医学影像设备学课件：MRI扫描仪

1、MRI （Magnetic Resonance Imaging ）历史、结构、原理及发展,MRI扫描仪Magnetic Resonance Imaging Scanner,MRI扫描仪(Siemens),MRI扫描仪(Philips),主要内容,MRI概述及特点 MRI扫描仪的基本硬件构成 MRI的物理学原理 人体MR成像的物质基础 人体进入主磁体发生了什么？ 什么叫共振，怎样产生磁共振？ 射频线圈关闭后发生了什么？ 磁共振“加权成像” 自旋回波序列,概述及特点NMRNuclear Magnetic Resonance,NMR: 处于静磁场中的原子核系统受到一定频率的电磁波作用时，将在它们的磁

2、能级间产生共振跃迁，形成共振。然后将所吸收的能量以电磁波形式释放能量，能量释放的速度与原子核所处的环境有关。,概述及特点NMRNuclear Magnetic Resonance,此现象由Standford 的 F.Bloch 和 Harvard 的E.M.Purcell于1946年同时发现，由于NMR在物理与化学应用中具有重大意义，他们于1952年获得诺贝尔物理奖。,医学图像种类与成像特点,CT: 与组织的原子序数、电子密度及组织密度有关，能反映组织解剖学信息 超声：组织界面处的不同声阻反射 核医学：利用组织对放射示踪剂不同吸收能力，显示其空间分布情况，用于显示糖代谢、血流量、结合受体、氧代

3、谢情况 MRI：原子核的弛豫特性，反映原子核密度、运动状态、生理环境,MRI,MRI是根据生物体磁性核(氢)在磁场中的表现特性而进行成像的技术。 MRI的应用基础为NMR物质磁性和磁场有关的共振现象，射频波与有磁矩的核系统在外磁场中相互作用表现出来的共振特性，本质为一种能级间跃迁的量子效应，用于研究物质的微观结构。,MRI特点,MRI无损伤性 MRI能提供组织化学信息、生理环境参数 MRI有鲜明的软组织对比、多参数成像 无骨骼伪影干扰，在脑、骨骼系统成像优于CT 常规扫描以轴位为主，可选用矢状和冠状位 可进行扩散与灌注成像,MRI特点,T1像对不同软组织结构有良好的对比度 T2像用于显示病变组

4、织 无需用造影剂就可以显示血管、心腔 空间分辨率较CT差，成像速度慢、运动性器官成像质量不如CT 体内有金属异物，早期孕妇(任娠前三个月之内)不能进行MR成像,Structure of MRI,主磁体 Magnet 梯度系统 Gradient system RF系统 RF system 计算机系统 Computer system 外围设备及辅助装置Others,Components,Overview of basic system,System Overview,System Blockdiagram Trio,PDP11、VAX,SUN、SGI; PC,多用户操作系统 VMS（早期） UNI

5、X,文件存档： MOD DVD CDR,3T： Linux（GE） Windows XP（SIEMENS、Philips）,主磁体Magnet,主磁体是MR的主要部件 主磁体特性: 稳定性（Stability） 均匀性（Homogeneity） 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

6、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-mate (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,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 forc

7、e) 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） 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 resi

8、stive magnet constructed using four coils arranged either horizontally or vertically.,Air-cored resistive magnets Iron-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(c

9、ritical 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(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 7

10、00A.,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),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

11、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。,FRINGE FIELDS,FRINGE FIELDS vs GRAVITY,MRI Fringe Field Effects,a fully loaded pallet jack that h

12、as been sucked into the bore of an MRI system.,Safety aspects why?,MRI系统不同磁体类型比较,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(adiabatic),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

13、 (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。,2.Demagnetization,Turn on S

14、switch UH - turn off Adjust I of MPS Same I with S turn on -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。,HeliumEvaporation,Helium in the Achieva system will evaporat

15、e or boil off Normal boil off Excessive boil off Helium refill Magnet quench Normal boil-off leaves the system via a pipe to the outside of the building Examination room is vented During a magnet quench the vapour produced is extremely cold and dense the very low temperature will condense and solidi

