醫(yī)學(xué)影像專業(yè)課程核磁共振硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳細(xì)介紹演示文稿

醫(yī)學(xué)影像專業(yè)課程核磁共振硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳細(xì)介紹演示文稿當(dāng)前第1頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)§12.1Introduction主磁體~Magnet梯度系統(tǒng)~Gradientsystem

RF系統(tǒng)~RFsystem計(jì)算機(jī)系統(tǒng)~Computersystem當(dāng)前第2頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)PDP11、VAXSUN、SGI;PC多用戶操作系統(tǒng)VMS（早期）UNIX文件存檔：MODDVD

CDR3T：Linux（GE）WindowsXP（SIEMENS、Philips）當(dāng)前第3頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)MR系統(tǒng)構(gòu)造當(dāng)前第4頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)MR系統(tǒng)部件和構(gòu)造以及T/R轉(zhuǎn)換開關(guān)當(dāng)前第5頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)當(dāng)前第6頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)§12.2主磁體主磁體是MR的主要部件主磁體特性:穩(wěn)定性（Stability）均勻性（Homogeneity）非均勻性Inhomogeneity(ppm)=variation(T)/fieldstrength(T)×106當(dāng)前第7頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)主磁體類型永磁體~

Permanentmagnet常導(dǎo)體~

Resistivemagnet超導(dǎo)體~

Superconductingmagnet當(dāng)前第8頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)I永磁體~

Permanentmagnet永磁體使用磁性材料產(chǎn)生磁場~高剩磁稀土合金，如SmCo5,Nd-Fe-B.ALNICO（鐵、鈷合金）SmCo5ALNICO(釤鈷鐵鈷合金）Nd-Fe-B（釹、硼、鐵合金）

0.2TALNICO23噸Nd-Fe-B4噸當(dāng)前第9頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)HITACHAIRIS-mate(0.2T)7.8噸AIRIS-2(0.3T)10噸APERTO(0.4T)13噸釹鐵硼材料優(yōu)點(diǎn):高剩磁缺點(diǎn):溫度系數(shù)比較大當(dāng)前第10頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)

1.結(jié)構(gòu)Ring(環(huán)型)Yoke(軛型)C-shapeH-shapeyoke有源材料產(chǎn)生B0無源材料形成磁路當(dāng)前第11頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)當(dāng)前第12頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)2.影響因素剩磁(Remanence)矯頑力(Coerciveforce)指破壞磁體磁化狀態(tài)所需之力也就是使磁感沿磁滯回線減少至零時(shí)所需的磁場強(qiáng)度矯頑力大~硬磁材料矯頑力小~軟磁材料

磁路結(jié)構(gòu)(Magneticcircuitstructure)……一般永磁體場強(qiáng)不大于0.5Ｔ當(dāng)前第13頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)開放（孩子、幽閉癥、介入）系統(tǒng)構(gòu)造簡單不產(chǎn)生熱運(yùn)行成本低維護(hù)費(fèi)用低

壽命長永磁體場強(qiáng)對溫度非常敏感(0.1

C)。例如，Nd-Fe-B磁體溫度升高1

C，磁場降低約1000ppm；當(dāng)前第14頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)II常導(dǎo)體~Resistivemagnet1.電磁理論(Electromagnetismtheory):線圈中有電流時(shí)會產(chǎn)生磁場，并會導(dǎo)致線圈溫升。當(dāng)前第15頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)Air-coredresistivemagnetconstructedusingfourcoilsarrangedeitherhorizontallyorvertically.Air-coredresistivemagnetsIron-coredresistivemagnets當(dāng)前第16頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)2.材料的選擇銅（Copper）：電導(dǎo)率大、密度大、價(jià)格高、產(chǎn)熱少；鋁（Aluminum）：電導(dǎo)率小、密度小、價(jià)格低、產(chǎn)熱多；

線圈產(chǎn)生的熱量由去離子水帶走3.穩(wěn)定性~不太好4.均勻性~不太好當(dāng)前第17頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)III.超導(dǎo)磁體~

Superconductingmagnet1.超導(dǎo)理論:當(dāng)溫度T降低到臨界溫度(criticaltemperature),電阻突然變?yōu)?(測量不出)。電流可永無休止的流動。超導(dǎo)磁體可產(chǎn)生強(qiáng)磁場超導(dǎo)材料臨界溫度：普通鉛（Plumbum）:7.4K鈮鈦合金（Niobium—Titanium）:20K稀土陶瓷(Ceramic):100K當(dāng)前第18頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)2.超導(dǎo)材料類型:II:Ni(鈮)、V(釩)、Tc(锝)alloyorcompoundI:otherMR:TypeIIMullityNbTialloyfilamentscomplexlead(鈮鈦合金多芯復(fù)合超導(dǎo)線~位于銅基中)isverypopular,anditcanload700A.當(dāng)前第19頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)3.

