医学影像专业课程-核磁共振硬件系统结构详细介绍

1、核磁共振硬件系统结构详细介绍,医学影像专业课程,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,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）,MR 系统构造,MR系统部件和构造以及T/R转换开关,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（Homogeneity）

2、非均匀性 Inhomogeneity (ppm) = variation (T)/field strength (T) 106,主磁体类型,永磁体 Permanent magnet 常导体 Resistive magnet 超导体 Superconducting magnet,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 吨,HITACH AIRIS-ma

3、te (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,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,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 structure) 一般永磁体场强不大于0.5,开放（孩子、幽闭症、介入

4、） 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；,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。,Air-cored resistive magnet constructed using four coils arranged either horizontally or vertically.,Air-cored resistive magnets Iron

5、-cored resistive magnets,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,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（Plumbum）: 7.4K 铌钛合金（NiobiumTitanium）: 20K 稀土陶瓷

6、(Ceramic) :100K,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.,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

7、),4. 构造,Early SC magnet,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,5. 磁体特性,场强 均匀性 稳定性,高场MR的优缺点,信噪比 图像细节 速度 功能成像 But！,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。,更

8、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。,a fully loaded pallet jack that has been sucked into the bore of an MRI system.,MRI系统不同磁体类型比较,12.3低温系统和制冷剂Low temperature system and 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(adiabati

9、c),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,Helium level,励磁( Excitation) 、 退磁（Demagnetization）,1励磁过程（Excitation process） A.冷却磁体（Cooling 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）：,1)加热超导开

10、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。,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 decreasing, till to 0 when B0 is acquired; Turn off UH IL decreasing to 0.,di/dt =-UL/L,2.Demagnetizatio

11、n,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,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。,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

12、运动 失超导致： B0 的崩溃瓦解 液氦迅速沸腾 （boiling-off）,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）。,失超保护二极管和失超保护电阻 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,12.4 屏蔽和匀场 Shielding and Sh

13、imming,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,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；,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；

14、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),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) Combination of both,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

15、时必须用有源匀场；,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；,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,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,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

16、压力表便于观察 液氦侧罐口，易于补充,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。,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-、C3

17、1、C33）：横向偶数线圈 S11+、S11-、X22+、S22-、S31、S33：横向奇数线圈,Subsystem element(子系统组件),磁体低温容器(Magnet cryostat） ： 包含6个超导主线圈、18个超导匀场线圈、18个超导开关和开关加热器、失超保护装置；硅二极管、超导液氦液面探测器和压力传感器位于低温容器内，分别监视低温容器的温度、液氦液面和压力； 制冷剂监视器 (Cryogen monitor) ：装在机架上与液氦液面传感器相连；,隔热屏散热压缩机(Heat insulation screen radiator compressor): 位于机柜间与MR的冷头相连

18、，对气氦进行压缩。 磁体紧急退磁装置(Magnet emergency demagnetization device)：装在墙壁上，与一组主线圈的加热器相连。按下按钮，给主线圈加热器供电，磁场快速降落(2分钟内, 20%以下) 液氦挥发率(Volatilization velocity of liquid He) 应小于0.2l/h 励磁/退磁、超导匀场：严格遵守手册中的步骤；,磁体维护/部件更换：挥发增加 挥发长期超标： 隔热屏散热器工作不正常 热-声振荡 真空受损 低温容器内部热短路 低温容器外部结冰通常是真空问题或热短路,传感器,温度检测二极管： 硅二极管，位于磁体支持物的上部和底部，监

19、视内部支持物温度； 还有位于隔热屏散热器安装套管的第一级和第二极接口点，用于温度检测和故障查找； 超导液氦液面传感器：位于低温容器内， 低温容器压力传感器,梯度场:随位置线性变化,12.5 梯 度 系 统,I. 主要部件 : 梯度波形发生器 梯度驱动级 梯度功率放大器 梯度线圈 others,II 梯度线圈,1.结构 Gz :一对环形线圈(Maxwell pair coils)流有反向电流 Gy: Golay configuration, 4 个线圈位于圆柱体外部 Gx: Golay coils (rotate 90),麦克斯韦对,Golay线圈,同圆线圈，线圈间距=31/2R 反向电流 Bz

20、=Gz(0)z+O(z/d)5 校正到5阶,8个120圆弧 近圆弧处对中心张角68.7 远端圆弧张角为21.3 ，距中垂面距离为2.57R（效率和回路）,梯度线圈设计方法一般采用目标场方法的逆向设计方法 根据期望的梯度场用傅立叶变化倒推电流密度分布； 已应用于设计涡流自屏蔽梯度线圈。,2.梯度脉冲波形: 梯形(trapezoidal) 一个上升沿(sloping rise)后跟一个平台(flat plateau )和一个下降沿(sloping fall)。,G,梯度强度G(strength) 单位距离内场强的变化量， in mT/m; 上升时间单位是s, 一般值在 1000s 200s. 梯度

21、场切换率(slew rate) 是单位时间单位距离的场强变化。一般在20-150T/m.s.,3. 梯度线圈充电特性: 响应时间 : =L/R 假定 300V,=1mH,=100m 如果给梯度线圈的供电时间达到5。序列所需要的电流值一般最大在200A的范围内，这时可看成是线性，电流上升的速率也最快（大约0.6 ms内达到160A的电流）。,L 上升速率 如电流上升速率比线圈特性允许的快，需提高梯度功率放大器,4.梯度线圈的噪声（噪音） 不断变化的梯度电流是梯度线圈产生振动（声频范围噪音）； 噪音与梯度场变化速率或电流变化率有关； di/dt越大，噪音越大。,III. 梯度放大器 实质是音频电流

22、放大器，负载时大电感、小电阻； 根据标称梯度电流的大小和方向以预设的方式向线圈传递能量，驱动电流流过梯度线圈产生梯度磁场； 梯度线圈梯度放大器的负载； 放大器种类 Linear amplifier(线性放大器) On-off amplifier（开关式放大器）,线性放大器 : 三极管(dynatron) 的功率损耗Ploss很大；,总消耗功率P,Ploss of dynatron,P,A,I,Ur,300V,Ploss=UI - I2R,线圈负载电阻功率消耗,开关式放大器（On-off amplifier，usually adopted) 全额输出、完全截至 三极管功率损失降低，提高放大器工作

23、效率,开关三极管,梯度功放后级主要由电子开关(场效应管、双极性三极管)、单向二极管(free-wheeling diode) 、储能和滤波电容、线圈组成；,开关闭合：,开关断开：,梯度线圈电感特性试图保持电流的稳定；梯度线圈相当于是电流源，驱动电流流经单向二极管。,开关三极管的切换频率必须与系统时钟同步，且固定；,通过改变脉冲占空比，可以调节电流的平均高度值。 Gmax主要受梯度电源限制；当给定G及最小切换时间，梯度功率取决于设计时的假设，但总体上是随着梯度线圈半径的45次幂增加； 增加梯度线圈绕组数量可减少电流需求，但会增加L，即增加；要提高切换速率需要相应地增加电压。,典型的电流:200A

24、300A 为快速切换，梯度电源必须能够支持电流以300A/s或更快的速率变化，这意味着典型的1mH线圈最小需要300V电压脉冲，还要有些剩余来弥补线圈和导线的阻抗损失。 由于梯度决定了空间频率域的采样点，因此梯度必须高度稳定，梯度电源必须极其精确。,梯度波形发生器数字信号经D/A转换得到模拟标称电流值 I0 ；实际值减去标称值I-I0 调节器,IV. Adjustment circuit,1. 实际值测量,梯度线圈电流测量利用精确直流传感器（ LEM法文缩写)无接触测量； 基于Hall效应,Hall effect,U=kIB/d,LEM,利用磁芯绕组的补偿电流，使空气间隙的磁场忽略不计，这个补

25、偿电流等于梯度电缆中电流平均值的千分之一。,2. PID(比例积分微分调节器),稳定性、精度、速度,Measure,PID: 相当于积分器(integrator) 比例(Proportion)调节器: 积分电路的一个时间常数(Time constant)使高频时相移为0，改进闭环的稳定性； Stability 积分(Integrator)调节器: 调节输出脉冲宽度，使低频误差信号为0； Accuracy 微分(Derivative)调节器:预测滤波器的电压来允许更高的环路增益； Speed PID SAS，弥补各自的不足(微分调节器的稳态偏差和积分调节器的调节速度慢)。 调节器的输出信号(控制

