第六章 磁共振呈现设备(第二节)

医学影像设备学第五章磁共振成像设备第二节主磁体系统中山大学李晓原目录一、主磁体的性能指标二、永磁型磁体三、超导型磁体四、匀场技术五、磁屏蔽第二节主磁体系统主磁体是MRI设备最重要、成本最高的部件。作用是产生一个均匀的静磁场，使处于该磁场中的人体内氢原子核被磁化而形成磁化强度矢量。当磁化强度矢量受到满足MR条件的RF交变磁场激励时，即发出MR信号。第二节主磁体系统B0的稳定性非常重要。只要有十亿分之几十T的变化，就会引起至少3°的相位差，图像上将会产生伪影。B0的均匀性亦非常重要。磁场不均匀会产生信号丢失以及几何畸变。一般要求在直径25～50cm的球体内均匀度应为10～100ppm。第二节主磁体系统对于全身成像主磁体，直径大约为1～1.2m。对于动物或人的四肢成像，通常直径为0.3m。磁体会对人体健康或设备造成不同程度的损害、干扰和破坏，因此磁体的屏蔽十分重要。主磁体储存的磁能一般有兆焦级的巨大能量，一旦磁体电源或内部接线断开，或超导磁体突然熄火，将有大量能量释放出来引起很大的破坏作用。一、主磁体的性能指标临床用MRI设备的主磁体有三种：永磁体、常导磁体和超导磁体，常导磁体目前基本已淘汰。磁场强度磁场均匀性磁场稳定性有效孔径边缘场空间范围第二节主磁体系统第二节主磁体系统1．磁场强度MRI设备的主磁场又叫静磁场。在一定范围内增加其强度，可提高图像的SNR。MRI设备的场强不能太低。随着超导材料价格和低温制冷费用的下降，现在大多数MRI设备采用超导磁体，磁场强度在0.5～9.4T范围。第二节主磁体系统2.磁场均匀性主磁体在其工作孔径内产生匀强磁场B0。为对病人进行空间定位，在B0之上还需叠加梯度磁场△B。单个体素上的△B必须大于其磁场偏差，否则将会扭曲定位信号，降低成像质量。磁场的偏差越大，表示均匀性越差，图像质量也会越低。磁场均匀性（magneticfieldhomogeneity）是指在特定容积限度内磁场的同一性，即穿过单位面积的磁力线是否相同。这里的特定容积通常取一定直径的球形空间，以DSV表示（diameterofsphericalvolume，DSV)，如10cmDSV,40cmDSV。在MRI设备中，均匀性是以主磁场的10作为一个偏差单位定量表示的，习惯上这样的偏差单位称为ppm（partpermillion）。第二节主磁体系统第二节主磁体系统均匀性标准的规定还与所取测量空间的大小有关。一般来说，整个孔径范围为50ppm；与磁体中心同心的、直径为40cm和50cm的球体内分别是510ppm和10ppm；被测标本区每立方厘米的空间应小于0.01ppm。在测量空间一定的情况下，磁场均匀性还可用另外一种方法表示，即给出磁场强度的ppm值在给定空间的变化范围，这叫做绝对值表示法。磁场均匀性的测量前先要精确定出磁体中心，再在一定半径的空间球体上布置场强测量仪（高斯计）探头，并逐点测量其场强，然后通过计算机处理数据、计算整个容积内的磁场均匀性。磁场均匀性并不是固定不变的。第二节主磁体系统第二节主磁体系统3．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B0也会发生变化，这就是常说的磁场漂移。磁场稳定度是指单位时间磁场的变化率，短期稳定度要在几个ppm/h之内，长期稳定度要在10ppm/h之内。第二节主磁体系统4．磁体有效孔径磁体有效孔径是指梯度线圈、匀场线圈、射频体线圈、衬垫、内护板、隔音腔和外壳等部件在磁体检查孔道安装完毕，所剩空间的有效内径。对于全身MRI设备，一般来说其有效孔径尺寸必须至少达到60cm。第二节主磁体系统4．