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Chapter13MRI（MagneticResonanceImaging）设备§1概述万东医疗i-Open0.36T磁共振成像系统日立公司-AIRISⅡ磁共振系统,前方210度、后方70度的开放空间。机架的开放形式不仅解决了超导MRI的噪音和压抑感的困扰，操作者还可以从多个不同方向同时接近磁场中心，为正在兴起的MR介入治疗及手术室MRI提供了理想的平台。一、核磁共振成像技术发展简史1946：布洛赫（F.Bloch）领导的斯坦福大学研究小组和伯塞尔（E.Purcell）领导的哈佛大学研究小组分别在水与石蜡中独立地观察到MR现象.因此，在1952年布洛赫和伯塞尔共同获得了诺贝尔物理学奖。1967：第一次用MRI设备测试人体活体。1971：达马丁（Damadian）发现了MRI的一个重要参数—T1。肿瘤组织的T1值远大于相应正常组织的T1值。(T1大，图象暗)1973年，受CT图像重建的启示，纽约州立大学的劳特布尔（Lauterbur）在《Nature》杂志上发表了MRI设备空间定位方法。1974年，曼斯菲尔德（Mansfield）研究出脉冲梯度法选择成像断层的方法。1975年，恩斯特（Ernst）研究出相位编码的成像方法。1977年，爱特斯坦（Edelstein）、赫切逊（Hutchison）等研究出自旋扭曲（SpinWarp）成像法。1977年，达马丁完成了首例动物活体肿瘤检测成像，并获得首张人体活体MRI设备图像。1980年，阿勃亭（Aberdeen）领导的研究小组发表了利用二维傅立叶变换对图像进行重建的成像方法。该成像方法效率高、功能多、形成的图像分辨力高、伪影小，目前医用MRI设备均采用该算法。1983年，MRI设备进入市场。二、主要特点及临床应用（一）MRI设备的特点为：１、多参数成像，可提供丰富的诊断信息氢核（质子）密度ρ、纵向弛豫时间T1、横向弛像时间T2以及体内液体的流速V、化学位移σ等。２、人体氢核含量高，高对比成像人体含有占体重70％以上的水。这些水中的氢核是磁共振信号的主要来源，其余信号来自脂肪、蛋白质和其他化合物中的氢质子。３、任意方位体层、三维成像横断面、冠状面、矢状面、任意斜位多个方位的成像，三维立体空间上观察人体。4、高的组织学、分子学特征MRI不仅能显示人体解剖及病理变化的影像学细节，磁共振波谱分析还可提供有关分子水平诊断信息。任何生物组织在发生结构变化之前，首先要经过复杂的化学变化，然后才发生功能改变和组织学异常。MRI使疾病的诊断深入到分子生物学和组织学的水平。通过MRI的研究可以洞察组织器官的能量代谢情况。MRI是目前唯一能对人体的组织代谢、生化环境及化合物进行定量分析的无创伤性方法。5、多种特殊成像如各种血管成像，水、脂成像、脑功能成像等。MRI无需注射对比剂即可显示心脏和某些血管的结构。６、较高的成像速度虽然目前大多数磁共振成像速度还不十分快,但新的快速成像序列技术已经出现,其高速MRI设备的成像速度已经超过了螺旋CT。７、无电离辐射８、高额的运行、检查费用。（二）磁共振成像的主要临床应用1．MRI磁共振成像在临床上的应用：①各种参数的解剖学结构图像，用以区别不同器官、组织；②MRI可利用被检组织的物理和生物化学特性作组织特性的评价；③通过流动效应来评价血流和脑脊液的流动，可精确测定血液的流速、分布等特征。2．磁共振波谱分析（magneticresonancespectroscopy,MRS）目前检测体内化学成分唯一的无创性手段，可精确测定很小单元体积内组织特定成分的含量。MRS在高均匀性的强磁场中，利用化学位移对应的频谱分析，能揭示组织内生理、生化(蛋白质等)的情况。（１）磁共振波谱：将磁共振信号，经傅立叶公式转换成频率(波谱)作为诊断手段的检查方法。与磁共振成像不同的是磁共振波谱主要检测的是组织内的一些化合物和代谢物的含量以及它们的浓度。