放射醫(yī)學丨【相關專業(yè)知識】MRI設備：磁體系統(tǒng)構造及其特性

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       磁體系統(tǒng)構造及其特性

       磁體系統(tǒng)的基本功能是為MRI設備提供滿足特定要求的靜磁場，其性能直接影響最終圖像質量。

       (一)磁體的主要指標

       1.主磁場強度 磁共振成像系統(tǒng)的主磁場B0又叫靜磁場，是在磁體孔徑內（通常≤50cm）的范圍產生均勻分布的磁場，磁場強度越高，圖像信噪比越高，成像質量越好，但人體對射頻能量的吸收增加，同時增加主磁場強度使設備成本急劇增加。

       2.磁場均勻性 磁場均勻性是指在特定容積限定內磁場的同一性，即穿過單位面積的磁力線是否相同。磁場均勻性的表示方法通常有點對點法（P-P）、平方根法（RMS）及容積平方根法（Vrms）。特定容積通常取一定直徑、與磁體同心的球形空間（DSV），DSV常用10cm、20cm、30cm、40cm、45cm和50cm為半徑的球體。均勻性是以主磁場的百萬分之幾（ppm）為單位定量表示，在所取測量DSV大小相同的前提下，ppm值越小表明磁場均勻性越好，且DSV越大，磁場均勻性越低。磁場均勻度是決定影像空間分辨率和信噪比的基本因素，它決定系統(tǒng)最小可用的梯度強度。

       3.磁場穩(wěn)定性 磁場穩(wěn)定性是衡量磁場強度隨時間漂移程度的指標，它與磁體類型和設計質量有關，受磁體附近鐵磁性物質、環(huán)境溫度、磁體電源穩(wěn)定性、勻場電源漂移等因素的影響，穩(wěn)定性下降，意味著單位時間內磁場的變化率增高，在一定程度上亦會影響圖像質量。磁場的穩(wěn)定性可以分為時間穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性兩種。時間穩(wěn)定性指磁場隨時間而變化的程度，熱穩(wěn)定性指磁場隨溫度而變化的程度。磁體電源或勻場電源波動時，會使磁場的時間穩(wěn)定性變差。

       4.磁體的有效孔徑 磁體的有效孔徑指梯度線圈、勻場線圈、射頻體線圈和內護板等均安裝完畢后柱形空間的有效內徑?？讖竭^小容易使被檢者產生壓抑感，孔徑大些可使病人感到舒適，但在一定程度上影響磁場均勻性。

       5.邊緣場的空間范圍 磁體的邊緣場指延伸到磁體外部向各個方向散布的雜散磁場，邊緣場延伸的空間范圍與磁場強度和磁體結構有關。邊緣場是以磁體原點為中心向周圍空間發(fā)散的，具有一定的對稱性，常用等高斯線圖來形象地表示邊緣場的分布，由于不同場強磁體的邊緣磁場強弱不同，對應的等高斯線也就不同，一般用5高斯（0.5mT）線作為標準，邊緣場與其范圍內的電子儀器相互干擾，因此要求邊緣場越小越好，通常采用磁屏藏的方法減小邊緣場。

       另外，磁體重量，磁體長度、致冷劑（液氦）的揮發(fā)率和磁體低溫容器（杜瓦）的容積等因素也是磁體的重要指標。

       (二)磁體的分類

       1.永磁體 永磁型磁體的磁性材料主要有鋁鎳鈷、鐵氧體和稀土鈷三種類型。磁體一般由多塊永磁材料堆積或拼接而成，磁鐵塊的排布既要滿足構成一定成像空間的要求，又要使磁場均勻性盡可能高。永磁體的磁場強度一般不超過0.45T。

       永磁型磁體的缺點是場強較低，使成像的信噪比較低，由于用于拼接磁體的每塊材料的性能不可能完全一致，且受磁極平面加工精度及磁極本身的邊緣效應（磁極軸線與邊緣磁場的不均勻性）的影響，磁場的均勻性較差；永磁型磁體的熱穩(wěn)定性差，通常永磁性材料隨溫度的變化值大約為1100ppm/℃，永磁體的磁場穩(wěn)定性是所有磁體中最差的，永磁體通過磁體的自恒溫系統(tǒng)來測量磁體溫度并及時對磁體加熱，確保磁場強度及均勻性，使磁體性能更加穩(wěn)定；此外，重達數(shù)十噸以上的磁體重量對安裝地面的承重也提出了較高的要求。 

