磁共振成像设备

第八章磁共振成像设备提要第一节概述第二节主磁体系统第三节梯度磁场系统第四节射频发射与接收系统第五节计算机系统第六节磁场的屏蔽第七节超导及低温系统第八节MR设备的使用与维护第一节概述一、基础知识回顾（一）基本概念1．原子与原子核2．原子核的自旋、磁矩、进动、核磁共振•原子核绕自身轴的转动称为自旋(spin)。由自旋量子数决定。•原子核的自旋形成环形电流，因此在其周围感应出磁场，称为磁矩。（一）基本概念•当把自旋的原子核置于磁场中时，原子核在自旋的同时，其转轴也在绕磁场回转，这种现象称为进动。3．产生磁共振的原子核•原子核的质子数或中子数必有一个为奇数。•临床MR成像使用的原子核是氢核。4．拉莫尔频率（又称进动频率、共振频率）拉莫尔公式ω0为质子的共振频率，B0为静磁场中的场强，γ为磁旋比。00B（一）基本概念（二）氢原子磁矩进动学说1．氢原子核磁矩平时状态平时状态无宏观磁矩。2．氢原子置于磁场的状态磁矩按磁场的磁力线方向取向：大部分磁矩平行于磁力线方向，能量低，呈稳定态；较少的一部分反平行于磁力线方向，能量高，不稳定。产生了与外磁场同方向的宏观磁化向量(M)。M0=0M0（二）氢原子磁矩进动学说3．施加射频脉冲一定频率的电磁波或射频能量被称为“射频脉冲”。质子建立宏观磁化向量后，向其施加频率为ω0的射频脉冲，原来处于随机相位的质子将趋于同相（相位相干）。当质子的进动相位完全一致时，就发生了共振现象。施加射频脉冲越强，或时间越长，磁化向量偏离Z轴越远，质子获得能量越多。（二）氢原子磁矩进动学说90°脉冲（二）氢原子磁矩进动学说4．射频脉冲停止后射频脉冲停止后，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。这一过程称为弛豫过程，所用的时间称为弛豫时间。人体不同器官的正常组织与病理组织的T1是相对固定的，而且它们之间有一定的差别，T2也是如此。这种组织间弛豫时间上的差别，是MRI的成像基础。（二）氢原子磁矩进动学说z轴→横断面，x轴→矢状面，y轴→冠状面要完成MR成像，必须获得被检体特定层面内的MR信号。垂直于z轴的横断面：加一个方向与原主磁场一致、幅值随z作线性变化的附加梯度磁场，实现z方向磁场强度随距离作线性变化。选择其他断面（如矢状面或冠状面），只要让梯度磁场随x或y作线性变化，即在x或y方向加上线性梯度磁场即可。（三）梯度磁场与定位分类：根据主磁场的产生方法，可分为永磁型、常导(阻抗)型、混合型和超导型等四种；根据其用途分为介入型和通用型两大类。基本结构：它包括主磁体系统、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(如磁体的屏蔽、超导及低温系统等)。二、MRI的基本结构第二节主磁体系统磁共振成像设备的核心部件之一建立一个均匀、稳定、足够容积的静磁场可以有不同的方法进行分类，按磁体材料和场强来分类比较常用一、主磁体的性能指标（一）磁场强度与信噪比（S/N）、射频对生物的穿透力和人体安全性等方面综合考虑。（二）磁场均匀性单从成像的角度来说，越均匀越好。（三）磁场稳定度单从成像的角度来说，越稳定越好。（四）有效孔径适当孔径即可（五）磁场的安全性符合规定要求（六）运行维护维护简单，费用低廉二、主磁体的种类与特点磁体的种类有永磁体、常导磁体、超导磁体、混合磁体等。（一）永磁体有铁镍钴、铁氧体和稀土钴等类型。1.永磁体的结构永磁体一般由多块永磁材料拼接而成。2.永磁体的特点提高场强的办法只能是加大磁铁用量和采用新型磁性材料，会增加磁体的重量和材料开发成本。二、主磁体的种类与特点（1）永磁体的优点：结构简单价格低，目前场强可达到0.7T，消耗功率极小，维护费用低，杂散磁场小。（2）永磁体的缺点：磁场强度较低，不能满足快速扫描和临床磁共振波谱研究的需要。永久磁体的磁场稳定性和均匀性也较差。3.永磁体的恒温控制多数永磁体的温度系数为负值，磁场强度与温度成反比。