核磁共振硬件系统结构详细介绍
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无
永磁型环形 有限0.2T 垂直或轴向 中 取决于温度 低 低
低到中 不可能 中到大 重(6)
中到高 无
无
3低温系统和制冷剂~Low temperature system and cryogen
I.低温系统 维持低温使超导线圈处于超导状态； 低温容器 (Dewar)
– 磁体线圈位于Dewar中； – Dewar必须有好的绝热性能(adiabatic)
3T： •Linux（GE） •Windows XP （SIEMENS、 Philips）
文件存档： •MOD •DVD •CDR
MR 系统构造
MR系统部件和构造以及T/R转换开关
2主磁体
主磁体是MR的主要部件 主磁体特性:
– 稳定性（Stability） – 均匀性（Homogeneity） 非均匀性 Inhomogeneity (ppm) = variation (T)/field strength (T) ×106
超导线圈的部分不再是超导状态，线圈储存的 能量部分变成热能散出 ；
热能使线圈其他部分加热继而失去超导状态产 生更多的热量，恶性循环直至遍及整个磁体发 生失超；
失超使设备经历剧烈的热胀冷缩和磁力变化， 使原有有源、无源匀场失效。
失超原因：
– Flux jump（磁通跳跃） ~ 释放能量 – Friction resulting heat（摩擦生热）~
有源屏蔽、主动屏蔽(Active shielding): 载有反向电流的线圈绕组降低杂散场； 有源屏蔽的磁体重量轻，但由于B0被抵消一 些，需多用超导线、杜瓦体积大些）； – 常导有源屏蔽(Resistive) – 超导有源屏蔽(SC)
II.匀场~ Shimming
优质的MR图像对B0的均匀性和稳定性有高 要求；
高场MR的优缺点
信噪比 图像细节 速度 功能成像 …… But！
化学位移伪影
RF功率沉积
高场强设备发射机功率通常是10~25kW，利 用SAR对其加以限制，尤其是>1.5T时，RF沉 积将限制重复时间。
RF穿透性
RF场在人体组织内感应电流，部分抵消了RF 场，降低了RF脉冲穿透组织的深度，导致RF 激发的成像容积不均匀。
向上会伸出磁体，对外围产生影响
FDA ~ 5G
无源屏蔽、被动屏蔽 (Passive shielding)
– 房间屏蔽(Room shielding) : 铁磁性材料~对 建筑结构有依赖性，分场地设计；屏蔽材 料厚度小、面积大；
– 自屏蔽( Self-shielding ) : 在磁体孔径内放 置铁磁性材料(Iron plates)；有可能给匀场 增加困难；
2. 材料的选择 – 铜（Copper）：电导率大、密度大、 价格高、产热少； – 铝（Aluminum）：电导率小、密度 小、价格低、产热多；
线圈产生的热量由去离子水带走
3. 稳定性 ~不太好 4. 均匀性 ~ 不太好
III.超导磁体~ Superconducting magnet
1.超导理论: 当温度T降低到临界温度(critical temperature),电阻突然变为0(测量不出)。电 流可永无休止的流动。
主磁体类型
永磁体~ Permanent magnet 常导体~ Resistive magnet 超导体~ Superconducting magnet
I 永磁体 ~ Permanent magnet
永磁体使用磁性材料产生磁场~高剩磁 稀土合金，如 SmCo5,Nd-Fe-B.
