第七章 磁共振成像设备

第七章磁共振成像设备猜猜：哪台是CT？哪台是MRI?磁共振成像设备CreanovaMagneticResonanceImagingScannerOpenMagneticResonanceImaging(MRI)Machine磁共振成像设备磁共振成像(MagneticResonanceImaging,MRI)利用生物内特定原子磁性核(多为氢核)在磁场中特性表现而进行图像成像的一种技术。磁共振成像设备目录概述主磁体系统梯度磁场系统123射频发射与接收系统4计算机系统5磁场的屏蔽MRI的使用与维护超导及低温系统678第一节概述原子分子物质+—核外电子决定原子化学特性原子核决定原子物理特性（一）基本概念质子中子原子核电子（一）基本概念Tesla是一个磁场强度单位,中文译为特斯拉，一个单位Tesla＝10000GauseGause中文译为高斯,地球的自然磁场强度为0.3-0.7高斯,南北极有所不同.TeslaOrGause自旋角动量：原子核自旋具有方向性磁矩：原子核自旋运动产生的微观磁场,随机分布的自旋(spin):是原子核具有绕其特定轴旋转的特性（一）基本概念外磁场方向核磁矩方向进动（precession）：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.核磁共振NMR的条件原子核在进动中吸收外界能量产生能级跃迁现象1.外界能量：短射频脉冲激发源2.射频磁场RF3.自旋磁矩在主磁场中进动（一）基本概念H11HHH312111,,其他原子核或同位素在人体含量低、产生共振的敏感性差（一）基本概念产生磁共振的原子核：具有自旋特性的原子核才有产生磁共振的可能,只有奇数质子或奇数中子数的原子核才能产生自旋H有三种同位素：临床MRI主要原子核只有质子,没有中子拉莫尔进动：磁矩绕着静磁场B0并保持一定的角度,沿着一个固定的锥面轨迹转动方式拉莫尔频率/进动频率ω0=rB0r=磁旋比，常数B0=静磁场中的场强ω0=质子的共振频率（一）基本概念（二）磁场对原子核磁矩的作用大量的核磁矩在无外加磁场时,其方向排列是随机的，无规律，相互抵消，宏观磁矩为零。B0位能高，逆磁场方向位能低，顺磁场方向,稳定在外磁场（B0）的作用下,则核磁矩沿着外磁场方向排列。（二）磁场对原子核磁矩的作用沿着主磁场方向为Z轴（纵轴）；垂直于主磁场方向的平面为XY平面（水平面);左右方向为Y轴；前后方向为X轴。宏观磁化向量：全部磁矩重新定向所产生的磁化向量，单位体积中全部原子核的磁矩磁化向量（M）与磁场的三维坐标。XZB1MY（二）磁场对原子核磁矩的作用射频脉冲（RadioFrequencypulse,RF)：一定频率的无线电波或射频能量,使磁化向量以90°的倾斜角旋转的射频脉冲称为90°脉冲.核磁共振(NuclearMagneticResonance,NMR)：利用射频脉冲(RadioFrequencypulse)对平衡态的自旋系统做功,使其吸收能量,射频停止,系统能量释放能量.（二）磁场对原子核磁矩的作用弛豫过程(relaxation)：是指自旋系统吸收能量后由激发态恢复至其平衡态的过程.这一过程所用时间为弛豫时间(纵向磁化恢复和横向磁化衰减的过程)弛豫过程是一个能量转变过程,磁距恢复状态过程随时间延长而改变,是磁共振成像的关键.（二）磁场对原子核磁矩的作用1*T15*T12*T13*T14*T1MZ0Time100%63%纵向弛豫(T1弛豫)：是指90°射频脉冲激发停止后纵向磁化分量(Mz)将缓慢增大到最初值,成指数规律增长.恢复至平衡态的过程.（一）纵向驰豫T11*T15*T12*T13*T14*T1Mo0.5*Mo063%ofM0MzTime脂肪白质灰质脑脊液MZT1Relaxation（二）横向驰豫横向弛豫(T2驰豫)：射频脉冲停止后,横向磁化分量Mxy很快衰减到零,并且呈指数规律衰减到RF作用前的零状态.横向弛豫是一个从最大值恢复至零状态的过程.MXYt(ms)37%84921011400脑脊液灰质白质脂肪T2RelaxationTime63%37%100%T1T2MZT1&T2ZM0M1YXMXYRF线圈信号检测YZM(t)O横向磁化的产生拉莫进动OMR信号的形成RFPulse停止后，纵向磁化矢量转向横向并在XY平面内绕Z轴进动。XY平面内的旋转磁体可以在接收线圈内产生感应电压，这个随时间波动的电压即为MR信号。(磁场)Electromagnetism根据法拉第定率产生电流。Bo(电流)currentXY(一)电磁感应0tFIDV幅度自由感应衰减信号(freeinductiondecayFID)：以频率在XY平面内自由旋进的横向磁化矢量在线圈感应出频率相同,幅度按指数方式快速衰减的MR信号(二)FID信号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（三）梯度磁场与定位梯度磁场(G)：人体的轴分为Gz、Gx、Gy。梯度磁场是在主磁场基础上再外加的一种磁场，使成像时感兴趣人体段块受到的磁场强度出现微小的差别w0-gz2Gzw0w0+gz1GzIsocenterGradientamplitudes（三）梯度磁场与定位选层梯度：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.（三）梯度磁场与定位相位编码：在激励脉冲结束后,在沿层面的Y轴方向加一短时间的梯度磁场GY,由于不同Y坐标的自旋磁矩的进动频率不一样,从而在磁场GY撤除后,磁矩的位相不一样.依据位相的不同可以区分Y坐标,这称为相位编码.（三）梯度磁场与定位频率编码：在相位编码结束后，沿X轴方向加一梯度磁场GX，从而使不同X坐标的自旋磁矩的进动频率不一样，进而依据这种进动频率的差异来确定X坐标。称为频率编码。