1、磁共振成像 第十二章 医用磁共振成像设备 磁共振的含义： 磁：成像的靶子和整个成像过程离不开 磁场。 共振：成像靶子主要为 H（奇数）的能 量吸收与释放过程，即磁共振现 象。 成像：对成像物体进行空间的编码。三 维。 ?MR的基本原理 当处于磁场中的物质受到射频（ RF）电磁波的激励时，如果RF电磁波的频率与磁场强度的关系满足拉莫尔方程，则组成物质的一些原子核会发生共振，即MR。 此时，原子核吸收了RF电磁波的能量；当RF电磁波停止激励时，吸收了能量的原子核又会把这部分能量释放出来，即发射MR信号。 一、历史 ?1946 年美国哈佛大学的 E。珀塞尔及斯坦福大学的 F。Bloch 领导的两个研
2、究小组各自独立地发现了磁共振现象，由此珀塞尔和 Bloch 共同获得 1952 年诺贝尔物理学奖。 ?1971 年美国纽约州立大学的 R。Damadian 利用磁共振波谱仪对小鼠研究发现，癌变组织的 T1，T2 弛豫时间值比正常组织长。 ?1972 年美国纽约州立大学的劳伯特提出了重建 mri 图象的方法，把 mri 原理和空间各点的编码技术结合，用一定的方法使空间各点磁场强度有规律的变化。 ?1973 年美国纽约州立大学的 Lauterbur 利用梯度磁场进行空间定位，获得两个充水试管的第一幅磁共振图像。 第一节 概述 ?1978 年英国取得了第一幅人体头部的磁共振图像。 ?1980 年磁共
3、振开始应用于临床。 ?1984 年磁共振获得美国食品药物管理局正式批准应用于临床。 ? MRI技术得到很大发展 EPI技术、单次激发EPI、磁共振血管成像、FMRI技术、 磁共振介入 主要特点及临床应用 ?特点 ?1、无电离辐射危害 ?2、多参数成像 ?3、高对比成像 ?4、MRI设备具有任意方向断层的能力 ?5、无须使用对比剂直接显示心脏和血管结构 ?6、无骨伪影干扰，后颅凹显示清楚。 ?7、可进行功能、组织化学和生物化学方面的研究 ?临床应用的局限性 ?1、成像速度慢 ?2、对钙化灶和骨皮质病灶不够敏感 ?3、禁忌症较多 ?4、图像易受多种伪影影响 ?按成像范围分类 ?1、试验用；2、局部
4、；3、全身MRI设备 ?按住磁场分类 ?1、永磁型；2、常导型；3、超导型 ?按住磁场强度分类 ?低、中、高、超高 ?按临场应用分类 ?诊断用；介入治疗专用；外科术前定位和计划制定用；阴道超声聚焦肿瘤治疗MRI设备；放疗定位MRI设备。 分类 主要由主磁体、梯度线圈、 RF线圈、计算机与控制台和检查床等组成 结构 主磁体 ?低场： 0.3T ?中场：0.3T1.0T ?高场：1.0T 性能指标 ?磁场强度 MRI设备的静磁场强度 ?磁场强度的高低对图像质量的影响： ?1、对信噪比的影响：磁场强度，信号强度，信噪比。但不呈线性。 ?2、对对比度的影响：磁场强度，T1变长，必须加长TR才能获得高对
5、比度的T1图像；对T2影响不大。 ?3、化学位移产生的影响：磁场强度，化学位移。 ?4、体动的伪影：磁场强度，共振频率，自旋，相同的体动的相位漂移，体动伪影。 无论体动发生在哪个方向，造成的伪影一定在相位方向。 ?5、化学位移的伪影：磁场强度共振频率化学位移的伪影 ?磁场均匀性 ?磁场均匀度在很大程度上决定着图像质量的好坏！可引起图像的信噪比（S/N）、空间分辨力（SR)和有效视野（FOV）的几何变形。 常用磁场不均匀度（ppm）衡量。 ?磁场均匀度越差，几何变形越大。 ? （ ppm，百万分之一） ?磁场的稳定性 受磁体附近铁磁性物质、环境温度、匀场电源飘逸等因素的影响，磁场的均匀性或B0也