边缘场空间范围主磁体周围空间中磁场称为边缘场，其大小与空间位置有关，随着空间点与磁体距离的增大，边缘场的场强逐渐降低。边缘场是以磁体原点为中心向周围空间发散的，因而具有对称性,通常以等高斯线图来表示。第二节主磁体系统二、永磁型磁体1．结构永磁体由永久磁铁如铁氧体或钕铁的磁砖拼砌而成。MRI设备采用的永磁体分为闭合式和开放式两种类型，如图所示。永磁体第二节主磁体系统2．性能永磁体的造价低，场强可达0.35T，能产生优质图像，耗能低，运行维护费用低,从最初100吨减少到现在的3～5吨。永磁体的缺点是磁场强度较低，磁场的均匀性欠佳，环境温度的变化将导致设备的稳定性变差，不能满足临床波谱研究的需要。第二节主磁体系统3．主要技术参数磁场强度：0.1～0.4T磁场均匀性：≤10ppm（直径为50cm的球体）瞬时稳定性：≤1±0.5ppm/h磁体孔径：1m×0.5m高斯线性范围：横向2.5m，纵向2m磁体重量：约10t第二节主磁体系统（三）超导型磁体某些物质的电阻在超低温下急剧下降为零的性质是科学家KamerlinghOnnes在1911年首先发现的，这些物质称为超导体。超导体对电流几乎没有阻力，因此允许在很小的截面积上流过非常大的电流，而不产生热量；且电流一旦开始将无休止地在电路上循环，而不需要电源。超导磁体就是利用某些物质的这种性质制成的。第二节主磁体系统1．材料目前超导磁体用的材料是铌钛合金，铌占44％～50％，它的临界场强（Hc）为10T，临界温度（Tc）为9K，临界电流密度为3×103A／mm2。机械强度高，可做成一束细丝埋在铜线里。超导体携带电流是有一定限度的，超过这一限度，超导体就变成常导体，因此超导磁体的场强也是有一定限度的。超导导线第二节主磁体系统2.超导磁体的结构形式（1）四个或六个线圈当电流通过圆形线圈时，在导线的周围会产生磁场。第二节主磁体系统（2）螺线管线圈超导螺线管内轴线上的磁感强度是均匀的的；在磁介质一定的前提下，其场强仅与线圈的匝数和流经线圈的电流强度有关。改变超导磁体螺线管线圈的匝数或电流均可使其所产生磁场的磁场强度发生变化。超导螺线管线圈绕组前后两个端点处，场强将减小为其最大值即线圈中心磁场强度值的50％。第二节主磁体系统3．超导磁体的低温系统磁体的设计关键，而真空瓶（又称低温瓶）的设计则决定着运行的费用。为使磁体保持超导状态，磁体线圈必须浸泡在液氦里。液氦昂贵，在大气压下的沸点是4.3K，装在图所示的复杂的真空瓶内。第二节主磁体系统超绝热填料、真空、气冷罩和包围着内装磁体的液氦瓶的液氮罐，所有支架、填料，或者蒸发管都用导热性能不良的材料，以便减少液氦的损耗。磁体一旦启动，便永久工作，不需外加电源。若用一个辐射罩，并用氦气作制冷剂以机械制冷使其保持低温（例如20K），液氦的补充时间可大大延长。对磁体维修的要求是真空瓶重新抽真空，平均每五至十年一次。第二节主磁体系统安装时，MRI设备的超导线圈首先经液氦冷却，然后通入励磁电流，当达到预期的场强时，切断电源。在实际应用中，只要保持低温，线圈电流将一直存在，所产生的磁场每年只会下降几高斯。第二节主磁体系统4．磁体特性超导磁体的优点是场强高，稳定性和均匀度好，缺点是技术复杂、成本高。超导磁体的场强高，杂散磁场也大。超导磁体必须采取更有效的屏蔽，以降低杂散磁场。超导电流是不能无限增大的，从而限制了超导磁体的场强。第二节主磁体系统5．主要技术参数磁场强度：0.5～9.4T，多为0.5～3T磁场均匀性：≤1ppm（45cmDSV）瞬时稳定性：≤0.1ppm/h磁体孔径：0.9～1.0m充磁时间：0.2～0.5h第二节主磁体系统6.场强的选择目前，磁体的场强有低、中、高及超高场四大类。