01第一節(jié)磁共振成像儀的基本硬件

1、第一節(jié)磁共振成像儀的基本硬件醫(yī)用MRI儀通常由主磁體、梯度線圈、脈沖線圈、計算機系統(tǒng)及其他輔助設備等五部 分構成。一、主磁體主磁體是MRI儀最基本的構件，是產生磁場的裝置。根據(jù)磁場產生的方式可將主磁體 分為永磁型和電磁型。永磁型主磁體實際上就是大塊磁鐵，磁場持續(xù)存在，目前絕大多數(shù)低 場強開放式MRI儀采用永磁型主磁體。電磁型主磁體是利用導線繞成的線圈，通電后即產 生磁場，根據(jù)導線材料不同又可將電磁型主磁體分為常導磁體和超導磁體。常導磁體的線 圈導線采用普通導電性材料，需要持續(xù)通電，目前已經逐漸淘汰；超導磁體的線圈導線采用 超導材料制成，置于液氦的超低溫環(huán)境中，導線內的電阻抗幾乎消失，一旦通電后

2、在無需繼 續(xù)供電情況下導線內的電流一直存在，并產生穩(wěn)定的磁場，目前中高場強的MRI儀均采用 超導磁體。主磁體最重要的技術指標包括場強、磁場均勻度及主磁體的長度。主磁場的場強可采用高斯（Gauss，G）或特斯拉（Tesla，T）來表示，特斯拉是目前磁 場強度的法定單位。距離5安培電流通過的直導線1cm處檢測到的磁場強度被定義為1高 斯。特斯拉與高斯的換算關系為：1 T = 10000 G。在過去的20年中，臨床應用型MRI儀主 磁體的場強已由0.2 T以下提高到1.5 T以上，1999年以來，3.0 T的超高場強MRI儀通過 FDA認證進入臨床應用階段。目前一般把0.5 T以下的MRI儀稱為低場

3、機，0.5 T到1.0 T 之間的稱為中場機，1.0T到2.0之間的稱為高場機（1.5 T為代表），大于2.0 T的稱為超高 場機（3.0 T為代表）。高場強MRI儀的主要優(yōu)勢表現(xiàn)為：（1）主磁場場強高提高質子的磁化率，增加圖像的 信噪比；（2）在保證信噪比的前提下，可縮短MRI信號采集時間；（3）增加化學位移使磁 共振頻譜（magnetic resonance spectroscopy， MRS）對代謝產物的分辨力得到提高；（4）增 加化學位移使脂肪飽和技術更加容易實現(xiàn)；（5）磁敏感效應增強，從而增加血氧飽和度依賴 （BOLD）效應，使腦功能成像的信號變化更為明顯。當然MRI儀場強增高也帶來

4、以下問題：（1）設備生產成本增加，價格提高。（2）噪音 增加，雖然采用靜音技術降低噪音，但是進一步增加了成本。（3）因為射頻特殊吸收率（specific absorption ratio，SAR）與主磁場場強的平方成正比，高場強下射頻脈沖的能量在 人體內累積明顯增大，SAR值問題在3.0 T的超高場強機上表現(xiàn)得尤為突出。（4）各種偽影 增加，運動偽影、化學位移偽影及磁化率偽影等在3.0 T超高場機上更為明顯。由于上述問 題的存在，3.0 T的MRI儀在臨床應用還有一定限制，盡管其在中樞神經系統(tǒng)具有優(yōu)勢，但 是在體部應用還不太成熟，因此，目前以1.5 T的高場機最為成熟和實用。MRI對主磁場均勻

5、度的要求很高，原因在于：（1）高均勻度的場強有助于提高圖像信 噪比，（2）場強均勻是保證MR信號空間定位準確性的前提，（3）場強均勻可減少偽影（特 別是磁化率偽影），（4）高度均勻度磁場有利于進行大視野掃描，尤其肩關節(jié)等偏中心部位 的MRI檢查，（5）只有高度均勻度磁場才能充分利用脂肪飽和技術進行脂肪抑制掃描，（6） 高度均勻度磁場才能有效區(qū)分MRS的不同代謝產物?，F(xiàn)代MRI儀的主動及被動勻場技術進 步很快，使磁場均勻度有了很大提高。為保證主磁場均勻度，以往MRI儀多采用2m以上的長磁體，近幾年伴隨磁體技術的 進步，各廠家都推出磁體長度為1.4m1.7m的高場強（1.5T）短磁體，使病人更為舒

6、適， 尤其適用于幽閉恐懼癥的患者。隨介入MR的發(fā)展，開放式MRI儀也取得很大進步，其場強已從原來的0.2T左右上升 到0.5T以上，目前開放式MRI儀的最高場強已達1.0T。圖像質量明顯提高，掃描速度更快， 已經幾乎可以做到實時成像，使MR“透視”成為現(xiàn)實。開放式MR掃描儀與DSA的一體化 設備使介入放射學邁進一個嶄新時代。二、梯度線圈梯度線圈是MRI儀最重要的硬件之一，主要作用有：（1）進行MRI信號的空間定位編 碼；（2）產生MR回波（梯度回波）；（3）施加擴散加權梯度場；（4）進行流動補償；（5） 進行流動液體的流速相位編碼。梯度線圈由X、Y、Z軸三個線圈構成（在MR成像技術中， 把主磁