由于各组织中的原子核质子是以一定的化合物的形式存在.在一定的化学环境下这些化合物或代谢物有一定的化学位移，并在磁共振波谱中的峰值都会有微小变化，它们的峰值和化学浓度的微小变化经磁共振扫描仪采集，使其转化为数值波谱。这些化学信息代表组织或体液中相应代谢物的浓度，反映组织细胞的代谢状况。即磁共振波谱是从组织细胞代谢方面来表达其病理改变的。（２）化学位移：原子核周围因素即所谓化学环境不同引起外磁场或共振频率的移动这种现象称为化学位移。3．介入磁共振所谓介入MRI，是在开放式MRI设备下实现精确定位及图像引导，以达到某种诊断和治疗目的的新技术。它的应用范围包括脑外科、骨科、普通外科及肿瘤科等。（三）磁共振成像临床应用的禁忌与局限1．金属异物：会产生金属伪影。体内（起搏器、介入留置夹、金属关节、种植牙、金属节育环等），体外（假牙、假肢、金属饰品、磁卡等）。磁共振检查为何要求严格：首先，含铁磁性的置入物在磁场环境下受磁力相互作用时，可出现移位和转动，其移动程度与静磁场的场强大小、空间梯度磁场的场强大小，以及置入物的质量、大小、形状及其磁敏感性呈正比。其次，具有生物电活动或导电部件的生物医学置入物及其附属装置会被诱导，产生局部较强电流，进而有可能导致置入物过量加热。例如，心脏起搏器、各类体内神经刺激装置、体内导丝等进入磁场后，可导致患者不同程度的烧伤。尤其是当这些装置具有一定几何形状，如呈环形或线圈样，且靠近射频发射源时，热损伤更易发生。2．早孕者(三个月内)尽管目前尚无证据表明磁场对人体发育有危害，但谨慎起见，对妊娠病人，尤其妊娠早期必须慎重对待。3．不安静者(恐惧者、婴幼儿、高危病人)MRI扫描时间较长，因此无法控制的不自主运动及不合作的病人、重危病人需要生命监护系统和生命维持系统者（铁磁物质不能进入磁体机房），亦不能接受此项检查。三、主要技术参数1．组织参数：它是人体的内在信息参数。①氢核（质子）密度ρ②纵向弛豫时间T1③横向弛像时间T2④体内液体的流速V⑤化学位移（σ）质子密度ρ与MR信号的强度成正比，它主要反映欲观察平面内组织脏器的大小、范围和位置。Tl、T2参数则含有丰富和敏感的生理、生化信息。2．设备参数：是成像所依赖的设备及成像过程的测量条件参数。主要有磁场强度、梯度磁场强度和切换率、线圈特性（包含发射和接收）、测量条件。重复时间（timeofrepetition，TR）、回波时间（timeofecho，TE）和反转时间（timeofinversion，TI）决定图像的性质，即图像的权重。层厚、平均采样次数、像素尺寸、有效视野和层数决定扫描区域并控制图像信号的密度。四、发展趋势1．主磁体主磁体的发展趋势是低磁场强度的开放和高磁场强度的性能改善。国内市场上的MRI产品主要有两种：场强为0.3Ｔ～0.4Ｔ的永磁MRI和场强在1.5Ｔ以上的超导MRI(7～8T)。由于技术水平不高，国内企业较多的生产永磁MRI，而跨国企业则在超导MRI上优势明显。(1)在第2006年4月的55届中国国际医疗器械春季博览会上，北京万东医疗装备股份公司正式对外发布了其拥有自主知识产权、去年被评为中关村科技园海淀园经济创新工程的国内第一台“永磁Ｃ型超级开放0.36Ｔ磁共振成像系统”。(2)新奥博为公司以推出世界首台0.45Ｔ永磁磁共振成像系统，一跃成为国内磁共振生产企业中的一员新贵。（2003年，由8位归国博士创办的美国博维技术有限公司与廊坊新奥集团联合成立新奥博为公司。）2006年7月23日，国内首台“MRI图像导航介入治疗系统”正式落户北京协和医院，这标志着我国自主科技创新的尖端科研成果在中国首次实现产业化，可望成为中国医疗领域的一大发展趋势。“MRI图像导航介入治疗系统”主要是将手术导航系统结合到磁共振扫描机上，借助计算机处理手段，把手术器械（如穿刺针）的影像及其虚拟的进入路线，投射到系统实时成像的解剖图像上，以达到准确定位和实时监控。