MRI设备的主要物理部件和使用

MRI设备的主要物理部件和使用磁体、梯度场线圈和射频线圈是ＭＲ成像设备的重要物理部件。它们的主要技术性能参数是磁感应强度、磁场均匀度、磁场稳定性、边缘场的空间范围、梯度场的磁感应强度和线性度、射频线圈的灵敏度等。成像系统的主要用户功能是数据采集、影像显示和影像分析等。磁共振成像设备有以下基本组成部分：①产生磁场的磁体和磁体电源；②梯度场线圈和梯度场电源；③射频发射/接收机；④系统控制和数据处理计算机；⑤成像操作和影像分析工作台；⑥活动检查床。这些部分之间通过控制线和数据线及接口电路联接起来组成完整的设备。这里着重讨论对磁共振成像和影像质量有决定性作用的物理部件，介绍它们的工作原理、特性和技术指标。这些物理部件包括产生磁场的磁体、产生梯度场的梯度场线圈、用于射频发射和信号接收的射频线圈。另外，ＭＲ成像设备必须有为用户提供的软件程序。用户通过操作系统的终端利用这些程序，根据需要进行影像采集、影像显示和影像分析。一、磁体1.磁体的性能参数产生磁场的磁体是ＭＲ成像系统的核心。磁场的主要技术指标是磁感应强度、磁场均匀度、磁场的时间稳定性和边缘场的空间范围等，它们对影像质量有重要影响。(1)磁场磁感应强度ＭＲＩ所用的磁场磁感应强度从0.02T到4T，范围相当宽。因为生物组织中含有大量质子，而且，质子的旋磁比大，所以，即使磁感应强度很低的磁场也能实现质子磁共振成像。但是，磁感应强度越高，组织的磁化程度越大，产生的磁共振信号越强。在一定范围内，磁感应强度越高，影像的信噪比越大，因信噪比近似与磁感应强度成线性关系。磁共振频谱分析和化学位移成像要求的频谱分辨率很高，只能用磁感应强度很高的系统进行。高磁场也有不利因素，主要是在高磁场条件下，射频频率高，人体对射频能量的吸收增加，射频对人体的穿透能力减小，同时因水和脂肪之间不同的化学位移引起的伪影的影响也不可忽略。磁共振成像用的磁体有永久磁体、常导磁体和超导磁体3种。目前，大多数ＭＲ成像系统采用超导磁体，磁感应强度低的工作在0.3T，高的工作在2.0T，甚至4.0T或更高。(２)磁场的均匀度磁共振成像需要均匀度很高的磁场。非均匀磁场引起一个体素内质子共振频率范围加宽。在成像区域范围内的磁场均匀度是决定影像的空间分辨率和信噪比的基本因素。磁场均匀度还决定系统最小可用的梯度场强度。磁场均匀度的定义是：成像范围内两点之间磁感应强度的最大偏差ΔＢ与标称磁感应强度Ｂ０之比，一般要求为百万分之几。根据拉莫尔方程，磁场均匀度也可等价地用两点之间的最大频率差Δｆ与中心频率ｆ０之比定义。例如，如果1.0T的磁场在40ｃｍ直径球体范围内测量的最高和最低频率分别为42.580426兆赫和42.579824兆赫，那么，该磁场的均匀度为602Ｈｚ/42.58ＭＨｚ≈14×10－6＝14／1000000(14ppm)。磁场均匀度由磁体本身的设计和具体的外部环境决定。磁场均匀度与磁体类型有关。一般要求磁体的成像区域越大，所能达到的磁场均匀度越低。兼有化学位移频谱分析和成像功能的ＭＲ系统，要求能鉴别不同原子位置上极小的频率偏移，即能够分辨非常靠近的空间谱线，需要的磁场均匀度更高。(３)磁场稳定性磁场稳定性是衡量磁场磁感应强度随时间而漂移的程度的指标。在成像序列周期内磁感应强度的漂移对重复测量的回波信号的相位有影响，并引起影像失真和信噪比降低。磁场稳定性与磁体类型和设计质量有关。需要磁体电源的常导磁体，磁场稳定性取决于电源的稳定性。永久磁体的稳定性主要受环境温度变化的影响，因为温度变化会引起磁体几何参数的改变。超导磁体不存在上述问题，在3种磁体中稳定性最好。1.0T的超导磁体的稳定性在0.1ppm/h以上。铁磁性物体或金属物体在磁体周围的边缘场中移动会对磁体内部的磁感应强度产生扰动，从而破坏磁场的稳定性，破坏的程度同这些物体的质量大小及它们离磁体的远近有关，要根据边缘场延伸的范围大小对这些物体允许接近磁体的距离加以限制。(４)边缘场的空间范围边缘场指延伸到磁体外部的磁场。