第六章 磁共振成像设备医学影像设备学Contentsl概述l主磁体系统统l梯度磁场场系统统l射频场频场系统统l计计算机图图像重建与控制系统统第一节 概述一、磁共振成像的发展简史磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）是随着计算机网络技术、电子技术、低温超导技术、系统科学技术、磁体制造技术及图像处理技术迅速发展起来的医学诊断技术，它既可提供形态学结构信息，又可提供生物化学及代谢信息，在当今医学诊断技术中占有绝对优势磁共振成像的发展简史l1946年，发现磁共振现象Bloch水比 Purcell石蜡,晚半个月）,1952年获诺贝尔物理 学奖;l1967年,约翰斯等成功检测出动物体内分布的氢 、磷和氮的MR信号1970年Damadian发现正 常组织与肿瘤组织的MR信号明显不同,并于 1971年在杂志上发表文章1972年 Lauterbur指出用MR信号可重建成像，提出 MR空间编码技术l1977年7月3日Damadian与他的实验小组用经历 了7年时间设计制造出的第一台全身磁共振成像 系统1978年5月8日英国诺丁汉大学和阿伯丁大学的物理学家取得人体头部磁共振成像l1973年至1977年是磁共振波谱技术与成像理论相结合的时期，这期间产生了多种成像方法和理论 ，并进行了一系列人体成像的基础医学研究和技 术准备工作。
l80年代MR成像进入临床应用1930s，爱西多.艾沙克.拉比（Isidor Isaac Rabi）应用锂电子 束通过磁场，然后用无线电波轰击该电子束从而发展了分子 束磁共振，1940s，各自独立证实了被称为“浓缩物体中核磁共振｛NMR ｝的现象”，1952年获诺贝尔物理学奖“以表彰他们对于核磁 精密测量新方法的发展及有关的发现”尼克拉斯.布劳姆伯格、罗伯特.庞德和爱德华.迈尔斯.珀塞尔 发展了磁驰豫作用的偶-偶极理论，这揭示了在生物体内产生 对比的机制，从而使对比剂的合理设计成为可能引导磁共振成像发展的大事件1950s，欧文.汉姆发现了用于核磁共振测量的 自旋回波现象1960s，理查德.R.恩斯特和威斯顿.A.爱德森证 明了脉冲NMR信号的傅立叶分析法能提供比连 续电波NMR方法有所提高的敏感度和灵活度引导磁共振成像发展的大事件1970s爱伦.M.科马克和哥德弗雷.N.享斯菲氽德应用了从投射到 重建的方法——此几乎是目前每个复杂成像系统的基础，促进 了CT扫描仪的发展 保罗.C. 劳特布尔将梯度概念想结合，进而获得了第一幅MRI 图像 彼得.曼斯菲尔德应用磁场梯度获得了樟脑分层的1D投射，平 面回波成像概念提供了从单次激发中获得完整的2D图像。
首创 了层面选择激发技术，和同事们一起公开发表了人体的首个 MRI图像 1980s库尔特.维特里希发现了在血红蛋白中选取的氨基酸信号 的脱氧化效应，随后建立了测定蛋白质和其它大分子的方法引导磁共振成像发展的大事件1.多参数成像，可提供组织脏器的解剖结构及丰富的生理、生化信息 2.可进行任意方位断面成像 3.软组织分辨力高4.多种特殊成像:MRCP、MRU、MRA5. 无电离辐射的安全检查 6.与CT相比，磁共振检查无骨性伪影二、磁共振成像的特点1.MRI•各种参数的解剖学结构图像用以区别不同器官 •可利用被检组织的物理和生物化学特性作组织特性评价 •通过流动效应来评价血流和脑脊液的流动 2.MRS利用化学位移对应的频谱分析揭示组织内生理、生化情 况，是一种活体生化分析方法 3.介入磁共振实现精确定位及图像引导，达到某种诊断和治疗目的三、磁共振成像的临床应用及局限性1. 扫描时间较长、费用较高 2. MR信号易受多种因素的影响 3. 对钙化灶不敏感4. 禁忌症多 金属异物、早孕者(三个月内)、不安静者（恐惧者、婴儿、高危病人）、高温潮湿环境下、高热或散热功能障碍者磁共振成像的局限性四、磁共振成像设备的组成磁共振成像系统的分类•根据成像的范围来看，它可分为实验用MRI 、局部(头、乳腺等)MRI和全身MRI等三种。
