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1、 1 第一节第一节 磁共振成像仪的基本硬件磁共振成像仪的基本硬件 医用医用 MRI 仪通常由主磁体、梯度线圈、脉冲线圈、计算机仪通常由主磁体、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。系统及其他辅助设备等五部分构成。 一、主磁体 主磁体是主磁体是 MRI 仪最基本的构件，是产生磁场的装置。根据仪最基本的构件，是产生磁场的装置。根据 磁场产生的方式可将主磁体分为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。 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 式式 MRI 仪采用永
2、磁型主磁体。电磁型主磁体是利用导线绕成的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。 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抗几乎消失
3、， 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，目前中高场强的直存在，并产生稳定的磁场，目前中高场强的 MRI 仪均采用超仪均采用超 导磁体。主磁体最重要的技术指标包括导磁体。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（主磁场的场强可采用高斯（Gauss，G）或特斯拉（）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）来表示，特斯拉是目前磁场强度的法定单位。距离 5 安培电安培电 流通过的直导线流通过的直导线 1cm 处检测到的磁场强度被定义为处检测到的磁场强度被定义为 1 高斯。特高斯。特 斯拉与
4、高斯的换算关系为：斯拉与高斯的换算关系为：1 T = 10000 G。在过去的。在过去的 20 年中，年中， 临床应用型临床应用型 MRI仪主磁体的场强已由仪主磁体的场强已由 0.2 T以下提高到以下提高到 1.5 T以以 上，上，1999 年以来，年以来，3.0 T 的超高场强的超高场强 MRI 仪通过仪通过 FDA 认证进入认证进入 临床应用阶段。目前一般把临床应用阶段。目前一般把 0.5 T 以下的以下的 MRI 仪称为仪称为低场机， 0.5 T 到到 1.0 T 之间的称为之间的称为中场机，1.0 T 到到 2.0 之间的称为之间的称为高场 机（1.5 T 为代表） ，大于为代表） ，
5、大于 2.0 T 的称为超高场机（的称为超高场机（3.0 T 为代表） 。为代表） 。 高场强高场强 MRI 仪的主要优势表现为： （仪的主要优势表现为： （1）主磁场场强高提高）主磁场场强高提高 质子的磁化率， 增加图像的信噪比； （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，） 在保证信噪比的前提下， 可缩短可缩短 MRI 信号采集时间； （信号采集时间； （3）增加化学位移使磁共振频谱）增加化学位移使磁共振频谱 （magnetic resonance spectroscopy，MRS）对代谢产物的分辨）对代谢产物的分辨 力得到提高； （力得到提高； （4）增加化学位
6、移使脂肪饱和技术更加容易实现；）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（）磁敏感效应增强，从而增加血氧饱和度依赖（BOLD）效）效 应，使脑功能成像的信号变化更为明显。应，使脑功能成像的信号变化更为明显。 当然当然 MRI 仪场强增高也带来以下问题： （仪场强增高也带来以下问题： （1）设备生产成本）设备生产成本 增加，价格提高。 （增加，价格提高。 （2）噪音增加，虽然采用静音技术降低噪音，）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。 （但是进一步增加了成本。 （3）因为射频特殊吸收率（）因为射频特殊吸收率（specific
7、absorption ratio，SAR）与主磁场场强的平方成正比，高场强下）与主磁场场强的平方成正比，高场强下 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 2 射频脉冲的能量在人体内累积明显增大，射频脉冲的能量在人体内累积明显增大， SAR 值问题在值问题在 3.0 T 的的 超高场强机上表现得尤为突出。 （超高场强机上表现得尤为突出。 （4）各种伪影增加，运动伪影、）各种伪影增加，运动伪影、 化学位移伪影及磁化率伪影等在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。由超高场机上更为明显。由 于上述问题的存在，于上述问题的存在，3.0 T 的的 MRI 仪在
8、临床应用还有一定限制，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，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，目前以因此，目前以 1.5 T 的高场机最为成熟和实用。的高场机最为成熟和实用。 MRI 对主磁场均匀度的要求很高，原因在于： （对主磁场均匀度的要求很高，原因在于： （1）高均匀）高均匀 度的场强有助于提高图像信噪比， （度的场强有助于提高图像信噪比， （2）场强均匀是保证）场强均匀是保证 MR 信信 号空间定位准确性的前提， （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）场强均匀可减少伪影（特别是磁 化率