边缘场延伸的空间范围与磁场磁感应强度和磁体孔径大小有关。边缘场有可能对在它范围内的电子仪器产生干扰，这些电子仪器也通过边缘场对内部磁场的均匀度产生破坏作用。减小边缘场的途径是采用有源或无源屏蔽措施。有源屏蔽是在磁体线圈中加一组线圈，用它产生的磁场抵消掉磁体线圈产生的外部磁场。无源屏蔽是在磁体周围用铁磁性材料建一个围墙，限制外部磁场的延伸。即使采取了屏蔽措施，仍然要限制移动的金属物体与磁体接近的距离。2.常导（电阻）磁体(1)常导磁体线圈电流从中流过的普通导体周围存在磁场，电流的强度、电流流通路径的几何特性决定所建立的磁场的强度、方向和空间均匀度。从理论上说，将载流导体沿圆筒表面绕成无限长螺线管，螺线管内就建立起高度均匀的磁场，如图5-26所示。将载流导体紧密安排在一个球形表面上形成均匀分布的电流密度，球形表面内部的磁场也是高度均匀的，如图5-27所示。因为磁体实际只能采用有限的几何尺寸，而且，必须有供人体进出的进出口，所以，实际磁体线圈只能采用与理想结构近似的形式。无限长螺线管的近似结构是有限长度的螺线管，它靠圆柱对称的几何形状建立螺线管内部的均匀磁场。实际上，均匀磁场只能建立在螺线管中一个长度有限的区域。增加螺线管两端导线的匝数可以扩大这个均匀区域的范围。也可以在螺线两端与它同轴地各附设一个半径稍大的薄线圈，利用这两个辅助线圈电流的磁场抵消螺线管两端磁场随轴向位置的变化，如图5-28所示。球形磁体线圈的最简陋的近似形式是霍尔姆兹（Helmboltz）线圈。这是一对半径相等的同轴线圈，轴向距离等于线圈半径，两个线圈的导线沿相同方向流过相等的恒定电流。这种线圈只能在线圈对中心一个小体积范围建立均匀磁场。扩大均匀磁场范围的途径是增加线圈对数目。双线圈对结构将4个线圈同轴地安排在一个球形表面内，中心2个线圈的半径比两边2个线圈的半径大。场强为1.5T的四线圈结构，在35cm直径球体内的磁场均匀度可达100ppm，再增加1对线圈可以在更大范围获得均匀度更高的磁场。一个由6个线圈组成的磁体线圈的结构如图5-29所示。(２)常导磁体的匀场线圈制造磁体线圈的几何误差往往使产生的磁场达不到要求的均匀度。如有限长螺线管建立的磁场，其均匀性受非圆柱对称因素的影响。线圈绕线的加工误差和线圈在几何上的不同轴性，均有损于螺线管的圆柱对称性。消除磁场非均匀性的方法称为匀场。匀场通常利用附加的磁场校正线圈，通过机械或电气调节建立与磁场的非均匀分量相反的磁场，以将它们完全抵消掉。匀场线圈安装在磁体线圈内部或者外部。有一种匀场线圈是与磁场线圈串联的，两者的相对位置可以调节，这种匀场线圈也叫平衡线圈。有一种匀场线圈是与磁场线圈分开单独驱动的，位置固定，这种匀场线圈也叫补偿线圈。平衡线圈能够修正场的轴向非均匀性。补偿线圈是正交的鞍型线圈，既可修正轴向非均匀性，也能修正横向非均匀性。除了利用专门附设的线圈匀场外，匀场还可利用其他方法。例如，通过给梯度线圈引入电流以补偿磁场的非均匀性。(３)常导磁体的特性制造常导磁体的铜或铝导线有一定电阻，所以，常导磁体也称为电阻磁体，磁体线圈中的电流需要驱动电源来维持，电源输出的功率与场强的平方成正比。常导磁体导线的过大的功率损耗使它被限于用在磁感应强度低于2.0T的场合。另外，为了消除线圈电阻上的功率消耗产生的热量，以避免磁体升温对磁场稳定性的影响，常导磁体需要给磁体线圈散热或冷却的机构。电阻磁体激磁后要经过20min到几个小时的时间磁场才能维持稳定。为了减少每个工作日投入使用前的等待时间需要采取某些措施，这使常导磁体的运行和维护颇不方便。直径80cm的螺线管磁体，如果周围环境没有铁磁性材料，未经匀场可达到50cm直径球体范围内120ppm的均匀度和40cm直径球体范围内30ppm的均匀度。采用匀场措施后，在直径20cm的球体范围内的磁场均匀度可优于10ppm。磁体温度变化在成像期间可以控制在±０.２℃，这个温度变化引起的磁场变化相当于400ppm的非均匀性。常导磁体的优点是造价低。但是，工作磁场强度比较低，磁场均匀度差，限制了常导磁体的推广应用。