超導(dǎo)材料的選擇：可負(fù)載大電流可保持超導(dǎo)狀態(tài)(>4.2KHe)MR系統(tǒng)提供的低溫制冷裝置系統(tǒng)可使所選超導(dǎo)材料保持超導(dǎo)狀態(tài)；超導(dǎo)材料要有合適的物理特性：可塑性(plasticity)和柔韌性(pliability)當(dāng)前第20頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)4.構(gòu)造EarlySCmagnet當(dāng)前第21頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)當(dāng)前第22頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)當(dāng)前第23頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)NbTi纖維包埋在銅材中

銅材在失超時(shí)保護(hù)超導(dǎo)線圈超導(dǎo)磁體線圈：

基于均勻性的考慮常使用4-8組獨(dú)立線圈當(dāng)前第24頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)5.磁體特性場強(qiáng)均勻性穩(wěn)定性當(dāng)前第25頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)高場MR的優(yōu)缺點(diǎn)信噪比圖像細(xì)節(jié)速度功能成像……But！當(dāng)前第26頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)化學(xué)位移偽影RF功率沉積高場強(qiáng)設(shè)備發(fā)射機(jī)功率通常是10~25kW，利用SAR對其加以限制，尤其是>1.5T時(shí)，RF沉積將限制重復(fù)時(shí)間。RF穿透性RF場在人體組織內(nèi)感應(yīng)電流，部分抵消了RF場，降低了RF脈沖穿透組織的深度，導(dǎo)致RF激發(fā)的成像容積不均勻。T1弛豫時(shí)間T1弛豫時(shí)間隨場強(qiáng)增加而增加，更易發(fā)生飽和，使SNR與場強(qiáng)不成正比。當(dāng)前第27頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)更高的梯度要求梯度場隨場強(qiáng)成比例地增強(qiáng)要求驅(qū)動放大器的功率增加噪音更大價(jià)格一般情況場強(qiáng)高，價(jià)格高。對人群的影響更易對其他病人和設(shè)備產(chǎn)生影響，更應(yīng)考慮雜散場。當(dāng)前第28頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)

afullyloadedpalletjackthathasbeensuckedintotheboreofanMRIsystem.

當(dāng)前第29頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)MRI系統(tǒng)不同磁體類型比較當(dāng)前第30頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)§12.3低溫系統(tǒng)和制冷劑~LowtemperaturesystemandcryogenI.低溫系統(tǒng)維持低溫使超導(dǎo)線圈處于超導(dǎo)狀態(tài)；低溫容器(Dewar)磁體線圈位于Dewar中；Dewar必須有好的絕熱性能(adiabatic)當(dāng)前第31頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)II制冷劑液氮（LiquidNitrogen）~77K液氦（LiquidHelium）~4K為了把液氦、超導(dǎo)線圈與環(huán)境分割開來，需要低溫保持器(cryostat)20K,70K(80K)液氦量的測量當(dāng)前第32頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)Heliumlevel當(dāng)前第33頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)勵磁(

Excitation)、

退磁（Demagnetization）1勵磁過程（Excitationprocess）A.冷卻磁體（Coolingmagnet）：主磁體線圈處于超導(dǎo)狀態(tài)B.線圈加載（Windingsareloadedcurrent）：注入電流電流注入過程（Loadingprocess）：當(dāng)前第34頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)1)加熱超導(dǎo)開關(guān)使之無效；2)線圈兩端加載電壓在線圈內(nèi)感應(yīng)電流；3)當(dāng)B0符合要求時(shí)，關(guān)閉加熱器，超導(dǎo)開關(guān)恢復(fù)超導(dǎo)狀態(tài)；4)電流在超導(dǎo)線圈內(nèi)循環(huán)流動。當(dāng)前第35頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)νUH-

加熱電壓

(超導(dǎo)開關(guān))

ULILULUHmake

isnotSC;ILincreasingwiththeeffectofUL;Bincreasinglinearlywitht;ULgraduallydecreasing,tillto0whenB0isacquired;TurnoffUHILdecreasingto0.di/dt=-UL/L當(dāng)前第36頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)2.DemagnetizationTurnonSswitchUH-turnoffAdjustIofMPSIandS-ULIL=0,UL=0TurnoffandUHEnergy=0UHILULS當(dāng)前第37頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)3.失超(Quench)超導(dǎo)線圈的部分不再是超導(dǎo)狀態(tài)，線圈儲存的能量部分變成熱能散出；熱能使線圈其他部分加熱繼而失去超導(dǎo)狀態(tài)產(chǎn)生更多的熱量，惡性循環(huán)直至遍及整個(gè)磁體發(fā)生失超；失超使設(shè)備經(jīng)歷劇烈的熱脹冷縮和磁力變化，使原有有源、無源勻場失效。當(dāng)前第38頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)失超原因：Fluxjump（磁通跳躍）~釋放能量Frictionresultingheat（摩擦生熱）~線圈的微小運(yùn)動失超導(dǎo)致：B0

的崩潰瓦解液氦迅速沸騰（boiling-off）當(dāng)前第39頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)爆破膜(

Bursting-disks)在高壓下爆破，使得大量的氣氦溢出低溫保持器。自發(fā)的失超(

Spontaneousquenches)很少發(fā)生!如果需要失超，線圈儲存的電能沉積在假負(fù)荷（dummyload）避免損傷磁體（這是一個(gè)耗費(fèi)昂貴的過程）。當(dāng)前第40頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)失超保護(hù)二極管和失超保護(hù)電阻Quenchprotectiondiodeandresistance低阻通路SIEMENSOR41AS失超:100V電壓限制勵磁/退磁:10V電壓當(dāng)前第41頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)§12.4屏蔽和勻場

ShieldingandShimmingI.屏蔽（Shielding）邊緣場（Fringefield）雜散場（Strayfield）雜散場，特別是超導(dǎo)磁體的雜散場在各個(gè)方向上會伸出磁體，對外圍產(chǎn)生影響FDA~5G當(dāng)前第42頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)無源屏蔽、被動屏蔽(Passiveshielding)房間屏蔽(Roomshielding):鐵磁性材料~對建筑結(jié)構(gòu)有依賴性，分場地設(shè)計(jì)；屏蔽材料厚度小、面積大；自屏蔽(

