医学影像专业课程-核磁共振硬件系统结构详细介绍

核磁共振硬件系统结构详细介绍医学影像专业课程§12.1Introduction主磁体~Magnet梯度系统~GradientsystemRF系统~RFsystem计算机系统~ComputersystemPDP11、VAXSUN、SGI;PC多用户操作系统•VMS（早期）•UNIX文件存档：•MOD•DVD•CDR3T：•Linux（GE）•WindowsXP（SIEMENS、Philips）MR系统构造MR系统部件和构造以及T/R转换开关§12.2主磁体主磁体是MR的主要部件主磁体特性:–稳定性（Stability）–均匀性（Homogeneity）非均匀性Inhomogeneity(ppm)=variation(T)/fieldstrength(T)×106主磁体类型永磁体~Permanentmagnet常导体~Resistivemagnet超导体~SuperconductingmagnetI永磁体~Permanentmagnet永磁体使用磁性材料产生磁场~高剩磁稀土合金，如SmCo5,Nd-Fe-B.–ALNICO（铁、钴合金）–SmCo5ALNICO(钐钴铁钴合金）–Nd-Fe-B（钕、硼、铁合金）0.2T–ALNICO23吨–Nd-Fe-B4吨HITACHAIRIS-mate(0.2T)7.8吨AIRIS-2(0.3T)10吨APERTO(0.4T)13吨钕铁硼材料优点:高剩磁缺点:温度系数比较大1.结构Ring(环型)Yoke(轭型)C-shapeH-shapeyoke有源材料产生B0无源材料形成磁路2.影响因素剩磁(Remanence)矫顽力(Coerciveforce)–指破坏磁体磁化状态所需之力也就是使磁感沿磁滞回线减少至零时所需的磁场强度–矫顽力大~硬磁材料–矫顽力小~软磁材料磁路结构(Magneticcircuitstructure)……一般永磁体场强不大于0.5Ｔ开放（孩子、幽闭症、介入）系统构造简单不产生热运行成本低维护费用低寿命长永磁体场强对温度非常敏感(0.1C)。例如，Nd-Fe-B磁体温度升高1C，磁场降低约1000ppm；II常导体~Resistivemagnet1.电磁理论(Electromagnetismtheory):线圈中有电流时会产生磁场，并会导致线圈温升。Air-coredresistivemagnetconstructedusingfourcoilsarrangedeitherhorizontallyorvertically.•Air-coredresistivemagnets•Iron-coredresistivemagnets2.材料的选择–铜（Copper）：电导率大、密度大、价格高、产热少；–铝（Aluminum）：电导率小、密度小、价格低、产热多；线圈产生的热量由去离子水带走3.稳定性~不太好4.均匀性~不太好III.超导磁体~Superconductingmagnet1.超导理论:当温度T降低到临界温度(criticaltemperature),电阻突然变为0(测量不出)。电流可永无休止的流动。超导磁体可产生强磁场超导材料临界温度：–普通铅（Plumbum）:7.4K–铌钛合金（Niobium—Titanium）:20K–稀土陶瓷(Ceramic):100K2.超导材料类型:II:Ni(铌)、V(钒)、Tc(锝)alloyorcompoundI:otherMR:TypeIIMullityNbTialloyfilamentscomplexlead(铌钛合金多芯复合超导线~位于铜基中)isverypopular,anditcanload700A.3.超导材料的选择：可负载大电流可保持超导状态(4.2KHe)MR系统提供的低温制冷装置系统可使所选超导材料保持超导状态；超导材料要有合适的物理特性：可塑性(plasticity)和柔韧性(pliability)4.构造EarlySCmagnetNbTi纤维包埋在铜材中铜材在失超时保护超导线圈超导磁体线圈：基于均匀性的考虑常使用4-8组独立线圈5.磁体特性场强均匀性稳定性高场MR的优缺点信噪比图像细节速度功能成像……But！化学位移伪影RF功率沉积高场强设备发射机功率通常是10~25kW，利用SAR对其加以限制，尤其是1.5T时，RF沉积将限制重复时间。RF穿透性RF场在人体组织内感应电流，部分抵消了RF场，降低了RF脉冲穿透组织的深度，导致RF激发的成像容积不均匀。T1弛豫时间T1弛豫时间随场强增加而增加，更易发生饱和，使SNR与场强不成正比。更高的梯度要求梯度场随场强成比例地增强要求驱动放大器的功率增加噪音更大价格一般情况场强高，价格高。对人群的影响更易对其他病人和设备产生影响，更应考虑杂散场。afullyloadedpalletjackthathasbeensuckedintotheboreofanMRIsystem.技术特征超导型常导型空气磁芯常导型铁轭永磁型轭型永磁型环形磁场强度高有限0.3T有限0.4T有限0.4T有限0.2T磁场方向轴向多数轴向垂直垂直垂直或轴向匀场好中中中中稳定性好取决于电源取决于电源取决于温度取决于温度外部干扰屏蔽明显无低低低梯度涡流场大(需补偿或有源屏蔽)小(取决于线圈框架设计)中(各向不匀，需要补偿)中(各向不匀，需要补偿)低干扰场范围大，需要屏蔽中低到中低到中低到中紧急停机时间紧急失超立即切断电源立即切断电源不可能不可能尺寸很大大中到大中到大中到大重量重(4-6吨)适中(1.5)极重(10-20)极重(10-50)较轻重(6)购买价格高低低中中到高能量使用除低温容器外，无高中无无冷却需要液氦需要大量冷却水需要冷却水无无MRI系统不同磁体类型比较§12.3低温系统和制冷剂~LowtemperaturesystemandcryogenI.