       永磁型磁體的優(yōu)點是結構簡單并以開放式為主（便于進行MR介入治療）、設備造價低、運行成本低、邊緣場小、對環(huán)境影響小且安裝費用少等，對運動、金屬偽影相對不敏感，磁敏感效應及化學位移偽影少。目前高場系統(tǒng)的軟件功能向低場機移植，使其性能不斷提高。

       2.常導磁體 常導型磁體是用線圈中的恒定電流產生MRI設備中的靜磁場，其磁場強度與線圈中的電流強度、線圈導線形狀和磁介質性質有關。常導型磁體實際上是某種類型的空芯電磁鐵，其線圈通常用銅線繞成，由于銅有一定的電阻率，故又將這種磁體稱為阻抗型磁體。常導型磁體的功耗較大，同時產生大量的熱量，必須配備磁體水冷裝置。另外，線圈供電電源的波動將會直接影響磁場的穩(wěn)定性，因而高質量的大功率恒流電源是常導型MRI設備整機系統(tǒng)的關鍵部件。

       常導磁體的優(yōu)點是其結構簡單、造價低廉，磁場強度可達0.4T左右，維修相對簡便，適用于一些較偏遠電力供應充足的地區(qū)。其缺點是工作磁場偏低，磁場均勻性及穩(wěn)定性較差，且勵磁后要經過一段時間等待磁場穩(wěn)定，需要專用電源及冷卻系統(tǒng)，使其運行和維護費用增高，限制了常導磁體的推廣應用，該類磁體目前在市場上逐漸消退，被永磁體替代。

       3.超導磁體 超導磁體線圈的設計原理與常導磁體基本相同，但超導磁體的線圈是采用超導導線繞制而成，且工作在超導環(huán)境下，故稱為超導磁體，這種磁體磁場強度高，磁場穩(wěn)定性及均勻性較高，MRI設備中0.5T以上的磁體都采用超導磁體。

       (1)超導磁體的構成：超導磁體主要由超導線圈，高真空超低溫杜瓦容器及其附屬部件構成。

       超導線圈采用材料是鈮鈦合金，鈮占44～50%，其臨界溫度為9.2K，臨界場強為10T，臨界電流密度為3×103A/mm2，機械強度高，做成多芯復合超導線埋在銅基內。超導線圈整個浸沒在液氦（4.2K）中，銅基一方面起支撐作用，另一方面一旦發(fā)生失超，電流從銅基上流過，使電能迅速釋放，保護超導線圈，并使磁場變化率減小到安全范圍以內。為了固定超導線圍繞組的線匝，防止其滑動，通常用低溫特性良好的環(huán)氧樹脂澆灌、固定、封裝繞制好的超導線圈繞組，環(huán)氧樹脂封裝超導線圈繞組的強度要確保其能夠抵抗并承受勵磁過程中線圈整體受到的徑向和軸向的擠壓力，而不發(fā)生位移。

       低溫杜瓦容器是超真空、超低溫環(huán)境下工作的環(huán)狀容器，內部依次為液氦杜瓦、冷屏和真空容器等，其內外分別用高效能絕熱材料包裹，為減少漏熱，容器內部各部件間的連接和緊固均采用絕熱性能高的玻璃鋼和環(huán)氧樹脂材料。為了減少液氦的蒸發(fā)，配備了磁體的冷卻系統(tǒng)，它由冷頭、氣管、氦壓縮機及水冷機等構成，冷頭正常工作時，液氨揮發(fā)率幾乎為零，如果冷卻系統(tǒng)工作異常，液氦揮發(fā)率會成倍增長。低溫杜瓦容器上有液氦的加注口和排放孔，以及供線圈勵磁退磁、液面顯示和失超開關用的引線。