应用型MRI设备一般采用低、中场；应用兼研究型MRI设备一般采用高场；研究型MRI设备则采用超高场。场强的选择应以能完成任务所要求的最低场强为原则，并非场强越高越好。第二节主磁体系统化学位移是指同一种原子核在不同的化学环境中所产生的共振频率的偏移，例如水和脂肪中质子的化学位移约为3.5ppm，结果在选层和频率编码方向上出现脂肪相对水的伪影。因为化学位移正比于磁场强度，所以场强越高，化学位移的所造成的伪影越严重。RF场在人体组织内引起涡流，降低了RF场穿透组织的深度，称为“趋肤”效应，导致RF场的分布不均匀。第二节主磁体系统频率越高，“趋肤”效应越严重，导致图像中出现阴影。特定吸收率SAR，即每公斤人体重量所允许的RF吸收功率。RF功率与频率的平方成正比。场强越高，RF功率越大，对人体安全的影响越大。选择场强实质就是选择磁体。第二节主磁体系统四、匀场技术由于磁体设计、制作问题和磁体周围存在的铁磁材料，致使超导磁体的磁场存在不均匀性，必须通过匀场（shim）调整才能达到足够的均匀性。匀场调整分无源匀场调整（即在磁体内放置铁片）和有源匀场调整（即使用辅助的线圈）两种方法。第二节主磁体系统（一）无源匀场无源匀场（passiveshimming）是在磁体内壁放置一些铁片来提高磁场均匀性的方法。每一个位置放置铁片的数量经过特殊的匀场程序来计算。无源匀场的过程为：磁体励磁（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。这一过程一般要反复进行多次。用铁片匀场的优点是可根据机型在不同位置放置铁片，材料价格便宜，不需要昂贵的高精度电源。第二节主磁体系统有的无源匀场中使用的扁平铁磁性垫片永久贴附在磁体孔径内，即内侧无源匀场。有的无源匀场中铁磁性垫片装在磁体低温容器外侧，即外侧无源匀场。有的磁体可能要求现场安装内侧的无源匀场帮助减少一些高次谐波，分析从磁场的测绘曲线图中获得的数据，可以计算出需求的垫片的数量和位置，所需的匀场垫片就装在磁体孔径内。第二节主磁体系统（二）有源匀场有源匀场（activeshimming）是指通过适当调整匀场线圈的电流强度，使其周围的局部磁场发生变化来调整主磁场的均匀性。匀场线圈由若干个小线圈组成，这些小线圈分布在圆柱形匀场线圈骨架表面，组成以磁体中心为调节对象的线圈阵列。有源匀场中使用的匀场线圈主要有超导和常导匀场线圈。匀场线圈位于磁体和梯度线圈之间。第二节主磁体系统典型的磁体系统中，匀场线圈、梯度线圈和射频体线圈三类线圈依次套叠在磁体内腔中。第二节主磁体系统在匀场时，匀场电源的质量对于匀场效果起着至关重要的作用。超导匀场中，匀场电源给超导匀场线圈提供调节磁场所需的电流，低温容器中的液氦使超导匀场线圈维持超导状态，此后不再需要电源。超导匀场由于其电流高度稳定，且不消耗电能，是目前比较理想的匀场手段。常导匀场线圈必须从外部的电源（即常导匀场电源）获得持续电流以维持磁场强度。第二节主磁体系统MRI设备的匀场方法都是无源匀场和有源匀场并用无源匀场是有源匀场的基础无源匀场是装机时进行的一次性工作。有源匀场作为保证MRI设备成像质量的一项例行工作，需经常进行。可在系统软件的控制下进行。第二节主磁体系统五、磁屏蔽磁场屏蔽效果的评价标准一般使用5高斯(Gs)，即0.5mT磁力线的分布范围来表示。1．无源屏蔽无源屏蔽有房屋铁磁屏蔽和磁体自屏蔽两种方式，房屋铁磁屏蔽在磁体间的四周墙壁、地基和天花板等六面体中镶入4～8mm厚的磁屏蔽专用特制硅钢板，构成封闭的磁屏蔽间。2．有源屏蔽即在磁体外部用载有反向电流的线圈降低杂散磁场，屏蔽用的线圈直接放在低温容器中，这是目前非常流行的办法。