6、会发生变化，即磁场漂移。 ?保证图像的一致性和可重复性的重要指标。12小时内，磁场漂移应小于2ppm，18小时，10ppm。 主磁体 ?永久磁体 ?材料：铁氧体或钕铁 ?结构：环形或轭形 ?特点：造价低，场强最大0.1 0.4T 、功率小、维护费用低、安装面积相对小，可做成开放式磁体（便于介入治疗） 均匀度欠佳、稳定性易受温度变化（需恒温，32.5高于室温） 主磁体 ?常导磁体 ?材料：铜或铝 ?结构：亥姆赫兹线圈 ?（四线圈或六线圈） ?特点：场强（空气冷 0.15T，水冷 0.2T）,磁体的屏蔽非常重要、造价低、不用时可以停电，不能满足中高场及高均匀度的要求。 距离=半径 主磁体 ?超导磁
7、体 ?材料：铌和钛的合金（ 0.1 毫米 30 条直径埋在 2 毫米的铜导线中作为超导导线） ?结构：四或六线圈，或螺线管 ?冷却剂：液氮、液氦 ?匀场：有源匀场、无源匀场 ?特点：场强高、稳定性好、均匀度好、但技术复杂、成本高 超导磁体外形 超导磁体 磁体孔内外径之间依次安放超导线圈、匀场线圈、梯度线圈和射频线圈。 高斯线分布（P302) ?超导磁体的内部结构 ?由容器、浸泡在液氦中的超导线圈、底座以及顶部的输液管口、气体蒸发通道、电流引线等组成。 ?超导磁体特性： ?场强高；稳定性和均匀度好；可开发更的的临床应用功能；缺点是技术复杂、成本高。 磁共振成像系统的质量保证体系磁共振成像系统的质
8、量保证体系 磁屏蔽、射频屏蔽、冷水系统、空调系统，电源系统等外围设备构成了磁共振成像系统的保障体系， 磁场与环境的相互影响： 磁体所产生的磁场，向空间各个方向散布，称为杂散磁场。它的强弱与空间位置有关。常用等高斯线图来形象地表示杂散磁场的上述分布。 磁共振成像磁场对环境的影响磁共振成像磁场对环境的影响 当杂散磁场的场强达到一定程度时，可能干扰周围环境中磁敏感性强的设备，影响正常工作。这种影响通常在 5 高斯线内区域非常明显。 杂散磁场对部分医疗设备的影响杂散磁场对部分医疗设备的影响 距磁体中心的最小距离(M)0.5T1.5T设备种类最大磁场强度(mT)X,y 向Z 向X,y 向Z 向小电机、钟
9、表、照相机、信用卡、磁盘等数据载体33.54.556.2电视 系 统 、 图 像 显 示 终端、计算机磁盘驱动器156.579心脏起搏器0.56.58911.5X 线成像设备，?照相机、CT0.110.513.515.519.5磁共振成像系统的部分磁场干扰源磁共振成像系统的部分磁场干扰源 干扰源 至磁体中心的最小距离（m） 地板内的钢筋网（15 公斤m 2) 1 钢梁、支持物、混凝支柱 5 轮椅、担架 8 大功率电缆、变压器 10 活动床、电瓶车、小汽车 12 起重机、卡车 15 铁路、地铁、电车 30 磁屏蔽的分类磁屏蔽的分类 可分为有源和无源两种： 有源屏蔽 （活跃的盾）是由一个线圈或线圈