Self-shielding):在磁體孔徑內(nèi)放置鐵磁性材料(Ironplates)；有可能給勻場增加困難；當(dāng)前第43頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)有源屏蔽、主動屏蔽(Activeshielding):載有反向電流的線圈繞組降低雜散場；有源屏蔽的磁體重量輕，但由于B0被抵消一些，需多用超導(dǎo)線、杜瓦體積大些）；常導(dǎo)有源屏蔽(Resistive)超導(dǎo)有源屏蔽(SC)當(dāng)前第44頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)II.勻場~

Shimming優(yōu)質(zhì)的MR圖像對B0的均勻性和穩(wěn)定性有高要求；勻場方法:無源勻場（被動勻場）(Passive，

后進(jìn)行)有源勻場（主動勻場）(Active，先進(jìn)行)Combinationofboth當(dāng)前第45頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)1.無源勻場(Passivelyshimming)在磁體周圍放置鐵片校正；鐵片放置的數(shù)量和位置經(jīng)過特殊的勻場程序計(jì)算出來；可校正高次磁場不均勻性；材料價(jià)格便宜；不需要昂貴的高精度電源；當(dāng)需要更高度的均勻度或均勻性可調(diào)時(shí)必須用有源勻場；當(dāng)前第46頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)2.有源勻場（Activelyshimming）一系列載流繞組排列在磁體孔徑的柱形管上，每個(gè)繞組產(chǎn)生的校正磁場與球形諧波展開式的一個(gè)系數(shù)近似；必須避免這些繞組與磁體和梯度線圈的相互影響；線圈中的電流在系統(tǒng)安裝期間確定并保持不變，直到有工程師進(jìn)行再勻場時(shí)才改變；當(dāng)前第47頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)主磁場線圈超導(dǎo)勻場線圈常導(dǎo)勻場線圈梯度線圈位于磁體低溫容器內(nèi)位于孔徑內(nèi)有源勻場使用的線圈繞組有三類：超導(dǎo)勻場線圈、常導(dǎo)勻場線圈和梯度線圈當(dāng)前第48頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)GE:SII,SIIImagnet1.5T18個(gè)超導(dǎo)勻場線圈（高階)隔熱屏散熱系統(tǒng)（壓縮機(jī)和冷頭）排氣系統(tǒng)和電流探頭直插式低溫容器流速表和壓力表便于觀察液氦側(cè)罐口，易于補(bǔ)充

當(dāng)前第49頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)Maincoil主線圈電流為734.5A主超導(dǎo)開關(guān)與主線圈和串聯(lián)電阻并行連接—無阻通路開關(guān)的超導(dǎo)狀態(tài)：持久模式（persistent)開關(guān)的有阻狀態(tài)：有阻模式（resistive)緊急失超：主線圈放置有另外的加熱器，使主磁場快速退磁（rundown).失超保護(hù)裝置與主線圈并聯(lián)，在失超或緊急退磁時(shí)保護(hù)主線圈。當(dāng)前第50頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)Shimmingcoils18個(gè)超導(dǎo)勻場線圈位于液氦容器內(nèi)用于磁體勻場調(diào)節(jié)；勻場調(diào)節(jié)程序需要的數(shù)據(jù)通過測繪裝置和探頭獲得；Z2、Z4、Z6：容積內(nèi)各處的磁場；Z1、Z3、Z5：磁體后端的磁場；C11+、C11-、C22-、C31、C33）：橫向偶數(shù)線圈S11+、S11-、X22+、S22-、S31、S33：橫向奇數(shù)線圈當(dāng)前第51頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)Subsystemelement(子系統(tǒng)組件)磁體低溫容器(Magnetcryostat）：包含6個(gè)超導(dǎo)主線圈、18個(gè)超導(dǎo)勻場線圈、18個(gè)超導(dǎo)開關(guān)和開關(guān)加熱器、失超保護(hù)裝置；硅二極管、超導(dǎo)液氦液面探測器和壓力傳感器位于低溫容器內(nèi)，分別監(jiān)視低溫容器的溫度、液氦液面和壓力；制冷劑監(jiān)視器(Cryogenmonitor)：裝在機(jī)架上與液氦液面?zhèn)鞲衅飨噙B；當(dāng)前第52頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)隔熱屏散熱壓縮機(jī)(Heatinsulationscreenradiatorcompressor):位于機(jī)柜間與MR的冷頭相連，對氣氦進(jìn)行壓縮。磁體緊急退磁裝置(Magnetemergencydemagnetizationdevice)：裝在墻壁上，與一組主線圈的加熱器相連。按下按鈕，給主線圈加熱器供電，磁場快速降落(2分鐘內(nèi),20%以下)液氦揮發(fā)率(VolatilizationvelocityofliquidHe)應(yīng)小于0.2l/h勵磁/退磁、超導(dǎo)勻場：嚴(yán)格遵守手冊中的步驟；當(dāng)前第53頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)磁體維護(hù)/部件更換：揮發(fā)增加揮發(fā)長期超標(biāo)：隔熱屏散熱器工作不正常熱-聲振蕩真空受損低溫容器內(nèi)部熱短路低溫容器外部結(jié)冰通常是真空問題或熱短路當(dāng)前第54頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)傳感器溫度檢測二極管：硅二極管，位于磁體支持物的上部和底部，監(jiān)視內(nèi)部支持物溫度；還有位于隔熱屏散熱器安裝套管的第一級和第二極接口點(diǎn)，用于溫度檢測和故障查找；超導(dǎo)液氦液面?zhèn)鞲衅鳎何挥诘蜏厝萜鲀?nèi)，低溫容器壓力傳感器當(dāng)前第55頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)梯度場:隨位置線性變化§12.5梯度系統(tǒng)當(dāng)前第56頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)I.主要部件:梯度波形發(fā)生器

