放射醫(yī)學(xué)丨【相關(guān)專業(yè)知識(shí)】MRI設(shè)備：磁體系統(tǒng)構(gòu)造及其特性

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       磁體系統(tǒng)構(gòu)造及其特性

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

       (一)磁體的主要指標(biāo)

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

       2.磁場(chǎng)均勻性 磁場(chǎng)均勻性是指在特定容積限定內(nèi)磁場(chǎng)的同一性，即穿過(guò)單位面積的磁力線是否相同。磁場(chǎng)均勻性的表示方法通常有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(chǎng)的百萬(wàn)分之幾（ppm）為單位定量表示，在所取測(cè)量DSV大小相同的前提下，ppm值越小表明磁場(chǎng)均勻性越好，且DSV越大，磁場(chǎng)均勻性越低。磁場(chǎng)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(qiáng)度。

       3.磁場(chǎng)穩(wěn)定性 磁場(chǎng)穩(wěn)定性是衡量磁場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間漂移程度的指標(biāo)，它與磁體類型和設(shè)計(jì)質(zhì)量有關(guān)，受磁體附近鐵磁性物質(zhì)、環(huán)境溫度、磁體電源穩(wěn)定性、勻場(chǎng)電源漂移等因素的影響，穩(wěn)定性下降，意味著單位時(shí)間內(nèi)磁場(chǎng)的變化率增高，在一定程度上亦會(huì)影響圖像質(zhì)量。磁場(chǎng)的穩(wěn)定性可以分為時(shí)間穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性兩種。時(shí)間穩(wěn)定性指磁場(chǎng)隨時(shí)間而變化的程度，熱穩(wěn)定性指磁場(chǎng)隨溫度而變化的程度。磁體電源或勻場(chǎng)電源波動(dòng)時(shí)，會(huì)使磁場(chǎng)的時(shí)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(chǎng)線圈、射頻體線圈和內(nèi)護(hù)板等均安裝完畢后柱形空間的有效內(nèi)徑。孔徑過(guò)小容易使被檢者產(chǎn)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(chǎng)均勻性。

       5.邊緣場(chǎng)的空間范圍 磁體的邊緣場(chǎng)指延伸到磁體外部向各個(gè)方向散布的雜散磁場(chǎng)，邊緣場(chǎng)延伸的空間范圍與磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁體結(jié)構(gòu)有關(guān)。邊緣場(chǎng)是以磁體原點(diǎn)為中心向周圍空間發(fā)散的，具有一定的對(duì)稱性，常用等高斯線圖來(lái)形象地表示邊緣場(chǎng)的分布，由于不同場(chǎng)強(qiáng)磁體的邊緣磁場(chǎng)強(qiáng)弱不同，對(duì)應(yīng)的等高斯線也就不同，一般用5高斯（0.5mT）線作為標(biāo)準(zhǔn)，邊緣場(chǎng)與其范圍內(nèi)的電子儀器相互干擾，因此要求邊緣場(chǎng)越小越好，通常采用磁屏藏的方法減小邊緣場(chǎng)。

       另外，磁體重量，磁體長(zhǎng)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(biāo)。

       (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(gòu)成一定成像空間的要求，又要使磁場(chǎng)均勻性盡可能高。永磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度一般不超過(guò)0.45T。

       永磁型磁體的缺點(diǎn)是場(chǎng)強(qiáng)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(yīng)（磁極軸線與邊緣磁場(chǎng)的不均勻性）的影響，磁場(chǎng)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(chǎng)穩(wěn)定性是所有磁體中最差的，永磁體通過(guò)磁體的自恒溫系統(tǒng)來(lái)測(cè)量磁體溫度并及時(shí)對(duì)磁體加熱，確保磁場(chǎng)強(qiáng)度及均勻性，使磁體性能更加穩(wěn)定；此外，重達(dá)數(shù)十噸以上的磁體重量對(duì)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并以開(kāi)放式為主（便于進(jìn)行MR介入治療）、設(shè)備造價(jià)低、運(yùn)行成本低、邊緣場(chǎng)小、對(duì)環(huán)境影響小且安裝費(fèi)用少等，對(duì)運(yùn)動(dòng)、金屬偽影相對(duì)不敏感，磁敏感效應(yīng)及化學(xué)位移偽影少。目前高場(chǎng)系統(tǒng)的軟件功能向低場(chǎng)機(jī)移植，使其性能不斷提高。