3.超导磁体超导磁体的磁场线圈和匀场线圈的设计原理与电阻磁体的基本相同。不过，超导磁体的线圈是用超导体导线绕制的。因超导体的超导电性在接近绝对零度的低温条件下才能表现出来，所以，超导线圈周围需要液氦为它提供低温环境。(1)超导性和超导材料所谓超导性是指在低温下某些导体完全没有电阻，导电性超过常温下的优良导体。只有某些金属具有这种特殊的导电性。材料出现超导性的最高温度叫临界温度。已知的超导材料的临界温度非常低，最高的为20Ｋ。超导性是在临界温度以下，电子被冷冻到这样一种状态，它们组成电子对而不再是自由电子。所有电子对的运动速度低于金属中的声速。因这样的速度电子和晶格之间没有动量和能量传递，所以，电子对在晶格中的运动不受任何阻力，这就是说，材料的电阻完全丧失。在超导状态，微弱的外部磁场只能穿透超导体表面一个薄层，这个表层的厚度叫穿透深度，小于10－6cm。超导体内部的磁化率等于零，这是由于磁场与电子对相互作用，在超导体表面产生电流。这种表面电流起屏蔽外磁场的作用。这导致超导体中存在超导和常导两个区域，两个区域之间的分界的最小厚度叫相关长度。根据相关长度和穿透深度的关系，超导体被分为Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型超导体的相关长度大于穿透深度，通常是单质金属材料；Ⅱ型超导体的相关长度小于穿透深度，通常是合金材料。(2)超导磁体的基本结构超导线圈的超导线绕在特制的线圈支架上，支架采用非磁性材料，一般是铝合金，其机械强度可承受洛仑兹电磁力的作用而不致发生变形。支架上均匀分布着精密加工出来的导线沟槽以装嵌螺旋线圈。也可以将精密绕制的超导线圈组安装在一个铝制圆筒内，线圈位置允许作适当调节。线圈的制作精度要求相当高，因为，如果导线线径有１/5的误差，磁场均匀度会降低10ppm；线圈中心部分少一匝导线会引起40ppm的误差。线圈的设计还要考虑便于采取匀场措施和减小边缘场的措施。超导线圈的低温环境由低温恒温器保障。超导线圈整个浸没在液氦中。为了维持恒温并减少液氦蒸发，盛液氦的杜瓦嵌套在盛液氮的杜瓦之内，或者置于由低温氦气形成的屏蔽室内，以尽可能减小热量通过传导、对流或辐射途径向液氦的传输。通过辐射途径传输的热能引起液氦的蒸发量最大，这要求制造恒温器有非常高的工艺水平。有氦气屏蔽室的低温恒温器内可安装致冷头，图5-30超导磁体的电路原理，利用外部的氦压缩机进行致冷。低温恒温器的顶部（已安装的磁体上方）有液氦和液氮的加注口和排放孔，以及供线圈激磁、液面显示和紧急退磁装置用的引线，这些引线用高绝热材料支持和封固起来进入恒温器，它们向恒温器的热传导被降到最低限度。(3)超导磁体的永久工作方式图5-30是超导磁体的电原理图，图中表示出了超导线圈、开关元件、超导线的焊接点和超导线圈的分流电阻。在超导磁体激磁期间，加热器接通，使作开关元件用的一段超导体处于常导状态，对超导体线圈起分流作用。激磁电流从激磁电源出发通过超导磁体线圈循环流动，当电流逐渐上升到能使线圈建立起要求的工作场强时，加热器断开，作开关元件的一段超导线在低温下失去电阻，整个超导线构成一零电阻闭合回路。此时，激磁电源即使被切断，超导线回路中的电流仍将沿回路继续不断循环流动。超导磁体在工作场强建立之后，将超导线圈与激磁电源脱离，超导线圈中电流仍能永久性地循环流动，并且，工作场强能够维持不变，这就是超导磁体的永久工作方式。超导磁体的磁场一旦建立就不需要维持磁场的外部电源，这是超导磁体的优点之一。由于有这种特性，激磁完成之后，超导线圈和激磁电源之间的引线便可拔掉，这有利于减少周围环境中的热量向低温恒温器的传导。理论上，超导体导线没有电阻，超导线圈中的电流和建立的磁场可以无限制地维持不变。但由于线圈导线的总长度达20～30km，它必须用多段超导线焊接而成，焊接处避免不了出现电阻。而电流渡过电阻导致能量的消耗。所以，实际上超导磁体的磁场将指数式地缓慢衰减（时间常数τ是线圈的总电感与总电阻之比）。(4)失超和