梯度驅(qū)動級

梯度功率放大器

梯度線圈others當(dāng)前第57頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)II梯度線圈1.結(jié)構(gòu)Gz:一對環(huán)形線圈(Maxwellpaircoils)流有反向電流Gy:Golayconfiguration,4個(gè)線圈位于圓柱體外部Gx:Golaycoils(rotate90o)當(dāng)前第58頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)麥克斯韋對Golay線圈同圓線圈，線圈間距=31/2R反向電流Bz=Gz(0)z+O[(z/d)5]校正到5階8個(gè)120圓弧近圓弧處對中心張角68.7遠(yuǎn)端圓弧張角為21.3，距中垂面距離為2.57R（效率和回路）當(dāng)前第59頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)梯度線圈設(shè)計(jì)方法一般采用目標(biāo)場方法的逆向設(shè)計(jì)方法根據(jù)期望的梯度場用傅立葉變化倒推電流密度分布；已應(yīng)用于設(shè)計(jì)渦流自屏蔽梯度線圈。當(dāng)前第60頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)2.梯度脈沖波形:梯形(trapezoidal)一個(gè)上升沿(slopingrise)后跟一個(gè)平臺(flatplateau)和一個(gè)下降沿(slopingfall)。G梯度強(qiáng)度G(strength)~單位距離內(nèi)場強(qiáng)的變化量，inmT/m;上升時(shí)間單位是s,一般值在1000s~200s.梯度場切換率(slewrate)是單位時(shí)間單位距離的場強(qiáng)變化。一般在20-150T/m.s.當(dāng)前第61頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)3.梯度線圈充電特性:響應(yīng)時(shí)間:=L/R假定300V,Ｌ=1mH,Ｒ=100mΩ如果給梯度線圈的供電時(shí)間達(dá)到5τ。序列所需要的電流值一般最大在200A的范圍內(nèi)，這時(shí)可看成是線性，電流上升的速率也最快（大約0.6ms內(nèi)達(dá)到160A的電流）。L上升速率

如電流上升速率比線圈特性允許的快，需提高梯度功率放大器當(dāng)前第62頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)4.梯度線圈的噪聲（噪音）不斷變化的梯度電流是梯度線圈產(chǎn)生振動（聲頻范圍~噪音）；噪音與梯度場變化速率或電流變化率有關(guān)；di/dt越大，噪音越大。當(dāng)前第63頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)III.梯度放大器實(shí)質(zhì)是音頻電流放大器，負(fù)載時(shí)大電感、小電阻；根據(jù)標(biāo)稱梯度電流的大小和方向以預(yù)設(shè)的方式向線圈傳遞能量，驅(qū)動電流流過梯度線圈產(chǎn)生梯度磁場；梯度線圈~梯度放大器的負(fù)載；放大器種類Linearamplifier(線性放大器)On-offamplifier（開關(guān)式放大器）當(dāng)前第64頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)線性放大器:三極管(dynatron)的功率損耗Ploss很大；總消耗功率PPlossofdynatronPAIUr300VPloss=UI-I2R線圈負(fù)載電阻功率消耗當(dāng)前第65頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)開關(guān)式放大器（On-offamplifier，usuallyadopted)全額輸出、完全截至三極管功率損失降低，提高放大器工作效率開關(guān)三極管當(dāng)前第66頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)梯度功放后級主要由電子開關(guān)(場效應(yīng)管、雙極性三極管)、單向二極管(free-wheelingdiode)、儲能和濾波電容、線圈組成；開關(guān)閉合：開關(guān)閉合后電流指數(shù)上升開關(guān)斷開：梯度線圈電感特性試圖保持電流的穩(wěn)定；梯度線圈相當(dāng)于是電流源，驅(qū)動電流流經(jīng)單向二極管。開關(guān)三極管的切換頻率必須與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，且固定；當(dāng)前第67頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)通過改變脈沖占空比，可以調(diào)節(jié)電流的平均高度值。Gmax主要受梯度電源限制；當(dāng)給定G及最小切換時(shí)間，梯度功率取決于設(shè)計(jì)時(shí)的假設(shè)，但總體上是隨著梯度線圈半徑的4~5次冪增加；增加梯度線圈繞組數(shù)量可減少電流需求，但會增加L，即增加；要提高切換速率需要相應(yīng)地增加電壓。當(dāng)前第68頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)典型的電流:200A~300A為快速切換，梯度電源必須能夠支持電流以300A/s或更快的速率變化，這意味著典型的1mH線圈最小需要300V電壓脈沖，還要有些剩余來彌補(bǔ)線圈和導(dǎo)線的阻抗損失。由于梯度決定了空間頻率域的采樣點(diǎn)，因此梯度必須高度穩(wěn)定，梯度電源必須極其精確。當(dāng)前第69頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)梯度波形發(fā)生器數(shù)字信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換得到模擬標(biāo)稱電流值I0