16、fy air (water, oxygen, nitrogen),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。 自发失超( Spontaneous quench )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

17、 and resistance,低阻通路,SIEMENS OR 41 AS,失超: 100V电压限制 励磁/退磁: 10V电压,屏蔽和匀场 Shielding and Shimming,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 ) :

18、 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； 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),屏蔽室测量注意的问题,（1）电磁环境应满足GB3907的要求，检测仪器本身应满足抗干扰要求； （2）正式测量之前可对屏蔽室进行初测，找出性能差的门、接缝和安装不良的电源滤波器及通风孔，以便正式测量之前予以修补； （3）测试之前把金属设备或带金属的设备搬走，如桌子、椅子、柜子和不用的仪器等；

19、（4）屏蔽室的电源滤波器及室内电源线只给检测仪器及照明供电。,（5）测试中所有的射频电缆、电源和其他平时要求进入屏蔽室的设施均应按正常位置放置。 （6）为了探测准确要进行初测，特别注意以下几个部位：门缝、板缝、电源滤波器安装板、通风孔和电缆出入口。检测天线放在离受试部位0.3 米处，并改变位置与方向，找出最大的检测值。,1区：15G以上,必须用非铁磁材料建筑，对机械强度要求比较高的部件，可采用铜铝合金或奥氏体不锈钢。 带有心脏起搏器和铁磁植入物的人不能入内。在此区域大多数电子设备不能正常工作 磁性材料在此区内会退磁 手表、照相机、带有磁性标识符的银行信用卡片会遭到破坏 手术器械可能飞起吸入磁体

20、造成病人伤害，即所谓MR的“火箭作用”；不能采用离子型火灾探测器，它在磁场的作用下会失去作用。在使用电气灭火器或手提式灭火器时，应特别小心“火箭作用”,扫描室应全部放在1区。为了保证扫描机下方15G以上区域内没有铁磁物体，如果机房建筑在地面上，必须对地面进行足够深度的换土，保证不能有铁磁管道进入1区。 1区内应设置致冷用的空调器和取暧用的暖气装置。暖气管、暖气片要用铜管等非铁磁材料制成。,2区：5-15G,区内允许有500kg以下的静止铁磁物体存在，而且在磁体主磁场调试完成后，不得再移动该铁磁物体。 在此区域一些采用阴极射线示波管或显像管的设备不能正常工作。 控制室置于2区 操作台、相机等接近

21、500kg 的铁磁件应在磁体调试前就位，并固定位置。 观察窗上应设置铜网屏蔽。,3区：2-5G,该区不得有重量超过500kg以上的移动铁磁物体，如电梯、车辆等。大多数电子设备在此区内能正常工作。 计算机室置于3区。室内除计算机外，还放有图像处理机、梯度场和RF发射接收器电子柜，热交换器，磁体电源，控制和监视部分等。 计算机室的温度为2022.5C，相对湿度为30% 60%。空气清洁度，对10m大小的灰尘滤过率为90%。 注意携带磁带、磁盘的工作人员应避免接近5G线内，以免磁体对信息的破坏。,4区：1-2G,此区内不允许有4000kg以上的移动铁磁物体。 绝大多数电子设备能正常工作，只有对杂散磁

22、场非常敏感的极少数电子设备会受影响，如电子显微镜等。,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时必须用有源匀场；,2.有源匀场（Actively shimming） 一系列载

23、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,梯度场:随位置线性变化,梯 度 系 统,梯度、梯度磁场,梯度磁场的产生,Z轴方向梯度磁场的产 生,X、Y、Z轴上梯度磁场的产生,GRADIENTS,梯度线圈性能指标 梯度场强 25 / 60mT/m 切换率 120 / 200mT/m.s,

24、有效梯度场长度 50 cm,梯度两端磁 场强度差值,梯度场强（mT/M）梯度场两端的磁场强度差值/梯度场的长度,1000mT,1010mT,990mT,梯度场强（1010mT-990mT）/ 0.5 M= 40 mT/M,1000mT,梯度场强,爬升时间,切换率梯度场预定强度/爬升时间,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

