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1、编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第27页 共27页医学影像设备学第七章 磁共振成像设备第一节 概述引言1、磁共振成像的发展1946核磁共振现象的发现Bloch,Purcell1971肿瘤T1,T2时间的延长Damadian1973充水试管的NMR图像Lauterbur1974活鼠NMR图像Lauterbur等1976人体胸部NMR图像Damadian1977初期的NMR全身图像Mallard1980MRI装备的商品化1989国产永磁MRI的商品化深圳安科2、磁共振成像的命名：自旋成像法自旋映像法组合层析摄影NMR断层NMR-CTFONAR(场聚焦磁共振)NMR
2、I(核磁共振成像)MRI(磁共振成像)一、基础知识回顾（一）基本概念1、原子与原子核物质由分子组成，分子由原子构成，原子又由原子核和电子构成。原子核内含质子和中子，质子带正电荷，中子不带电荷，电子带负电荷，荷外电子负电荷总量与核内正电荷总量相等。原子成中性。原子的化学特性取决于荷外电子的数目，物理特性由原子核所决定。2、原子核的磁矩、自旋、进动氢的质子带正电荷，核的自选就会产生环形电流，它会感应出磁场。将氢质子看作一个小磁棒，其磁力是一个矢量，称磁向量或磁矩，磁矩是随机分布的。自旋：氢原子时刻绕自身转轴旋转。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，这种回转现象称进动。进动是磁场
3、与质子磁矩相互作用产生的。其频率取决于磁场强度和所研究原子核的特性。3、产生磁共振的原子核元素周期表表中凡具有自旋特性的原子核都有产生磁共振的可能，其质子数或中子数必有一个是奇数。目前用于临床MR成像的原子核仅为H-1（氢的同位素，质子数为1，为中子）。4、拉莫尔频率：要能使磁化的氢原子核激发，所用的射频脉冲频率必须符合氢的共振频率，原子核的共振频率又称拉莫尔频率或进动频率。（二）氢原子磁矩进动学说布洛赫描述的磁共振产生的过程：原子核磁矩偏转过程即为磁共振过程，其磁矩偏转及在新的状态下继续进动，可引起周围线圈产生感应电流信号，及MR信号。1、氢原子核磁矩平时状态氢原子具有自旋特性，平时状态磁矩
4、取向是任意的和无规律的，相互抵消，宏观磁矩为零。2、氢原子置于磁场的状态置于均匀强度的磁场中，磁矩按磁场的磁力线方向取向。大多数原子核的磁矩顺磁场排列，它们位能低，数量多，呈稳定态。较少一部分逆磁场排列，位能高，但数量少。全部磁矩重新定向所产生的磁化向量称之为宏观磁化向量。其表示单位体积中全部原子核的磁矩。磁场和磁化向量用三维坐标来描述（X,Y,Z轴）。3、施加设射频脉一定频率的无线电波或射频能量被称为“射频脉冲”。能使磁化向量以90的倾斜角旋转的射频脉冲称为90脉冲。质子建立宏观磁化向量（M）后，按拉莫尔频率向其施加射频脉冲，它才能发生进动，同相进动被称为相干。此时M可分解为Mz和Mxy。4
5、、射频脉冲停止后当射频脉冲停止作用后，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。这一恢复过程为弛豫过程，所用时间为弛豫时间。这是一个释放能量和产生MR信号的过程。相干性和横向磁化分量的损失将导致辐射信号振幅下降，这个衰减信号称为自由感应衰减信号（FID），在体外可用接受线圈将其转换为电信号。横向弛豫：横向磁化分量Mxy很快衰减到零，并且呈指数规律衰减。纵向弛豫：纵向磁化分量Mz将缓慢增大到最初值，亦呈指数规律增长。 （三）梯度磁场与定位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，