；實(shí)際值減去標(biāo)稱值I-I0

調(diào)節(jié)器IV.Adjustmentcircuit當(dāng)前第70頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)1.實(shí)際值測量梯度線圈電流測量利用精確直流傳感器（LEM~法文縮寫)無接觸測量；基于Hall效應(yīng)HalleffectU=k·I·B/d當(dāng)前第71頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)LEM利用磁芯繞組的補(bǔ)償電流，使空氣間隙的磁場忽略不計(jì)，這個(gè)補(bǔ)償電流等于梯度電纜中電流平均值的千分之一。當(dāng)前第72頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)2.PID(比例積分微分調(diào)節(jié)器)穩(wěn)定性、精度、速度Measure當(dāng)前第73頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)PID:相當(dāng)于積分器(integrator)比例(Proportion)調(diào)節(jié)器:積分電路的一個(gè)時(shí)間常數(shù)(Timeconstant)使高頻時(shí)相移為0，改進(jìn)閉環(huán)的穩(wěn)定性；Stability積分(Integrator)調(diào)節(jié)器:調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度，使低頻誤差信號為0；

Accuracy微分(Derivative)調(diào)節(jié)器:預(yù)測濾波器的電壓來允許更高的環(huán)路增益；SpeedPID~SAS，彌補(bǔ)各自的不足(微分調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)偏差和積分調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)速度慢)。調(diào)節(jié)器的輸出信號(控制信號)與三角波電壓進(jìn)行比較，得到經(jīng)脈沖寬度調(diào)制的四個(gè)觸發(fā)信號，產(chǎn)生后級功率三極管所需的開關(guān)脈沖。當(dāng)前第74頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)3.脈沖寬度調(diào)制Stability,Speed,AccuracyMeasure當(dāng)前第75頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)S1~S4：場效應(yīng)管+G:正向梯度電流(場效應(yīng)管S2和S3工作);

-G:負(fù)向梯度電流(場效應(yīng)管S1和S4)。+G、-G，梯度電源不供給能量，梯度線圈釋放出來的能量送給儲能電容C。當(dāng)前第76頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)V.渦流（Eddycurrent）梯度場的快速切換在周圍導(dǎo)電材料中感應(yīng)出渦流渦流隨G及其變化率變化。一旦達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的平臺值，渦流開始衰減。渦流的衰減可用指數(shù)函數(shù)近似，其=L/R是由導(dǎo)電材料的Ｒ、有效電感Ｌ決定。當(dāng)前第77頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)對于“高溫導(dǎo)體”，R隨著溫度近似線性地增加對于超導(dǎo)磁體，通常由制冷層的傳導(dǎo)率以及有效電感決定低溫屏蔽層由溫度大約70K的鋁組成，產(chǎn)生的渦流具有很長的；RF體線圈的銅屏蔽(約300K)感應(yīng)的渦流短；渦流效應(yīng)相當(dāng)于把梯度場脈沖進(jìn)行低通濾波如對渦流不加任何補(bǔ)償，IG脈沖會產(chǎn)生畸變當(dāng)前第78頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)渦流補(bǔ)償方法RC元件使電流預(yù)畸變重新產(chǎn)生期望的梯度場脈沖;預(yù)先補(bǔ)償梯度的驅(qū)動電流可以達(dá)到對渦流的抑制；有源屏蔽梯度(betterapproach):避免渦流的動態(tài)非線性;當(dāng)前第79頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)動態(tài)修改梯度電流當(dāng)加上渦流產(chǎn)生的阻撓場時(shí)，可得到具有合適場強(qiáng)和脈沖波形的凈磁場當(dāng)前第80頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)渦流分布與梯度線圈電流分布不盡相同，偏差主要沿徑向，在磁體長軸方向也同樣存在；由于渦流感應(yīng)的磁場空間分布與梯度感應(yīng)的磁場略微不同，預(yù)補(bǔ)償梯度驅(qū)動電流不能完美地消除空間中每一點(diǎn)的渦流磁場；通過合理的梯度線圈設(shè)計(jì)可使這種偏差最??；渦流隨時(shí)間衰減的動態(tài)非線性不可能由梯度線圈設(shè)計(jì)或預(yù)補(bǔ)償梯度驅(qū)動電流來完全補(bǔ)償；用有源屏蔽梯度來避免渦流的動態(tài)非線性。當(dāng)前第81頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)有源梯度屏蔽在梯度線圈和低溫容器間安放屏蔽線圈；有源屏蔽線圈是與成像梯度線圈同軸安裝的第二組梯度線圈；I屏蔽線圈與I梯度線圈方向相反，電流同步通斷；有源梯度屏蔽可削弱成像梯度在附近制冷層中的磁場，特別是消除更高次動態(tài)空間磁場畸變；有源梯度屏蔽的缺點(diǎn)是較復(fù)雜、費(fèi)用更高以及對電源的附加需求。當(dāng)前第82頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)GE公司SignaHorizon系列梯度線圈組件稱為Roemer線圈：Roemer線圈由內(nèi)部和外部線圈組成內(nèi)部梯度線圈在成像區(qū)域產(chǎn)生10mT/m或更高的梯度場外部梯度線圈與內(nèi)部梯度線圈串聯(lián)，因此兩組線圈中的電流幅度相同，但外部梯度線圈產(chǎn)生的磁場與內(nèi)部梯度線圈產(chǎn)生的磁場方向相反結(jié)果使梯度線圈組件外側(cè)的凈磁場矢量為零。Roemer線圈的這種自屏蔽效應(yīng)使圖象質(zhì)量因?yàn)榇朋w的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而下降的影響大大減少了。當(dāng)前第83頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)VI.梯度場參數(shù)梯度幅度（Gradientmagnitude）切換時(shí)間Switchtime(Slewtime)切換率（Slewrate）最大工作周期（Max.workcycle）:TG/TR梯度的工作周期越高，允許的層數(shù)越多。

