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1、磁共振成像系统基本结构,复旦大学附属华山医院,钱建国,2011年12月13日,磁共振成像（magnetic resonance imaging,MRI）技术是利用人体内原子核在磁场内与外加射频磁场发生共振，而产生影像的一种成像技术。,MRI设备基本结构,磁体系统 梯度线圈系统 射频发射/接受系统 计算机系统,第一节 磁体系统,用以产生磁化矢量，并可以激发核磁共振 要求足够大孔径，非常高均匀度和稳定度,磁体腔,Bo,磁体系统,磁体产生原理： 利用永久磁性材料产生磁场，或利用通电线圈产生磁场。 磁体特性： 磁场强度 1T(特斯拉)=10000(高斯） 一般MRI磁场强度为：0.15T-3.0T 磁
2、场强度越高，组织磁化强度越高，产生MR信号强度越高。 均匀度 100ppm 决定图像空间分辨率和信噪比 稳定度 是衡量磁场强度随时间漂移程度的指标,磁体分类,永久磁体(Permanent) 电磁体(Resistive) 混合型(Permanent/Resistive) 超导磁体(Superconductive),All Types are Temperature Sensitive!,永久无法关闭,消耗电力,消耗液氦,永久磁体,利用永久性的强磁性材料制造 永久磁场，无须电力或液氦消耗 磁场外泄漏小，因磁体两极通过磁性材料连接在一起 可以制成开放式结构，减少病人幽闭恐惧症,永久磁体的开放度大,开
3、放程度可达120 cm x 44 cm,可以开展介入治疗 运动成像,永久磁体的磁场收敛性极强,对周围环境没有影响 周围环境不产生影响. 只需极小的放置空间. 极低的场地建设成本. 极低的运行成本.,永久型磁体的缺点,磁场强度低 0.4T以下 磁体庞大，笨重 10t 以上 磁场均匀度受环境温度影响大,电磁体(常导型),电磁体是在常温度下 采取在一组多匝的线圈中通上大电流。 优点是系统简单 缺点是需要水冷，这是由于常导线圈具有一定电阻，通大电流时会产生大量热量 一般用于低场（0.5T）的磁体系统，其磁场稳定性受到电流变化等因素影响比较差,混合型磁体(Permanent/Resistive),混合型
4、磁体是将永久磁体和电磁体组合在一起， 在永久磁体的磁极上绕上线圈并通上电流 是对永久磁体的改进，可以进一步提高磁场强度 加上匀场线圈后可以改善场均匀度,超导磁体,超导磁体是将通电线圈采用Vb/Ti合金组成，这种材料的超导状态的临界点大约在8K左右，一般是将超导线圈浸泡在液氦内，达到绝对温度零度（273 C)。,超导磁体,磁场强度高，可达8T(一般为0.15-3T） 超导磁体的磁场稳定 基本不受环境温度影响 成像质量高 可作MR波谱分析及MR功能成像等,超导磁体,以前为了保证液氦不大量蒸发，采取在液氦容器再套放在液氮容器中。 需要定期补充液氦和液氮,He,目前一般是采用冷头制冷，将蒸发出来的氦气
5、通过压缩制冷再送回磁体液氦容器罐的外圈，形成一个低温隔热层，减少液氦的消耗。,人为失超实例,另一例失超,被动屏蔽Passive Shielding,两种方式： 用厚钢板建造屏蔽屋Construction of thick steel to enclose the magnet room 在磁体上加上厚钢板Could bolt the metal to the magnet itself (e.g. 1.5T Magnashield),主动屏蔽Active Shielding,在原磁场外面套加上一组反向磁场，减小对外部影响（A secondary magnet is wrapped around