– ALNICO （铁、钴合金） – SmCo5 ALNICO(钐钴 铁钴合金） – Nd-Fe-B （钕、硼、铁合金）
无源材料 形成磁路
yoke
有源材料 产生B0
C-shape
H-shape
2. 影响因素
剩磁 (Remanence) 矫顽力 (Coercive force)
– 指破坏磁体磁化状态所需之力也就是使磁感 沿磁滞回线减少至零时所需的磁场强度
– 矫顽力大~硬磁材料 – 矫顽力小~软磁材料
磁路结构 (Magnetic circuit structure) …… 一般永磁体场强不大于0.5Ｔ
技术特征 磁场强度 磁场方向 匀场 稳定性 外部干扰屏蔽 梯度涡流场
干扰场范围 紧急停机时间 尺寸 重量
购买价格 能量使用
冷却
MRI系统不同磁体类型比较
超导型 高 轴向 好 好 明显 大(需补偿或有 源屏蔽) 大，需要屏蔽 紧急失超 很大 重(4-6 吨)
高 除低温容器外， 无 需要液氦
常导型空气磁芯 有限0.3T 多数轴向 中 取决于电源 无 小(取决于线圈框 架设计) 中 立即切断电源 大 适中(1.5)
所选超导材料保持超导状态；
超导材料要有合适的物理特性：可塑性 (plasticity) 和柔韧性(pliability)
4. 构造
Early SC magnet
超导磁体线圈： 基于均匀性的考虑常使用 4-8组独立线圈
NbTi纤维包埋 在铜材中
铜材在失超时 保护超导线圈
5. 磁体特性
场强 均匀性 稳定性
线圈的微小运动
失超导致： – B0 的崩溃瓦解 – 液氦迅速沸腾 （boiling-off）
爆破膜( Bursting-disks)在高压下爆破，使得 大量的气氦溢出低温保持器。
自发的失超( Spontaneous quenches )很少发 生!
如果需要失超，线圈储存的电能沉积在假负 荷（dummy load ）避免损伤磁体（这是一 个耗费昂贵的过程）。
线圈温升。
•Air-cored resistive magnets •Iron-cored resistive magnets
Air-cored resistive magnet constructed using four coils arranged either horizontally or vertically.
SIEMENS OR 41 AS
低阻通路
失超: 100V电压 限制
励磁/退磁:
10V电压
失超保护二极管和失超保护电阻
Quench protection diode and resistance
4 屏蔽和匀场 Shielding and Shimming
I. 屏蔽（Shielding ） 边缘场（Fringe field ） 杂散场（Stray field） 杂散场，特别是超导磁体的杂散场在各个方
超导磁体可产生强磁场 超导材料临界温度：
– 普通铅（Plumbum）: 7.4K – 铌钛合金（Niobium—Titanium）: 20K – 稀土陶瓷(Ceramic) :100K
2. 超导材料类型: II: Ni(铌)、V(钒)、Tc(锝) alloy or
compound I: other
0.2T
– ALNICO 23 吨 – Nd-Fe-B 4 吨
HITACH AIRIS-mate (0.2T) AIRIS-2 (0.3T) APERTO (0.4T)
钕铁硼材料 优点: 高剩磁 缺点: 温度系数比较大
7.8吨 10吨 13吨
1. 结构 Ring(环型) Yoke(轭型)
可校正高次磁场不均匀性； 材料价格便宜； 不需要昂贵的高精度电源； 当需要更高度的均匀度或均匀性可调时必须用
有源匀场；
2.有源匀场（Actively shimming）
一系列载流绕组排列在磁体孔径的柱形管上， 每个绕组产生的校正磁场与球形谐波展开式 的一个系数近似；
必须避免这些绕组与磁体和梯度线圈的相互 影响；
技术特征超导型永磁型轭型永磁型环形磁场强度有限03t有限04t有限04t有限02t磁场方向轴向多数轴向垂直垂直垂直或轴向取决于电源取决于电源取决于温度取决于温度外部干扰屏蔽明显需补偿或有源屏蔽取决于线圈框架设计中各向不匀需要补偿中各向不匀需要补偿干扰场范围大需要屏蔽低到中低到中低到中紧急停机时间紧急失超立即切断电源立即切断电源不可能不可能尺寸很大重量重46适中15极重1020极重1050较轻能量使用除低温容器外冷却需要液氦需要大量冷却水需要冷却水dewaradiabaticiiliquidnitrogenliquidhelium20k70k80kheliumleveliii
核磁共振硬件系统结构详细介绍
1 Introduction
主磁体 ~ Magnet 梯度系统 ~ Gradient system RF系统 ~ RF system 计算机系统 ~ Computer system
PDP11、 VAX
SUN、SGI; PC
多用户操作系统 •VMS（早期）
•UNIX
MR: Type II Mullity NbTi alloy filaments complex lead (铌钛合金多芯复合超导线~位于铜基中) is very popular, and it can load 700A.
