磁共振成像系统培训课件

复习 n1、对信噪比测量体模内部结构有什么要 求？测量哪些区域的信号强度和标准偏 差？如何计算？ n2、对均匀度测量体模内部结构有什么要 求？测量哪些区域的信号强度和标准偏 差？如何计算？ n3、对线性度测量体模内部结构有什么要 求？如何测量和计算线性度？ n4、如何用斜面的图像测量和计算成像层 厚度？ n5、分辨力与线对/厘米等于能分辨开的 最小间距是多少？ 磁共振成像系统 第一节 系统简介 主磁体 梯度系统 RF系统 计算机 n软件 n应用软件 n操作系统：多采用UNIX操作系统。 n硬件 n主机：目前多采用SUN、SGI工作站，PC机。 n接口、控制器：应用软件控制系统实施的桥梁。 n外部设备 第二节 磁体 nMR系统的核心部件，产生均匀磁场 n磁体两个重要特性 n时间稳定性 n空间均匀性 n安全性 l磁体类型 永磁体 常导 超导 一 永磁体 n永磁体由永磁材料组成； n如铁氧体、钕铁材料 1. 永磁体结构 n环型 n轭型 2.特性 n磁场较低0.35T n均匀度欠佳 n对温度十分敏感（应稳定在0.1C） n优点：磁场固定、寿命长、没有明显磁 场损失，不需要连续电流，不会生热、 维护费用少，容易制成开放式磁体。 二 常导磁体 n1.磁场形成：电流通过圆形线圈时，在导线 周围形成磁场。 n四线圈、六线圈：形成均匀磁场。 n2.导线的选择 n铜：电导率大，密度大，价格高，产热少 n铝：电导率小，密度小，价格低，产热多 n电流大、功耗大、散热多。热量由去离子水 带走。 n3.场不稳定性：电源不稳定导致磁场变化 。 n4.场不均匀性：调整补助场线圈，线圈放 置铁片匀场 三 超导磁体 1.超导原理：当温度降低到一定程度（临 界温度）时，导体电阻突然降低到零。 初始电流可无休止地循环。 n普通铅（Plumbum）为7.4K n铌钛合金20K（NiobiumTitanium） n陶瓷超导体100K n用超导材料绕制线圈，做成的磁体 2.超导材料选择注意事项： n可负载产生强磁场所需的大电流 n可保持超导状态（高于液氦沸点温度 4.2K） n有维持超导所需的低温制冷装置 n有合适的物理特性（可塑性、柔软性） nMRI应用广泛的超导材料是铌钛合金多芯复 合超导线，负载可达700A。铌钛合金位于铜 基中。 铜基作用： 铜基相当于绝缘体； 失超时，泄放磁体储 存的巨大能量，防止 超导体烧毁； 提高线圈的机械性能 。 3.超导磁体结构 n底座、内腔 、真空层、 低温保护层 、制冷剂容 器、制冷系 统、线圈以 及支架、保 护系统等。 (1)超导的励磁： 励磁过程 n冷却磁体：使绕组成为超导 n给绕组加电： n首先给超导开关加热使超导开关不起作用， n通过开关的接线柱加电压在磁体绕组中产生 感应电流， n获取需要的磁场强度后，加热器关闭，开关 恢复为超导，电流在绕组中流动。 线圈（无阻抗） ） 铜膜电阻 失超保护二极管 超导开关 电流导线 超导磁体内部电路简化示意图 励磁电源 加热器 超导线圈 开关元件 液氦 旁路电阻 焊接点 失超quench n局部磁体变为常导，产生热量，导致更大范 围成为常导，恶性循环最终失超。 n引发失超的常见原因： n磁通跳跃 n摩擦生热 n失超保护二极管（quench protection diode ） (2)超导的退磁 与励磁步骤相反。 四.杂散场屏蔽 n边缘场（fringe field） n杂散场（stray field） n无源屏蔽（大量铁块） n有源屏蔽（流有反向电流的线圈绕组） 五.匀场 n减小磁场偏差，满足到特定均匀度 。 n有源匀场（先进行） n无源匀场（后进行） 1.无源匀场： n在磁体内放置铁片，每个位置放置的铁片 数量经过特殊的匀场程序计算。 n可校正高次场不均匀性，而且材料便宜。 n无源匀场可减少有源匀场很难或不可能减 少的谐波函数。 2.有源匀场： n一系列载流绕组排列在磁体孔径的柱形 管上，与球形谐波展开式的一个系数近 似。这些绕组必须避免与磁体和梯度线 圈的相互影响。 n超导匀场线圈 n常导匀场线圈 n梯度线圈 主磁场线圈 超导匀场线圈常导匀 场线圈 梯度线圈 位于磁体低 温容器内位于孔径内 六.磁场特性 n1.磁场强度 n2.磁场稳定性 n3.主磁场均匀性 选择磁场强度的准则 1.高场强的优点 n场强越高，M越大，信号越强。 n高场对于化学位移波谱成像很重要。 2.