許多制造商提供100%，即梯度系統(tǒng)不會限制臨床掃描當(dāng)前第84頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)臨床常用的高質(zhì)量常規(guī)MRI系統(tǒng)，強(qiáng)度為10~15mT/m，上升時(shí)間為0.5-1ms的梯度能令人滿意快速成像方法要求MR系統(tǒng)有更高的梯度性能，如G>25mT/m，切換時(shí)間<0.25ms；線圈和功率放大器設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展正朝著使這些特性在商業(yè)上可行的方向發(fā)展；另一方面，高性能的梯度系統(tǒng)產(chǎn)生高速變化的磁場使人產(chǎn)生周圍神經(jīng)刺激，這種效應(yīng)將限制梯度系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高。當(dāng)前第85頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)§12.7

RF系統(tǒng)I.RF系統(tǒng)組成:RF發(fā)射系統(tǒng)RFCoilRF接收系統(tǒng)當(dāng)前第86頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)主機(jī)根據(jù)所選脈沖序列產(chǎn)生數(shù)字脈沖波形；經(jīng)過D/A變成模擬信號；經(jīng)過調(diào)制放大，驅(qū)動發(fā)射線圈，激發(fā)成像區(qū)內(nèi)原子核產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生信號；微弱的RF信號經(jīng)過放大、解調(diào)、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、預(yù)處理經(jīng)過FT等圖象處理，重建出圖象當(dāng)前第87頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)1.RF發(fā)射器（Transmitter）發(fā)射器產(chǎn)生RF脈沖:適當(dāng)?shù)念l率~fBW~幅度~A相位~

2.RF接收器（Receiver）RF接收器是提?。╮etrieve）或解調(diào)信號（demodulate），即消除高頻成分；當(dāng)前第88頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)II.RF線圈基本理論—共振電路1.理論L,C串聯(lián)（series）L,C并聯(lián)（parallel）梯形網(wǎng)絡(luò)(Trapeziformnetwork)L-seriesandC-shunt(分路)—lowpassC-seriesandL-shunt—highpass當(dāng)前第89頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)串聯(lián)諧振共振時(shí)，總電抗=0，僅電阻對損耗有貢獻(xiàn)，電流由有效電阻Rs決定；如果器件理想(R=0)，電抗互相抵消，V總=0，VL=VC；Q=V電抗/V總

~電壓諧振；VL、

VC非常高，可能會損壞元器件，設(shè)計(jì)諧振電路時(shí)要么防止出現(xiàn)這么高的電壓，要么選用高耐壓器件；可用于線圈接收電路，將微弱的MR信號進(jìn)行放大；當(dāng)前第90頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)如果元器件理想，諧振時(shí)，總阻抗無窮大，電流阻塞；如用恒流源驅(qū)動，將會在有效電阻Rp產(chǎn)生最高的壓降；諧振時(shí)，I0非常小，但各個(gè)分支的電流幅度很高(總電流乘以Q)，極性相反；Q=I電抗/I總~電流諧振；元器件必須能承受高電流；在線圈發(fā)射電路中，為了獲得盡可能大的電流，常采用并聯(lián)諧振。并聯(lián)諧振當(dāng)前第91頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)Parallelf0=1/2(LC)1/2Q=L/R當(dāng)前第92頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)Matchto50當(dāng)前第93頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)梯形網(wǎng)絡(luò)~高通等效電路當(dāng)前第94頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)梯形網(wǎng)絡(luò)有傳輸線特性IL、IC隨傳輸線長度變化；U、I有90o相位差，所以沒有功率損失；當(dāng)前第95頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)2.RF線圈特性品質(zhì)因數(shù)Q負(fù)載效應(yīng)去耦（Decoupling）

當(dāng)前第96頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)(1)QQ=0/~3dB空載時(shí)，頭線圈、體線圈的Q約200。更窄的、更高的Q

有好的選擇性

，噪聲和偽信號（bogus

signal）更低；當(dāng)前第97頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)(2)負(fù)載效應(yīng)～LoadeffectQ和負(fù)載負(fù)載種類不一樣，Q有差別；同類型負(fù)載，大負(fù)載對Q影響大；加載后Q會下降，響應(yīng)展寬；選擇性和接收的信號會下降。當(dāng)前第98頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)當(dāng)前第99頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)頻移和負(fù)載大負(fù)載、低Q值，線圈仍工作在可接收的頻率范圍；小負(fù)載使線圈的RF頻率漂移并不多，帶寬也不加寬，因而小負(fù)載時(shí)，線圈將不再工作在可接受的頻率，這會使圖象質(zhì)量變差；RF線圈通常在空載時(shí)調(diào)諧，最好地兼顧所有負(fù)載類型；當(dāng)前第100頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)線圈對病人在RF線圈中的位置非常敏感

