mri技术磁体与系统(上)

MRI技术——磁体与系统（上）3.1引言磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）技术是利用人体内原子核在磁场内与外加射频磁场发生共振，而产生影像的成像技术。MRI是随着计算机技术的飞速发展以及在X线CT的临床应用基础上发展起来的一种新型医学数字成像技术。由于它既能显示形态学结构，又能显示原子核水平上的生化信息，还能显示某些器官的功能状况，以及无辐射等诸多优点，已越来越广泛地应用于临床各系统的检查诊疗中。随着MRI技术的不断改进，其功能日趋完善，应用范围不断拓宽，是当今医学影像学领域发展最快、最具潜力的一种成像技术。磁共振成像设备（简称为“MRI设备”）在我国卫生部被列为乙类大型医用影像设备，医院需要特别申请配置许可证。MRI设备在临床上的应用日益广泛，在各系统疾病的诊断中扮演着越来越重要的角色，对于疾病的诊断有不可替代的作用。该设备的配置集中体现着医院临床诊疗、以及科研工作的水平。磁共振成像设备（简称MRI设备）主要由以下四部分构成：磁体系统、梯度磁场系统、射频系统、计算机及图像处理等系统组成，各系统间相互连接，由计算机控制、协调。对于超导MRI设备，低温保障冷却系统也是其重要组成部分。实际的磁共振成像系统为了加快图像处理速度，一般都配备专用的图像处理阵列单元；为了实施特殊成像（如心脏门控、脑功能研究等），还要有对生理信号（心电、脉搏、（无创、有创）血压、血氧饱和度、氧分压、二氧化碳分压等）进行采集、处理、分析的单元。为了实现实时脑功能成像，需要配置特殊的高性能计算机柜，射频脉冲实时跟踪，试验刺激的产生、传输（可通过波导孔）及控制，数据的全自动后处理系统等。图像的硬拷贝输出设备（如激光相机）、软拷贝输出设备（如CD±R/RW、DVD±R/RW、MOD等光盘驱动器）也是必备的。3.2磁体系统磁体系统是MRI设备产生成像所必需的静磁场（staticmagneticfield）的关键部件。磁体的主要性能指标是其产生的磁场强度、均匀度、稳定性及孔径大小等，这些性能指标直接关系到整个系统的信噪比和成像质量。几乎所有的厂家都在努力追求能够制造出高质量、尽可能高的磁场强度、优良的磁场均匀度、稳定可靠、尽可能大的开放孔径、以及尽可能短的磁体。3.2.1磁体系统的组成磁体系统的基本功能是为MRI设备提供满足特定要求的静磁场，除了磁体之外，还包括匀场线圈、梯度线圈、以及射频发射和接收体线圈（又称为内置体线圈，Build-inBodyCoil）等组件。上述三个线圈依次套叠在磁体内腔中，使磁体孔径进一步变小。匀场线圈可进一步提高磁场的均匀性；梯度线圈解决被检测体的空间分辨率、空间定位、层面选择等成像问题；射频发射和接收体线圈用于发射射频脉冲以激发被检测体产生MR信号，同时负责接收MR信号。对于超导磁体还必须拥有高真空、超低温的杜瓦容器，以维持超导线圈的超低温环境。与磁体、匀场线圈和梯度线圈相连接的是它们各自的电源，即磁体电源、匀场电源及梯度电源（永磁体不需磁体电源）。上述三种电源在控制单元的作用下提供高质量的电流，以保证整个系统磁场的均匀和稳定。3.2.2磁体的性能指标磁体系统对于MRI设备的重要性不亚于鱼对水的依赖性，由磁体系统产生、均匀稳定的静磁场是磁共振成像的“基石”，“基石”的性能决定着MRI设备“大厦”的品质。3.2.2.1主磁场强度MRI设备的磁体在其扫描检查孔径内、Z轴（沿磁体孔洞方向）一定长度范围内（1.5T超导MRI设备通常≤50厘米）产生磁场强度（即主磁场强度）均匀分布的静磁场，即主磁场B0。增加主磁场强度，可提高图像的信噪比（SNR）。MRI图像质量与主磁场强度、主磁场均匀性、梯度线圈、射频接收线圈等诸多因素相关。目前应用于临床的MRI设备主磁场强度大多为0.15~3.0T（特斯拉，tesla，为磁场强度单位，1特斯拉=10000高斯），磁场强度越高，组织的磁化强度越高，产生的磁共振信号强度越强。