高场强的缺点 n硬件和周围环境要求更高 n限制因素 原因影响 化学位移含水、脂肪组织 的 化学位移 主磁场的不均匀性空间失真 RF涡流（趋肤效应 ） 图像均匀性损失 RF损失增加病人温度 T1时间改变对 比度/噪声比 杂散场在一定距离内，更 易干扰外围设备 与 环境 A化学位移伪影 B RF功率沉积 n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。 C RF穿透性 nRF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。 D T1弛豫时间 nT1弛豫时间随场强增加而增加，更易发生磁 化未饱和，使SNR与场强不成正比。 E 更高的梯度要求 n梯度场随场强成比例地增强，因此高场强 要求驱动放大器的功率增加，强梯度磁场 产生的噪音更大。 F 价格 n一般情况场强高，价格高。 G 对人群的影响 n更易对其他病人和设备产生影响， 更应考虑杂散场。 第三节 梯度系统 n梯度：磁场强度沿着选择的方向线性变化 n共振频率与场强成正比 梯度系统主要组件 有： n梯度线圈组件 n梯度放大器 n梯度波形发生器 n其他部件（梯度 接口板、辅助电 缆及滤波器）。 梯度波形发生器 梯度驱动级 梯度功率放大器 一 梯度线圈 1.梯度线圈结构 nX、Y、Z梯度线圈分别独立，封装在玻璃 纤维制作的大圆柱体内，装在磁体孔径内 。 nZ梯度线圈由两个反向的线圈串联组成，两 个线圈的电流大小相等，方向相反。 nX、Y梯度线圈由两对鞍型线圈组成，每一 个线圈包含四个部分。 Y X 2.梯度线圈产生磁场 n单位为T/m n梯度线圈产生磁力线与主磁场同向或反向 3.梯度线圈充电特性 n梯度线圈响应时间为=L/R，L是梯度线圈 电感，R是线圈直流电阻。 n提高线圈的上升速率，必须降低线圈的电感 。 n要使电流上升时间更快，则需要提高梯度功 率放大器。 4.梯度线圈的噪声 n不断变化的梯度电流使梯度线圈产生振动 。 n梯度脉冲的声音由梯度场变化的速率或梯 度电流决定，di/dt。 二 梯度放大器 n目的：根据标称梯度电流的大小和方 向，以预设的方式，驱动电流通过梯 度线圈，产生梯度场。 n梯度放大器的负载：梯度线圈 n为减少三极管的功率损失，提高放大 器的工作效率，采用开关式放大器。 开关式功率放大器 300V 0V OR1 300V 30V Umax switch Uload Icoil Ubatt UbattUload Uload 梯度功放后级 l电子开关（场 效应管FET、双 极性三极管等） l单向二极管（ free-wheeling diode） l储能和滤波电 容以及梯度线圈 本身 n最大可能梯度幅度主要受梯度电流的限制 ，增加梯度线圈的绕组可减少电流需求， 但增加了电感，从而增加了梯度线圈的响 应时间（要提高切换率需要增加电压）。 n典型的电流范围200300A 三 涡流 n根据楞次定律，变化的磁场在周围导电 材料中感应随时间变化的电流涡流。 n涡流本身又产生随时间变化的磁场，消 弱梯度场，破坏了梯度场就破坏了编码 。 n涡流补偿 n利用RC元件使电流脉冲预畸变 n预先补偿梯度的驱动电流 n有源梯度屏蔽 第四节 RF脉冲系统 n主机根据选择的脉冲序列产生数字的脉 冲波形，经过数模转换之后变成模拟信 号，再经过调制放大，驱动发射线圈， 激发成像区域内原子核发生NMR现象， 产生NMR信号，经过放大、解调、滤波 、模数转换、预处理，再经过FT变换等 处理，重建 出图象送到显示器显示。 RF系统中比较特殊的部件有： nRF线圈 n收发开关 n/4传输线 n定向耦合器 n功率分配器 n频率合成器 n调制解调器 一 RF线圈基本理论谐振电路 n电容、电感串联或并联 二 RF线圈特性 n品质因数Q n负载效应 n去耦 1.品质因数Q nQ等于RF线圈的响应中心频率f0除以响 应曲线上半功率点间（峰值功率-3dB ）的频率差（）。 n空载时，体线圈、头线圈的Q约为200 。 nQ越高，带宽越窄，线圈的选择性越 好，噪声和伪信号减少。 2. 负载效应 nQ受负载的影响 n负载类型不同，对Q的影响不同 n负载类型相同，大负载对Q的影响大。 nRF线圈中有负载后，Q降低，响应变宽 。 n频率漂移与负载的影响 n大负载时，频率漂移又降低，带宽增加， 线圈仍可工作在可接受的频率。 n小负载线圈的频率漂移虽然小，带宽不增 加，可能没有工作在可接受的频率。 nRF线圈在空载时调谐，兼顾所有负载类型 。 