6、沿着这个轴选择人体冠状面。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，此梯度也称为选层梯度（Cs）二、MRI的基本结构1、MRI分类根据成像范围：实验用MRI、局部MRI、全身MRI根据主磁场的产生方法：永磁型、常导（阻抗）型、混合型、超导型根据用途：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。3、主磁体分类磁体材料：常导磁体、超导磁体、永久磁体和混合磁体磁体规模大小：小型、中型、大型线圈供电方式：直流磁
7、体、脉冲磁体、交流磁体线圈绕线方式：直螺线管线圈磁体、横向型磁体磁场强度：低场强（1.0T）三、小结1、简述MRI设备的组成2、简述弛豫过程第二节 主磁体系统一、主磁场的性能指标（一）磁场强度：指MRI的静磁场强度确定磁场强度的大小：信噪比（S/N）、射频对生物的穿透力、人体安全性。高磁场强度的特点：可以使信号强度增强，显示更多的解剖结构和病变；缩短扫描时间；可以进行频谱分析；共振频率变高，自旋加快，同样运动的相位漂移变大，使运动伪影增多；MRI成本提高；逸散磁场增大，机房增大，建筑费用增加。（二）磁场均匀性是指特定容积限度内磁场的统一性，即穿过单位面积的磁力线是否相同，决定MRI的图像质量好
8、坏。如果MR工作空间内各个不同位置的磁场强度偏差越大，就表示均匀性越差，图像质量也会越差。要求MRI均匀度在50cm球径的空间内磁场均匀度达10-6量级，5ppm（不超百万分之五）。均匀性与不同磁场、测量空间大小。（三）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，磁场的均匀性或场值也会发生变化，这就是磁场漂移。磁场值还可随温度变化而漂移，其漂移程度是用热稳定度来表达的。永磁体和常导磁体的热稳定度比较差，对环境要就很高。超导磁体的时间稳定度和热稳定度一般都能满足要求。（四）有效孔径指梯度线圈、匀场线圈、射频体线圈和内护板等部件均安装完毕后，圆形空间的有效内径。增加孔径比
9、提高场强还要难。（五）磁场的安全性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。二、主磁体的种类与特点临床磁共振成像系统的三种磁体：永久磁体、常导磁体和超导磁体。（一） 永久磁体永磁材料：铁钼钴、铁氧体和稀土钴1、 永久磁体的结构：一般由多块永磁材料拼接而成。主要由环形和轭型两种。2、 永久磁体特点优点：结构简单价格低，场强可以达到0.35T，消耗功率小，维护费用低，杂散磁场小。缺点：磁场强度较低，静磁场强度在0.05-0.3T之间，难达到1T场强，不能满足临床磁共振波谱研究的需要。3、 永磁体的恒温控制在使用中既不耗电也无发热问题，多数永磁体的温度系数为负值，磁场强度与温度成反
10、比。主磁体温度一般控制在32.5，用钛生产的永磁型磁体其稳定场强为0.2T，可使磁体小型化。（二） 常导磁体也称常规磁体、电阻磁体或阻抗磁体。它利用较强的直流电流通过线圈产生磁场，采用风冷却或水冷却的磁体。1、 结构：常导型磁体的线圈由铜线或铝线绕制成同轴的圆桶状线圈，每线圈绕几千层。也有使用空腔铜导管作线圈，冷却水在导管内循环把热带走。2、 特点优点：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。（三） 超导磁体全世界医院的磁共振成像设备中，