10、系统组成的磁屏蔽。与工作线圈 （内线圈）相比，屏蔽线圈可称为外线圈。这种磁体的内线圈中通以正向电流，以产生所需的工作磁场；外线圈中通以反向电流，以产生反向的磁场来抵消工作磁场的杂散磁场，达到屏蔽的目的。 磁屏蔽的分类磁屏蔽的分类 无源屏蔽 （消极的盾）使用的是铁磁性屏蔽体，即上面所说的软磁材料罩壳。无源磁屏蔽可分为下述 3 种： （1) 房屋屏蔽：在磁体室上下及四周墙体镶入 厚钢板，构成封闭的磁屏蔽间。用材多 （十吨左右），价格昂贵。 （2) 定向屏蔽：若杂散磁场的分布仅在某个方向超出了规定的限度 （如 5 高斯），可在该方向的墙壁中安装屏蔽物，形成定向屏蔽。此法适用于磁共振成像室和 CT 室
11、共用一建筑物的情形。 （3) 自屏蔽 （自我 shelding 的）：是指仅在磁体周围安装铁磁材料屏蔽体的屏蔽方法。效果较好，体积大而重。 匀场技术 ?分无源匀场和有源匀场 ?无源匀场：在磁体内壁放置一些铁片来提高磁场均运行的方法。 ?磁体激励测量场强数据计算匀场参数去磁贴补铁片。 反复进行。 ?有源匀场：通过适当调整匀场线圈的电流强度，使其周围的局部磁场发生变化，来调整主磁场的均匀性。（GE，16个匀场线圈） ?无源、有源并用；无源是基础。 梯度场系统 ?梯度磁场系统是指与梯度磁场有关的一切单元电路。其功能是：为系统提供线性度满足的要求、可快速开关的梯度场，以提供MR信号的空间位置信息，实现
12、成像体素的空间定位。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RF激发后自旋系统的相位重聚作用。 ?MRI设备的分辨力高，通过调整梯度场，可直接摄取横、冠、矢状层面和斜位等不同体位的体层图像 梯度场系统 ?硬件部分由梯度控制器、 D/A转换器、梯度放大器和梯度线圈构成。 梯度场系统 一、梯度磁场的产生 梯度场给MR信号定位。 用三个方向的梯度场，Gx；Gy；Gz 频率编码梯度场 GX，相位编码梯度场 GY，选层梯度场 GZ 均匀静磁场 梯度场 ?涡流对梯度的影响 ?当梯度电流导通或切断时，变化的磁场在周围导体中感应出感生电流，此感生电流在金属体内环形流动。称为涡流。 ?涡流的
13、强度与磁场的变化率成正比。涡流所产生的 热量，称涡流损耗。 ?涡流也会产生变化的磁场，其方向与梯度磁场相反，会消弱梯度磁场。 ?涡流补偿可以通过RC电路使梯度脉冲电流产生畸变，因而产生所期望的梯度脉冲波形。 ?梯度线圈 ?X轴、Y轴、Z轴的三个梯度线圈的工作原理相同，但实现起来是不同的。梯度线圈分为：直线型、鞍型、螺线型及平面型。 X Y a.b -a.b a.-b -a.-b 直线系统 回路设计 1）回路和导线与Z轴夹角相同，结构紧凑、梯度减小 2）回路和导线与X轴夹角分别为67.5和22.5度，梯度增大 3）回路是矩形或半圆形 ?鞍型线圈 两对、四对鞍型线圈 Z L d 2 ?技术参数：磁
14、场梯度、梯度切换率、工作周期、有效容积及线性。 ?磁场梯度：即梯度磁场的强度。表征梯度场系统产生的磁场随空间的变化率。 ?梯度切换率：梯度场上升、下降的时间。切换率高，信噪比就高。 ?工作周期：梯度场工作时间占TR时间的百分数。 四、射频场系统 ?射频场系统 包括射频脉冲发射系统和 射频信号接收系统两部分。 用于建立RF场的RF线圈叫发射线圈。 用于检测MR信号的RF线圈叫接收线圈 发射线圈 发射线圈用来产生RF磁场，必须让RF功率放大器的输出电压加到线圈的两端，使使发射线圈共振于RF频率，这样线圈流过的电流最大，产生的RF磁场也最大。 下图：线圈与电容的谐振电路。 线圈L与电容C2并联，当满