3. 去耦 n如发射、接收功能分别由不同的线圈完成 ，消除发射和接收线圈的相互作用成为去 耦。 n如去耦不好，发射线圈的发射场会产生畸 变，接收线圈中的感应信号会破坏前置放 大器。 n去耦不好会引起噪声增加和信噪比降低。 n去耦二极管完成去耦 二极管去耦和线圈匹配网络示意图 Cs Cp Cp 三. RF线圈的种类 n以功能分： n发射线圈 n接收线圈 n发射、接收共用： n体线圈 n头线圈 n四肢线圈 n表面线圈仅用于接收 四.RF常用器件 1. 同轴电缆 n同轴电缆传输发射功率和接收MR信号， 而且兼有屏蔽作用避免辐射损耗和烦扰 。 同轴电缆传输 线示意图 2. RF开关 n发射和接收开关连接在RF功放与线圈及 前放之间。 n发射期间：发射接收开关使RF发射器到 线圈之间的通路接通，并保护敏感的前 放不接收高脉冲功率。 Siemens公司采用的T/R开关电路示意图 。 T/R开关简化示意图 nRF发射期间，RF信号电压强度足以使D1 、D2导通，RF功率经过D1、D2几乎无损 失地到达天线， D3、D4导通，即对地短 路。二极管前端的/4线将短路转换为天 线输入端的开路，从而保护了前放。 n接收期间，逆向二极管D1、D2不导通， 防止发射器的噪声进入前放，并防止MR 信号消失在发射器中。 D3、D4为高阻抗 ，信号经过/4线无阻尼到达前放。 MR系统RF信号路径 第五节. 系统调节 n进入磁体孔内的物体影响磁场均匀性分 布，同时使线圈的填充系数发生变化， 影响线圈的阻抗特性和品质因数，每次 检查病人前需要进行校准。 一.MR检查的校准步骤 1.天线的调整（线圈调谐） 2.MR中心频率的检查和设定（频率调整） 3.脉冲幅度校准（发射调整） 4.自动调节匀场，特别是梯度线圈匀场 5.设定接收器的增益（接收器调整） 1.线圈的调谐 n发射接收线圈的阻抗必须与传输线及前放 的阻抗相匹配。由于病人的身材和位置会影 响线圈的阻抗，必须对线圈进行调谐。 n调谐即改变电容使发射线圈的RF功率具有最 小的反射。（一般自动调谐） n线圈Q值越高。可接受的频率范围越窄，越难 调谐和匹配；反之易调谐。 n反射功率为0时，线圈达到最佳调谐和匹配。 n通过马达驱动调节电容，实现自动调谐和 匹配头线圈、体线圈。 n操作者手动调节，如早期的膝关节。 n电子驱动，如脊柱线圈等一些表面线圈。 n有些表面线圈有很宽的可接受频率范围， 不必进行调谐，但是SNR低。 n对于某些病人偶尔不能调谐，可能是身材 太大或太小。对于很小负载的情况，可在 线圈附近摆放盐水袋增加负载；对于个子 太大，可轻微调整位置。 2. 频率的调节 n身材、体形、磁化率 不同使磁场轻微变化 。 n使用非常短的非选择 性脉冲调节。 n调节共振频率时，具 有最大信号幅度的共 振频率fr与载波频率f0 。 二.计算机控制系统 n测量控制系统 n静态测量控制 n动态测量控制 n脉冲序列控制 n生理信号序列控制 n图像处理系统 n图像处理器 n图像仪 （一）测量控制系统 n测量控制部分的功能是为接收MR信号产生 所需的各种控制，并为图像处理器准备下一 步处理的数据。任务有： n产生将质子激发所需的调制RF信号 n提供精确的电流脉冲，以产生线性梯度场 n将接收的MR信号放大和解调 n把幅度和相位信息转换成数字值，送给图 像处理单元 n控制和监视整个测量系统的功能 1.静态测量控制 n包括与床、RF调谐系统、RF信号单元以 及梯度功率控制器的通讯。 n静态测量控制部分所控制的功能在整个 测量期间不会改变，如滤波器和衰减器 。 2.动态测量控制 n（1）脉冲序列控制 n（2）生理信号序列控制 （二） 图像处理系统 主机、图像处理器、图像仪 主机：是系统的中央控制计算机，装有操 作系统（VMS，UNIX，DOS等）和用户 应用系统（如Siemens的NUMARIS，GE 的GENESIS）。 图像处理器：从获得的原始数据中重建出 图像； 图像仪：处理图像数据，并把它们转换成 模拟视频信号，或为硬拷贝设备提供模 拟或数字信息。 图 像 处 理 系 统 组 成 示 意 图 1.图像处理器 n预处理 n偏移量校正 n平均 n原始数据滤波 nFT 2.图像仪 窗宽、窗位的调整 nMRI原始数据16位，重建后的图像象素 的深度是12位，即212=4096级灰阶。人 眼只能分辨32级灰阶，即5位深度。为获 得平滑效果，一般选择256灰阶（8位） 。 n窗的