MRI原理及设备

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；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,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,磁共振成像系统的部分磁场干扰源,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,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RF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，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，