3. 超导材料的选择： 可负载大电流
可保持超导状态(>4.2K He) MR 系统提供的低温制冷装置系统可使
T1弛豫时间 T1弛豫时间随场强增加而增加，更易发生饱
和，使SNR与场强不成正比。
更高的梯度要求
梯度场随场强成比例地增强 要求驱动放大器的功率增加 噪音更大
价格 一般情况场强高，价格高。 对人群的影响
更易对其他病人和设备产生影响，更应 考虑杂散场。
a fully loaded pallet jack that has been sucked into the bore of an MRI system.
线圈中的电流在系统安装期间确定并保持不 变，直到有工程师进行再匀场时才改变；
有源匀场使用的线圈绕组有三类：超 导匀场线圈、常导匀场线圈和梯度线圈
超导匀场线圈
常导匀
主磁场线圈
场线圈
位于磁体低 温容器内
梯度线圈 位于孔径内
GE : SII , SIII magnet
1.5T 18 个超导匀场线圈（高阶) 隔热屏散热系统（压缩机和冷头） 排气系统和电流探头直插式 低温容器流速表和压力表便于观察 液氦侧罐口，易于补充
开放（孩子、幽闭症、介入） 系统构造简单 不产生热 运行成本低 维护费用低 寿命长
永磁体场强对温度非常敏感 (0.1 C)。
例如， Nd-Fe-B磁体温度升高1 C ，磁场 降低约1000ppm；
II 常导体~ Resistive magnet
1.电磁理论(Electromagnetism theory): 线圈中有电流时会产生磁场，并会导致
•IL decreasing to 0.
2.Demagnetization
Turn on S switch
UH
UH - turn off
Adjust I of MPS
IL
I and S
-UL
IL = 0, UL= 0
UL
Turn off and UH
Energy = 0
S
3.失超(Quench)
匀场方法 : – 无源匀场（被动匀场） (Passive ， 后进行) – 有源匀场（主动匀场） (Active ， 先进行) – Combination of both
1.无源匀场(Passively shimming)
在磁体周围放置铁片校正；铁片放置的数量和 位置经过特殊的匀场程序计算出来；
低 高
需要大量冷却水
常导型铁轭 有限0.4T 垂直 中 取决于电源 低 中(各向不匀， 需要补偿) 低到中 立即切断电源 中到大 极重(10-20)
低 中
需要冷却水
永磁型轭型 有限0.4T 垂直 中 取决于温度 低 中(各向不匀， 需要补偿) 低到中 不可能 中到大 极重(10-50) 较轻 中 无
1励磁过程（Excitation process） A.冷却磁体（Cooling magnet）：主磁体线圈
处于超导状态 B.线圈加载（Windings are loaded current）：
注入电流
电流注入过程（Loading process）：
1)加热超导开关使 之无效；
2)线圈两端加载电 压在线圈内恢复超导状态； 4)电流在超导线圈 内循环流动。
II 制冷剂
液氮（Liquid Nitrogen） ~ 77K 液氦（Liquid Helium ） ~ 4 K 为了把液氦、超导线圈与环境分割开 来，需要低温保持器(cryostat )
20K,70K (80K)
液氦量的测量
Helium level
III. 励磁( Excitation) 、 退磁（Demagnetization）
UL
IL
di/dt =-UL/L
ν
• UH- 加热电压
• (超导开关)
• UL
•UH make is not SC;
