放射医学技术医学影像设备知识磁共振MR成像设备

2024年1月31日发(作者：克尔维特c7国内售价)

放射医学技术医学影像设备知识磁共振MR成像设备

一、MRI设备的分类和发展

（一）MRI设备的分类

1．按磁体类型分类 可分为永磁型MRI设备、常导型MRI设备、超导型MRI设备、以及混合型MRI设备。

2．按磁体产生静磁场的磁场强度大小分类 可分为低场（0.1～0.5T）MRI设备、中场（0.6～1T）MRI设备、高场（1.5～2T）MRI设备、以及超高场（3T及以上）MRI设备。

（二）MRI设备的发展

主磁体的发展趋势是低磁场强度的开放和高磁场强度的性能改善。低磁场强度永磁开放型MRI设备的磁场强度已达0.4T，其结构为单柱型或双柱非对称型。开放式MRI设备的优点是可消除病人的幽闭恐惧症。超导型MRI设备的磁场强度已由传统的1.5T发展到3～4T，并有发展到7～8T的趋势。超导型MRI设备的液氦消耗量已大幅度下降。随着材料科学的进一步发展，将来可能出现高温超导磁体。

二、MRI设备的构成及其功能

MRI设备由磁体系统、梯度系统、射频系统、信号采集和图像重建系统、主控计算机系统及辅助保障系统构成。

（一）磁体系统

磁体的基本功能是为MRI设备提供满足特定要求的静磁场。磁体系统除了磁体之外，还包括匀场线圈、梯度线圈及射频发射和接收体线圈（又称为内置体线圈）等组件。

1．永磁型磁体 永磁型磁体的磁性材料主要有铝镍钴、铁氧体和稀土钴三种类型。其磁体一般由多块永磁材料堆积或拼接而成，磁铁块的排布既要满足构成一定成像空间的要求，又要使其磁场均匀性尽可能高。永磁体的磁场强度一般不超过0.45T。

永磁型磁体对温度变化非常敏感，这使其磁场稳定性变差。因此，需要恒温恒湿空调系统将磁体间内的温度或磁体本身的温度变化严格控制在±1℃之内。永磁型MRI设备以其优异的开放性能、低造价、低运行成本、整机故障率低、磁场发散少、对周围环境影响小、检查舒适等特点，应用于磁共振介入治疗和磁共振导引的介入手术中。

2．常导型磁体 常导型磁体是用线圈中的恒定电流来产生MRI设备中的静磁场，其磁场强度与导体中的电流强度、导线形状和磁介质性质有关。常导型磁体实际上是某种类型的空芯电磁铁，其线圈通常用铜线绕成。由于铜有一定的电阻率，故又将由这种线圈制成的磁体称为阻抗型磁体。

常导型磁体的功耗较大，同时产生大量的热量。线圈供电电源的波动将会直接影响磁场的稳定，因而高质量的大功率恒流电源是常导型MRI设备整机系统的关键部件。

3．超导型磁体 有一些的金属，当将其置于接近绝对零度（零下273.2 摄氏度，标为0K）的超低温时，其电阻为零，即处于超导状态，这些具有超导性的物质可称为超导体。以超导体为线圈材料制造的磁体称为超导型磁体。

（1）超导磁体的构成：超导磁体主要由超导螺线管线圈（简称超导线圈）、高真空超低温杜瓦容器、及其附属部件构成。

（2）超导环境的建立：磁体超导环境的建立需要经历下述三个步骤。

1）抽真空：环形真空绝热层是超导磁体的重要保冷屏障，其真空绝热、保冷性能主要决定于它的真空度。

2）磁体预冷：磁体预冷是指用致冷剂将杜瓦容器（磁体）内的温度分别降至其工作温度4.2K（-268.8℃，与室温相差近300℃）的过程。

3）灌满液氦：磁体预冷到4.2K后，液氦气化减弱，液氦开始驻留在磁体内部，直至将磁体灌满，一般可罐充到满容量的95％左右。在4.2K这一临界温度下，超导线圈将实现从正常态至超导态的转变，超导环境从而建立起来。

（3）励磁：励磁又叫充磁，是指超导磁体系统在磁体励磁电源的控制下逐渐给超导线圈施加电流，建立预定静磁场的过程。励磁一旦成功，超导磁体就将在不消耗能量的情况下，提供强大的、高度稳定的匀强磁场。

（4）失超（quench）：在励磁或工作过程中，一旦超导体因某种原因突然失去超导特性而进入正常态，即失超。引起失超的因素很多：如磁体结构和线圈组份、超导材料性能不稳定、磁体超低温环境被破坏以及人为因素等。

失超会将电磁能量转换为热能，引起液氦气化，喷射而出。

（5）失超的预防保护措施

通过传感器、探测器实时监控磁体的状态；建立励磁时的失超保护电路；超导建立并运行后的失超保护措施；设置失超管；氧监测器和应急排风机；紧急失超开关。

超导型磁体具有高场强、高稳定性、高磁场均匀性、线圈不持续消耗电能以及容易达到系统所要求的孔径、能获得高分辨率、高质量的MR影像等优点。超导型磁体不仅磁场强度可以做到很高（例如9.4T），其磁场强度的稳定性也很好（磁场强度漂移小于0.1ppm/h）。