因此，要将磁体置于恒温室内并设一对控制磁场漂移的线圈，则磁场强度很易保持稳定。二、主磁体的种类与特点（二）超导磁体1.超导线圈的材料铌-钛、银-铜等合金材料，在一定的极低温度下，电阻突然消失。超导线的横截面结构二、主磁体的种类与特点2.超导线圈的形式超导线圈的绕制有两种形式，一种是以四个或六个线圈为基础，一种是以螺线管为基础。二、主磁体的种类与特点3.超导体的低温保障结构二、主磁体的种类与特点超导磁体的低温真空容器结构三、主磁体的匀场磁体安装后，对磁场进行物理调整，称为匀场。（一）有源匀场（主动调整）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。（二）无源匀场（被动调整）第三节梯度磁场系统由梯度控制器（GCU）、数模转换器（DAC）、梯度放大器（GPA）、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：在静磁场上，动态地叠加三个相互正交的线性梯度磁场，使受检体在不同位置的磁场值有线性的梯度差异，实现成像体素的选层和空间位置编码的功能。一、梯度磁场的作用与性能指标（二）梯度磁场的主要性能指标1.有效容积梯度线圈的均匀容积越大，可成像区的范围就越大。2.梯度线性线性越好，表明梯度场越精确，空间定位准。非线性误差不能超过2%。3.梯度强度磁场梯度越大，扫描层面可以越薄。4.梯度爬升时间梯度爬升越快，可开发出更快速的成像序列，提高扫描速度和图像信噪比。5.梯度切换率层数越多，梯度场的工作百分数要求就越高。二、梯度磁场的产生（一）梯度线圈X、Y和Z三对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二、梯度磁场的产生（二）梯度磁场的产生流程（三）双梯度结构兼顾了不同层厚和不同部位的情况二、梯度磁场的产生（四）涡流的影响和补偿当梯度磁场切换时，变化的磁场在周围导体中感应出圆形电流，称为涡流。涡流会削弱梯度场，使梯度场波形畸变，使图像产生伪影。涡流产生的热量，又增加液氦的消耗。须采取措施克服涡流的干扰。1.加入RC网络2.辅助梯度线圈3.应用高电阻磁体第四节射频发射与接收系统发射电磁波以产生磁共振接收磁共振信号以测量一、射频脉冲与射频线圈（一）射频脉冲通过调节射频场强度和脉冲宽度两个量，可使磁化向量M翻转至任意角度，这由计算机和射频控制单元来实施控制。（二）射频线圈1.射频线圈的功能发射射频电磁波接收磁共振信号2.射频线圈的种类有不同方法分类，如按功能分、按范围分等等一、射频脉冲与射频线圈（三）射频线圈的主要指标1.信噪比2.灵敏度3.射频场均匀度4.线圈品质因数5.填充因子及线圈的有效范围等。二、射频的产生与接收（一）射频脉冲的产生单元（二）磁共振信号的接收单元二、射频的产生与接收（三）信号采集结构框图第五节计算机系统人机交互、扫描控制、图像重建与显示、信息归档与传递、设备自检。硬件与软件共同配合，实现目标任务。一、主计算机系统（一）功能与组成1.功能是控制操作者与磁共振设备各系统之间的通信，并通过扫描软件来满足所期望的应用要求。2.组成专用计算机结构。（二）软件系统1.系统软件2.应用软件二、图像重建与显示（一）图像重建1.数据处理在重建图像之前还需对A/D转换所得数据进行简单的处理，包括传送驱动、数据字酌拼接和重建前的预处理等。加入标志信息，如扫描行和列的信息、数据的类型、生理信号门控数据、层号等等。2.图像重建图像重建的本质是对数据进行高速数学运算。由于运算量很大，多采用并行计算机来重建图像。（二）图像显示只有高质量的显示器才能高质量的图像，显示器性能就十分重要。第六节磁场的屏蔽一、磁场与环境的相互影响（一）等高斯线（二）磁场对环境的影响一、磁场与环境的相互影响（三）环境对磁场的影响二、主磁体的屏蔽为了尽量将5高斯线区域限于磁体室内，除通过增加磁体室的面积和高度外，还须采用磁屏蔽来达到目的。（一）有源屏蔽由一个线圈或线圈系统通以电流，产生反向的磁场来抵消工作磁场的杂散磁场，从而达到屏蔽的目的。