磁场强度大小对MRI设备图像质量的影响：①在信噪比方面，磁场强度越高，信号强度越大，信噪比越高（但不是线性关系）。②磁场强度高，扫描时间短。③在图像对比度方面，组织的T1值随磁场强度增高而变大，T1驰豫时间延长。当TR为固定值时，T1图像对比度反而下降，造成T1图像质量下降。2．梯度磁场：影响MRI设备的成像时间，也决定图像的最高空间分辨力。梯度切换时，变化的磁场在周围导体中感应出圆形电流，称为涡流。这些涡流自身又产生变化的磁场，其方向与梯度线圈所产生的磁场相反。因此，涡流会抵消和削弱梯度场，使梯度场波形畸变，图像质量下降；3．接收线圈：提高接收线圈的效率和进一步增加阵列线圈，将成为MRI设备临床中的最大需要。改进接收线圈，使其能满足介入治疗的需要。４．计算机网络化五、分类及构成分类：临床应用型和临床研究构成：磁体系统谱仪系统计算机图像重建和显示系统配套的附属装置组成（一）磁体系统由主磁体、均场线圈、梯度线圈、和射频线圈组成，是磁共振发生和产生信号的主体部分。1.主磁体主磁场的作用是产生静态磁场。磁场强度、磁场均匀度和磁场稳定度是衡量磁体性能的三大要素。常见的磁体有常导磁体、超导磁体和永磁体三类。2．梯度磁场：包括梯度线圈和梯度发生系统。梯度线圈是装在磁体内用于产生x、y、z三维空间线性变化的梯度磁场的，是三个正交的直流线圈。3．射频磁场：包括射频线圈和射频发生系统。射频线圈装在主磁体梯度线圈内径和成像体的外径之间。产生的射频场与主磁场垂直，主要用于激励核子出现共振现象（或接收信号）。4．匀场磁场匀场磁场由垫补线圈（或称校正线圈）产生，是常导或超导材料绕制的较小电流线圈，用于提供辅助磁场以补偿磁共振系统中主磁场的不均匀性。也可用铁片进行匀场。（二）谱仪系统它是整个MRI设备的控制核心。其作用为：1.根据计算机控制台提供的脉冲序列参数，产生序列脉冲并将其输出到梯度功率放大器和射频功率放大器进行脉冲功率的放大。2.对接收线圈接收到的MR信号经由前置放大器（简称前放）放大后进行数据的采集，并将采集到的数据送往计算机控制台的主机进行原始数据的处理、图像的重建、显示等。（三）计算机图像重建系统计算机控制台的主机进行原始数据存储、处理、图像的重建及显示，最后将MRI图像送到输出设备如激光照相机进行硬拷贝输出。（四）附属装置MRI设备还需要许多附属装置共同参与，如磁屏蔽体、射频屏蔽体、冷水机组、不间断电源、空调机以及超导磁体的低温保障设施等。六MRI构成超导型MRI设备由主磁体（含冷却装置）、扫描床、梯度线圈、射频（radiofrequency，RF）线圈、谱仪系统、控制柜、人机对话的操作台、计算机和图像处理器等构成。永磁型开放式MRI设备由主磁体、扫描床、谱仪系统、控制柜、操作台、计算机和图像处理器等构成。永磁型MRI设备的主磁场方向为垂直方向。本章以永磁型MRI设备为例，主要介绍MRI设备的硬件系统。永磁型MRI设备的硬件部分因安装位置的不同又可分为扫描室内、扫描室外两大部分：1．扫描室内部分主磁体（magnet）支架（yoke）温度加热器（thermostat）梯度磁场线圈（gradientmagnetfieldcoil）发射线圈（transmittercoil）接收线圈（receivercoil）前置放大器（preamplifier）控制面板（controlpanel）扫描床（patienttable）需对整个扫描室进行磁屏蔽。2．扫描室外部分：包括中央控制柜（centralcontrolconsole，CCC）、电源分配器（powerdistribution）、恒温控制器（thermostaticcontrol）、梯度磁场电源（powersupplyforgradientmagneticfield），RF发射/接收装置（RFtransmitter/receiver）操作台\计算机和图像处理器。3．滤波盒（filterbox）为防止干扰，扫描室内外的所有连接线均需要通过滤波盒转接。MRI设备的基本工作原理为：由恒温控制器将主磁