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1、医学影像像设备学学第七章 磁共振振成像设设备第一节 概述引言1、磁共共振成像像的发展展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、磁共共振成像像的命名名：自旋成像像法自旋映像像法组合层析析摄影NMR断断层NMR-CTFONAAR(场场聚焦磁磁共振)NMRII(核磁磁共振成成像)MRI(磁共振振成像)一、
2、基础础知识回回顾（一）基基本概念念1、原子子与原子子核物质由分分子组成成，分子子由原子子构成，原原子又由由原子核核和电子子构成。原原子核内内含质子子和中子子，质子子带正电电荷，中中子不带带电荷，电电子带负负电荷，荷荷外电子子负电荷荷总量与与核内正正电荷总总量相等等。原子子成中性性。原子子的化学学特性取取决于荷荷外电子子的数目目，物理理特性由由原子核核所决定定。2、原子子核的磁磁矩、自自旋、进进动氢的质子子带正电电荷，核核的自选选就会产产生环形形电流，它它会感应应出磁场场。将氢氢质子看看作一个个小磁棒棒，其磁磁力是一一个矢量量，称磁磁向量或或磁矩，磁磁矩是随随机分布布的。自旋：氢氢原子时时刻绕自
3、自身转轴轴旋转。氢原子绕绕自身轴轴线转动动的同时时，其转转动轴线线又绕重重力方向向回转，这这种回转转现象称称进动。进进动是磁磁场与质质子磁矩矩相互作作用产生生的。其其频率取取决于磁磁场强度度和所研研究原子子核的特特性。3、产生生磁共振振的原子子核元素周期期表表中中凡具有有自旋特特性的原原子核都都有产生生磁共振振的可能能，其质质子数或或中子数数必有一一个是奇奇数。目目前用于于临床MMR成像像的原子子核仅为为H-11（氢的的同位素素，质子子数为11，为中中子）。4、拉莫莫尔频率率：要能能使磁化化的氢原原子核激激发，所所用的射射频脉冲冲频率必必须符合合氢的共共振频率率，原子子核的共共振频率率又称拉拉
4、莫尔频频率或进进动频率率。（二）氢氢原子磁磁矩进动动学说布洛赫描描述的磁磁共振产产生的过过程：原原子核磁磁矩偏转转过程即即为磁共共振过程程，其磁磁矩偏转转及在新新的状态态下继续续进动，可可引起周周围线圈圈产生感感应电流流信号，及及MR信信号。1、氢原原子核磁磁矩平时时状态氢原子具具有自旋旋特性，平平时状态态磁矩取取向是任任意的和和无规律律的，相相互抵消消，宏观观磁矩为为零。2、氢原原子置于于磁场的的状态置于均匀匀强度的的磁场中中，磁矩矩按磁场场的磁力力线方向向取向。大大多数原原子核的的磁矩顺顺磁场排排列，它它们位能能低，数数量多，呈呈稳定态态。较少少一部分分逆磁场场排列，位位能高，但但数量少少
5、。全部部磁矩重重新定向向所产生生的磁化化向量称称之为宏宏观磁化化向量。其表示示单位体体积中全部原原子核的的磁矩。磁场和磁化向量用三维坐标来描述（X,Y,Z轴）。3、施加加设射频频脉一定频率率的无线线电波或或射频能能量被称称为“射频脉脉冲”。能使使磁化向向量以990的倾斜斜角旋转转的射频频脉冲称称为900脉冲。质质子建立立宏观磁磁化向量量（M）后后，按拉拉莫尔频频率向其其施加射射频脉冲冲，它才才能发生生进动，同同相进动动被称为为相干。此此时M可可分解为为Mz和和Mxyy。4、射频频脉冲停停止后当射频脉脉冲停止止作用后后，磁化化向量并并不立即即停止转转动，而而是逐渐渐向平衡衡态恢复复，最后后回到平
