1、磁共振成像系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu),復旦大學附屬華山醫(yī)院,錢建國,2011年12月13日,磁共振成像（magnetic resonance imaging,MRI）技術(shù)是利用人體內(nèi)原子核在磁場內(nèi)與外加射頻磁場發(fā)生共振，而產(chǎn)生影像的一種成像技術(shù)。,MRI設備基本結(jié)構(gòu),磁體系統(tǒng) 梯度線圈系統(tǒng) 射頻發(fā)射/接受系統(tǒng) 計算機系統(tǒng),第一節(jié) 磁體系統(tǒng),用以產(chǎn)生磁化矢量，并可以激發(fā)核磁共振 要求足夠大孔徑，非常高均勻度和穩(wěn)定度,磁體腔,Bo,磁體系統(tǒng),磁體產(chǎn)生原理： 利用永久磁性材料產(chǎn)生磁場，或利用通電線圈產(chǎn)生磁場。 磁體特性： 磁場強度 1T(特斯拉)=10000(高斯） 一般MRI磁場強度為：0.15T-3.0T 磁

2、場強度越高，組織磁化強度越高，產(chǎn)生MR信號強度越高。 均勻度 100ppm 決定圖像空間分辨率和信噪比 穩(wěn)定度 是衡量磁場強度隨時間漂移程度的指標,磁體分類,永久磁體(Permanent) 電磁體(Resistive) 混合型(Permanent/Resistive) 超導磁體(Superconductive),All Types are Temperature Sensitive!,永久無法關(guān)閉,消耗電力,消耗液氦,永久磁體,利用永久性的強磁性材料制造 永久磁場，無須電力或液氦消耗 磁場外泄漏小，因磁體兩極通過磁性材料連接在一起 可以制成開放式結(jié)構(gòu)，減少病人幽閉恐懼癥,永久磁體的開放度大,開

3、放程度可達120 cm x 44 cm,可以開展介入治療 運動成像,永久磁體的磁場收斂性極強,對周圍環(huán)境沒有影響 周圍環(huán)境不產(chǎn)生影響. 只需極小的放置空間. 極低的場地建設成本. 極低的運行成本.,永久型磁體的缺點,磁場強度低 0.4T以下 磁體龐大，笨重 10t 以上 磁場均勻度受環(huán)境溫度影響大,電磁體(常導型),電磁體是在常溫度下 采取在一組多匝的線圈中通上大電流。 優(yōu)點是系統(tǒng)簡單 缺點是需要水冷，這是由于常導線圈具有一定電阻，通大電流時會產(chǎn)生大量熱量 一般用于低場（0.5T）的磁體系統(tǒng)，其磁場穩(wěn)定性受到電流變化等因素影響比較差,混合型磁體(Permanent/Resistive),混合型

4、磁體是將永久磁體和電磁體組合在一起， 在永久磁體的磁極上繞上線圈并通上電流 是對永久磁體的改進，可以進一步提高磁場強度 加上勻場線圈后可以改善場均勻度,超導磁體,超導磁體是將通電線圈采用Vb/Ti合金組成，這種材料的超導狀態(tài)的臨界點大約在8K左右，一般是將超導線圈浸泡在液氦內(nèi)，達到絕對溫度零度（273 C)。,超導磁體,磁場強度高，可達8T(一般為0.15-3T） 超導磁體的磁場穩(wěn)定 基本不受環(huán)境溫度影響 成像質(zhì)量高 可作MR波譜分析及MR功能成像等,超導磁體,以前為了保證液氦不大量蒸發(fā)，采取在液氦容器再套放在液氮容器中。 需要定期補充液氦和液氮,He,目前一般是采用冷頭制冷，將蒸發(fā)出來的氦氣

5、通過壓縮制冷再送回磁體液氦容器罐的外圈，形成一個低溫隔熱層，減少液氦的消耗。,人為失超實例,另一例失超,被動屏蔽Passive Shielding,兩種方式： 用厚鋼板建造屏蔽屋Construction of thick steel to enclose the magnet room 在磁體上加上厚鋼板Could bolt the metal to the magnet itself (e.g. 1.5T Magnashield),主動屏蔽Active Shielding,在原磁場外面套加上一組反向磁場，減小對外部影響（A secondary magnet is wrapped around

6、 the primary magnet to reverse the external field effects） 對移動大型金屬敏感Susceptible to “moving metal,” e.g. elevators, cars, trucks, and trains,small field,large field,opposing fields,primary magnet,secondary magnet,磁場均勻度和勻場,由于主磁場受到環(huán)境變化等諸多因素的影響，無法達到理想的均勻度 不可能得到完全理想的線圈 電流強度有可能發(fā)生微小變化 磁體中存在的金屬會影響磁場,磁場均勻度和勻