低温系统维持低温使超导线圈处于超导状态；低温容器(Dewar)–磁体线圈位于Dewar中；–Dewar必须有好的绝热性能(adiabatic)II制冷剂液氮（LiquidNitrogen）~77K液氦（LiquidHelium）~4K为了把液氦、超导线圈与环境分割开来，需要低温保持器(cryostat)20K,70K(80K)液氦量的测量HeliumlevelIII.励磁(Excitation)、退磁（Demagnetization）1励磁过程（Excitationprocess）A.冷却磁体（Coolingmagnet）：主磁体线圈处于超导状态B.线圈加载（Windingsareloadedcurrent）：注入电流电流注入过程（Loadingprocess）：1)加热超导开关使之无效；2)线圈两端加载电压在线圈内感应电流；3)当B0符合要求时，关闭加热器，超导开关恢复超导状态；4)电流在超导线圈内循环流动。ν•UH-加热电压•(超导开关)•ULILUL•UHmakeisnotSC;•ILincreasingwiththeeffectofUL;•Bincreasinglinearlywitht;•ULgraduallydecreasing,tillto0whenB0isacquired;•TurnoffUH•ILdecreasingto0.di/dt=-UL/L2.DemagnetizationTurnonSswitchUH-turnoffAdjustIofMPSIandS-ULIL=0,UL=0TurnoffandUHEnergy=0UHILULS3.失超(Quench)超导线圈的部分不再是超导状态，线圈储存的能量部分变成热能散出；热能使线圈其他部分加热继而失去超导状态产生更多的热量，恶性循环直至遍及整个磁体发生失超；失超使设备经历剧烈的热胀冷缩和磁力变化，使原有有源、无源匀场失效。失超原因：–Fluxjump（磁通跳跃）~释放能量–Frictionresultingheat（摩擦生热）~线圈的微小运动失超导致：–B0的崩溃瓦解–液氦迅速沸腾（boiling-off）爆破膜(Bursting-disks)在高压下爆破，使得大量的气氦溢出低温保持器。自发的失超(Spontaneousquenches)很少发生!如果需要失超，线圈储存的电能沉积在假负荷（dummyload）避免损伤磁体（这是一个耗费昂贵的过程）。失超保护二极管和失超保护电阻Quenchprotectiondiodeandresistance低阻通路SIEMENSOR41AS失超:100V电压限制励磁/退磁:10V电压§12.4屏蔽和匀场ShieldingandShimmingI.屏蔽（Shielding）边缘场（Fringefield）杂散场（Strayfield）杂散场，特别是超导磁体的杂散场在各个方向上会伸出磁体，对外围产生影响FDA~5G无源屏蔽、被动屏蔽(Passiveshielding)–房间屏蔽(Roomshielding):铁磁性材料~对建筑结构有依赖性，分场地设计；屏蔽材料厚度小、面积大；–自屏蔽(Self-shielding):在磁体孔径内放置铁磁性材料(Ironplates)；有可能给匀场增加困难；有源屏蔽、主动屏蔽(Activeshielding):载有反向电流的线圈绕组降低杂散场；有源屏蔽的磁体重量轻，但由于B0被抵消一些，需多用超导线、杜瓦体积大些）；–常导有源屏蔽(Resistive)–超导有源屏蔽(SC)II.匀场~Shimming优质的MR图像对B0的均匀性和稳定性有高要求；匀场方法:–无源匀场（被动匀场）(Passive，后进行)–有源匀场（主动匀场）(Active，先进行)–Combinationofboth1.无源匀场(Passivelyshimming)在磁体周围放置铁片校正；铁片放置的数量和位置经过特殊的匀场程序计算出来；可校正高次磁场不均匀性；材料价格便宜；不需要昂贵的高精度电源；当需要更高度的均匀度或均匀性可调时必须用有源匀场；2.有源匀场（Activelyshimming）一系列载流绕组排列在磁体孔径的柱形管上，每个绕组产生的校正磁场与球形谐波展开式的一个系数近似；必须避免这些绕组与磁体和梯度线圈的相互影响；线圈中的电流在系统安装期间确定并保持不变，直到有工程师进行再匀场时才改变；主磁场线圈超导匀场线圈常导匀场线圈梯度线圈位于磁体低温容器内位于孔径内有源匀场使用的线圈绕组有三类：超导匀场线圈、常导匀场线圈和梯度线圈GE:SII,SIIImagnet1.5T18个超导匀场线圈（高阶)隔热屏散热系统（压缩机和冷头）排气系统和电流探头直插式低温容器流速表和压力表便于观察液氦侧罐口，易于补充Maincoil主线圈电流为734.5A主超导开关与主线圈和串联电阻并行连接—无阻通路开关的超导状态：持久模式（persistent)开关的有阻状态：有阻模式（resistive)紧急失超：主线圈放置有另外的加热器，使主磁场快速退磁（rundown).失超保护装置与主线圈并联，在失超或紧急退磁时保护主线圈。Shimmingcoils18个超导匀场线圈位于液氦容器内用于磁体匀场调节；匀场调节程序需要的数据通过测绘装置和探头获得；Z2、Z4、Z6：容积内各处的磁场；Z1、Z3、Z5：磁体后端的磁场；C11+、C11-、C22-、C31、C33）：横向偶数线圈S11+、S11-、X22+、S22-、S31、S33：横向奇数线圈Subsystemelement(子系统组件)磁体低温容器(Magnetcryostat）：包含6个超导主线圈、18个超导匀场线圈、18个超导开关和开关加热器、失超保护装置；硅二极管、超导液氦液面探测器和压力传感器位于低温容器内，分别监视低温容器的温度、液氦液面和压力；制冷剂监视