•IL increasing with the effect of UL;
•B increasing linearly with t;
•UL gradually decreasing, till to 0 when B0 is acquired; •Turn off UH
永磁型环形 有限0.2T 垂直或轴向 中 取决于温度 低 低
低到中 不可能 中到大 重(6)
中到高 无
无
3低温系统和制冷剂~Low temperature system and cryogen
I.低温系统 维持低温使超导线圈处于超导状态； 低温容器 (Dewar)
– 磁体线圈位于Dewar中； – Dewar必须有好的绝热性能(adiabatic)
3T： •Linux（GE） •Windows XP （SIEMENS、 Philips）
文件存档： •MOD •DVD •CDR
MR 系统构造
MR系统部件和构造以及T/R转换开关
2主磁体
主磁体是MR的主要部件 主磁体特性:
– 稳定性（Stability） – 均匀性（Homogeneity） 非均匀性 Inhomogeneity (ppm) = variation (T)/field strength (T) ×106
超导线圈的部分不再是超导状态，线圈储存的 能量部分变成热能散出 ；
热能使线圈其他部分加热继而失去超导状态产 生更多的热量，恶性循环直至遍及整个磁体发 生失超；
失超使设备经历剧烈的热胀冷缩和磁力变化， 使原有有源、无源匀场失效。
失超原因：
– Flux jump（磁通跳跃） ~ 释放能量 – Friction resulting heat（摩擦生热）~
有源屏蔽、主动屏蔽(Active shielding): 载有反向电流的线圈绕组降低杂散场； 有源屏蔽的磁体重量轻，但由于B0被抵消一 些，需多用超导线、杜瓦体积大些）； – 常导有源屏蔽(Resistive) – 超导有源屏蔽(SC)
II.匀场~ Shimming
优质的MR图像对B0的均匀性和稳定性有高 要求；
高场MR的优缺点
信噪比 图像细节 速度 功能成像 …… But！
化学位移伪影
RF功率沉积
高场强设备发射机功率通常是10~25kW，利 用SAR对其加以限制，尤其是>1.5T时，RF沉 积将限制重复时间。
RF穿透性
RF场在人体组织内感应电流，部分抵消了RF 场，降低了RF脉冲穿透组织的深度，导致RF 激发的成像容积不均匀。
向上会伸出磁体，对外围产生影响
FDA ~ 5G
无源屏蔽、被动屏蔽 (Passive shielding)
– 房间屏蔽(Room shielding) : 铁磁性材料~对 建筑结构有依赖性，分场地设计；屏蔽材 料厚度小、面积大；
– 自屏蔽( Self-shielding ) : 在磁体孔径内放 置铁磁性材料(Iron plates)；有可能给匀场 增加困难；
2. 材料的选择 – 铜（Copper）：电导率大、密度大、 价格高、产热少； – 铝（Aluminum）：电导率小、密度 小、价格低、产热多；
线圈产生的热量由去离子水带走
3. 稳定性 ~不太好 4. 均匀性 ~ 不太好
III.超导磁体~ Superconducting magnet
1.超导理论: 当温度T降低到临界温度(critical temperature),电阻突然变为0(测量不出)。电 流可永无休止的流动。
主磁体类型
永磁体~ Permanent magnet 常导体~ Resistive magnet 超导体~ Superconducting magnet
I 永磁体 ~ Permanent magnet
永磁体使用磁性材料产生磁场~高剩磁 稀土合金，如 SmCo5,Nd-Fe-B.