6、平衡位置置。这一一恢复过过程为弛弛豫过程程，所用用时间为为弛豫时时间。这这是一个个释放能能量和产产生MRR信号的的过程。相干性和和横向磁磁化分量量的损失失将导致致辐射信信号振幅幅下降，这这个衰减减信号称称为自由由感应衰衰减信号号（FIID），在在体外可可用接受受线圈将将其转换换为电信信号。横向弛豫豫：横向向磁化分分量Mxxy很快快衰减到到零，并并且呈指指数规律律衰减。纵向弛豫豫：纵向向磁化分分量Mzz将缓慢慢增大到到最初值值，亦呈呈指数规规律增长长。（三）梯梯度磁场场与定位位MR成成像3个个基本轴轴：Z,X,YYZ：人体体从头到到足，沿沿着这个个轴选择择人体横横断面。X：人体体从左到到右，沿沿
7、着这个个轴选择择人体矢矢状面。Y：人体体从前到到后，沿沿着这个个轴选择择人体冠冠状面。在主磁体体中加一一个梯度度磁场，则则被检体体各部位位质子群群的进动动频率可可因磁场场强度不不同而有有所区别别，这样样可对被被检体某某一部位位进行MMR成像像，MRR的空间间定位靠靠的是梯梯度磁场场。通过过梯度磁磁场达到到选层的的目的，此此梯度也也称为选选层梯度度（Css）二、MRRI的基基本结构构1、MRRI分类类根据成像像范围：实验用用MRII、局部部MRII、全身身MRII根据主磁磁场的产产生方法法：永磁磁型、常常导（阻阻抗）型型、混合合型、超超导型根据用途途：介入入型、通通用型2、磁共共振系统统：主磁磁
8、体系统统、梯度度磁场系系统、射射频发射射与接收收系统、计计算机系系统、运运行保障障系统。3、主磁磁体分类类磁体材料料：常导导磁体、超超导磁体体、永久久磁体和和混合磁磁体磁体规模模大小：小型、中中型、大大型线圈供电电方式：直流磁磁体、脉脉冲磁体体、交流流磁体线圈绕线线方式：直螺线线管线圈圈磁体、横横向型磁磁体磁场强度度：低场场强（1.00T）三、小结结1、简述述MRII设备的的组成2、简述述弛豫过过程第二节 主磁体体系统一、主磁磁场的性性能指标标（一）磁磁场强度度：指MMRI的的静磁场场强度确定磁场场强度的的大小：信噪比比（S/N）、射射频对生生物的穿穿透力、人人体安全全性。高磁场强强度的特特点
9、：可可以使信信号强度度增强，显显示更多多的解剖剖结构和和病变；缩短扫扫描时间间；可以以进行频频谱分析析；共振振频率变变高，自自旋加快快，同样样运动的的相位漂漂移变大大，使运运动伪影影增多；MRII成本提提高；逸逸散磁场场增大，机机房增大大，建筑筑费用增增加。（二）磁磁场均匀匀性是指特定定容积限限度内磁磁场的统统一性，即即穿过单单位面积积的磁力力线是否否相同，决决定MRRI的图图像质量量好坏。如果MRR工作空空间内各各个不同同位置的的磁场强强度偏差差越大，就就表示均均匀性越越差，图图像质量量也会越越差。要要求MRRI均匀匀度在550cmm球径的的空间内内磁场均均匀度达达10-6量级级，5pppm
10、（不不超百万万分之五五）。均均匀性与与不同磁磁场、测测量空间间大小。（三）磁磁场稳定定性受磁体附附近铁磁磁性物质质、环境境温度、或或匀场电电源漂移移等因素素的影响响，磁场场的均匀匀性或场场值也会会发生变变化，这这就是磁磁场漂移移。磁场值还还可随温温度变化化而漂移移，其漂漂移程度度是用热热稳定度度来表达达的。永永磁体和和常导磁磁体的热热稳定度度比较差差，对环环境要就就很高。超超导磁体体的时间间稳定度度和热稳稳定度一一般都能能满足要要求。（四）有有效孔径径指梯度线线圈、匀匀场线圈圈、射频频体线圈圈和内护护板等部部件均安安装完毕毕后，圆圆形空间间的有效效内径。增增加孔径径比提高高场强还还要难。（五）