C人體與C線圈并聯(lián)，頻率向下移動。正交線圈（圓極化線圈），C人體將影響線圈一個(gè)方向的工作模式（垂直或水平），使線圈不再工作在正交方式下（即不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)RF場）；如果線圈工作在線性方式下，預(yù)掃描功率需要加倍，而信噪比降低40%。在病人和線圈間加個(gè)小墊子可使這種影響最?。▔|子相當(dāng)于一個(gè)小電容，它與人體的大電容串聯(lián)相減，有效地抵消了人體對線圈的影響）。當(dāng)前第101頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)(3)去耦~Decoupling消除發(fā)射線圈和接收線圈相互作用；否則

發(fā)射場:畸變接收線圈信號:破壞噪聲增加、SNR下降當(dāng)前第102頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)去諧二極管~去耦

：通過感應(yīng)電壓切換到導(dǎo)通狀態(tài)，使線圈偏共振去諧；去諧二極管當(dāng)前第103頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)3.發(fā)射線圈B1(極性:線性、圓極化）發(fā)射線圈一般比較大用以優(yōu)化均勻性；如果有合適的T/R開關(guān)，發(fā)射線圈也可用于探測和接收MR信號；形狀當(dāng)前第104頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)Linearly:onedirectionCircularly:manydirections當(dāng)前第105頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):發(fā)射（T）:更低的功率P接收（R）:SNR增加，21/2缺點(diǎn):技術(shù)要求高：兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)諧電路（輕微耦合），需要反復(fù)的調(diào)諧、匹配。表面線圈在發(fā)射線圈工作期間必須“偏共振”

(off-resonance)，以防止RF通過表面線圈在病人的一個(gè)小區(qū)域聚焦;在接收期間共振~動態(tài)去耦。圓極化線圈~Circularpolarizedcoil當(dāng)前第106頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)不同構(gòu)型RF線圈馬鞍形線圈梯形網(wǎng)絡(luò)螺線管線圈/2傳輸線當(dāng)前第107頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)馬鞍形線圈用于B0是水平方向的情形；頻率不太高（25MHz以下）、直徑不太大。早期較多使用，目前已經(jīng)淘汰。當(dāng)前第108頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)螺線管線圈用于B0在豎直方向的主磁體；限于軛形磁體，頻率較低（L大、C大），低磁場不能正交發(fā)射接收B1當(dāng)前第109頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)HighpassLowpass可正交激發(fā)、正交接收；4的倍數(shù)（越多，越均勻；但匹配電容多、匹配一致困難）0和180腿無電流；當(dāng)前第110頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)/2傳輸線如果f0>25MHz,可使用/2傳輸線；

雙路/2傳輸線可產(chǎn)生較好的B1；雙路傳輸線必須安裝在磁體里，因此比/2短，通過在兩端增加可調(diào)電容C，電路可對稱地縮短。當(dāng)前第111頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)ResonanceCavity:<63MHz適用于2T以下，3T產(chǎn)品沒用通用體線圈/2當(dāng)前第112頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)4.RF線圈種類功能：發(fā)射線圈~Transmitcoil接收線圈~Receivecoil部位:頭線圈體線圈……相控陣線圈~Phasedarraycoils表面線圈~只用于接收當(dāng)前第113頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)當(dāng)前第114頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)III.RF常用器件1.同軸電纜(Coaxial-cable)傳輸發(fā)射功率；接收MR信號；

屏蔽功能50特性阻抗當(dāng)前第115頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)2.傳輸線線長l</4l=/4/4<l</2l=/2short短路Inductance感性Highimpedanceinparallel高阻并聯(lián)諧振Capacitor容性Lowinpedanceinseries低阻串聯(lián)諧振open開路capacitor容性Lowinpedanceinseries低阻串聯(lián)諧振Inductance感性Highimpedanceinparallel高阻并聯(lián)諧振（1）充當(dāng)電子器件輸入端短路時(shí)：Zin=jZctan(2l/)輸入端開路時(shí)：Zin=-jZccot(2l/)0當(dāng)前第116頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)（2）充當(dāng)阻抗變換器條件輸入阻抗/4奇數(shù)倍Z20/ZL/4偶數(shù)倍ZLZL(負(fù)載阻抗)=Z0（線路特征阻抗）Z0幾乎所有的RF電纜以及RF器件的特性阻抗都是50Ω前放阻抗例外(一般2~3)——降低噪聲，提高SNR；連接到前放的導(dǎo)線有特殊標(biāo)記，不能隨意截短或被其它長度的電纜替換。當(dāng)前第117頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)RF發(fā)射/接收開關(guān)~

T/RswitchT/Rswitch:位于RF共振器和前放之間T:發(fā)射和接收開關(guān)使發(fā)射器到天線之間的通路接通，同時(shí)還要保護(hù)敏感的前放不受高脈沖功率影響；R:微弱的MR信號必須以盡可能小的衰減到達(dá)前放，RF功放的噪聲必須排除在天線電路之外；當(dāng)前第118頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)transmitreceiveT/RSwitchRF發(fā)射D1、D2導(dǎo)通，RF功率幾乎無損失地到達(dá)天線D3、D4對地短路/4線將短路轉(zhuǎn)換為天線輸入端高阻，保護(hù)前放D1,D2不導(dǎo)通，防止發(fā)射器噪聲進(jìn)入前放D3、D4高阻抗MR信號經(jīng)/4線無阻尼到達(dá)前放Signal當(dāng)前第119頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)RF開關(guān)的二極管D1應(yīng)耐高壓耐強(qiáng)電流工作頻率足夠高開關(guān)時(shí)間足夠快用PIN二極管作D1，也可用于D2；通過二極管偏壓控制開關(guān)門。當(dāng)前第120頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)Siemens:T/R

switch發(fā)射期間:PIN二極管正偏壓接收期間:所有PIN二極管反向偏壓當(dāng)前第121頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)4.定向耦合器(Directinalcoupler)測量Vf