– ALNICO （铁、钴合金） – SmCo5 ALNICO(钐钴 铁钴合金） – Nd-Fe-B （钕、硼、铁合金）
无源材料 形成磁路
yoke
有源材料 产生B0
C-shape
H-shape
2. 影响因素
剩磁 (Remanence) 矫顽力 (Coercive force)
– 指破坏磁体磁化状态所需之力也就是使磁感 沿磁滞回线减少至零时所需的磁场强度
– 矫顽力大~硬磁材料 – 矫顽力小~软磁材料
磁路结构 (Magnetic circuit structure) …… 一般永磁体场强不大于0.5Ｔ
技术特征 磁场强度 磁场方向 匀场 稳定性 外部干扰屏蔽 梯度涡流场
干扰场范围 紧急停机时间 尺寸 重量
购买价格 能量使用
冷却
MRI系统不同磁体类型比较
超导型 高 轴向 好 好 明显 大(需补偿或有 源屏蔽) 大，需要屏蔽 紧急失超 很大 重(4-6 吨)
高 除低温容器外， 无 需要液氦
常导型空气磁芯 有限0.3T 多数轴向 中 取决于电源 无 小(取决于线圈框 架设计) 中 立即切断电源 大 适中(1.5)
所选超导材料保持超导状态；
超导材料要有合适的物理特性：可塑性 (plasticity) 和柔韧性(pliability)
4. 构造
Early SC magnet
超导磁体线圈： 基于均匀性的考虑常使用 4-8组独立线圈
NbTi纤维包埋 在铜材中
铜材在失超时 保护超导线圈
5. 磁体特性
场强 均匀性 稳定性
线圈的微小运动
失超导致： – B0 的崩溃瓦解 – 液氦迅速沸腾 （boiling-off）
爆破膜( Bursting-disks)在高压下爆破，使得 大量的气氦溢出低温保持器。
自发的失超( Spontaneous quenches )很少发 生!
如果需要失超，线圈储存的电能沉积在假负 荷（dummy load ）避免损伤磁体（这是一 个耗费昂贵的过程）。
线圈温升。
•Air-cored resistive magnets •Iron-cored resistive magnets
Air-cored resistive magnet constructed using four coils arranged either horizontally or vertically.
SIEMENS OR 41 AS
低阻通路
失超: 100V电压 限制
励磁/退磁:
10V电压
失超保护二极管和失超保护电阻
Quench protection diode and resistance
4 屏蔽和匀场 Shielding and Shimming
I. 屏蔽（Shielding ） 边缘场（Fringe field ） 杂散场（Stray field） 杂散场，特别是超导磁体的杂散场在各个方
超导磁体可产生强磁场 超导材料临界温度：
– 普通铅（Plumbum）: 7.4K – 铌钛合金（Niobium—Titanium）: 20K – 稀土陶瓷(Ceramic) :100K
2. 超导材料类型: II: Ni(铌)、V(钒)、Tc(锝) alloy or
compound I: other
0.2T
– ALNICO 23 吨 – Nd-Fe-B 4 吨
HITACH AIRIS-mate (0.2T) AIRIS-2 (0.3T) APERTO (0.4T)
钕铁硼材料 优点: 高剩磁 缺点: 温度系数比较大
7.8吨 10吨 13吨
1. 结构 Ring(环型) Yoke(轭型)
可校正高次磁场不均匀性； 材料价格便宜； 不需要昂贵的高精度电源； 当需要更高度的均匀度或均匀性可调时必须用
有源匀场；
2.有源匀场（Actively shimming）
一系列载流绕组排列在磁体孔径的柱形管上， 每个绕组产生的校正磁场与球形谐波展开式 的一个系数近似；
必须避免这些绕组与磁体和梯度线圈的相互 影响；
技术特征超导型永磁型轭型永磁型环形磁场强度有限03t有限04t有限04t有限02t磁场方向轴向多数轴向垂直垂直垂直或轴向取决于电源取决于电源取决于温度取决于温度外部干扰屏蔽明显需补偿或有源屏蔽取决于线圈框架设计中各向不匀需要补偿中各向不匀需要补偿干扰场范围大需要屏蔽低到中低到中低到中紧急停机时间紧急失超立即切断电源立即切断电源不可能不可能尺寸很大重量重46适中15极重1020极重1050较轻能量使用除低温容器外冷却需要液氦需要大量冷却水需要冷却水dewaradiabaticiiliquidnitrogenliquidhelium20k70k80kheliumleveliii
核磁共振硬件系统结构详细介绍
1 Introduction
主磁体 ~ Magnet 梯度系统 ~ Gradient system RF系统 ~ RF system 计算机系统 ~ Computer system
PDP11、 VAX
SUN、SGI; PC
多用户操作系统 •VMS（早期）
•UNIX
MR: Type II Mullity NbTi alloy filaments complex lead (铌钛合金多芯复合超导线~位于铜基中) is very popular, and it can load 700A.