15、足共振条件时，即产生谐振，线圈中的电流将是总电流的Q倍。由于发射线圈电阻很小， Q值为几十几百。 L C2 C1 ?发射线圈的类型： ?圆形线圈；鞍形线圈；螺线管线圈；低频鸟笼式线圈；高频鸟笼式线圈。 磁共振成像卷 高频鸟笼式线圈 ?发射通道： ?具有形成RF脉冲形状、对脉冲进行衰减控制、功率放大和监视等功能。 ?1、频率合成器：发射部分需要一路中频信号和一路同中频进行混频的信号；接收部分需要用到两路具有90相位差的中频信号，和用于混频的一路RF信号；整个RF部分的控制还要一个公用的时钟信号。这些都有频率合成器来产生。 ?2、发射混频器：它通过两种信号混频，产生RF信号，同时通过门控电路形成R
16、F脉冲波形。 ?3、发射调制器：对RF信号进行幅度调制。 ?4、功率放大器：将RF信号由0.5V，1mW左右，放大到足够大的功率。 30w 功率分解 600w 600w 功率合成 10kw 放大器 放大器 放大器 5、发射控制器：控制、协调 ?接受线圈与接收通道 ?接受线圈：用于接收人体所产生的 MR信号。 ?可以和发射线圈使用同一线圈，也可独立使用。 ?线圈越接近人体组织接收的信号越强；线圈越小、噪声越小。 ?常用一些专用线圈：头部线圈，关节表面线圈，脊柱相控阵线圈等。 ?接收通道 ?MR信号的感生电流很小，必须经接收通道放大、混频、滤波、检波、A/D转换等一系列处理后才能送到计算机。 接收
17、线圈 前置放大器 混频器 中频滤波器 相敏 检波器 低频 放大器 A/D 转换器 相敏 检波器 低频 放大器 A/D 转换器 ?1、前置放大器：位于开端，要求匹配，尤其要低噪。 ?2、混频器与滤波器 混频器： 将信号频谱搬移到中频上。 滤波器：滤除不必要的频率组合，滤噪。 ?3、相敏检波器：从来自中频滤波电路的中频信号中检测出低频MR信号。 ?4、低频放大与低通滤波 ?5、ADCA/D 五、计算机系统 ?主计算机系统：由主机、磁盘存储器、光盘存储器、控制台、主图像显示器、辅图像显示器、网络适配器以及测量系统的接口部件等组成。 射频发射 射频 线圈 射频 接收 梯度 形成 梯度放大 与线圈 射频
18、控制 梯度控制 计算机 重建控制 显示控制 阵列机AP 显示设备 （计算机功能框图） ?梯度场控制 ?每个梯度场都有一定的形状，并且X、Y、Z三个方向的梯度之间有严格的时序关系有严格的时序关系，必须用计算机控制。 ?直接控制： ?间接控制： CPU 缓存器 D/A 梯度驱动 梯度存储器 缓存器 D/A CPU 计算机 梯度驱动 解放了CPU ?射频脉冲的控制 ?根据成像方法的需要， MRI以一定的时间间隔，产生一定形状的RF脉冲波。包括：RF脉冲波形成、相位控制、脉冲开关等。（还包括 RF接收的衰减及滤波控制） 计算机 RF地址 计数器 数据寄存器 RF存储器 RF数据锁存储器 DAC ?图像重建 ?IOP 输入输出口 ?AP 快速数据处理机 CPU 采集部分 IOP地址版 IOP数据 AP 海量 存储 器 错误 检校 板 MRI总线 图像重建部分结构框图 ?图像显示 帧存1 帧存2 视频输出 处理器 图像 显示器 字符 数字版 时钟与 控制 操作员 终端 帧存接口 总线接口 图像显示部分框图 谢谢