4．混合型磁体 混合型磁体是利用上述两种或两种以上的磁体技术构造而成的磁体。常见的是永磁型和常导型两种磁体的组合。在永磁型磁体的两个磁极上绕以铜质线圈（绕线方向应使其产生的磁场与固有的永磁场方向一致并叠加）便得到混合型磁体。

（二）梯度系统

梯度系统的功能是为MRI设备提供线性度优良、梯度磁场强度高、并可快速开关的梯度场，以便动态地、依次递增地修改主磁场的磁场强度，实现成像体素的空间定位和层面的选择。此外，

在梯度回波和其他一些快速成像序列中，梯度场的翻转还起着射频激发后自旋系统的相关重聚作用。

梯度系统由梯度线圈、梯度控制器、数模转换器（DAC）、梯度放大器和梯度冷却系统等部分组成。梯度线圈和放大器均有双套设计方案，现有MRI设备中按照其梯度组合方式和工作模式可分为单梯度放大器单梯度线圈、双梯度放大器单梯度线圈、单梯度放大器双梯度线圈等三种梯度类型。

1．梯度线圈 MRI设备至少需要三个相互正交（X、Y、Z方向）的梯度磁场作为图像重建的空间立体（X、Y、Z轴）定位和层面选择的依据。因此MRI设备中分别由X、Y、Z三个方向的梯度线圈以及为梯度线圈提供“动力”的梯度放大器来提供这三个梯度场Gx、Gy、Gz。

2．梯度控制器和数模转换器 梯度控制器（GCU）的任务是按系统主控单元的指令，发出全数字化的控制信号，该控制信号包含有梯度电流大小的代码，由数模转换器（DAC）接收并“解读”后，立即转换成相应的模拟电压控制信号，据此产生梯度放大器输出的梯度电流。

3．梯度放大器 梯度场是在X、Y、Z轴方向梯度线圈中流动电流（即梯度电流）的激励下产生的，而梯度电流是由梯度放大器产生并输出。

梯度放大器是整个梯度系统的功率输出级。它必须具有功率大、开关时间短、输出电流精确、可重复性好、可持续工作时间长、散热系统优良可靠等特点。

4．梯度冷却系统 梯度线圈的电流一般在100A之上，将在线圈中产生大量的热量，因此必须采用水冷的冷却方式。

梯度系统作为MRI设备的核心和关键部件，其性能高低直接决定着MRI设备的扫描速度（时间分辨率）、最小扫描层厚（空间分辨率）、XYZ三轴有效扫描范围、影像的几何保真度。MRI设备对梯度系统的要求就是梯度场强高、梯度上升速度快、梯度切换率高、梯度线性度好、梯度输出波形的准确度高及其可重复性好、梯度效率和利用率高等。

（三）射频系统

射频系统负责实施射频（RF）激励并接收和处理射频信号，即MR信号。射频系统不仅要根据不同扫描序列的要求编排组合并发射各种翻转角的射频脉冲，还要接收成像区域内1H（氢质子）、31P、3He、23Na、13C等的磁共振信号。射频系统由射频线圈、射频脉冲发射单元、以及射频脉冲接收单元等部分组成。

1．射频线圈

（1）一般概念：射频线圈既是氢质子、31P、3He、23Na、13C等发生磁共振的激励源，又是磁共振信号的探测器（以下讨论均以氢质子为例）。因此，射频线圈有发射线圈和接收线圈之分。

无论是发射线圈还是接收线圈，它们所处理的都是同频率的射频信号。

（2）射频线圈的种类

1）按功能分类：可分为发射/接收两用线圈以及接收线圈。

2）按线圈作用范围分类：可将其分为全容积线圈、部分容积线圈、表面线圈、体腔内线圈、相控阵线圈五类。其中相控阵线圈是由两个以上的小线圈或线圈单元组成的线圈阵列。这些线圈可彼此连接，组成一个大的成像区间，使有效空间增大；各线圈单元也可相互分离，每个线圈单元也可作为独立线圈应用。

3）按极化方式分类：可分为线（性）极化和圆（形）极化两种线圈。其中圆形极化线圈也可称为正交线圈，它的两个绕组工作时接收同一磁共振信号，但得到的噪声却是互不相干，如果对输出信号进行适当的组合，就可使线圈的信噪比提高，故正交线圈的应用非常广泛。例如磁体内置的发射/接收体线圈就是正交线圈，此外还有正交头线圈等。

4）按主磁场方向分类：可分为用于横向静磁场的磁体中螺线管线圈，以及用于纵向静磁场的磁体中的鞍形线圈。它们是体线圈的主要形式。

5）按绕组形式分类：可分为亥姆霍兹线圈、螺线管线圈、四线结构线圈（鞍形线圈、交叉椭圆线圈等）、STR（管状谐振器）线圈和鸟笼式线圈等多种形式。其中鸟笼式线圈应用广泛。