       2.常導(dǎo)磁體 常導(dǎo)型磁體是用線圈中的恒定電流產(chǎn)生MRI設(shè)備中的靜磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度與線圈中的電流強(qiáng)度、線圈導(dǎo)線形狀和磁介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。常導(dǎo)型磁體實(shí)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(dǎo)型磁體的功耗較大，同時(shí)產(chǎn)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(dòng)將會(huì)直接影響磁場(chǎng)的穩(wěn)定性，因而高質(zhì)量的大功率恒流電源是常導(dǎo)型MRI設(shè)備整機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。

       常導(dǎo)磁體的優(yōu)點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，磁場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)0.4T左右，維修相對(duì)簡(jiǎn)便，適用于一些較偏遠(yuǎn)電力供應(yīng)充足的地區(qū)。其缺點(diǎn)是工作磁場(chǎng)偏低，磁場(chǎng)均勻性及穩(wěn)定性較差，且勵(lì)磁后要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間等待磁場(chǎng)穩(wěn)定，需要專用電源及冷卻系統(tǒng)，使其運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用增高，限制了常導(dǎo)磁體的推廣應(yīng)用，該類磁體目前在市場(chǎng)上逐漸消退，被永磁體替代。

       3.超導(dǎo)磁體 超導(dǎo)磁體線圈的設(shè)計(jì)原理與常導(dǎo)磁體基本相同，但超導(dǎo)磁體的線圈是采用超導(dǎo)導(dǎo)線繞制而成，且工作在超導(dǎo)環(huán)境下，故稱為超導(dǎo)磁體，這種磁體磁場(chǎng)強(qiáng)度高，磁場(chǎng)穩(wěn)定性及均勻性較高，MRI設(shè)備中0.5T以上的磁體都采用超導(dǎo)磁體。

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

       超導(dǎo)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(chǎng)強(qiáng)為10T，臨界電流密度為3×103A/mm2，機(jī)械強(qiáng)度高，做成多芯復(fù)合超導(dǎo)線埋在銅基內(nèi)。超導(dǎo)線圈整個(gè)浸沒(méi)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(guò)，使電能迅速釋放，保護(hù)超導(dǎo)線圈，并使磁場(chǎng)變化率減小到安全范圍以內(nèi)。為了固定超導(dǎo)線圍繞組的線匝，防止其滑動(dòng)，通常用低溫特性良好的環(huán)氧樹(shù)脂澆灌、固定、封裝繞制好的超導(dǎo)線圈繞組，環(huán)氧樹(shù)脂封裝超導(dǎo)線圈繞組的強(qiáng)度要確保其能夠抵抗并承受勵(lì)磁過(guò)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(nèi)部依次為液氦杜瓦、冷屏和真空容器等，其內(nèi)外分別用高效能絕熱材料包裹，為減少漏熱，容器內(nèi)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(shù)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(jī)及水冷機(jī)等構(gòu)成，冷頭正常工作時(shí)，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(huì)成倍增長(zhǎng)。低溫杜瓦容器上有液氦的加注口和排放孔，以及供線圈勵(lì)磁退磁、液面顯示和失超開(kāi)關(guān)用的引線。

       (2)超導(dǎo)環(huán)境的建立 超導(dǎo)磁體工作溫度為4.2K（－269℃），即一個(gè)大氣壓下液氦的溫度。磁體超導(dǎo)環(huán)境的建立需要經(jīng)歷下述三個(gè)步驟：①抽真空：超導(dǎo)型磁體真空絕熱層是超導(dǎo)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(shí)泵）進(jìn)行抽真空，超導(dǎo)磁體內(nèi)的真空度要求達(dá)到10-7～10-6mbar，才能保證超導(dǎo)磁體的真空絕熱性能。②磁體預(yù)冷：用制冷劑將液氦容器內(nèi)的溫度降至工作溫度的過(guò)程，通常磁體預(yù)冷過(guò)程分為兩步，首先將溫度略高的液氮導(dǎo)入磁體內(nèi)部，使液氮能在磁體內(nèi)存留，此時(shí)磁體內(nèi)溫度達(dá)到了77K（－196℃），再用有一定壓力的高純度氦氣將磁體內(nèi)的液氮頂出；其次再將液氦輸入磁體內(nèi)，直到液氦能在磁體內(nèi)存留，此時(shí)磁體內(nèi)部溫度達(dá)到4.2K（－269℃）。③灌滿液氦：磁體預(yù)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(lì)磁 勵(lì)磁又叫充磁，是指超導(dǎo)磁體系統(tǒng)在磁體勵(lì)磁電源的控制下逐漸給超導(dǎo)線圈施加電流，建立預(yù)定靜磁場(chǎng)的過(guò)程。勵(lì)磁成功后，超導(dǎo)磁體就將在不消耗能量的情況下，提供強(qiáng)大的、高度穩(wěn)定的均勻磁場(chǎng)。勵(lì)磁控制系統(tǒng)由電流引線、勵(lì)磁電流控制電路、勵(lì)磁電流檢測(cè)器、緊急失超開(kāi)關(guān)和超導(dǎo)開(kāi)關(guān)及高精度的勵(lì)磁專用電源等單元組成。勵(lì)磁電流的導(dǎo)入一般應(yīng)遵循從小到大，分段控制的規(guī)律，因而磁場(chǎng)也是逐步建立的。