•根据主磁场的产生方法来分类，可有永磁型 、常导(阻抗)型、杂交型和超导型等四种 •根据其用途分为介入型和通用型两大类无论哪一种MRI系统，都可以看作信号(包括 产生、探测和编码)和图像(包括数据采集、 图像重建和显示)两大功能模块的有机组合 磁体、梯度系统、射频系统、计算机和图像重建系统是任何 MRI系统不可缺少的部分实用的成像系统要复杂得多例如 ，为了加快图像的处理速度，系统中一般都有专用的图像处 理单元；为了实施特殊成像(如心脏门控)，一般还有对有关 生理信号进行处理的单元图像的硬拷贝输出设备(如激光相 机)等也是必需的MRI系统之所以庞大的另一个原因，就是 除了成像所需的设备外，还要有许多附属设备与之相配套 常用的这类设备有：磁屏蔽体、射频屏蔽体、冷水机组、不 间断电源、空调以及超导磁体的低温保障设施等磁共振成像系统的组成磁共振成像系统的组成第二节 主磁体系统作用：主磁体产生高度均匀、稳定的静态磁场， 使人体组织内的氢质子在磁场内形成磁矩，并以 拉莫频率沿磁场方向进行自旋分类：永磁体、常导磁体及超导磁体低场、中场、高场主磁体的性能指标1.主磁场强度MRI系统的主磁场B0又叫静磁场(static magnetic field)。
由于在一定范围内增加其强度，可使图像的信噪比(SNR)得以提高提高场 强的唯一途径就是采用超导磁体 磁场强度的 选择应综合考虑信噪比、生物的穿透力和人体 安全性三个方面 临床医学成像用：0.2T--3T 实验用：3T--12T场强的提高导致u磁体造价增加; u化学位移正比于磁场强度; uT1弛豫时间延长，在TR为定值时，信号强度降低; u主磁场强度的提高拉莫频率提高，射频能量提高， 导致射频激发场的分布不均匀，信号衰减明显; u逸散磁场增大; u5高斯线的边界更远,机房增大,建筑费用增加.2.磁场均匀性MRI的磁体在其工作孔径内产生匀强磁场均匀性(homogeneity)，是指在特定容积限度内磁场的同一性，即穿过单位面积的磁力线是否相同这里的特定容积通常取一球形空间在MRI系统中，均匀性是以主磁场的百万分之一10-6(ppm)作为一个偏差单位定量表示的磁场不均匀度（10-6）=B/B0 10-6 ppm化学位移 信号丢失 空间定位畸变 测量方法： DSV:10cm、20cm、30cm、 40cm、50cm 平方根法：RMS 容积平方根法：Vrms 点对点法：P-P3.磁场稳定性受磁体附近铁磁性物质、环境温度或匀场电源漂移等因素的影响，磁场的均匀性或场值也会发生变化，这就是常说的磁场漂移。
稳定性就是衡量这种变化的指标稳定性意味着单位时间内磁场的变化率，在一定程度上亦会影响图像质量,短期稳定性在几个ppm/h，长期稳定性在10ppm/h以内磁场的稳定性可以分为时间稳定性和热稳定性两种时间稳定性指的是磁场随时间而变化的程度如果在一 次实验或一次检测时间内磁场值发生了一定量的漂移， 则这种漂移就会影响到图像质量磁场的漂移通常以一 小时或数小时作为限度一般说来，磁场的短期(1～2小 时)漂移不能大于5ppm，而长期(以8小时为周期)漂移量 须小于10ppm磁体电源或匀场电源波动时，会使磁场的 时间稳定性变差温度稳定性指磁场值随温度的变化而漂移永磁体和常 导磁体的热稳定度比较差4.符合需要的有效孔径对于全身MRI系统，磁体的有效孔径以足以容纳人体为宜一般来说其内径必须大于65cm孔径过小容易使 被检者产生压抑感，孔径大些可使病人感到舒适然而 ，增加磁体的孔径在一定程度上比提高场强更难需要强调的是，这里所说的孔径指梯度线圈、匀场线圈、射频体线圈和内护板等均安装完毕后柱形空间的 有效内径实际的磁体孔径即磁体的室温孔径要比它大 得多例如，牛津公司UNISTAT磁体本身的内径为1050mm ，但装入匀场线圈后成为920mm、安装梯度线圈后其内径 进一步减小为750mm。