11、磁磁场的安安全性屏蔽逸散散磁场对对人体健健康或其其他医疗疗设备造造成的损损害、干干扰和破破坏。二、主磁磁体的种种类与特特点临床磁共共振成像像系统的的三种磁磁体：永永久磁体体、常导导磁体和和超导磁磁体。（一） 永久磁体体永磁材料料：铁钼钼钴、铁铁氧体和和稀土钴钴1、 永久磁体体的结构构：一般般由多块块永磁材材料拼接接而成。主主要由环环形和轭轭型两种种。2、 永久磁体体特点优点：结结构简单单价格低低，场强强可以达达到0.35TT，消耗耗功率小小，维护护费用低低，杂散散磁场小小。缺点：磁磁场强度度较低，静静磁场强强度在00.055-0.3T之之间，难难达到11T场强强，不能能满足临临床磁共共振波谱谱
12、研究的的需要。3、 永磁体的的恒温控控制在使用中中既不耗耗电也无无发热问问题，多多数永磁磁体的温温度系数数为负值值，磁场场强度与与温度成成反比。主主磁体温温度一般般控制在在32.5，用钛钛生产的的永磁型型磁体其其稳定场场强为00.2TT，可使使磁体小小型化。（二） 常导磁体体也称常规规磁体、电电阻磁体体或阻抗抗磁体。它它利用较较强的直直流电流流通过线线圈产生生磁场，采采用风冷冷却或水水冷却的的磁体。1、 结构：常常导型磁磁体的线线圈由铜铜线或铝铝线绕制制成同轴轴的圆桶桶状线圈圈，每线线圈绕几几千层。也也有使用用空腔铜铜导管作作线圈，冷冷却水在在导管内内循环把把热带走走。2、 特点优点：结结构简
13、单单造价低低，工艺艺不复杂杂，可以以减小半半径或加加大线圈圈电流的的方法来来提高常常导型磁磁体的场场强。缺点：功功耗大，需需有完善善的循环环水冷装装置，运运行费用用高，磁磁场稳定定度和磁磁场均匀匀性差，受受环境影影响大。常常导MRRI正逐逐步被淘淘汰。（三） 超导磁体体全世界医医院的磁磁共振成成像设备备中，约约80%是采用用超导磁磁体，中中心磁场场强度大大多在11-2TT之间，少少数可达达3-55T。1、 超导线圈圈的材料料目前超导导磁体中中，多采采用铌-钛合金金的多芯芯复合超超导线来来绕制磁磁体线圈圈。有些些特殊金金属或合合金（如如铌-钛钛、银-铜等），在在极低的的温度下下，电阻阻突然消消失
14、，这这一现象象称为超超导现象象。凡具具有这种种性格的的材料称称为超导导材料。有有常导状状态和超超导状态态。2、 超导线圈圈的形式式一种是以以4个或或6个线线圈为基基础，另另一种是是以螺线线管为基基础3、超导导体的低低温保障障结构低温真空空容器是是超真空空、超低低温环境境下工作作的环状状容器，内内部依次次套叠有有冷屏、液液氦容器器和液氮氮容器，内内外分别别用高效效能绝热热箔包裹裹。4、超导导磁体的的特点超导磁体体是利用用超导体体在低温温下的零零电阻特特性，在在很小的的截面上上可以通通过非常常大的电电流，产产生强磁磁场。优点：高高场强3T，高高稳定性性3pppm/h，高高均匀性性1钢梁、支持物、混
15、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、主磁磁体屏蔽蔽与射频频屏蔽为了尽量量将5高高斯线所所围区域域限于磁磁体室内内，可增增加磁体体室的面面积和高高度，但但一般并并不可行行。目前前广泛采采用磁屏屏蔽来达达目的。磁屏蔽的的概念：用高饱饱和度的的铁磁性性材料来来包容特特定容积积内的磁磁力线。（1）防止外部铁磁性物质对磁体内部磁场均匀性的影响（2）削削减磁屏屏蔽外部部杂散磁磁场的分分布（一）主主磁体屏屏蔽用并联磁磁路法。将将磁导率率大的软软磁材料料罩壳放放在外磁磁场中，则则罩壳壁壁与空腔腔中的空空气就可可以看作作并联磁磁路。由由于空