在一定范围内，磁场强度越高，影像的信噪比越大，信噪比近似与磁场强度成线性关系。但高场强也有一些不利因素，例如在高场强中化学位移伪影较明显，对运动较敏感而更易产生伪影。主磁场强度的高低与磁体以及整机的造价成正比，目前0.35TMRI设备市场价格一般在600万元人民币左右，而进口一台3.0TMRI设备则需花费2000万元人民币。因此用户需要在整机价格、主磁场强度、图像质量三者中进行比较、平衡、选择。提高场强的唯一途径就是采用超导磁体。随着超导材料价格和低温制冷费用的下降，超导MRI设备的性能价格比不断提升。发达国家中1.5T以上的超导MRI设备已经相当普及；3.0TMRI设备从2005年起，开始大规模进入临床；美国通用电气（GE）、德国西门子（SIEMENS）、荷兰飞利浦（PHILIP）均已开发并向市场推出7.0T的超高场MRI设备，用于人体成像的实验研究；与此同时在美国芝加哥9.4TMRI设备正在用于人体成像研究。但是由于超高磁场强度静磁场对人体的生物效应尚不肯定，超高场MRI设备产品尚不成熟，以及相关国家的有关法律或规则对其应用还有限制等原因，7.0T及以上的超高场系统至今未能广泛用于临床，但应用研究的文献已有很多发表。与高磁场强度MRI设备的发展相反，近年来高性能的低场开放型永磁MRI设备备受市场和用户的青睐、厚爱。这不仅与它所具有的优良的性能价格比有关，也与设备制造商在竭尽努力将中高场磁共振系统的部件和技术移植、“下嫁”到低场平台，使其整机性能、图像质量大大改善直接相关。3.2.2.2磁场均匀度磁场均匀度（homogeneity），又称磁场均匀性，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球形空间。磁场均匀度的单位为ppm（partpermillion），即特定空间中磁场最大场强与最小场强之差除以平均场强再乘以一百万。MRI对磁场的均匀度要求很高，在成像范围内的磁场均匀度决定图像的空间分辨力和信噪比。磁场均匀度差将会使图像模糊和失真。磁场均匀度由磁体本身的设计和外部环境决定，磁体的成像区域越大，其所能达到的磁场均匀度越低。磁场的稳定性是衡量磁场强度随着时间而漂移程度的指标，在成像序列周期内磁场强度的漂移对重复测量的回波信号的相位产生影响，引起图像失真、信噪比下降。磁场的稳定性与磁体的类型和设计的质量密切相关。磁场均匀度标准的规定与所取测量空间的大小和形状有关，一般采用与磁体中心同心的、直径一定的球体空间做为测量范围。通常磁场均匀度的表示方法是在测量空间一定的情况下，磁场强度在该给定空间的变化范围（ppm值），即以主磁场强度的百万分之一（ppm）作为一个偏差单位来定量表示的，通常将这个偏差单位称为ppm，这称为绝对值表示法。例如整个扫描检查孔径圆柱体范围内的磁场均匀度为5ppm；而与磁体中心同心的、直径为40cm和50cm的球体空间内的磁场均匀度分别是1ppm和2ppm；还可表示为：被测标本区每立方厘米的立方体空间内磁场均匀度为0.01ppm。无论何种标准，在所取测量球大小相同的前提下，ppm值越小表明磁场均匀度越好。以1.5TMRI设备为例，一个偏差单位（1ppm）所代表的磁场强度的漂移波动为1.5×10-6T。也就是说，在1.5T的系统中，1ppm的磁场均匀度意味着：该主磁场在1.5T磁场强度的本底基础上存在1.5×10-6T（0.0015mT）的漂移波动。显然，在不同场强的MRI设备中，每个偏差单位或ppm所代表的磁场强度的变化是不同的，从这个角度讲，低场系统对于磁场的均匀度要求可以低一些（见表3-1）。有了这样的规定之后，人们就能够用均匀度标准对不同场强的系统，或同一场强的不同系统方便地进行比较，以便客观评价磁体的性能。在实际测量磁场均匀度之前首先需要精确定出磁体中心，然后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（24平面法、12平面法）测量其磁场强度，最后处理数据、计算整个容积内的磁场均匀度。磁场均匀度是会伴随周围环境变化的。