（三）梯度磁场与定位XYZ通过空间编码以后，不同体素发射的MR信号频率、相位、相位变化率不同，依据这些信息和信号强度可正确地重建图像。信号强度S频率编码相位编码傅里叶变换傅里叶变换就是将信号的时间-强度函数关系转变为频率-强度的函数关系.将XY方向上的傅里叶变换,可实现XY平面内MR信号的空间定位,实现断面图像的重建.二、MRI的基本结构1、MRI分类：成像范围：实验用MRI、局部MRI、全身MRI主磁场的产生方法：永磁型、常导型、混合型、超导型用途：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。NorthSouthtransmitreceiveASimpleMRMachine二、MRI的基本结构二、MRI的基本结构二、MRI的基本结构目录第二节主磁体系统第二节主磁体系统MRI磁体有三种类型：永磁型电阻型超导型MRI磁体的作用是：产生静态主磁场B0，使人体内的氢质子在磁场内形成进动，产生静态磁化量。磁场强度1、主磁场强度（B0）又叫静磁场，在一定范围内，静磁场强度越强则氢质子所产生的磁矩越大，信号越强，图像的信噪比（SNR）也越高。磁场强度：≤0.3T称为低磁场强0.3T-1.0T称为中场强≥1.0T称为高磁场强→8.0T→9.0TB0SN2、磁场均匀度(homogeneity)是指在特定容积限度内磁场的同一性程度（即穿过单位面积的磁感应线是否相同）。任何线圈的磁场都不会均匀,固要加一均匀线圈来补偿。磁场均匀度personinmagneticfieldmagnetpersoninmagneticfield主磁场是MRI的磁体在其工作孔径内产生均匀强磁场。如要扫描空间定位还要在B0之上施加梯度磁场（△B）体素上的△B必须大于其磁场偏差→扭曲定位信号→降低成像质量。磁场偏差大→均匀性越差→图像质量↓。磁场均匀度磁场稳定性3、磁场稳定性包括时间稳定性和热稳定性磁场漂移：磁体可以受附近的铁磁性物质，环境温度或匀场电源漂移因数的影像，磁场的均匀度或场质也会发生变化，永磁体和常导磁体的热稳定性比较差；超导磁体的时间稳定性和热稳定性较好。有效孔径4、有效孔径是指梯度线圈，匀场线圈，射频体线圈和内护板等安装完毕后形成的柱型空间。有效孔径OPEN磁体系统,半敞开磁体受检者不易产生恐惧心理,而且能开展MRI介入检查.有效孔径半敞开磁体系统磁场的安全性5、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，需采取屏蔽措。≤0.3T二、主磁体的种类与特点MRI成像磁体可分四种类型：永磁型常导型超导型混合型优点：造价低，场强可以达到0.3T，能产生优质图像，需要功率极小，维护费用低，可装在一个相对小的房间里。缺点：磁场强度较低，磁场的均匀度和强度欠稳定，易受外界因素的影响（尤其是温度），不能满足临床波谱研究的需要。1、永磁型(permanentmagnet)材料主要有铝镍钴，铁氧体和稀土钴三种类型。由多块材料拼接成,主要有两种，即环型和轭型。永久磁体优点：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。2、常导型(conventionalmagnet阻抗型磁体)是根据电流产生磁场的原理设计的。当电流通过圆形线圈时，在导线的周围会产生磁场。常导磁体的线圈是由高导电性的金属导线或薄片绕制而成。它的结构主要由各种线圈组成常导磁体优点：场强高，稳定性和均匀度好，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，技术复杂和成本高3、超导型(superconductingmagnet)利用超导材料在绝对零度-273°C的零电阻特性，在很小的导线上通过强大的电流，产生磁场，0.5T~8.0T。荷兰科学家昂尼斯（KamerlinghOnnes）在1911年首先发现超导现象，科学家昂尼斯获得了1913年诺贝尔物理学奖。超导磁体混合磁体4、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、主磁场的匀场措施匀场：磁体安装完毕后还要在现场对磁场进行物理调整。无论是哪种磁体，一般都存在不均匀性，而且此不均匀度都超过了MR成像的要求。为了使磁体在一定的空间防卫内到达一定的标准，往往要借助匀场系统对磁体进行匀场工作。一是有源匀场：通过适当调整匀场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二是无源匀场：在主磁体孔洞内壁上贴补专用的小铁片，改变附近的磁力线密度和走向来提高磁场均匀性的方法磁场三、主磁场的匀场措施目录第三节梯度磁场系统梯度系统：是指与梯度磁场有关的电路单元及梯度线圈。功能：是为系统提供满足的线性度和快速开关的梯度磁场。计算机射频线圈磁体梯度线圈梯度系统第三节梯度磁场系统梯度系统的组成组成：梯度控制器、数模转换器(DAC)、梯度放大器、梯度线圈、梯度冷却系统梯度磁场的作用在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。三个梯度线圈位置超导磁体与梯度线圈梯度磁场性能梯度磁场（gradientmagneticfield,△B)：梯度磁场简称梯度场，主要性能指标有：有效容积线性梯度强度梯度场变化率梯度场启动时间(上升时间)梯度磁场的产生梯度线圈有三个GX，GY和GZ，分别产生X,Y,Z三维方向的梯度磁场。三个梯度线圈分别有三个单独的电源发生系统供电，每组梯度线圈由两个电流方向相反的同轴线圈组成产生最大线性磁场。GX,GY和GZ封在纤维玻璃制作的大圆筒里，线圈产生的热常用水冷和风冷。梯度线圈B0B0超导磁体系统梯度场3GZ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