9、伪影） ， （化率伪影） ， （4）高度均匀度磁场有利于进行大视野扫描，尤其）高度均匀度磁场有利于进行大视野扫描，尤其 肩关节等偏中心部位的肩关节等偏中心部位的 MRI 检查， （检查， （5）只有高度均匀度磁场才）只有高度均匀度磁场才 能充分利用脂肪饱和技术进行脂肪抑制扫描， （能充分利用脂肪饱和技术进行脂肪抑制扫描， （6） 高度均匀度磁） 高度均匀度磁 场才能有效区分场才能有效区分 MRS 的不同代谢产物。现代的不同代谢产物。现代 MRI 仪的主动及仪的主动及 被动匀场技术进步很快，使磁场均匀度有了很大提高。被动匀场技术进步很快，使磁场均匀度有了很大提高。 为保证主磁场均匀度，以往为保证
10、主磁场均匀度，以往 MRI 仪多采用仪多采用 2m 以上的长磁以上的长磁 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 1.4m1.7m 的高场强（的高场强（1.5T）短磁体，使病人更为舒适，尤其）短磁体，使病人更为舒适，尤其 适用于幽闭恐惧症的患者。适用于幽闭恐惧症的患者。 随介入随介入 MR 的发展，开放式的发展，开放式 MRI 仪也取得很大进步，其场仪也取得很大进步，其场 强已从原来的强已从原来的 0.2T 左右上升到左右上升到 0.5T 以上，目前开放式以上，目前开放式 MRI 仪仪 的最高场强已达的最高场强已达 1.0T。图
11、像质量明显提高，扫描速度更快，已。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，使经几乎可以做到实时成像，使 MR“透视透视”成为现实。开放式成为现实。开放式 MR 扫描仪与扫描仪与 DSA 的一体化设备使介入放射学迈进一个崭新时代。的一体化设备使介入放射学迈进一个崭新时代。 二、梯度线圈 梯度线圈是梯度线圈是 MRI 仪最重要的硬件之一，主要作用有： （仪最重要的硬件之一，主要作用有： （1） 进行进行 MRI 信号的空间定位编码；（信号的空间定位编码；（2） 产生） 产生 MR 回波 （梯度回波） ；回波 （梯度回波） ； （3）施加扩散加权梯度场； （）施加扩散加权梯度场；
12、 （4）进行流动补偿； （）进行流动补偿； （5）进行流动）进行流动 液体的流速相位编码。 梯度线圈由液体的流速相位编码。 梯度线圈由 X、 Y、 Z 轴三个线圈构成 （在轴三个线圈构成 （在 MR 成像技术中，把主磁场方向定义为成像技术中，把主磁场方向定义为 Z 轴方向，与轴方向，与 Z 轴方向轴方向 垂直的平面为垂直的平面为 XY 平面） 。梯度线圈是特殊绕制的线圈，以平面） 。梯度线圈是特殊绕制的线圈，以 Z 轴轴 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，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因
13、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） ，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。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轴梯度场的产生机理与 Z 轴方向相同，只是方向不同而已。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（梯度线圈的主要性能指标包括梯度场强和切换率（slew rate） 。） 。 梯度场强是指单位长度内磁场强度的差别， 通常用每米长度梯度场强是指单
14、位长度内磁场强度的差别， 通常用每米长度 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3 内磁场强度差别的毫特斯拉量（内磁场强度差别的毫特斯拉量（mT/M）来表示。图）来表示。图 1 为梯度场为梯度场 强示意图，条状虚线表示均匀的主磁场，斜线表示线性梯度场；强示意图，条状虚线表示均匀的主磁场，斜线表示线性梯度场； 两条线相交处为梯度场中点， 该点梯度场强为零， 不引起主磁场两条线相交处为梯度场中点， 该点梯度场强为零， 不引起主磁场 强度发生变化； 虚线下方的斜线部分表示反向梯度场， 造成主磁强度发生变化； 虚线下方的斜线部分表示反向梯度场， 造成主磁 场强度呈线性降低； 虚
15、线上方的斜线部分为正向梯度场， 造成主场强度呈线性降低； 虚线上方的斜线部分为正向梯度场， 造成主 磁场强度呈线性增高。 有效梯度场两端的磁场强度差值除以梯度磁场强度呈线性增高。 有效梯度场两端的磁场强度差值除以梯度 场施加方向上有效梯度场的范围（长度）即表示梯度场强，即：场施加方向上有效梯度场的范围（长度）即表示梯度场强，即： 梯度场强 （梯度场强 （mT/M） 梯度场两端的磁场强度差值） 梯度场两端的磁场强度差值/梯度场的梯度场的 长度长度 图 1 梯度场强示意图 图 2 梯度场切换率示意图 切换率（切换率（slew rate）是指单位时间及单位长度内的梯度磁场）是指单位时间及单位长度内的
16、梯度磁场 强度变化量，常用每秒每米长度内磁场强度变化的毫特斯拉量强度变化量，常用每秒每米长度内磁场强度变化的毫特斯拉量 （mT/M.S）来表示，切换率越高表明梯度磁场变化越快，也即）来表示，切换率越高表明梯度磁场变化越快，也即 梯度线圈通电后梯度磁场达到预设值所需要时间 （爬升时间） 越梯度线圈通电后梯度磁场达到预设值所需要时间 （爬升时间） 越 短。 图短。 图 2 为梯度场切换率示意图。 梯度场的变化可用梯形来表示，为梯度场切换率示意图。 梯度场的变化可用梯形来表示， 梯形中只有中间的矩形部分才是有效的， 矩形部分表示梯度场已梯形中只有中间的矩形部分才是有效的， 矩形部分表示梯度场已 经达到预定值并持续存在， 梯形的左腰表示梯度线圈通电后梯度经达到预定值并持续存在， 梯形的左腰表示梯度线圈通电后梯度 场强逐渐增高、直至预定值，用场强逐渐增高、直至预定值，用 t 表示梯度场增高到预定值所需表示梯度场增高到预定值所需 的时间，则梯度场的的时间，则梯度场的 切换率梯度场预定强