和Vr:評價(jià)匹配（match）;從RF傳輸線中分離出一小部分（約-50db）前向波和反射波:測量之前，用它來使由負(fù)載和天線組成的共振電路與RF發(fā)射器匹配測量中，監(jiān)視施加的RF（前向波），保護(hù)發(fā)射器（匹配）當(dāng)前第122頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)5.壓控衰減器

（Voltagecontrolattenuator）根據(jù)控制端口提供的控制電壓，改變輸入端和輸出端之間的衰減系數(shù)。在發(fā)射通道中，通過調(diào)節(jié)給RF功率放大器的驅(qū)動電壓，獲得期望幅度的RF輸出；在接收通路中，用于調(diào)節(jié)接收信號的幅度，使之滿足DAC所需要的幅度。VoltagecontrolattenuatorRFin-putRFout-putControlvoltage當(dāng)前第123頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)6.低通濾波器(Lowpassfilter)接收:頻率編碼方向，可用模擬或數(shù)字（過采樣）濾波器相位編碼方向，由于采用偽采樣技術(shù)（pseudosampling），一般不用濾波器低通濾波器可抑制高頻噪聲，抑制FOV外的信號，防止折疊偽影；發(fā)射:是為了避免產(chǎn)生邊帶，否則發(fā)射的RF脈沖會包含不期望的邊帶，形成ghost偽影。

當(dāng)前第124頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)7.正交混合器

（Quadraturehybrid）Mixture:Splitter(功率分配器)Combiner(功率復(fù)合器)

Phaseshifter(移相器)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的RF場當(dāng)前第125頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)12SQuadraturehybridABCDSplittercombiner分配器中，ｓ端口信號被分成1和2端口的兩個(gè)同、同A的信號，各自的信號幅度衰減3db；如果信號的流向相反，端口1和2的信號結(jié)合后到ｓ端口，就成為功率復(fù)合器。在相控陣線圈中就要使用復(fù)合器。移相器用于從0°~180°手動改變輸入與輸出之間的相位。當(dāng)前第126頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)IV發(fā)射系統(tǒng)

當(dāng)前第127頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)RF傳輸器產(chǎn)生數(shù)字化的RF信號S(t);S(t)與頻移為off

、相位為的一路信號經(jīng)快速數(shù)字化乘法器作用產(chǎn)生如下的輸出：S(t)cos(-offt)幅度調(diào)制波形經(jīng)D/A得到模擬波形RF傳輸器沒有直接發(fā)出ss，原因是避免迷路信號(straysignals)到達(dá)接收器使病人被旁路(bypassing)。off與一固定fix混頻（模擬混頻器）2cosAcosB=cos(A+B)+cos(A-B)ss=fix-off(fix+off)邊帶被濾掉(filteredout)；

幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制

S(t)cos(-sst)只有0.1mW，難以激勵人體內(nèi)自旋；需用RF功率放大器(“AB”)線性放大。當(dāng)前第128頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)V.Receivesystem1.MR信號被接收線圈接收，并被前置放大器(preamplifier)放大產(chǎn)生足夠強(qiáng)的電壓前放有最佳噪聲特性（需匹配網(wǎng)絡(luò)）、不考慮最佳功率傳輸、不追求最大放大倍數(shù)（10幾倍）砷化鎵場效應(yīng)管前放當(dāng)前第129頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)2.MR信號被解調(diào)器(demodulator)解調(diào)；3.然后低通濾波(low-pass);4.最后A/D轉(zhuǎn)換器將MR信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字化信號并將其傳輸至圖像處理器。當(dāng)前第130頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)LowpassfilterSr-coil:cos(fe±)fe-ref=125kHzMixedsignal:

cos(fe±)cos(ref)=1/2cos(fe+ref±)+1/2cos(fe-ref±)1/2cos(if±)500kHz，4倍過采樣cos(if±)sin(if)=1/2sin(2if±)+1/2sin(±)cos(if±)cos(if)=1/2cos(2if±)-1/2cos(±)解調(diào)Demodulate輸入信號與參考頻率混頻產(chǎn)生125kHz(±62.5kHz)中頻(IF)；一般A/D轉(zhuǎn)換器運(yùn)行在0.5-1MHz，在其放大至與A/D輸入電壓范圍匹配后將IF數(shù)字化；當(dāng)前第131頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)相敏探測（phase-sensitivedetection）

IF與125kHz頻率的sine和cosine相乘；如果在500kHz下數(shù)字化125kHz波形，可有效采集參考頻率（4samples/cycle）Cosinechannel:1,0,-1,0Sinechannel:0,1,0,-10o,90o,180o,270o當(dāng)前第132頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)因此只需要一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器~每個(gè)數(shù)據(jù)乘0等效于改變A/D的I、Q通道；I、Q通道數(shù)據(jù)送至后面的濾波器處理；

sine和cosine的分量以復(fù)數(shù)對形式儲存在系統(tǒng)存儲器中；之后進(jìn)行FT,復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)~實(shí)部、虛部分量當(dāng)前第133頁\共有148頁\編于星期三\20點(diǎn)VI.RF屏