16、气气的磁导导率接近近于1，而而罩壳的的磁导率率在几千千以上，使使得空腔腔的磁阻阻比罩壳壳壁的磁磁阻大得得多。外外磁场的的绝大部部分磁感感应通量量将从空空腔两侧侧的罩壳壳壁内“通过”，“进入”空腔内内部的磁磁通量是是很少的的。这就就达到了了磁屏蔽蔽的目的的。磁屏蔽的的分类，可可分为有有源和无无源两种种：有源源屏蔽是是由一个个线圈或或线圈系系统组成成的磁屏屏蔽。与与工作线线圈(内内线圈)相比，屏屏蔽线圈圈可称为为外线圈圈。这种种磁体的的内线圈圈中通以以正向电电流，以以产生所所需的工工作磁场场；外线线圈中通通以反向向电流，以以产生反反向的磁磁场来抵抵消工作作磁场的的杂散磁磁场，达达到屏蔽蔽的目的的。
17、磁屏蔽的的分类无源屏蔽蔽：使用用的是铁铁磁性（镍镍合金和和铁合金金）屏蔽蔽体，不不使用电电流。无无源磁屏屏蔽可分分为下述述3种： (1) 房屋屋屏蔽：在磁体体室上下下及四周周墙体镶镶入4-8mmm厚的钢钢板，构构成封闭闭的磁屏屏蔽间。用用材多(十吨左左右)，价价格昂贵贵。 (2) 定向向屏蔽：若杂散散磁场的的分布仅仅在某个个方向超超出了规规定的限限度(如如5高斯斯)，可可在该方方向的墙墙壁中安安装屏蔽蔽物，形形成定向向屏蔽。此此法适用用于MRRI室和和CT室室共用一一建筑物物的情形形。 (3) 自屏屏蔽：是是指仅在在磁体周周围安装装铁磁材材料屏蔽蔽体的屏屏蔽方法法。效果果较好，体体积大而而重。
18、磁屏蔽的的分类全身MRRI系统统磁体的的自屏蔽蔽可以有有板式、圆圆柱式、立立柱式及及圆顶罩罩式等多多种结构构形式。使主磁磁场的均均匀性少少受影响响。（二）射射频屏蔽蔽发射器的的功率高高达数千千瓦，产产生RFF脉冲处处于电磁磁波谱的的米波段段，极易易干扰邻邻近的无无线电设设备(如如调频无无线电广广播)；线圈接接收到的的共振信信号功率率为纳瓦瓦级，易易受干扰扰。 常见的的RF屏屏蔽用铜铜板或不不锈钢板板制做，镶镶嵌于磁磁体室的的四周，构构成密封封的射屏屏蔽体。所所有屏蔽蔽件均不不能采用用铁磁材材料制做做。第七节 超导及及低温系系统一、超导导性与超超导体（一）超超导（电电）性：有些特殊殊金属或或合金
19、，在在极低的的温度下下，电阻阻突然消消失的现现象。超导体体：具有有超导性性的物质质。临界温温度（TTC）：超导体体从呈现现一定电电阻的正正常态转转变为电电阻为零零的超导导态时所所处的温温度。高温超超导体：临界温温度在液液氮温区区以上的的超导体体系统（二）超超导体的的基本性性质 完全导电电性：物物质进入入超导状状态后电电阻为零零的性质质，相对对直流电电。温度度越接近近TC、交交流点的的频率越越高，其其损耗越越显著 完全抗磁磁性（迈迈斯纳效效应）：给处于于超导态态的某物物体外加加一磁场场，磁感感线将无无法穿透透该物体体（超导导体内的的磁通为为零）其他性质质：比热热跃变、放放射性核核素效应应、能隙隙
20、、非平平衡超导导电性、磁磁通量自自化、隧隧道效应应和相干干长度等等（三）超超导材料料的主要要指标1.临界界温度（TTC）：又称转转变温度度，超导导体电阻阻发生突突变时的的温度，物物质不同同，TCC不同2.临界界磁场（HHC）：当外加加磁场达达到一定定数值时时，超导导体的超超导性被被破坏，物物质从超超导态转转变为正正常态。超超导体只只有在临临床温度度和临界界磁场下下蔡具有有完全抗抗磁性和和完全导导电性3.临界界电流（IIC）：在一定定的温度度和磁场场下，当当单位截截面的电电流达到到某一数数值后超超导性也也会遭到到破坏（四） 超导材料料的应用用超导强电电应用：超导体体的零电电阻性及及它在强强磁场中