7、場Magnet Homogeneity,當磁場存在嚴重不均勻時，在所成的圖象上將出現(xiàn)偽影 對因此對每個新安裝的磁共振磁體必須測量其空間多點的磁場強度 采取勻場方式來改善磁場均勻度，即根據(jù)各點的測量值，計算出各補償位置的應有的補償數(shù)值，進行磁場的補償，提高均勻度。,MILK,Non-homogeneous,Homogeneous,磁場均勻度和勻場Magnet Homogeneity,因此對每個新安裝的磁共振磁體必須測量其空間多點的磁場強度，計算出磁場偏差值，對不滿足設計要求的，必須勻場(Shimming) 勻場按照其實現(xiàn)方式區(qū)分，分為無源勻場和有源勻場。,無源勻場Passive Shimming

8、,用許多各種規(guī)格的鐵條、鐵片或鐵點放在磁場的各個補償位置，它們將受到磁化，并改變其周圍的局部磁場，提高均勻度,勻場技術(shù)：1。計算機輔助的被動勻場 2。梯度自動勻場,永久磁場均勻度可以達到25ppm,有源勻場Active Shimming,利用一組不同形狀的勻場線圈放在磁體內(nèi)，通以適當?shù)碾娏鱽懋a(chǎn)生補償磁場，達到勻場的目的 線圈在液氦腔內(nèi)：超導勻場；線圈在液氦腔外：常溫勻場 比被動勻場容易實現(xiàn)和改變，但制造昂貴,勻場線圈shim coils,patient opening,磁體magnet,超導磁體勻場,Typ.0.050.10.250.50.631.7*ppm DSV102030404550cm

9、,主動勻場,18對超導勻場線圈,磁體技術(shù)的發(fā)展,向更加節(jié)省液氦方向發(fā)展，如GE的K4磁體，可以2年補充液氦,磁體技術(shù)的發(fā)展,磁體向更加短小和更加開放方向發(fā)展，早期的磁體長度為210-240cm。如今Philips的3T磁體也僅為157cm,寬口徑外形設計以前的樣子.,磁 體 腔,磁 體 腔,病人掃描孔道,直徑 60 cm,開口外形,長度 210 cm,領先的磁體技術(shù)與梯度技術(shù),開口、孔道與病人 以前的樣子.,病人需要更多舒適的檢查空間,磁 體 腔,磁 體 腔,大夫， 里面太悶了！ 嗚.,長度 172 cm,射頻掃描筒長 = 70 cm,66 cm,60 cm,更短的寬口徑外形設計翻開歷史新的一

10、頁.,全新概念、全新享受,磁 體 腔,磁 體 腔,病人掃描孔道,Magnet Vessel,Magnet Vessel,兩級 開放,更短的寬口徑外形設計病人更加舒適.,70 cm 掃描孔道,高均勻磁場、高性能梯度場與高舒適孔道的完美結(jié)合,磁 體 腔,磁 體 腔,第二節(jié) 梯度場系統(tǒng),功能和特性 梯度線圈和梯度場 渦流,梯度線圈和梯度磁場,梯度線圈是緊貼著安裝在常溫的磁體腔內(nèi) 為防止震動移位，通常將三組線圈用環(huán)氧樹脂膠封作為一個單元,梯度線圈和梯度磁場,Z梯度線圈,梯度線圈和梯度磁場,X梯度線圈,梯度線圈和梯度磁場,Y梯度線圈,梯度系統(tǒng)的特性,梯度場強 決定最小層厚 決定最小FOV,梯度系統(tǒng)的特性

11、,切換率,最大梯度場強,上升時間,=,梯度場強,mT/m,上升時間 (msec),最大梯度場強,rise time,最高梯度場強 23-30mT/m 最高的梯度切換率 120-150mT/m/ms,梯度切換率：上升和下降時間,非共振式梯度系統(tǒng),共振式梯度系統(tǒng),切換率為名義切換率 僅用于EPI 常規(guī)掃描仍為低切換率掃描 振蕩電路， Siemens/Toshiba 使用,切換率為實際切換率 用于EPI和常規(guī)掃描 最新高頻電源技術(shù) GE/Philips/Picker 使用,梯度電源兩種工作形式,FOV,/,Fast SE, more echo,Shorter,TR,Shorter,TE,/,SNR,