7、場方向定義為Z軸方向，與Z軸方向垂直的平面為XY平面）。梯度線圈是特殊繞制 的線圈，以Z軸線圈為例，通電后線圈頭側部分產生的磁場與主磁場方向一致，因此磁場 相互疊加，而線圈足側部分產生的磁場與主磁場方向相反，因此磁場相減，從而形成沿著主 磁場長軸（或稱人體長軸），頭側高足側低的梯度場，梯度線圈的中心磁場強度保持不變。 X、Y軸梯度場的產生機理與Z軸方向相同，只是方向不同而已。梯度線圈的主要性能指標 包括梯度場強和切換率（slew rate）。梯度場強是指單位長度內磁場強度的差別，通常用每米長度內磁場強度差別的毫特斯拉 量（mT/M）來表示。圖1為梯度場強示意圖，條狀虛線表示均勻的主磁場，斜線表

8、示線性 梯度場；兩條線相交處為梯度場中點，該點梯度場強為零，不引起主磁場強度發(fā)生變化；虛 線下方的斜線部分表示反向梯度場，造成主磁場強度呈線性降低；虛線上方的斜線部分為正 向梯度場，造成主磁場強度呈線性增高。有效梯度場兩端的磁場強度差值除以梯度場施加方 向上有效梯度場的范圍（長度）即表示梯度場強，即：梯度場強（mT/M）=梯度場兩端的磁場強度差值/梯度場的長度圖1梯度場強示意圖圖2梯度場切換率示意圖切換率（slew rate）是指單位時間及單位長度內的梯度磁場強度變化量，常用每秒每米 長度內磁場強度變化的毫特斯拉量（mT/M.S）來表示，切換率越高表明梯度磁場變化越快， 也即梯度線圈通電后梯度

9、磁場達到預設值所需要時間（爬升時間）越短。圖2為梯度場切換 率示意圖。梯度場的變化可用梯形來表示，梯形中只有中間的矩形部分才是有效的，矩形部 分表示梯度場已經達到預定值并持續(xù)存在，梯形的左腰表示梯度線圈通電后梯度場強逐漸增 高、直至預定值，用t表示梯度場增高到預定值所需的時間，則梯度場的切換率=梯度場預定強度/t實際上就是梯形左腰的斜率。斜率越大，即切換率越高，梯度場爬升越快，所需的爬升 時間越短。梯度線圈性能的提高對于MR超快速成像至關重要，可以說沒有梯度線圈的進步就不 可能有超快速序列。SS-RARE、Turbo-GRE及EPI等超快速序列以及水分子擴散加權成像 對梯度場的場強及切換率都有

10、很高的要求，高梯度場及高切換率不僅可以縮短回波間隙加快 信號采集速度，還有利于提高圖像的SNR，因而近幾年快速或超快速成像技術的發(fā)展可以 說是直接得益于梯度線圈性能的改進?，F(xiàn)代新型1.5T MRI儀的常規(guī)梯度線圈場強已達 25mT/m以上，切換率達120mT/m.s以上。1.5T MRI儀最高配置的梯度線圈場強已達 60mT/m，切換率超過 200 mT/m.s。需要指出的是由于梯度磁場的劇烈變化會對人體造成一定的影響，特別是引起周圍神經 刺激，因此梯度磁場場強和切換率不是越高越好，是有一定限制的。三、脈沖線圈脈沖線圈也是MRI儀的關鍵部件，脈沖線圈有發(fā)射線圈和接收線圈之分。發(fā)射線圈發(fā) 射射頻

11、脈沖（無線電波）激發(fā)人體內的質子發(fā)生共振，就如同電臺的發(fā)射天線；接收線圈接 收人體內發(fā)出的MR信號（也是一種無線電波），就如同收音機的天線。有的線圈可同時作 為發(fā)射線圈和接受線圈，如裝在掃描架內的體線圈和頭顱正交線圈。大部分表面線圈只能作 為接受線圈，而由體線圈來承擔發(fā)射線圈的功能。MR成像對脈沖線圈也有很高的要求，發(fā)射線圈應盡可能均勻地發(fā)射射頻脈沖，激發(fā)感 興趣容積內的質子。發(fā)射線圈所發(fā)射的射頻脈沖的能量與其強度和持續(xù)時間有關，現(xiàn)代新型 的發(fā)射線圈由高功率射頻放大器供能，所發(fā)射的射頻脈沖強度增大，因而所需要的持續(xù)時間 縮短，加快了 MRI的采集速度。與MR圖像信噪比密切相關的是接收線圈，接收線圈離檢查部位越近，所接收到的信 號越強，線圈內體積越小，所接收到的噪聲越低，因而各產家開發(fā)了多種適用于各檢查部位 的專用表面線圈，如心臟線圈、肩關節(jié)線圈、直腸內線圈、脊柱線圈等。近年來出現(xiàn)的表面相控陣線圈（phased array coils）是脈沖線圈技術的一大飛躍。一個 相控陣線圈由多個子線圈單元（element）構成，同時需要有多個數(shù)據(jù)采集通道（channel） 與之匹配。目前臨床上推出最新型的相控陣線圈的子單元和與之匹配的數(shù)據(jù)采集通道為8 個以上。利用相控陣線圈可明顯提高MR圖像的信噪比，有助于改