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1、1,核磁共振硬件系统结构详细介绍,医学影像专业课程,2,12.1 Introduction,主磁体 Magnet 梯度系统 Gradient system RF系统 RF system 计算机系统 Computer system,3,PDP11、VAX,SUN、SGI; PC,多用户操作系统 VMS（早期） UNIX,文件存档： MOD DVD CDR,3T： Linux（GE） Windows XP（SIEMENS、Philips）,4,MR 系统构造,5,MR系统部件和构造以及T/R转换开关,6,7,12.2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
2、（Homogeneity） 非均匀性 Inhomogeneity (ppm) = variation (T)/field strength (T) 106,8,主磁体类型,永磁体 Permanent magnet 常导体 Resistive magnet 超导体 Superconducting magnet,9,I 永磁体 Permanent magnet,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
3、 吨,10,HITACH AIRIS-mate (0.2T) 7.8吨 AIRIS-2 (0.3T) 10吨 APERTO (0.4T) 13吨,钕铁硼材料 优点: 高剩磁 缺点: 温度系数比较大,11,1. 结构 Ring(环型) Yoke(轭型),C-shape,H-shape,yoke,有源材料产生B0,无源材料形成磁路,12,13,2. 影响因素,剩磁 (Remanence) 矫顽力 (Coercive force) 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 structu
4、re) 一般永磁体场强不大于0.5,14,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；,15,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。,16,Air-cored resistive magnet constructed using four coils arranged either horizontally or verti
5、cally.,Air-cored resistive magnets Iron-cored resistive magnets,17,2. 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,18,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（P
6、lumbum）: 7.4K 铌钛合金（NiobiumTitanium）: 20K 稀土陶瓷(Ceramic) :100K,19,2. 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.,20,3. 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
7、超导状态； 超导材料要有合适的物理特性：可塑性(plasticity) 和柔韧性(pliability),21,4. 构造,Early SC magnet,22,23,24,NbTi纤维包埋在铜材中 铜材在失超时保护超导线圈,超导磁体线圈： 基于均匀性的考虑常使用 4-8组独立线圈,25,5. 磁体特性,场强 均匀性 稳定性,26,高场MR的优缺点,信噪比 图像细节 速度 功能成像 But！,27,化学位移伪影 RF功率沉积 高场强设备发射机功率通常是1025kW，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
8、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。,28,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。,29,a fully loaded pallet jack that has been sucked into the bore of an MRI system.,30,MRI系统不同磁体类型比较,31,12.3低温系统和制冷剂Low temperature system an
9、d 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),32,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,33,Helium level,34,励磁( Excitation) 、 退磁（Demagnetization）,1励磁过程（Excitation process） A.冷却磁体（Cooling
10、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）：,35,1)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。,36,UH- 加热电压 (超导开关) UL,IL,UL,UH make is not SC; IL increasing with the effect of UL; B increasing linearly with t; UL gradually decre
11、asing, till to 0 when B0 is acquired; Turn off UH IL decreasing to 0.,di/dt =-UL/L,37,2.Demagnetization,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,UH,IL,UL,S,38,3.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
12、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。,39,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）,40,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）。,41,失超保护二极管和失超保护电阻
13、Quench protection diode and resistance,低阻通路,SIEMENS OR 41 AS,失超: 100V电压限制 励磁/退磁: 10V电压,42,12.4 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,43,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
14、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；,44,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),45,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) Combinat
15、ion of both,46,1.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；,47,2.有源匀场（Actively shimming） 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；,48,主磁场线圈,超导匀场线圈,常导匀场线圈,
16、梯度线圈,位于磁体低温容器内,位于孔径内,有源匀场使用的线圈绕组有三类：超导匀场线圈、常导匀场线圈和梯度线圈,49,GE : SII , SIII magnet,1.5T 18 个超导匀场线圈（高阶) 隔热屏散热系统（压缩机和冷头） 排气系统和电流探头直插式 低温容器流速表和压力表便于观察 液氦侧罐口，易于补充,50,Main coil,主线圈电流为734.5A 主超导开关与主线圈和串联电阻并行连接 无阻通路 开关的超导状态：持久模式（persistent) 开关的有阻状态：有阻模式（resistive) 紧急失超：主线圈放置有另外的加热器，使主磁场快速退磁（rundown). 失超保护装置与主线圈并联，在失超或紧急退磁时保护主线圈。,51,Shimming coils,18个超导匀场线圈位于液氦容器内用于磁体匀场调节； 匀场调节程序需要的数据通过测绘装置和探头获得； Z2、Z4、Z6：容积内各处的磁场； Z1、Z3、Z5：磁体后端的磁场； C11+、C11-、C22-、C31、C33）：横向偶数线圈 S11+、
