MRI设备的主要物理部件和使用

MRI设备的主要物理部件和使用

磁体、梯度场线圈和射频线圈是ＭＲ成像设备的重要物理部件。它们的主要技术性能参数是磁感应强度、磁场均匀度、磁场稳定性、边缘场的空间范围、梯度场的磁感应强度和线性度、射频线圈的灵敏度等。成像系统的主要用户功能是数据采集、影像显示和影像分析等。

磁共振成像设备有以下基本组成部分：①产生磁场的磁体和磁体电源；②梯度场线圈和梯度场电源；③射频发射/接收机；④系统控制和数据处理计算机；⑤成像操作和影像分析工作台；⑥活动检查床。

这些部分之间通过控制线和数据线及接口电路联接起来组成完整的设备。这里着重讨论对磁共振成像和影像质量有决定性作用的物理部件，介绍它们的工作原理、特性和技术指标。这些物理部件包括产生磁场的磁体、产生梯度场的梯度场线圈、用于射频发射和信号接收的射频线圈。另外，ＭＲ成像设备必须有为用户提供的软件程序。用户通过操作系统的终端利用这些程序，根据需要进行影像采集、影像显示和影像分析。

一、磁体

1.磁体的性能参数

产生磁场的磁体是ＭＲ成像系统的核心。磁场的主要技术指标是磁感应强度、磁场均匀度、磁场的时间稳定性和边缘场的空间范围等，它们对影像质量有重要影响。

(1)磁场磁感应强度ＭＲＩ所用的磁场磁感应强度从0.02T到4T，范围相当宽。因为生物组织中含有大量质子，而且，质子的旋磁比大，所以，即使磁感应强度很低的磁场也能实现质子磁共振成像。但是，磁感应强度越高，组织的磁化程度越大，产生的磁共振信号越强。在一定范围内，磁感应强度越高，影像的信噪比越大，因信噪比近似与磁感应强度成线性关系。磁共振频谱分析和化学位移成像要求的频谱分辨率很高，只能用磁感应强度很高的系统进行。高磁场也有不利因素，主要是在高磁场条件下，射频频率高，人体对射频能量的吸收增加，射频对人体的穿透能力减小，同时因水和脂肪之间不同的化学位移引起的伪影的影响也不可忽略。

磁共振成像用的磁体有永久磁体、常导磁体和超导磁体3种。目前，大多数ＭＲ成像系统采用超导磁体，磁感应强度低的工作在0.3T，高的工作在2.0T，甚至4.0T或更高。

(２)磁场的均匀度磁共振成像需要均匀度很高的磁场。非均匀磁场引起一个体素内质子共振频率范围加宽。在成像区域范围内的磁场均匀度是决定影像的空间分辨率和信噪比的基本因素。磁场均匀度还决定系统最小可用的梯度场强度。

磁场均匀度的定义是：成像范围内两点之间磁感应强度的最大偏差ΔＢ与标称磁感应强度Ｂ０之比，一般要求为百万分之几。根据拉莫尔方程，磁场均匀度也可等价地用两点之间的最大频率差Δｆ与中心频率ｆ０之比定义。例如，如果1.0T的磁场在40ｃｍ直径球体范围内测量的最高和最低频率分别为42.580426兆赫和42.579824兆赫，那么，该磁场的均匀度为602 Ｈｚ/42.58 ＭＨｚ≈14×10－6＝14／1 000000(14ppm)。

磁场均匀度由磁体本身的设计和具体的外部环境决定。磁场均匀度与磁体类型有关。一般要求磁体的成像区域越大，所能达到的磁场均匀度越低。

兼有化学位移频谱分析和成像功能的ＭＲ系统，要求能鉴别不同原子位置上极小的频率偏移，即能够分辨非常靠近的空间谱线，需要的磁场均匀度更高。

(３)磁场稳定性磁场稳定性是衡量磁场磁感应强度随时间而漂移的程度的指标。在成像序列周期内磁感应强度的漂移对重复测量的回波信号的相位有影响，并引起影像失真和信噪比降低。磁场稳定性与磁体类型和设计质量有关。需要磁体电源的常导磁体，磁场稳定性取决于电源的稳定性。永久磁体的稳定性主要受环境温度变化的影响，因为温度变化会引起磁体几何参数的改变。超导磁体不存在上述问题，在3种磁体中稳定性最好。1.0T的超导磁体的稳定性在0.1ppm/h以上。

铁磁性物体或金属物体在磁体周围的边缘场中移动会对磁体内部的磁感应强度产生扰动，从而破坏磁场的稳定性，破坏的程度同这些物体的质量大小及它们离磁体的远近有关，要根据边缘场延伸的范围大小对这些物体允许接近磁体的距离加以限制。

(４)边缘场的空间范围边缘场指延伸到磁体外部的磁场。边缘场延伸的空间范围与磁场磁感应强度和磁体孔径大小有关。边缘场有可能对在它范围内的电子仪器产生干扰，这些电子仪器也通过边缘场对内部磁场的均匀度产生破坏作用。减小边缘场的途径是采用有源或无源屏蔽措施。有源屏蔽是在磁体线圈中加一组线圈，用它产生的磁场抵消掉磁体线圈产生的外部磁场。无源屏蔽是在磁体周围用铁磁性材料建一个围墙，限制外部磁场的延伸。即使采取了屏蔽措施，仍然要限制移动的金属物体与磁体接近的距离。

2.常导（电阻）磁体

(1)常导磁体线圈电流从中流过的普通导体周围存在磁场，电流的强度、电流流通路径的几何特性决定所建立的磁场的强度、方向和空间均匀度。从理论上说，将载流导体沿圆筒表面绕成无限长螺线管，螺线管内就建立起高度均匀的磁场，如图5-26所示。

将载流导体紧密安排在一个球形表面上形成均匀分布的电流密度，球形表面内部的磁场也是高度均匀的，如图5-27所示。因为磁体实际只能采用有限的几何尺寸，而且，必须有供人体进出的进出口，所以，实际磁体线圈只能采用与理想结构近似的形式。

无限长螺线管的近似结构是有限长度的螺线管，它靠圆柱对称的几何形状建立螺线管内部的均匀磁场。实际上，均匀磁场只能建立在螺线管中一个长度有限的区域。增加螺线管两端导线的匝数可以扩大这个均匀区域的范围。也可以在螺线两端与它同轴地各附设一个半径稍大的薄线圈，利用这两个辅助线圈电流的磁场抵消螺线管两端磁场随轴向位置的变化，如图5-28所示。

球形磁体线圈的最简陋的近似形式是霍尔姆兹（Helmboltz）线圈。这是一对半径相等的同轴线圈，轴向距离等于线圈半径，两个线圈的导线沿相同方向流过相等的恒定电流。这种线圈只能在线圈对中心一个小体积范围建立均匀磁场。

扩大均匀磁场范围的途径是增加线圈对数目。双线圈对结构将4个线圈同轴地安排在一个球形表面内，中心2个线圈的半径比两边2个线圈的半径大。场强为1.5T的四线圈结构，在35cm直径球体内的磁场均匀度可达100ppm，再增加1对线圈可以在更大范围获得均匀度更高的磁场。一个由 6个线圈组成的磁体线圈的结构如图5-29所示。