（二）无源屏蔽采用的是铁磁性（镍合金和铁合金）屏蔽体。1.房屋2.定向3.共轭三、射频屏蔽屏蔽射频电磁波以减小对周围电子设备的影响，屏蔽周围电磁波对磁共振信号的影响。安装磁共振设备周围的六面都要进行射频屏蔽，包括门、窗等。还要对供暖通风、供电供水的金属管道进行电磁屏蔽措施。第七节超导及低温系统一、超导性与超导体（一）超导电性某些材料在深低温时，其电阻的突然“消失”的现象称为超导电性，简称超导性。具有超导性的材料称为超导体。如水银的TC为4K，锡的TC仅3.7K。（二）超导体的基本性质1.完全导电性2.完全抗磁性（三）超导材料的主要指标1.临界温度（TC）2.临界磁场（Hc3.临界电流（IC）（四）超导材料的应用磁共振磁体是应用之一二、低温技术（一）致冷与制冷1.致冷用低温致冷剂（液氮和液氦）的自然挥发为代价来吸收漏入磁体的部分热量的方法2.制冷通过设备循环能量转换冷却系统提供冷量的方法（二）低温概念物理学中“低温”（81K以下），制冷技术中的低温范围分为普冷（300K～120K）、深冷（120K～0.3K以下）和超低温（0.3K以下）几个温度段。二、低温技术（三）氦及其性质氦（He）是惰性气体，有3He和4He两种同位素，超导MR设备中的液氦，以4He为主。氦主要从富氦天然气中分离获得，价格昂贵，低温制冷剂多采用氦。（四）液氮及其性质液氮主要从空气中分离、压缩获得，价格便宜，在磁共振设备中用于辅助制冷。二、低温技术（四）氦制冷1.压缩制冷循环的基本过程①蒸发过程；②绝热压缩过程；③冷凝过程；④绝热膨胀过程。2.液氦压缩制冷二、低温技术3.冷头、氦压缩机和冷水系统三者关系三、超导环境的建立与失超保护（一）超导环境的建立MR磁体超导环境的建立通常需要下述步骤：1.真空绝热层最后用涡轮分子泵抽至约0.001Pa。即:真空度大约为99.999999%。2.磁体预冷用致冷剂将液氮、液氦容器内的温度分别降至其工作温度的过程。3.超导环境的建立当容器内温度已初步降至4.2K，再在磁体液氦容器中灌注液氦。（二）励磁在磁体电源的控制下逐渐给超导线圈施加电流，从而建立预定磁场的过程。三、超导环境的建立与失超保护（三）持续电流开关充磁时，当电流到了预定的数值就切断供电电源，去磁时又要将磁体储存的能量快速泄去。超导磁体中实现这一特殊功能的设备就是持续电流开关，持续电流开关又称磁体开关。三、超导环境的建立与失超保护（四）失超及其保护失超就是超导体因某种原因突然失去超导特性而进入正常态的过程。失超和磁体去磁是两个完全不同的概念。失超后线圈失去超导性，会将电磁能量转换为热能，局部温升既可破坏线圈的绝缘，又可熔化超导体，严重时将破坏整个磁体。分段保护法磁体保护电路第八节磁共振设备的使用与维护一、使用注意事项二、日常维护保养一、使用注意事项1.致冷剂泄漏可能发生在失超或容器破裂时，其危险性包括：①引起冻伤。②液氦和液氮的直接伤害。检查室必须安装氧气检测报警器。2.铁磁性物质的抛射铁磁性物质受磁体吸引可高速向磁体抛射而引起设备损坏或人员受伤。因此进入检查室的人员应去除随身携带的铁磁性物质。一、使用注意事项3.金属异物体内有金属异物的病人，不宜进行MR检查。4.监护、抢救设备一般的监护抢救设备无法在检查室内正常工作，因此需要监护的重症患者一般不宜进行MR检查。5.心脏起搏器主磁场和RF都有可能干扰心脏起搏器的工作，起搏器导线还可产生诱发电流，可能造成心率失常或组织烧伤。一、使用注意事项6.人工植入物铁磁性物质制造的植入物将干扰磁场，不能进行MR检查；非磁性不锈钢或钛合金材料的植入物，则可以进行MR检查。7.幽闭恐惧症患者幽闭恐惧症患者在MR磁体的检查孔中会出现压抑、气急、恐惧等反应。8.孕妇妊娠3个月以内的孕妇不宜做MR检查。二、日常维护保养1.扫描期间保持恒温恒湿，换新风装置工作正常。2.定期检查校准射频管工作特性曲线。3.定期检查校准磁体匀场。4.常导磁体供电电源应确保稳压、稳流、通风散热情况良好；超导磁体应每日记录液氦消耗量。工作中每日均需确认