11、约80%是采用超导磁体，中心磁场强度大多在1-2T之间，少数可达3-5T。1、 超导线圈的材料目前超导磁体中，多采用铌-钛合金的多芯复合超导线来绕制磁体线圈。有些特殊金属或合金（如铌-钛、银-铜等），在极低的温度下，电阻突然消失，这一现象称为超导现象。凡具有这种性格的材料称为超导材料。有常导状态和超导状态。2、 超导线圈的形式一种是以4个或6个线圈为基础，另一种是以螺线管为基础3、超导体的低温保障结构低温真空容器是超真空、超低温环境下工作的环状容器，内部依次套叠有冷屏、液氦容器和液氮容器，内外分别用高效能绝热箔包裹。4、超导磁体的特点超导磁体是利用超导体在低温下的零电阻特性，在很小的截面上可以
12、通过非常大的电流，产生强磁场。优点：高场强3T，高稳定性3ppm/h，高均匀性1钢梁、支持物、混凝支柱5轮椅、担架8大功率电缆、变压器10活动床、电瓶车、小汽车12起重机、卡车15铁路、地铁、电车30二、主磁体屏蔽与射频屏蔽 为了尽量将5高斯线所围区域限于磁体室内，可增加磁体室的面积和高度，但一般并不可行。目前广泛采用磁屏蔽来达目的。 磁屏蔽的概念：用高饱和度的铁磁性材料来包容特定容积内的磁力线。（1）防止外部铁磁性物质对磁体内部磁场均匀性的影响（2）削减磁屏蔽外部杂散磁场的分布（一）主磁体屏蔽用并联磁路法。将磁导率大的软磁材料罩壳放在外磁场中，则罩壳壁与空腔中的空气就可以看作并联磁路。由于空
13、气的磁导率接近于1，而罩壳的磁导率在几千以上，使得空腔的磁阻比罩壳壁的磁阻大得多。外磁场的绝大部分磁感应通量将从空腔两侧的罩壳壁内“通过”，“进入”空腔内部的磁通量是很少的。这就达到了磁屏蔽的目的。磁屏蔽的分类，可分为有源和无源两种：有源屏蔽是由一个线圈或线圈系统组成的磁屏蔽。与工作线圈(内线圈)相比，屏蔽线圈可称为外线圈。这种磁体的内线圈中通以正向电流，以产生所需的工作磁场；外线圈中通以反向电流，以产生反向的磁场来抵消工作磁场的杂散磁场，达到屏蔽的目的。磁屏蔽的分类无源屏蔽：使用的是铁磁性（镍合金和铁合金）屏蔽体，不使用电流。无源磁屏蔽可分为下述3种： (1) 房屋屏蔽：在磁体室上下及四周墙
14、体镶入4-8mm厚的钢板，构成封闭的磁屏蔽间。用材多(十吨左右)，价格昂贵。 (2) 定向屏蔽：若杂散磁场的分布仅在某个方向超出了规定的限度(如5高斯)，可在该方向的墙壁中安装屏蔽物，形成定向屏蔽。此法适用于MRI室和CT室共用一建筑物的情形。 (3) 自屏蔽：是指仅在磁体周围安装铁磁材料屏蔽体的屏蔽方法。效果较好，体积大而重。磁屏蔽的分类全身MRI系统磁体的自屏蔽可以有板式、圆柱式、立柱式及圆顶罩式等多种结构形式。使主磁场的均匀性少受影响。（二）射频屏蔽发射器的功率高达数千瓦，产生RF脉冲处于电磁波谱的米波段，极易干扰邻近的无线电设备(如调频无线电广播)；线圈接收到的共振信号功率为纳瓦级，易
15、受干扰。 常见的RF屏蔽用铜板或不锈钢板制做，镶嵌于磁体室的四周，构成密封的射屏蔽体。所有屏蔽件均不能采用铁磁材料制做。第七节 超导及低温系统一、超导性与超导体（一）超导（电）性：有些特殊金属或合金，在极低的温度下，电阻突然消失的现象。超导体：具有超导性的物质。临界温度（TC）：超导体从呈现一定电阻的正常态转变为电阻为零的超导态时所处的温度。高温超导体：临界温度在液氮温区以上的超导体系统（二）超导体的基本性质 完全导电性：物质进入超导状态后电阻为零的性质，相对直流电。温度越接近TC、交流点的频率越高，其损耗越显著 完全抗磁性（迈斯纳效应）：给处于超导态的某物体外加一磁场，磁感线将无法穿透该物体