25、90),麦克斯韦对,Golay线圈,同圆线圈，线圈间距=31/2R 反向电流 Bz=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）,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. 梯度场切换率(slew rate) 是单位时间单位距离

26、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,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 实质是音频电流放大器，负载是大L、小R； 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

27、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，提高放大器工作效率,开关三极管,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)无接触测量； 基于Hall效应

28、,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:比例、积分、微分调节器,P Proportion 比例 主要调节作用 稳定 I Integrator 积分 辅助调节作用 准确 D Differentiator微分 补偿作用 快速 PID SAS PID调节器的输出信号(控制信号)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, Spe

29、ed , Accuracy,Measure,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，偏差主要沿径向，在

30、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； 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； 缺点:较复杂、费用更高、对电源的附加需求。,VI. 梯度场参数,梯度幅度（

31、Gradient magnitude ） 切换时间Switch time (Slew time) 切换率（Slew rate） 最大工作周期（Max. 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,常用：G 10 15mT/m，切换时间0.5-1ms 快速：G25mT/m，切换时间 0.25ms； 线圈和功率放大器设计技术的发展 逐步可行 PNS !,RF 系统,I. RF 系统组成: RF 发射系统 RF Coil RF 接收系统,主机根据所选脉冲序列产生数字脉冲波形；经过D/A变成模拟信号； 经过调制放大，驱

32、动发射线圈，激发成像区内原子核产生共振信号； 微弱的RF信号经过放大、解调、滤波、A/D转换、预处理 经过FT等图象处理，重建出图像；,1.RF 发射器（Transmitter）,发射器产生RF脉冲: 适当的频率 f BW 幅度 A 相位 ,2. RF接收器（Receiver）,RF接收器是提取（retrieve）或解调信号（demodulate ） ；,II. RF线圈基本理论谐振电路,1. 理论 L, C 串联（series） L, C 并联（parallel） 梯形网络(Trapeziform network) L-series and C-shunt(分路) low pass C-se

33、ries and L-shunt high pass,串联谐振,Q=V电抗 /V总 电压谐振 VL 、 VC 非常高，可能会损坏元器件，设计谐振电路时要么防止出现这么高的电压，要么选用高耐压器件； 可用于线圈接收电路，将微弱的MR信号进行放大；,Q=I电抗/I总电流谐振 元器件必须能承受高电流； 在线圈发射电路中，为了获得尽可能大的电流，常采用并联谐振。,并联谐振,梯形网络 高通,等效电路,梯形网络有传输线特性 IL、IC随传输线长度变化；U、I有90 相位差，所以没有功率损失；,2. RF线圈特性,品质因数Q 负载效应 去耦（Decoupling）,(1) Q,Q = 0/ 3dB 空载时，

34、头线圈、体线圈的Q约200。 更窄的、更高的Q 有好的选择性 ，噪声和伪信号（bogus signal）更低；,(2) 负载效应Load effect,Q 和负载 负载种类不一样，Q有差别； 同类型负载，大负载对Q影响大； 加载后Q会下降，响应展宽；选择性和接收的信号会下降。,频移和负载 大负载、低Q值，线圈仍工作在可接收的频率范围； 小负载使线圈的RF频率漂移并不多，带宽也不加宽，线圈将不再工作在可接受的频率，这会使图象质量变差 ； RF线圈通常在空载时调谐，最好地兼顾所有负载类型；,线圈对病人在RF线圈中的位置非常敏感 C人体与C线圈并联，频率向下移动。 正交线圈（圆极化线圈），C人体将影

35、响线圈一个方向的工作模式（垂直或水平），使线圈不再工作在正交方式下（即不产生旋转RF场）； 如果线圈工作在线性方式下，预扫描功率需要加倍，而信噪比降低40%。 在病人和线圈间加个小垫子可使这种影响最小（垫子小电容，与人体的大电容串联，有效地抵消了人体对线圈的影响）。,(3) 去耦Decoupling,消除发射线圈和接收线圈相互作用； 否则 发射场 : 畸变 接收线圈信号: 破坏 噪声增加、SNR下降,去谐二极管去耦 ：通过感应电压切换到导通状态，使线圈偏共振去谐；,去谐二极管,3.发射线圈,B1 (极性: 线性、圆极化） 发射线圈一般比较大用以优化均匀性； 如果有合适的T/R开关，发射线圈也可

