磁共振成像仪的基本硬件(1)

磁共振成像仪的基本硬件

医用MRI仪通常由主磁体、梯度线圈、脉冲线圈、计算机系统及其他辅助设备等五部分构成。

主磁体是磁共振成像仪最基本的构件，是产生磁场的装置，主磁体的性能将直接影响磁共振图像的质量。根据磁场产生的方式可将主磁体分为永磁型和电磁型。永磁型主磁体实际上就是大块磁铁，磁场持续存在，目前绝大多数低场强开放式MRI仪采用永磁型主磁体。电磁型主磁体是利用导线绕成的线圈，通电后即产生磁场，根据导线材料不同又可将电磁型主磁体分为常导磁体和超导磁体。常导磁体的线圈导线采用普通导电性材料，需要持续通电，目前已经逐渐淘汰；超导磁体的线圈导线采用超导材料制成，置于液氦的超低温环境中，导线内的电阻抗几乎消失，一旦通电后在无需继续供电情况下导线内的电流一直存在，并产生稳定的磁场，目前中高场强的MRI仪均采用超导磁体。

主磁体最重要的技术指标包括场强、磁场均匀度及主磁体的长度。

主磁场的场强可采用高斯（Gauss，G）或特斯拉（Tesla，T）来表示，特斯拉是目前磁场强度的法定单位。距离5安培电流通过的直导线1cm处检测到的磁场强度被定义为1高斯。特斯拉与高斯的换算关系为：1 T = 10000 G。在过去的20年中，临床应用型MRI仪主磁体的场强已由0.2 T以下提高到1.5 T以上，1999年以来，3.0 T的超高场强MRI仪通过FDA认证进入临床应用阶段。

目前一般把0.5 T以下的MRI仪称为低场机，0.5 T到1.0 T之间的称为中场机，1.0 T到2.0之间的称为高场机（1.5 T为代表），大于2.0 T的称为超高场机（3.0 T为代表）。

高场强MRI仪的主要优势表现为：（1）主磁场场强高提高质子的磁化率，增加图像的信噪比；（2）在保证信噪比的前提下，可缩短MRI信号采集时间；（3）增加化学位移使磁共振频谱（magnetic resonance spectroscopy，MRS）对代谢产物的分辨力得到提高；（4）增加化学位移使脂肪饱和技术更加容易实现；（5）磁敏感效应增强，从而增加血氧饱和度依赖（BOLD）效应，使脑功能成像的信号变化更为明显。

当然MRI仪场强增高也带来以下问题：（1）设备生产成本增加，价格提高。（2）噪音增加，虽然采用静音技术降低噪音，但是进一步增加了成本。（3）因为射频特殊吸收率（specific absorption ratio，SAR）与主磁场场强的平方成正比，高场强下射频脉冲的能量在人体内累积明显增大，SAR值问题在3.0 T的超高场强机上表现得尤为突出。（4）各种伪影增加，运动伪影、化学位移伪影及磁化率伪影等在3.0 T超高场机上更为明显。由于上述问题的存在，3.0 T的MRI仪在临床应用还有一定限制，尽管其在中枢神经系统具有优势，但是在体部应用还不太成熟，因此，目前以1.5 T的高场机最为成熟和实用。

主磁场均匀度所谓的磁场均匀性是指在一定的容积范围内磁场强度的均一性,也即单位面积内通过的磁力线数目的一致性。MR技术对主磁场均匀度的要求很高,原因在于:①高均匀度的场强有助于提高图像信噪比;②场强均匀是保证.MR信号空间定位准确性的前提;③场强均匀可减少伪影(特别是磁化率伪影);④高度均匀的磁场有利于进行大视野扫描,尤其肩关节等偏中心部位的MRI检查;⑤只有高