16、（超导体内的磁通为零）其他性质：比热跃变、放射性核素效应、能隙、非平衡超导电性、磁通量自化、隧道效应和相干长度等（三）超导材料的主要指标1.临界温度（TC）：又称转变温度，超导体电阻发生突变时的温度，物质不同，TC不同2.临界磁场（HC）：当外加磁场达到一定数值时，超导体的超导性被破坏，物质从超导态转变为正常态。超导体只有在临床温度和临界磁场下蔡具有完全抗磁性和完全导电性3.临界电流（IC）：在一定的温度和磁场下，当单位截面的电流达到某一数值后超导性也会遭到破坏（四） 超导材料的应用超导强电应用：超导体的零电阻性及它在强磁场中具有的极高电流密度。应用：超导磁体、磁悬浮、磁分离、高能物理实验、受
17、控热核反应、磁共振成像、超导电子器件。超导低电应用：主要在以约瑟夫逊效应为基础而建立的极灵敏的“超导结电子学”测量装置中二、低温技术（一）致冷与制冷MRI需要的低温环境致冷：用低温制冷剂（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制冷：通过磁体冷却系统提供的冷量来维持冷屏低温的方法MRI设备的冷却系统是以氦为制冷工质的制冷设备（二）低温低温：指低于环境温度的温度温度范围：普冷（300-120K）； 深冷（120-0.3K以下）； 超低温（0.3K以下）（三）氦及其来源惰性气体：3He,4He1.氦的来源：从富氦天然气中提取2.氦的用途：良好的低温制冷剂，稀少，价格昂贵（四）液氮
18、及其性质氦：不活泼的元素，可作为安全的制冷剂1.液氦来源：空气分离法制氧的副产品获得，价格便宜2.液氦的用途：在MRI中做辅助制冷剂。超导低温容器一般由外层的液氦杜瓦和内层的液氦杜瓦等结构组成，提供初步的低温环境，减少内层液氦挥发（五）氦制冷压缩制冷循环的基本过程压缩机是整个制冷系统的核心压缩制冷四个过程： 蒸发过程 绝热压缩过程 冷凝过程 绝热膨胀过程氦制冷 五种类型：气体膨胀制冷、氦制冷机制冷、液体抽气蒸发制冷、3He压缩制冷和3He- 4He稀释制冷三、超导环境的建立与失超保护超导线圈必须浸泡在液氦里才能正常工作（一）超导环境的建立需要的步骤 真空绝热层：超导体的中药保冷屏障，真空度：9
19、9.999999% 磁体预冷：用制冷剂将液氮、液氦容器内的温度分别降至其工作温度的过程，需消耗大量的液氦和液氮 超导环境的建立：通过预冷温度降至4.2K，再往磁体液氦容器中灌注液氦（二）励磁 是指超导磁体系统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。 控制对象：超导体系统 控制器：磁体电源 控制目标：超导线圈 最终目标：预定磁场（三）持续电流开关 又称磁体开关，超导磁体充磁时，电流到了预定的数值就要适时切断供电电源，去磁时又要将磁体储存的能量快速散去失超及其保护 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 线圈失去超导性，将电磁能量转换为热能 保护方法：外电阻保
20、护法和分段保护法 优点：廉价、简单、使用、不依赖任何机械装置 缺点：励磁时可消耗部分能量增加液氦的消耗第八节 MRI的使用与维护一、使用注意事项主要的安全使用问题 制冷剂泄露 铁磁性物质的抛射 金属异物：体内有金属异物者 监护、抢救设备：受主磁场、梯度场及RF的干扰 心脏起搏器：禁止入MR检查室或接受MRI检查 人工植入物：检查前确认植入物的材料 幽闭恐惧症患者 孕妇：妊娠3月以内不宜做MRI、不用MRI对比剂二、日常维护保养 扫描期间保持恒温、恒湿 定期校准射频管工作特性曲线 校准磁体匀场，保证图像质量优质 常导供电电源确保稳压稳流、通风散热 超导磁体应每日记录液氦消耗量 定期检查梯度冷水机和冷头冷水机 避免体内遗留金属物品，清理磁体扫描孔 定期清洁线圈连接插头、插座 制冷剂水平面降至55%-60%前就提前联系安排补充事宜第 27 页 共 27 页