36、用于探测和接收MR信号； 形状,脉冲线圈,脉冲线圈的作用 如同无线电波的天线 激发人体产生共振（广播电台的发射天线） 采集MR信号（收音机的天线）,脉冲线圈的分类 按作用分两类 激发并采集MRI信号（体线圈） 仅采集MRI信号，激发采用体线圈进行（绝大多数表面线圈）,按与检查部位的关系分 体线圈 表面线圈 第一代为线性极化表面线圈 第二代为圆形极化表面线圈 第三代为圆形极化相控阵线圈 第四代为一体化全景相控阵线圈,接收线圈与MRI图像SNR密切相关 接收线圈离身体越近，所接收到的信号越强 线圈内体积越小，所接收到的噪声越低,3D-FFE Matrix 512512 FOV 2.5cm,利用2.

37、3cm显微线圈采集的指纹MR图像,MR Subsystems,Body Coil large cylinder (volume coil) sending RF pulses into the patient that provide “flip” for protons also can be used as a receiver for large FOV scans (abdominal, full spine, etc),MR Subsystems,Head Coil smaller cylinder usually volume coil with quadrature or pha

38、sed array design many different designs exist high field low field,Head 在接收期间共振动态去耦。,圆极化线圈 Circular polarized coil,不同构型RF线圈,马鞍形线圈 梯形网络 螺线管线圈 /2传输线,马鞍形线圈用于B0 是水平方向的情形； 频率不太高（25MHz以下）、直径不太大。 早期较多使用，目前已经淘汰。,螺线管线圈用于B0在竖直方向的主磁体； 限于轭形磁体，频率较低（L大、C大），低磁场 不能正交发射接收,B1,High pass,Low pass,/2 传输线,如果 f0 25MHz, 可使

39、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，因为比/2 短，通过在两端增加可调电容C，电路可对称地缩短。,Resonance Cavity : 63 MHz 适用于2T以下，3T产品没用通用体线圈,/2,4. RF线圈种类,功能： 发射线圈Transmit coil 接收线圈Receive coil 部位: 头线圈 体线圈 相控阵线圈Phased array coils 表面线圈只用于接收,III. RF 常用器件,1.同轴电缆(Coaxial-cable) 传输发射功率； 接收MR信号； 屏蔽功能,50特性阻抗,2. 传输线,（1）充当电子器件,输入端短路时

40、：Zin=jZctan(2l/) 输入端开路时：Zin=-jZccot(2l/) 0,（2）充当阻抗变换器,几乎所有的RF电缆以及RF器件的特性阻抗都是50 前放阻抗例外(一般23) 降低噪声，提高SNR； 连接到前放的导线有特殊标记，不能随意截短或被其它长度的电缆替换。,RF发射/接收开关 T/R switch,T/R switch: 位于RF共振器和前放之间 T:使发射器到天线之间的通路接通，同时还保护敏感的前放不受高脉冲功率影响； R:微弱的MR信号必须以尽可能小的衰减到达前放，RF功放的噪声必须排除在天线电路之外 ；,transmit,receive,T/R Switch,D1、D2

41、导通，RF功率几乎无损失地到达天线,D3、D4对地短路,/4线将短路转换为天线输入端高阻，保护前放,D1,D2不导通，防止发射器噪声进入前放,D3、D4 高阻抗,MR,信号经/4线无阻尼到达前放,Signal,4.定向耦合器(Directinal coupler),测量Vf 和Vr:评价匹配（ match）; 从RF传输线中分离出一小部分（约-50db）前向波和反射波: 测量之前，用它来使由负载和天线组成的共振电路与RF发射器匹配 测量中，监视施加的RF（前向波），保护发射器（匹配）,5. 压控衰减器（ Voltage control attenuator ）,根据控制端口提供的控制电压，改变

