互正交的梯度磁场作为图像重建的空间定位依据。这三个梯度线圈由三个梯度直流线圈来产生，每一组线圈要求有一个单独的电源发生器供电，每组梯度线圈由两个电流方向相反的同轴线圈组成，以产生其轴线方向的最大线性梯度磁场。1、GZ梯度线圈：有多种形式，最简单的是马克斯威尔对。当两线圈的距离为线圈半径的3倍时，能得到最均匀、线性最好的梯度磁场。2、GX梯度线圈和GY梯度线圈：广泛采用鞍形梯度线圈，由两对（或四队）鞍形线圈组成。增加鞍形线圈的对数可提高梯度场线性度。（二）梯度磁场的产生流程梯度磁场是脉冲电流通过梯度线圈产生的，需较大的电源容量。1、梯度控制器（GCU）：GCU的任务是按系统主控单元的指令，发出所选梯度的标准数字信号给数模转换器（DAC），梯度磁场系统中，对梯度放大器的各种精确控制正是由梯度控制器和数模转换器共同完成的。2、数模转换器：将数字量变为模拟量输出的器件。DAC收到梯度控制器发送的、标志梯