2．射频脉冲发射单元 射频脉冲发射单元由射频控制器、射频脉冲序列发生器、射频脉冲生成器、射频振荡器（射频脉冲源）、频率合成器、滤波放大器、波形调制器、射频脉冲功率放大器、发射终端匹配电路及射频发射线圈等功能组件构成。

在射频控制器的统一指挥下，上述各个部件协同工作以生成MR扫描序列所需的各种角度和功率的射频脉冲。MRI中最常用的射频脉冲有900和1800两种，但是，各种小角度射频脉冲激励技术要求射频发射单元还要能够产生任意角度的射频脉冲进行RF激发。

射频能量在人体中累积情况，即特殊吸收比率（SAR值）能引起灼伤事件的发生，应进行严格管理和控制。SAR值是计量电磁波辐射能量被人体实际吸收的计量尺度，以 W/kg或mW/g来表示。

3．射频脉冲接收单元 射频激励脉冲关断后，共振质子的磁化强度矢量就要回到其平衡态位置，从而在射频接收线圈中产生自由感应衰减（FID）信号，于是，线圈两端产生感应电压，即磁共振信号。磁共振信号只有微伏（μV）的数量级，因而其接收系统的灵敏度、放大倍数、抗干扰能力都要非常高。射频脉冲接收单元的功能是接收人体产生的磁共振信号，并经适当放大和处理后供数据采集系统使用。射频脉冲接收单元由信号接收（前置放大器、混频器、中频放大器）、信号处理（相敏检波、低通滤波器）、射频接收控制器等电路组成。

（四）信号采集和图像重建系统

1．信号采集 信号采集是指对磁共振射频接收信号进行模数（A/D）转换，使之成为离散数字信号的过程。

射频信号采集单元的核心器件是A/D转换器。A/D转换器的两个重要指标是转换速度和精度。目前多通道（4、8、16、32通道）射频信号采集技术已经广泛应用于从0.3T永磁型MRI设备到7.0T超导MRI设备中。多通道射频技术带来的是磁共振成像速度、图像空间分辨率、时间分辨率、以及图像质量均得到全面的提高。

2．图像重建 在MRI设备中，射频系统和信号采集系统合称为谱仪系统（测量系统）。图像重建的任务则是根据谱仪系统所提供的原始数据来计算可显示的磁共振灰度图像。

图像重建任务在专用的图像阵列处理器中完成。图像阵列处理器一般由数据接收单元、高速缓冲存储器、数据预处理单元、算术和逻辑运算部件、控制部件、直接存储器存取通道、以及快速傅里叶变换器（FFT）组成。目前重建一幅MR图像的最快速度仅需要588.2微秒，即每分钟能完成1700幅高速图像重建。

（五）主控计算机系统

1．主控计算机系统组成及功能 主控计算机系统由主控计算机、控制台、主控图像显示器、辅助信息显示器（显示受检者心电、呼吸等电生理信号和信息）、图像硬拷贝输出设备（相机）、网络适配器以及谱仪系统的接口部件等组成。

主控计算机系统控制用户与MRI设备各系统之间的通信，并通过运行扫描软件来满足用户的所有应用要求。主控计算机拥有扫描控制,病人数据管理,图像归档、打印、评价,以及机器检测（包括自检）等功能。

2．主控计算机中的软件 在MRI设备的主控计算机上运行的软件可分为系统软件和应用软件两大类。其中系统软件包括操作系统、数据库管理系统和常用例行服务程序等三个模块。应用软件包括磁共振成像、影像后处理及分析软件包。

（六）辅助保障系统

为了实施特殊成像，需要配置对生理信号进行采集、处理、分析的单元。为了实现实时脑功能成像，需要配置特殊的射频脉冲实时跟踪，试验刺激的产生、传输及控制，数据的全自动后处理系统等。图像的硬拷贝输出设备、软拷贝输出设备也是必备的。

三、MRI设备的技术参数

MRI设备的主要技术参数有磁场强度（T，特斯拉），磁体重量（吨），磁体长度（米），5高斯线空间分布范围（米），液氦挥发速率（升/小时），X、Y、Z三轴最大成像视野（厘米），磁场均匀性（ppm），梯度场强度（毫特斯拉/米），梯度场切换率（毫特斯拉/米/秒），最短TR、TE时间（毫秒），射频接收通道数，射频线圈的线圈单元数等。

四、MRI设备机房设计及运行环境

MRI设备的场所设计必须考虑强磁场和射频场等特殊性，需要考虑磁场对环境的影响；也要考虑环境对主磁场的影响，如远离电梯等铁磁物体移动的场所。扫描间需要建立射频屏蔽设施，必须考虑地面的承重，考虑电源稳定性等因素。

MRI设备使用功能区包括磁体间、控制室、设备间、冷水机和机房空调间等MRI设备运行所必须的功能区。