6、 the primary magnet to reverse the external field effects） 对移动大型金属敏感Susceptible to “moving metal,” e.g. elevators, cars, trucks, and trains,small field,large field,opposing fields,primary magnet,secondary magnet,磁场均匀度和匀场,由于主磁场受到环境变化等诸多因素的影响，无法达到理想的均匀度 不可能得到完全理想的线圈 电流强度有可能发生微小变化 磁体中存在的金属会影响磁场,磁场均匀度和匀
7、场 Magnet Homogeneity,当磁场存在严重不均匀时，在所成的图象上将出现伪影 对因此对每个新安装的磁共振磁体必须测量其空间多点的磁场强度 采取匀场方式来改善磁场均匀度，即根据各点的测量值，计算出各补偿位置的应有的补偿数值，进行磁场的补偿，提高均匀度。,MILK,Non-homogeneous,Homogeneous,磁场均匀度和匀场 Magnet Homogeneity,因此对每个新安装的磁共振磁体必须测量其空间多点的磁场强度，计算出磁场偏差值，对不满足设计要求的，必须匀场(Shimming) 匀场按照其实现方式区分，分为无源匀场和有源匀场。,无源匀场Passive Shimmi
8、ng,用许多各种规格的铁条、铁片或铁点放在磁场的各个补偿位置，它们将受到磁化，并改变其周围的局部磁场，提高均匀度,匀场技术：1。计算机辅助的被动匀场 2。梯度自动匀场,永久磁场均匀度可以达到25ppm,有源匀场Active Shimming,利用一组不同形状的匀场线圈放在磁体内，通以适当的电流来产生补偿磁场，达到匀场的目的 线圈在液氦腔内：超导匀场；线圈在液氦腔外：常温匀场 比被动匀场容易实现和改变，但制造昂贵,匀场线圈shim coils,patient opening,磁体magnet,超导磁体匀场,Typ. 0.05 0.1 0.25 0.5 0.63 1.7* ppm DSV 10 2
9、0 30 40 45 50 cm,主动匀场,18对超导匀场线圈,磁体技术的发展,向更加节省液氦方向发展，如GE的K4磁体，可以2年补充液氦,磁体技术的发展,磁体向更加短小和更加开放方向发展，早期的磁体长度为210-240cm。如今Philips的3T磁体也仅为157cm,宽口径外形设计 以前的样子.,磁 体 腔,磁 体 腔,病人扫描孔道,直径 60 cm,开口外形,长度 210 cm,领先的磁体技术与梯度技术,开口、孔道与病人 以前的样子.,病人需要更多舒适的检查空间,磁 体 腔,磁 体 腔,大夫， 里面太闷了！ 呜.,长度 172 cm,射频扫描筒长 = 70 cm,66 cm,60 cm,
10、更短的宽口径外形设计 翻开历史新的一页.,全新概念、全新享受,磁 体 腔,磁 体 腔,病人扫描孔道,Magnet Vessel,Magnet Vessel,两级 开放,更短的宽口径外形设计 病人更加舒适.,70 cm 扫描孔道,高均匀磁场、高性能梯度场与高舒适孔道的完美结合,磁 体 腔,磁 体 腔,第二节 梯度场系统,功能和特性 梯度线圈和梯度场 涡流,梯度线圈和梯度磁场,梯度线圈是紧贴着安装在常温的磁体腔内 为防止震动移位，通常将三组线圈用环氧树脂胶封作为一个单元,梯度线圈和梯度磁场,Z梯度线圈,梯度线圈和梯度磁场,X梯度线圈,梯度线圈和梯度磁场,Y梯度线圈,梯度系统的特性,梯度场强 决定最
11、小层厚 决定最小FOV,梯度系统的特性,切换率,最大梯度场强,上升时间,=,梯度场强,mT/m,上升时间 (msec),最大梯度场强,rise time,最高梯度场强 23-30mT/m 最高的梯度切换率 120-150mT/m/ms,梯度切换率：上升和下降时间,非共振式梯度系统,共振式梯度系统,切换率为名义切换率 仅用于EPI 常规扫描仍为低切换率扫描 振荡电路， Siemens/Toshiba 使用,切换率为实际切换率 用于EPI和常规扫描 最新高频电源技术 GE/Philips/Picker 使用,梯度电源两种工作形式,FOV,/,Fast SE, more echo,Shorter,T