42、输入端和输出端之间的衰减系数。 在发射通道中，通过调节给RF功率放大器的驱动电压，获得期望幅度的RF输出； 在接收通路中，用于调节接收信号的幅度，使之满足DAC所需要的幅度。,Voltage control attenuator,RF in-put,RF out-put,Control voltage,6.低通滤波器(Low pass filter),接收: 频率编码方向，可用模拟或数字（过采样）滤波器 相位编码方向，由于采用伪采样技术（pseudo sampling ），一般不用滤波器 低通滤波器可抑制高频噪声，抑制FOV外的信号，防止折叠伪影； 发射: 是为了避免产生边带，否则发射的RF脉

43、冲会包含不期望的边带，形成ghost伪影。,7.正交混合器（Quadrature hybrid）,Mixture: Splitter (功率分配器) Combiner (功率复合器) Phase shifter (移相器) 产生旋转的RF场,1,2,S,Splitter,combiner,分配器中，端口信号被分成1和2端口的两个同、同A的信号，各自的信号幅度衰减3db； 如果信号的流向相反，端口1和2的信号结合后到端口，就成为功率复合器。在相控阵线圈中就要使用复合器。 移相器用于从0180手动改变输入与输出之间的相位。,V. Receive system,1.MR信号被接收线圈接收，并被前置放

44、大器(preamplifier) 放大产生足够强的电压 前放有最佳噪声特性（需匹配网络）、不考虑最佳功率传输、不追求最大放大倍数（10几倍） 前放：砷化镓场效应管 2.MR信号被解调器(demodulator)解调； 3.然后低通滤波(low-pass) ; 4.最后A/D转换器将MR信号转换成 数字化信号并将其传输至图像处理器。,VI. RF屏蔽,(1) 扫描室屏蔽: RF屏蔽围栏（Faraday cage） 房间6个面用铜、铝或钢板围起； 穿过板（Penetration panel） 窗户:特殊的植入导线的玻璃( wire-embedded glass )； 波导（Waveguides）:

45、 特定长度或直径 屏蔽因子（Shield factor）应 90dB.,(2) RF线圈屏蔽: 梯度和常导匀场线圈会使RF线圈发射损失，并产生寄生振荡(spurious resonance）； 线圈周围的RF屏蔽可降低线圈与周围环境的耦合。,机房设计要求,1.机房结构应尽量减少铁磁性材料,大多的铁磁材料将影响磁场均匀性，影响图像质量 2.机房应装有符合要求的磁场屏蔽和RF场屏蔽,良好的屏蔽对图像质量的提高有很大作用 屏蔽室可用铜、铝材料建造 扫描室内应采用白炽灯 观察窗应敷设金属铜网 门上的金属屏蔽层和墙上的金属屏蔽层的接触必须稳固贴合，并与周围建筑物绝缘，通过一点接地，接地电阻应小于规定值

46、进入屏蔽室的电灯电源、电话线等都必须在入口处经过RF滤波器,3.超导型MRI扫描机磁体庞大，要求有3m以上的净空高度。 4.机房周围不能有电梯、汽车等大型铁磁材料的运动，这也会影响图像质量。 5.安装超导磁体机房，应有极好的通风设施，以防磁体在意外“失超”时，能迅速逸放氦气，使工作人员得到足够的氧气。,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.Attenu

47、ate/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、匹配越困难。,Auto-tune : 马达（motor） 一些表面线圈不需调节，有较宽的范围，但是Q较小； 遇到调谐、匹配困难时： 小负载:添加盐水袋( brine bag) 大负载或有金属物：轻微改变位置,III. 频率调整,

48、姿势、磁化率等使得B0 轻微变化； 在调谐、匹配后使用非常短的非选择性 RF 脉冲 fresonance= f carrier wave,IV. 发射调整,当更换病人或位置变化，MR系统必须调整发射脉冲幅度； 此调整过程决定RF脉冲的功率、FA 和tp。,Goffset = -t G/(TE +t ),V. 梯度补偿,VI. 接收调整,调整增益得到最大MR信号在A/D范围内 MR信号受下列因素影响： 组织参数：T1,T2 扫描参数：TR, TE, slice thickness, FOV 系统性能参数 : Q、去耦 ,调整步骤: 调整前:系统基于非选择性脉冲的幅度和宽度计算所选择脉冲的幅度；

