磁共振系统
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(0.2T)
7.8吨
AIRIS-2
APERTO
(0.3T)
(0.4T)
10吨
13吨
钕铁硼材料
优点: 高剩磁
缺点: 温度系数比较大
1. 结构 Ring(环型) Yoke(轭型)
无源材料 形成磁路
有源材料 产生B0
C-shape
yoke
H-shape
2. 影响因素
剩磁
(Remanence) 矫顽力 (Coercive force)
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
§12.4 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 向上会伸出磁体,对外围产生影响 FDA ~ 5G
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 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.
UL
ν
• UH- 加热电压 • • 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
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.
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 压在线圈内感应电 流; 3)当B0符合要求时, 关闭加热器,超导 开关恢复超导状态; 4)电流在超导线圈 内循环流动。
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
§12.2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)
MRI系统不同磁体类型比较
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 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) 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) 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 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
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;
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)
0.2T
– ALNICO 23 吨 – Nd-Fe-B 4 吨
HITACH
AIRIS-mate
2. 超导材料类型: II: Ni(铌)、V(钒)、Tc(锝) alloy or compound I: other 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.
– 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
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;
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)。
SIEMENS OR 41 AS
§12 MR 系统
§12.1 Introduction
主磁体
~ Magnet 梯度系统 ~ Gradient system RF系统 ~ RF system 计算机系统 ~ Computer system
多用户操作系统 •VMS(早期)
•UNIX
PDP11、 VAX SUN、SGI; PC
S
3.失超(Quench)
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)~ 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)
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
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。 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。
高 低 除低温容器外, 高 无 需要液氦 需要大量冷却水
§12.3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)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
非均匀性 Inhomogeneity (ppm) = variation (T)/field strength (T) ×106
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
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)
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; 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
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; 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;
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; 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)
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。 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
(超导开关)
IL
di/dt =-UL/L
•IL decreasing to 0.
2.Demagnetization
UH
IL
UL
Turn on S switch UH - turn off Adjust I of MPS I and S -UL IL = 0, UL= 0 Turn off and UH Energy = 0
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 所选超导材料保持超导状态;
(plasticity) 和柔韧性(pliability)
超导材料要有合适的物理特性:可塑性
4. 构造
Early SC magnet
超导磁体线圈: