磁共振成像系统培训课件.ppt

1、复习,1、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？ 2、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？ 3、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？,4、如何用斜面的图像测量和计算成像层厚度？ 5、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 软件 应用软件 操作系统：多采用UNIX操作系统。 硬件 主机：目前多采用SUN、SGI工作站，PC机。 接口、控制器：应用软件控制系统实施的桥梁。 外部设备,第二节 磁体,MR系统的核心部

2、件，产生均匀磁场 磁体两个重要特性 时间稳定性 空间均匀性 安全性,磁体类型 永磁体 常导 超导,一 永磁体,永磁体由永磁材料组成； 如铁氧体、钕铁材料,1. 永磁体结构 环型 轭型,2.特性 磁场较低0.35T 均匀度欠佳 对温度十分敏感（应稳定在0.1C） 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,1.磁场形成：电流通过圆形线圈时，在导线周围形成磁场。 四线圈、六线圈：形成均匀磁场。 2.导线的选择 铜：电导率大，密度大，价格高，产热少 铝：电导率小，密度小，价格低，产热多 电流大、功耗大、散热多。热量由去离子水带走

3、。,3.场不稳定性：电源不稳定导致磁场变化。 4.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。 普通铅（Plumbum）为7.4K 铌钛合金20K（NiobiumTitanium） 陶瓷超导体100K 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： 可负载产生强磁场所需的大电流 可保持超导状态（高于液氦沸点温度4.2K） 有维持超导所需的低温制冷装置 有合适的物理特性（可塑性、柔软性）,MRI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

4、。,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,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 冷却磁体：使绕组成为超导 给绕组加电： 首先给超导开关加热使超导开关不起作用， 通过开关的接线柱加电压在磁体绕组中产生感应电流， 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que

5、nch 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。 引发失超的常见原因： 磁通跳跃 摩擦生热 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,边缘场（fringe field） 杂散场（stray field） 无源屏蔽（大量铁块） 有源屏蔽（流有反向电流的线圈绕组）,五.匀场,减小磁场偏差，满足到特定均匀度。 有源匀场（先进行） 无源匀场（后进行）,1.无源匀场： 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。 可校正高次场不均匀性，而且材料便宜。 无源匀场可减少有源匀场很难或不

6、可能减少的谐波函数。,2.有源匀场： 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。 超导匀场线圈 常导匀场线圈 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,1.磁场强度 2.磁场稳定性 3.主磁场均匀性,选择磁场强度的准则,1.高场强的优点 场强越高，M越大，信号越强。 高场对于化学位移波谱成像很重要。 2.高场强的缺点 硬件和周围环境要求更高 限制因素,A化学位移伪影 B 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.

7、5T时，RF沉积将限制重复时间。 C 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。,D T1弛豫时间 T1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 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 一般情况场强高，价格高。 G 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。,第三节 梯度系统,梯度：磁场强度沿着选择的方向线性变化 共振频率与场强成正比,梯度系统主要组件有： 梯度线圈组件 梯度放大器 梯度波形发

8、生器 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 X、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。 Z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。 X、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 单位为T/m 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 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。 提高线圈的上升速率，必须降低线圈的电感。 要使电流上升时间更快，则需要提高梯度功率放大器。,4

9、.梯度线圈的噪声 不断变化的梯度电流使梯度线圈产生振动。 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,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。 梯度放大器的负载：梯度线圈 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,Ubatt,Uload,Uload,梯度功放后级 电子开关（场效应管FET、双极性三极管等） 单向二极管（free-wheeling diode） 储能和滤波电容以

10、及梯度线圈本身,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）。 典型的电流范围200300A,三 涡流,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。 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。 涡流补偿 利用RC元件使电流脉冲预畸变 预先补偿梯度的驱动电流 有源梯度屏蔽,第四节 RF脉冲系统,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

11、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： RF线圈 收发开关 /4传输线 定向耦合器 功率分配器 频率合成器 调制解调器,一 RF线圈基本理论谐振电路,电容、电感串联或并联,二 RF线圈特性,品质因数Q 负载效应 去耦,1.品质因数Q,Q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（）。 空载时，体线圈、头线圈的Q约为200。 Q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,Q受负载的影响 负载类型不同，对Q的影响不同 负载类型相同，大负载对Q的影响大。 R

12、F线圈中有负载后，Q降低，响应变宽。,频率漂移与负载的影响 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。 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。 RF线圈在空载时调谐，兼顾所有负载类型。,3. 去耦,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。 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。 去耦不好会引起噪声增加和信噪比降低。 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,以功能分： 发射线圈 接收线圈 发射、接收共用： 体线圈 头线

13、圈 四肢线圈 表面线圈仅用于接收,四.RF常用器件,1. 同轴电缆 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,发射和接收开关连接在RF功放与线圈及前放之间。,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,RF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。 接收期间，逆向二极

14、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,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,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

15、，必须对线圈进行调谐。 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） 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。 反射功率为0时，线圈达到最佳调谐和匹配。,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。 操作者手动调节，如早期的膝关节。 电子驱动，如脊柱线圈等一些表面线圈。 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。 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,身材、体形、磁化率不同使磁场轻微变化。 使用非常短的非

16、选择性脉冲调节。 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,测量控制系统 静态测量控制 动态测量控制 脉冲序列控制 生理信号序列控制 图像处理系统 图像处理器 图像仪,（一）测量控制系统,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： 产生将质子激发所需的调制RF信号 提供精确的电流脉冲，以产生线性梯度场 将接收的MR信号放大和解调 把幅度和相位信息转换成数字值，送给图像处理单元 控制和监视整个测量系统的功能,1.静态测量控制 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。 静态测量控

17、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 （1）脉冲序列控制 （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,预处理 偏移量校正 平均 原始数据滤波 FT,2.图像仪,窗宽、窗位的调整 MRI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）。 窗的特性由窗宽、窗