即使一个磁体在出厂前已达到了某一标准（工厂保证值），但是安装后由于磁（自）屏蔽、射频屏蔽（门窗）、波导板（管）、磁体间和支持物中的钢结构、装修装饰材料、照明灯具、通风管道、消防管道、紧急排风扇、楼上楼下楼旁的移动设备（甚至汽车、电梯）等环境因素的影响，其均匀度会改变。因此，均匀度是否达到磁共振成像要求，应以最后验收时的实际测量结果为标准。磁共振生产厂家安装工程师在工厂或医院现场所做的被动匀场和超导匀场线圈主动匀场工作是提高磁场均匀度的关键措施。MRI设备为了在扫描过程中对所采集的信号进行空间定位，在主磁场B0基础上还需叠加连续递增变化的梯度磁场△B。可想而知，在单个体素上叠加的这个选层面梯度场△B必须大于主磁场B0所产生的磁场偏差、或漂移波动，否则将会改变、甚至湮没上述的空间定位信号，产生伪影，降低成像质量。主磁场B0所产生的磁场的偏差和漂移波动越大，表示该磁场的均匀度越差，图像质量也会越低，更会直接关系到压脂序列（人体中水和脂肪的共振频率仅相差200Hz）、磁共振波谱（MRS）检查的成功与否。因此，磁场均匀度是衡量MRI设备性能高低的关键指标之一。3.2.2.3磁场稳定性受MRI设备磁体附近散布的铁磁性物质、磁体间环境温度和湿度、超导匀场线圈电流漂移、主磁场超导线圈电流漂移、进入磁体检查孔径的人体以及人体携带的体内植入物、体外携带物（例如曲别针、硬币、钢笔、钉子）等客观因素的影响，磁场的均匀性和/或磁场强度值会发生变化，这就是磁场漂移。磁场稳定性就是定量评价、衡量这种漂移变化的技术指标。稳定性下降，意味着单位时间内磁场的变化率增高，如果在一次磁共振扫描检查时间段内，磁场强度值和/或磁场均匀性发生了漂移，就会影响到图像质量。磁场的稳定性分为时间稳定性和热稳定性两种。时间稳定性指的是磁体所建立的静磁场B0随时间而变化的程度。磁场强度值还会随温度变化而漂移，其漂移的程度是用热稳定性来表述的。永磁体和常导磁体的热稳定性比较差，因而对环境温度的恒定能力要求很高。超导磁体的时间稳定性和热稳定性则表现优异。磁场的漂移通常以1h或数小时作为限度。一般说来，磁场的短期（1～2h）漂移不能大于5ppm，而长期（以8h为周期）漂移量须小于10ppm。主磁场超导线圈电流或超导匀场线圈电流波动时，会直接导致磁场的时间稳定性变差。3.2.2.4磁体有效孔径磁体的孔径大小限制着被检查者的体型尺寸大小，延伸到磁体外部的磁场的范围亦与孔径大小及磁场强度有关。在磁场的延伸范围内，电子仪器对磁场均匀度及其本身的磁场产生破坏作用，为限制磁场向外部延伸及外部磁场的影响，需要采用各种屏蔽措施。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、和外壳等部件均在磁体检查孔道内安装完毕后，所剩余柱形空间的有效内径。因此，实际的磁体孔径即磁体的净孔径要大得多。例如，牛津公司UNISTAT磁体本身的净孔径为1050mm，但装入匀场线圈后成为920mm，安装梯度线圈后其内径进一步减小为750mm。对于全身MRI设备，磁体的有效孔径以足够容纳受检者人体为宜。一般来说其有效孔径尺寸必须至少达到60cm。有效孔径过小容易使被检者产生压抑感，诱发受检者潜在的“幽闭恐惧症”。有效孔径大些可使受检者感到舒适、轻松，同时也能满足肥胖者的检查需要。然而，增加磁体的孔径在一定程度上比提高磁场强度更难，因为孔径的增大势必导致磁场均匀性的破坏和失衡，而校正这种失衡的技术难度很大，因此大孔径（一般指内径净空尺寸大于70cm）MRI设备是当前研发的热点之一。3.2.2.5边缘场空间范围磁体产生的静磁场向空间各个方向散布，发散到磁体周围的空间中，称为边缘场。它的强弱与空间位置有关，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，边缘场会对候诊的受检者、工作人员、路过附近的人员、分布在磁体周围空间的电子设备造成可能的伤害和损坏。边缘场的空间分布通常以磁体边缘场的等高斯线在空间分布的三视图（俯视图、