49、调整中 在0 相位编码步下得到最大MR信号； 调整增益使回波最大，最大限度利用A/D动态范围； 比例因子用于调整图象亮度；FT后，决定灰度；,计算机系统,主计算机 （Host） 操作者以序列、时间和不同的几何参数等形式描述扫描； 控制图像显示、处理，例如窗宽、窗位、硬拷贝，归档和网络； 微处理器: 由主计算机下载命令 Pulse programmer (PP) : 主计算机命令传输至PP,PP控制硬件； PP 使RF、梯度和数据采集的运作协调； 阵列处理器Array processor 一旦采集到数据，一个分离的计算机系统- array processor 进行图像重建；,Patient Ha

50、ndling Control,The Patient Handling System consists of several components: Patient Table Control Panel and Display Patient Handling Control electronics Intercom Patient Monitor and Removable Tabletop with a trolley as an option.,Patient Handling Control Panel (left),Overview Intercom,Operating Unit

51、Intercom,1. Volume in RF cabin (speech only) 2. Volume console (hearing) 3. CV/CBT switchover (Computer Voice / background music) 4. Physio beeper volume trigger (4 levels) 5. Table stop/sequence stop button 6. Microphone 7. LED monitoring on 8. Button monitoring on/off 9. LED music on 10. Button pl

52、ay music in cabin on/off 11. LED squeeze bulb active 12. Talk button and squeeze bulb reset button 13. Loudspeaker,Sockets at end of the patient table,1. ECG (green) 2. Pulse Sensor (orange) 3. Respiratory Belt (blue) 4. Input for external trigger signal 5. Output for external trigger signal (not su

53、pported) 6. Vacuum pump (black) 7. Headphones (yellow) 8. Squeeze bulb (red),syngo MR,Software Structure,Operating System,The used operating system is Windows XP. On the operating system level the following programs are absolutely necessary to run the hardware: the system kernel device drivers are u

54、sed to handle hardware components (via the kernel), such as disk drives, keyboard, monitor, serial- and parallel interfaces, network interfaces etc. the command interpreter (shell), a translation program to transfer alpha-numeric command strings (entered by the user) into a sequence of operation ins

55、tructions which are processed then by the hardware (the machine code). libraries which are data sets used for the generation and execution of programs,Application Software,The software for the MAGNETOM is called NUMARIS/4 (Nuclear MAgnetic Resonance Imaging System). NUMARIS/4 uses Windows NT 4.0 as

56、operating system and window manager, to display windows as user interfaces for dialog and messages (syngo). NUMARIS has programs and data required to run the MAGNETOM for: Image display and evaluation. Therefore only the Host and operator console (MRC) is required. For a satellite console (MRSC) a s

57、imilar configuration is required a second time. In order to run measurements, software and parameters are supplied to the MMC and via the MMC to all other MAGNETOM components. The measurement data, as a result of a measurement, is transferred to the image processor MRIR for image reconstruction. The

58、 hard disk is used to store the image data for evaluation. For long time archiving the images are stored onto an - CD-R (connected at the Host), a - hard copy camera (connected at the DICOM network), or an - archive server e.g. SIENET Magic Store.,Image Transfer,Exam Protocols,Protocol Backup,Protoc

59、ol Backup Exam DB,Database_0,Database_1,Database_2,Database_3,Database_4,Delete and Protection,DICOM, Storage Storage Commitment Query/Retrieve Basic Print Basic Worklist MPPS,DICOM Configuration,DICOM Character Set,Network Configuration,IP Addressing,Router,Netmask,RF SHIELD (FARADAY CAGE),Blocks “strong” ambient RF (radio/TV stations etc) Always present in MRI installations,其他辅助设备,空调 检查台 激光照相机 液氦及水冷却系统 自动洗片机等,Magnet OR64 (MAGNETOM Trio) Magnetic field stre