26、信号)与三角波电压进行比较，得到经脉冲宽度调制的四个触发信号，产生后级功率三极管所需的开关脉冲。,3.脉冲宽度调制,Stability, Speed , Accuracy,Measure,S1S4： 场效应管,+G:正向梯度电流(场效应管S2和S3工作); -G:负向梯度电流(场效应管S1和S4)。 +G 、-G ，梯度电源不供给能量，梯度线圈释放出来的能量送给储能电容C 。,V. 涡流（Eddy current）,梯度场的快速切换在周围导电材料中感应出涡流 涡流随G及其变化率变化。一旦达到一个稳定的平台值，涡流开始衰减。涡流的衰减可用指数函数近似，其=L/R是由导电材料的、有效电感决定。,对

27、于“高温导体”，R随着温度近似线性地增加 对于超导磁体，通常由制冷层的传导率以及有效电感决定 低温屏蔽层由温度大约70K的铝组成，产生的涡流具有很长的； RF体线圈的铜屏蔽(约300K)感应的涡流 短； 涡流效应相当于把梯度场脉冲进行低通滤波 如对涡流不加任何补偿，IG脉冲会产生畸变,涡流补偿方法,RC 元件使电流预畸变重新产生期望的梯度场脉冲 ; 预先补偿梯度的驱动电流可以达到对涡流的抑制 ； 有源屏蔽梯度(better approach): 避免涡流的动态非线性;,动态修改梯度电流 当加上涡流产生的阻挠场时，可得到具有合适场强和脉冲波形的净磁场,涡流分布与梯度线圈电流分布不尽相同，偏差主要

28、沿径向，在磁体长轴方向也同样存在； 由于涡流感应的磁场空间分布与梯度感应的磁场略微不同，预补偿梯度驱动电流不能完美地消除空间中每一点的涡流磁场； 通过合理的梯度线圈设计可使这种偏差最小； 涡流随时间衰减的动态非线性不可能由梯度线圈设计或预补偿梯度驱动电流来完全补偿； 用有源屏蔽梯度来避免涡流的动态非线性。,有源梯度屏蔽,在梯度线圈和低温容器间安放屏蔽线圈； 有源屏蔽线圈是与成像梯度线圈同轴安装的第二组梯度线圈； I屏蔽线圈与I梯度线圈方向相反，电流同步通断； 有源梯度屏蔽可削弱成像梯度在附近制冷层中的磁场，特别是消除更高次动态空间磁场畸变； 有源梯度屏蔽的缺点是较复杂、费用更高以及对电源的附加

29、需求。,GE公司Signa Horizon 系列梯度线圈组件称为Roemer线圈： Roemer线圈由内部和外部线圈组成 内部梯度线圈在成像区域产生10mT/m或更高的梯度场 外部梯度线圈与内部梯度线圈串联，因此两组线圈中的电流幅度相同，但外部梯度线圈产生的磁场与内部梯度线圈产生的磁场方向相反 结果使梯度线圈组件外侧的净磁场矢量为零。 Roemer线圈的这种自屏蔽效应使图象质量因为磁体的内部结构而下降的影响大大减少了。,VI. 梯度场参数,梯度幅度（Gradient magnitude ） 切换时间Switch time (Slew time) 切换率（Slew rate） 最大工作周期（Ma

30、x. work cycle）: TG/TR 梯度的工作周期越高，允许的层数越多。 许多制造商提供100%，即梯度系统不会限制临床扫描,临床常用的高质量常规MRI系统，强度为10 15mT/m，上升时间为0.5-1ms的梯度能令人满意 快速成像方法要求MR系统有更高的梯度性能，如G25mT/m，切换时间25MHz, 可使用/2传输线； 双路/2传输线可产生较好的B1； 双路传输线必须安装在磁体里，因此比/2 短，通过在两端增加可调电容C，电路可对称地缩短。,Resonance Cavity : 90dB.,12.8 扫描前系统调节,受扫描物体可影响B0，还有线圈的Q值和阻抗； 每个病人扫描前，系统应进行调整、校准；,I. 校正步骤:,1.天线调整（coil tuning） 2. f0 调整 3. 脉冲幅度校正 (发射调整) 4.自动匀场，特别是梯度匀场线圈； 5. 选择脉冲序列和扫描参数； 6.Attenuate/gain （接收调整） 病人位置变化，重复14； 扫描参数变化，重复56；,II. 线圈调谐、匹配 Coil tuning ，match,发射-接收线圈的阻抗必须与传输线和前放的阻抗匹配； 病人位置、姿势的改变可影响线圈阻抗，因此必须调谐、匹配； 改变C使得反射RF功率最小(一般自动进行) 反射功率为0则达到最佳调谐和匹配； 线圈的Q越高，可接收的范围越窄，调谐、匹配越