       (2)超導環(huán)境的建立 超導磁體工作溫度為4.2K（－269℃），即一個大氣壓下液氦的溫度。磁體超導環(huán)境的建立需要經歷下述三個步驟：①抽真空：超導型磁體真空絕熱層是超導磁體的重要保冷屏障，磁體安裝完畢后，用高精度、高效能的真空泵（通常用等離子真實泵）進行抽真空，超導磁體內的真空度要求達到10-7～10-6mbar，才能保證超導磁體的真空絕熱性能。②磁體預冷：用制冷劑將液氦容器內的溫度降至工作溫度的過程，通常磁體預冷過程分為兩步，首先將溫度略高的液氮導入磁體內部，使液氮能在磁體內存留，此時磁體內溫度達到了77K（－196℃），再用有一定壓力的高純度氦氣將磁體內的液氮頂出；其次再將液氦輸入磁體內，直到液氦能在磁體內存留，此時磁體內部溫度達到4.2K（－269℃）。③灌滿液氦：磁體預冷到4.2K后，還要在液氦容器中灌滿液氦，一般可灌到容量的95%～98%。

       (3)勵磁 勵磁又叫充磁，是指超導磁體系統(tǒng)在磁體勵磁電源的控制下逐漸給超導線圈施加電流，建立預定靜磁場的過程。勵磁成功后，超導磁體就將在不消耗能量的情況下，提供強大的、高度穩(wěn)定的均勻磁場。勵磁控制系統(tǒng)由電流引線、勵磁電流控制電路、勵磁電流檢測器、緊急失超開關和超導開關及高精度的勵磁專用電源等單元組成。勵磁電流的導入一般應遵循從小到大，分段控制的規(guī)律，因而磁場也是逐步建立的。

       (4)失超 超導體因某種原因突然失去超導性而進入正常態(tài)的過程稱為失超。失超是電磁能量轉換為熱能的過程。引起失超的因素很多：如磁體結構、超導材料性能不穩(wěn)定、磁體超低溫環(huán)境被破壞以及人為因素等。失超將電磁能量轉換為熱能，引起液氦氣化，噴射而出。為避免失超，通過傳感器、探測器實時監(jiān)控磁體的狀態(tài)，建立勵磁時的失超保護電路，超導建立并運行后的失超保護措施，設置失超管、氧監(jiān)測器和應急排風機、緊急失超開關。

       (三)勻場

       受磁體設計和制造工藝限制，任何磁體出廠后都不可能使整個成像范圍內的磁場完全一致，此外，磁體周圍環(huán)境也對磁場有一定影響，如磁場的屏蔽物、磁體附近固定或可移動的鐵磁性物體等。磁體安裝完畢后還要在現(xiàn)場對磁場進行調整，把消除磁場非均勻性的過程稱為勻場。勻場是通過機械或電氣調節(jié)建立與磁場的非均勻分量相反的磁場。常用的勻場方法有無源勻場和有源勻場兩種。

       1.無源勻場 無源勻場是指在磁體孔洞內壁上貼補專用的小鐵片（也稱為勻場片），以提高磁場均勻性的方法，又稱為被動勻場。由于勻場過程中不使用有源元件，故稱之為無源勻場。無源勻場時金屬片的幾何尺寸以及貼補位置根據(jù)磁場測量的結果確定。勻場所用的小鐵片一般用磁化率很高的軟磁材料壓制而成，其幾何形狀及尺寸各不同廠家甚至不同磁體型號均有所不同。無源勻場可校正高次諧波磁的不均勻，材料價格便宜，不用昂貴的高精度電源。

       2.有源勻場 有源勻場是通過適當調整勻場線圈陳列中各線圈的電流強度，用局部磁場的變化來調節(jié)主磁場以提高整體均勻性的過程，又稱為主動勻場。勻場線圈由若干個大小不等的小線圈組成，這些小線圈分布在圓柱形勻場線圈骨架的表面，構成線圈陣列。主動勻場是對磁場均勻性進行精細調節(jié)的方法，可以減少諧波磁場。在MRI系統(tǒng)中勻場線圈的電流均由高精度、高穩(wěn)定度的專用電源提供。

       大多數(shù)MRI設備的勻場都是無源勻場和有源勻場并用，無源勻場是有源勻場的基礎，有源勻場可在系統(tǒng)軟件控制下進行。

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