12、R,Shorter,TE,/,SNR,/,非共振式梯度系统满足 100% 工作周期,最高的梯度切换率 SR 20 / 77 / 120,最短梯度回波序列(GRE) TE 时间 0.9 ms,快速自旋回波回波间隔小于 4.6 ms,单次激发快速自旋回波回波间隔小于 4.3ms,平面回波成象(EPI) 采集最快 64ms,超薄 3D 层厚 0.1mm,最高梯度场强 23 mT/m,GE Signa 1.5T 梯度系统,SX,梯度磁场的发展,梯度磁场的发展,静音技术 FSE序列,第三节 射频系统,功能和特性 线圈构型 线圈信噪比 线圈质量 发射器和发射带宽 接受器和接受通道数、带宽和采样率,功能和特
13、性,产生并收集磁共振信号 发射器功率为几百瓦，而单个体元的磁化矢量仅为0.1uv 发生器和接受器的B1方向必须和B0方向垂直,线圈构型,体线圈 在超导磁场下，常采用马鞍型/鸟笼型线圈 头，肢体线圈 在超导磁场下，常采用小尺寸马鞍型/鸟笼型线圈,线圈构型,体线圈 在永久磁场下，常采用螺线型线圈 头，肢体线圈 在永久磁场下，常采用小的螺线型线圈,线圈构型,表面线圈，可以进一步提高局部SNR，但均匀性差 如腰椎线圈、肩关节线圈等,线圈构型,相共振线圈，可以克服表面线圈成像范围小，均匀度差的缺点 相共振线圈采用多个小线圈排列在一起，每个线圈都有自己的信号通道 如颈胸腰椎线圈、Torso线圈等,线圈与发
14、射和接受,RF线圈分为三种： 只发射、只接受和既发射又接受 体线圈：既发射又接受 头线圈：有既发射又接受型的，也有只 接受的 表面线圈：只接受(此时采用体线圈发射),可作运动成像的特殊线圈,高质量的正交头线圈,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,用途广泛的表面线圈,shoulder coil,SE TR: 466 TE: 18/Fr
15、9/07:36 256x192/5 NEX,灵敏的正交 Extremity Coil,Extremity Coil,SE/90 TR: 400 TE: 25 12/07:47 512X196/6 NEX,RF发射器,产生一个时间稳定的RF 合适的波形 通过开关定时发射RF射频 发射器的线性：输出功率必须正比于输入功率,信号接受系统,将接受到高频MR信号进行信号放大(前置放大器)，经过滤波器得到所需的MR音频信号，对此MR音频信号进行数字化采样 正交发射和接受检测 数字采样率 带宽,RF屏蔽,MR信号幅度非常小，为uV级，容易受外界几十MHz的无线电波的干扰。 为避免外界干扰，需要将磁共振信号探
16、测系统与外界隔离 常采用将扫描室用薄铜皮全部包裹，作成RF屏蔽室，一般屏蔽要求电磁波衰减达到90-100db.,RF技术发展,接受器的信号通道数从早期的1个成为现在6个、8个，提高了相共振线圈的性能 多通道并行采集技术（SENSE） 数字化射频发射和接受,多通道并行采集技术（SENSE）,第四节 计算机及数据处理系统,主机 主机系统是MR系统的指令和控制中心，它执行病人资料输入、扫描参数定义、执行扫描序列、控制数据采集、重建处理、显示和存贮以及相机打印各功能，要求计算机速度快、内存大、硬盘大并具有并行处理能力，可以边扫描边调整下一个病人扫描参数，同时进行后台相机打印操作。,计算机即辅助系统,阵列处理机 目前MR系统中一般均配备阵列处理机来进行2DFFT和3DFFT的大量运算工作，可以单独执行，无需占用主机时间，因是采用硬件处理FFT变换，成像速度快，在1.5TMR设备上重建速度普遍达到100帧/秒以上的重建速度。,1 Screen 3 Step Operation,软件操作界面,主计算机系统信能指标,1. 磁 体 2. 梯 度 系 统 3. 射 频 系 统 4. 数 据 处 理 系 统 5. 外 围 设 备 稳 压 器 水 冷 机 照 相 机/ 洗 片 机,数 据 管 理 系 统,谢谢聆听,