12、/,非共振式梯度系統(tǒng)滿足 100% 工作周期,最高的梯度切換率 SR 20 / 77 / 120,最短梯度回波序列(GRE) TE 時間 0.9 ms,快速自旋回波回波間隔小于 4.6 ms,單次激發(fā)快速自旋回波回波間隔小于 4.3ms,平面回波成象(EPI) 采集最快 64ms,超薄 3D 層厚 0.1mm,最高梯度場強 23 mT/m,GE Signa 1.5T 梯度系統(tǒng),SX,梯度磁場的發(fā)展,梯度磁場的發(fā)展,靜音技術(shù) FSE序列,第三節(jié) 射頻系統(tǒng),功能和特性 線圈構(gòu)型 線圈信噪比 線圈質(zhì)量 發(fā)射器和發(fā)射帶寬 接受器和接受通道數(shù)、帶寬和采樣率,功能和特性,產(chǎn)生并收集磁共振信號 發(fā)射器功率為

13、幾百瓦，而單個體元的磁化矢量僅為0.1uv 發(fā)生器和接受器的B1方向必須和B0方向垂直,線圈構(gòu)型,體線圈 在超導磁場下，常采用馬鞍型/鳥籠型線圈 頭，肢體線圈 在超導磁場下，常采用小尺寸馬鞍型/鳥籠型線圈,線圈構(gòu)型,體線圈 在永久磁場下，常采用螺線型線圈 頭，肢體線圈 在永久磁場下，常采用小的螺線型線圈,線圈構(gòu)型,表面線圈，可以進一步提高局部SNR，但均勻性差 如腰椎線圈、肩關(guān)節(jié)線圈等,線圈構(gòu)型,相共振線圈，可以克服表面線圈成像范圍小，均勻度差的缺點 相共振線圈采用多個小線圈排列在一起，每個線圈都有自己的信號通道 如頸胸腰椎線圈、Torso線圈等,線圈與發(fā)射和接受,RF線圈分為三種： 只發(fā)射、

14、只接受和既發(fā)射又接受 體線圈：既發(fā)射又接受 頭線圈：有既發(fā)射又接受型的，也有只 接受的 表面線圈：只接受(此時采用體線圈發(fā)射),可作運動成像的特殊線圈,高質(zhì)量的正交頭線圈,Dim:27cm length: 41cm,16 ETL Works-in-Progress,FSE ET:16 TR:5000 TE:96/Ef 12/02:09 256x192/2 NEX,正交的多功能 spine/body coil,48x120 48x150,Medium,Large,用途廣泛的表面線圈,shoulder coil,SE TR:466 TE:18/Fr 9/07:36 256x192/5 NEX,靈敏

15、的正交 Extremity Coil,Extremity Coil,SE/90 TR:400 TE:25 12/07:47 512X196/6 NEX,RF發(fā)射器,產(chǎn)生一個時間穩(wěn)定的RF 合適的波形 通過開關(guān)定時發(fā)射RF射頻 發(fā)射器的線性：輸出功率必須正比于輸入功率,信號接受系統(tǒng),將接受到高頻MR信號進行信號放大(前置放大器)，經(jīng)過濾波器得到所需的MR音頻信號，對此MR音頻信號進行數(shù)字化采樣 正交發(fā)射和接受檢測 數(shù)字采樣率 帶寬,RF屏蔽,MR信號幅度非常小，為uV級，容易受外界幾十MHz的無線電波的干擾。 為避免外界干擾，需要將磁共振信號探測系統(tǒng)與外界隔離 常采用將掃描室用薄銅皮全部包裹，作成RF屏蔽室，一般屏蔽要求電磁波衰減達到90-100db.,RF技術(shù)發(fā)展,接受器的信號通道數(shù)從早期的1個成為現(xiàn)在6個、8個，提高了相共振線圈的性能 多通道并行采集技術(shù)（SENSE） 數(shù)字化射頻發(fā)射和接受,多通道并行采集技術(shù)（SENSE）,第四節(jié) 計算機及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),主機 主機系統(tǒng)是MR系統(tǒng)的指令和控制中心，它執(zhí)行病人資料輸入、掃描參數(shù)定義、執(zhí)行掃描序列、控制數(shù)據(jù)采集、重建處理、顯示和存貯以及相機打印各功能，要求計算機速度快、內(nèi)存大、硬盤大并具有并行處理能力，可以邊掃描邊調(diào)整下一個病人掃描參數(shù)，同時進行后臺相機打印操作。,計算機即輔助系統(tǒng),陣列處理