3. 超导材料的选择： 可负载大电流
可保持超导状态(>4.2K He) MR 系统提供的低温制冷装置系统可使
T1弛豫时间 T1弛豫时间随场强增加而增加，更易发生饱
和，使SNR与场强不成正比。
更高的梯度要求
梯度场随场强成比例地增强 要求驱动放大器的功率增加 噪音更大
价格 一般情况场强高，价格高。 对人群的影响
更易对其他病人和设备产生影响，更应 考虑杂散场。
a fully loaded pallet jack that has been sucked into the bore of an MRI system.
线圈中的电流在系统安装期间确定并保持不 变，直到有工程师进行再匀场时才改变；
有源匀场使用的线圈绕组有三类：超 导匀场线圈、常导匀场线圈和梯度线圈
超导匀场线圈
常导匀
主磁场线圈
场线圈
位于磁体低 温容器内
梯度线圈 位于孔径内
GE : SII , SIII magnet
1.5T 18 个超导匀场线圈（高阶) 隔热屏散热系统（压缩机和冷头） 排气系统和电流探头直插式 低温容器流速表和压力表便于观察 液氦侧罐口，易于补充
开放（孩子、幽闭症、介入） 系统构造简单 不产生热 运行成本低 维护费用低 寿命长
永磁体场强对温度非常敏感 (0.1 C)。
例如， Nd-Fe-B磁体温度升高1 C ，磁场 降低约1000ppm；
II 常导体~ Resistive magnet
1.电磁理论(Electromagnetism theory): 线圈中有电流时会产生磁场，并会导致
•IL decreasing to 0.
2.Demagnetization
Turn on S switch
UH
UH - turn off
Adjust I of MPS
IL
I and S
-UL
IL = 0, UL= 0
UL
Turn off and UH
Energy = 0
S
3.失超(Quench)
匀场方法 : – 无源匀场（被动匀场） (Passive ， 后进行) – 有源匀场（主动匀场） (Active ， 先进行) – Combination of both
1.无源匀场(Passively shimming)
在磁体周围放置铁片校正；铁片放置的数量和 位置经过特殊的匀场程序计算出来；
低 高
需要大量冷却水
常导型铁轭 有限0.4T 垂直 中 取决于电源 低 中(各向不匀， 需要补偿) 低到中 立即切断电源 中到大 极重(10-20)
低 中
需要冷却水
永磁型轭型 有限0.4T 垂直 中 取决于温度 低 中(各向不匀， 需要补偿) 低到中 不可能 中到大 极重(10-50) 较轻 中 无
1励磁过程（Excitation process） A.冷却磁体（Cooling magnet）：主磁体线圈
处于超导状态 B.线圈加载（Windings are loaded current）：
注入电流
电流注入过程（Loading process）：
1)加热超导开关使 之无效；
2)线圈两端加载电 压在线圈内恢复超导状态； 4)电流在超导线圈 内循环流动。
II 制冷剂
液氮（Liquid Nitrogen） ~ 77K 液氦（Liquid Helium ） ~ 4 K 为了把液氦、超导线圈与环境分割开 来，需要低温保持器(cryostat )
20K,70K (80K)
液氦量的测量
Helium level
III. 励磁( Excitation) 、 退磁（Demagnetization）
UL
IL
di/dt =-UL/L
ν
• UH- 加热电压
• (超导开关)
• UL
•UH make is not SC;
•IL increasing with the effect of UL;
•B increasing linearly with t;
•UL gradually decreasing, till to 0 when B0 is acquired; •Turn off UH