       (4)失超 超導(dǎo)體因某種原因突然失去超導(dǎo)性而進(jìn)入正常態(tài)的過(guò)程稱為失超。失超是電磁能量轉(zhuǎn)換為熱能的過(guò)程。引起失超的因素很多：如磁體結(jié)構(gòu)、超導(dǎo)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(zhuǎn)換為熱能，引起液氦氣化，噴射而出。為避免失超，通過(guò)傳感器、探測(cè)器實(shí)時(shí)監(jiān)控磁體的狀態(tài)，建立勵(lì)磁時(shí)的失超保護(hù)電路，超導(dǎo)建立并運(yùn)行后的失超保護(hù)措施，設(shè)置失超管、氧監(jiān)測(cè)器和應(yīng)急排風(fēng)機(jī)、緊急失超開(kāi)關(guān)。

       (三)勻場(chǎng)

       受磁體設(shè)計(jì)和制造工藝限制，任何磁體出廠后都不可能使整個(gè)成像范圍內(nèi)的磁場(chǎng)完全一致，此外，磁體周圍環(huán)境也對(duì)磁場(chǎng)有一定影響，如磁場(chǎng)的屏蔽物、磁體附近固定或可移動(dòng)的鐵磁性物體等。磁體安裝完畢后還要在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整，把消除磁場(chǎng)非均勻性的過(guò)程稱為勻場(chǎng)。勻場(chǎng)是通過(guò)機(jī)械或電氣調(diào)節(jié)建立與磁場(chǎng)的非均勻分量相反的磁場(chǎng)。常用的勻場(chǎng)方法有無(wú)源勻場(chǎng)和有源勻場(chǎng)兩種。

       1.無(wú)源勻場(chǎng) 無(wú)源勻場(chǎng)是指在磁體孔洞內(nèi)壁上貼補(bǔ)專用的小鐵片（也稱為勻場(chǎng)片），以提高磁場(chǎng)均勻性的方法，又稱為被動(dòng)勻場(chǎng)。由于勻場(chǎng)過(guò)程中不使用有源元件，故稱之為無(wú)源勻場(chǎng)。無(wú)源勻場(chǎng)時(shí)金屬片的幾何尺寸以及貼補(bǔ)位置根據(jù)磁場(chǎng)測(cè)量的結(jié)果確定。勻場(chǎng)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(hào)均有所不同。無(wú)源勻場(chǎng)可校正高次諧波磁的不均勻，材料價(jià)格便宜，不用昂貴的高精度電源。

       2.有源勻場(chǎng) 有源勻場(chǎng)是通過(guò)適當(dāng)調(diào)整勻場(chǎng)線圈陳列中各線圈的電流強(qiáng)度，用局部磁場(chǎng)的變化來(lái)調(diào)節(jié)主磁場(chǎng)以提高整體均勻性的過(guò)程，又稱為主動(dòng)勻場(chǎng)。勻場(chǎng)線圈由若干個(gè)大小不等的小線圈組成，這些小線圈分布在圓柱形勻場(chǎng)線圈骨架的表面，構(gòu)成線圈陣列。主動(dòng)勻場(chǎng)是對(duì)磁場(chǎng)均勻性進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)的方法，可以減少諧波磁場(chǎng)。在MRI系統(tǒng)中勻場(chǎng)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(shè)備的勻場(chǎng)都是無(wú)源勻場(chǎng)和有源勻場(chǎng)并用，無(wú)源勻場(chǎng)是有源勻場(chǎng)的基礎(chǔ)，有源勻場(chǎng)可在系統(tǒng)軟件控制下進(jìn)行。

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