度均匀的磁场才能充分利用脂肪饱和技术进行脂肪抑制扫描;⑥高度均匀的磁场MRS才能有效区分不同的代谢产物。

主磁场的均匀度通常以主磁场强度的百万分之几数值(即ppm值)作为磁场强度偏离的单位。需要指出的是,同样的值在不同场强下所代表的磁场强度偏离值是不同的,例如1ppm在一台1.0T的磁共振仪中表示磁场强度偏离1×10T,而在一台1.5 T的磁共振仪中则表现磁场强度偏离1.5 ×10T。单纯的值还不能充分表述磁场强度均匀性,应该用一定容积范围内的ppm值来表述。I临床用磁共振成像仪一般采用与主磁场同中心的球体空间作为磁场均匀性测量的容积范围,用球体容积的直径来表示该容积范围的大小。厂家提供的主磁场强度均匀性的参数中,通常会提供多种直径的球体容积内的测量结果,如10cmDSV的ppm值、20cmDSV 的ppm值、30cmDSV的ppm值及40cmDSV的ppm值等。ppm值越小代表磁场的均匀性越好。【DSV=球体直径】

主磁场的匀场技术主要包括无源匀场和有源匀场。无源匀场是指在磁体孔洞内壁上添加专用的匀场小铁片,这种匀场技术无需电源供应,因此被称为无源匀场技术。有源匀场技术需要在机架内安装若干个小线圈组成的匀场线圈阵列,通过控制匀场线圈阵列中各个小线圈的电流来达到均匀主磁场的目的。

现代MRI仪的主动及被动匀场技术进步很快,磁场均匀度有了很大提高。目前1.5 T以上的超导主磁体,其主磁场的均匀度一般都可以达到10cmDSV(≤0.05ppm)、20cmDSV(≤0.1 ppm)、30cmDSV(≤O.2 5ppm)、40cmI)SV(≤O.5 ppm)以上。为保证主磁场均匀度，以往MRI仪多采用2m以上的长磁体，近几年伴随磁体技术的进步，各厂家都推出磁体长度为1.4m～1.7m的高场强（1.5T）短磁体，使病人更为舒适，尤其适用于幽闭恐惧症的患者。

随介入MR的发展，开放式MRI仪也取得很大进步，其场强已从原来的0.2T左右上升到0.5T以上，目前开放式MRI仪的最高场强已达1.0T。图像质量明显提高，扫描速度更快，已经几乎可以做到实时成像，使MR“透视”成为现实。开放式MR扫描仪与DSA的一体化设备使介入放射学迈进一个崭新时代。

主磁场的稳定性主磁场的稳定性实际上是指主磁场强度及其均匀性的变化,也称为磁场漂移。磁场的稳定性可分为热稳定性和时间稳定性。所谓热稳定性是指主磁场的强度及其均匀性随温度的变化,一般永磁型磁体的热稳定性较差,因此对磁体间内温度的要求很高；而超导磁体的热稳定性一般较好。所谓时间稳定性是指主磁场的强度和均匀度随时间的变化，一般用单位时间的磁场强度漂移的ppm 值来表示。超导磁体的时间稳定性很高，24h常≦0.3ppm.

梯度线圈

梯度线圈是MRI仪最重要的硬件之一，由梯度线圈、梯度放大器、数模转换器、梯度控制器、梯度冷却装置等构成，梯度线圈安装在主磁体内。主要作用有：（1）进行MRI信号的空间定位编码；（2）产生MR回波（梯度回波）；（3）施加扩散加权梯度场；（4）进行流动补偿；（5）进行流动液体的流速相位编码等。梯度磁场的主要作用之一是为磁共振信号进行空间定位。梯度线圈由X、Y、Z 轴三个线圈构成（在MR成像技术中，把主磁场方向定义为Z轴方向，与Z轴方向垂直的平面为XY平面）。梯度线圈是特殊绕制的线圈，以Z轴线圈为例，通电后线圈头侧部分产生的磁场与主磁场方向一致，因此磁场相互叠加，而线圈足侧部分产生的磁场与主磁场方向相反，因此磁场相减，从而形成沿着主磁场长轴（或称人体长轴），头侧高足侧低的梯度场，梯度线圈的中心磁场强度保持不变。X、Y轴梯度场的产生机理与Z轴方向相同，只是方向不同而已。梯度线圈的主要性能指标包括梯度场强和切换率（slew rate）。

梯度线圈的主要性能指标包括梯度场强和梯度切换率和梯度线性。