21、中具有的的极高电电流密度度。应用用：超导导磁体、磁磁悬浮、磁磁分离、高高能物理理实验、受受控热核核反应、磁磁共振成成像、超超导电子子器件。超导低电电应用：主要在在以约瑟瑟夫逊效效应为基基础而建建立的极极灵敏的的“超导结结电子学学”测量装装置中二、低温温技术（一）致致冷与制制冷MRI需需要的低低温环境境致冷：用用低温制制冷剂（液液氮和液液氦）的的自然挥挥发为代代价来吸吸收漏入入磁体的的部分热热量的方方法制冷：通通过磁体体冷却系系统提供供的冷量量来维持持冷屏低低温的方方法MRI设设备的冷冷却系统统是以氦氦为制冷冷工质的的制冷设设备（二）低低温低温：指指低于环环境温度度的温度度温度范围围：普冷冷（3
22、000-1120KK）；深冷（1120-0.33K以下下）；超低温（00.3KK以下）（三）氦氦及其来来源惰性气体体：3HHe,44He1.氦的的来源：从富氦氦天然气气中提取取2.氦的的用途：良好的的低温制制冷剂，稀稀少，价价格昂贵贵（四）液液氮及其其性质氦：不活活泼的元元素，可可作为安安全的制制冷剂1.液氦氦来源：空气分分离法制制氧的副副产品获获得，价价格便宜宜2.液氦氦的用途途：在MMRI中中做辅助助制冷剂剂。超导导低温容容器一般般由外层层的液氦氦杜瓦和和内层的的液氦杜杜瓦等结结构组成成，提供供初步的的低温环环境，减减少内层层液氦挥挥发（五）氦氦制冷压缩制冷冷循环的的基本过过程压缩机是是整
23、个制制冷系统统的核心心压缩制冷冷四个过过程： 蒸发过程程 绝热压缩缩过程 冷凝过程程 绝热膨胀胀过程氦制冷 五种类型型：气体体膨胀制制冷、氦氦制冷机机制冷、液液体抽气气蒸发制制冷、33He压压缩制冷冷和3HHe- 4Hee稀释制制冷三、超导导环境的的建立与与失超保保护超导线圈圈必须浸浸泡在液液氦里才才能正常常工作（一）超超导环境境的建立立需要的的步骤 真空绝热热层：超超导体的的中药保保冷屏障障，真空空度：999.99999999% 磁体预冷冷：用制制冷剂将将液氮、液液氦容器器内的温温度分别别降至其其工作温温度的过过程，需需消耗大大量的液液氦和液液氮 超导环境境的建立立：通过过预冷温温度降至至4
24、.22K，再再往磁体体液氦容容器中灌灌注液氦氦（二）励励磁 是指指超导磁磁体系统统在磁体体电源的的控制下下逐渐给给超导线线圈施加加电流，从从而建立立预定磁磁场的过过程。 控制对象象：超导导体系统统 控制器：磁体电电源 控制目标标：超导导线圈 最终目标标：预定定磁场（三）持持续电流流开关 又称磁体体开关，超超导磁体体充磁时时，电流流到了预预定的数数值就要要适时切切断供电电电源，去去磁时又又要将磁磁体储存存的能量量快速散散去失超及其其保护 超导体体因某种种原因突突然失去去超导特特性而进进入正常常态的过过程 线圈失去去超导性性，将电电磁能量量转换为为热能 保护方法法：外电电阻保护护法和分分段保护护法
25、 优点：廉廉价、简简单、使使用、不不依赖任任何机械械装置 缺点：励励磁时可可消耗部部分能量量增加液液氦的消消耗第八节 MRII的使用用与维护护一、使用用注意事事项主要的安安全使用用问题 制冷剂泄泄露 铁磁性物物质的抛抛射 金属异物物：体内内有金属属异物者者 监护、抢抢救设备备：受主主磁场、梯梯度场及及RF的的干扰 心脏起搏搏器：禁禁止入MMR检查查室或接接受MRRI检查查 人工植入入物：检检查前确确认植入入物的材材料 幽闭恐惧惧症患者者 孕妇：妊妊娠3月月以内不不宜做MMRI、不不用MRRI对比比剂二、日常常维护保保养 扫描期间间保持恒恒温、恒恒湿 定期校准准射频管管工作特特性曲线线 校准磁体体匀场，保保证图像像质量优优质 常导供电电电源确确保稳压压稳流、通通风散热热 超导磁体体应每日日记录液液氦消耗耗量 定期检查查梯度冷冷水机和和冷头冷冷水机 避免体内内遗留金金属物品品，清理理磁体扫扫描孔 定期清洁洁线圈连连接插头头、插座座 制冷剂水水平面降降至555%-660%前前就提前前联系安安排补充充事宜