5.磁场的逸散度强大的主磁体周围所形成的逸散磁场,会对附近的铁磁性物体产生很强的吸引力,使人体健 康或医疗仪器设备受到不同程度的损害、干扰和 破坏5高斯场范围主磁体的种类及特点（一）永磁型永磁型磁体(permanent magnet)是最早应用于MRI全身成像的磁体用于构造这种磁体的永磁材料主要有：铝镍钴、铁氧体和稀土钴（稀土钕铁硼）三种类型永磁体的结构永磁体的特点永磁体提高场强的办法只能增加磁铁用量场强、孔径和磁体重量三者合理选配 优点：结构简单造价低、功耗小，维护费用低、杂 散磁场小、开放适用于介入 缺点：磁场强度低（1钢梁、支持物、混凝支拄>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干 扰 源至磁体中心的最小距离(m)铁路、地铁、电车>30二、磁屏蔽 所谓磁屏蔽 (magnetic screen或 magnetic shield)， 就是用高饱和度的铁 磁性材料来包容特定 容积内的磁力线它 不仅可防止外部铁磁 性物质对磁体内部磁 场均匀性的影响，同 时又能大大削减磁屏 蔽外部杂散磁场的分 布 （一）磁屏蔽（一）磁屏蔽 （二）磁屏蔽的分类 MRI系统的磁屏蔽可分为有源和无源两种 。
有源屏蔽(active shield)是指由一个线 圈或线圈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则通以反向 电流，以产生反向的磁场来抵消工作磁场 的杂散磁场，从而达到屏蔽的目的如果 线圈排列合理或电流控制准确，屏蔽线圈 所产生的磁场就有可能抵消杂散磁场无源屏蔽(passive shield)使用的是铁磁 性屏蔽体，即上面所说的软磁材料罩壳， 它因不使用电流源而得名根据屏蔽范围的不同，无源磁屏蔽又可分 为下述三种 (1)房屋屏蔽：即在磁体室的四周墙壁、 地基和天花板等六面体中均镶入4～8mm 厚的钢板，构成封闭的磁屏蔽间这种 屏蔽体的用材常达数十吨甚至上百吨， 因而价格昂贵 (2)定向屏蔽：如果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)， 则可只在对应方向的墙壁中安装屏蔽物 ，形成杂散磁场的定向屏蔽这种方法 特别适用于MRI室和CT室共用一建筑物的 情形 (3)自屏蔽(self-shielding)：是指仅在 磁体周围安装铁磁材料屏蔽体的屏蔽方 法用这种方法可以得到非常理想的屏 蔽效果。
如果再在屋顶加装定向屏蔽， 则它有可能使主磁场的5高斯线完全限制 在一般建筑物的楼层高度之内磁体磁屏蔽端环 立柱三、射频屏蔽 由于发射器的功率高达数千瓦，工作时产生 的RF脉冲又处于电磁波谱的米波段，极易干扰邻 近的无线电设备(如调频无线电广播)；另一方面 ，线圈接收到的共振信号功率为纳瓦级，又容易 受干扰而淹没因此，MRI的磁体室须安装有效的 RF屏蔽常见的RF屏蔽用铜板或不锈钢板制做，并镶嵌 于磁体室的四壁、天花板及地板内，以构成一个 完整的、密封的RF屏蔽体 四、冷水系统 接室外机组接磁体冷头氦压缩机冷水机过滤器上水下水超导磁体中通常设置两个冷屏，即80K和20K冷屏 （也有仅一个冷屏的磁体），二者的作用都是直 接减少辐射传热在磁体的低温容器顶部还装有 一个二级膨胀的冷头(致冷机)，它提供冷氦气来 维持冷屏的温度氦压缩机和冷水机组都是与此 配套的设备氦压缩机中充以高纯度的氦气，并 通过绝热软管与冷头相连工作时，由冷头循环 而来的热氦气(约17Bar)被压缩至22Bar左右，使 其温度聚然升高此高温高压氦气在热交换器中 与压缩机油交换热量,使得温度迅速下降，成为低 温氦气低温氦气经油水分离器滤除其中的油滴 ，方送冷头致冷用。
磁共振设备思考题1 1．磁共振成像的特点有哪些？．磁共振成像的特点有哪些？2 2 ．．磁共振成像系统由哪几部分组成？磁共振成像。