放射醫(yī)學丨【相關專業(yè)知識】MRI設備：梯度系統構造及其特性

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       梯度系統構造及其特性

       梯度系統(gradient system)是為MRI設備提供快速切換的梯度場，對MR信號進行空間編碼，實現成像體素的空間定位和層面的選擇。在梯度回波和其他一些快速成像序列中，梯度場對激發(fā)后自旋質子進行聚相、擾相等特殊作用，在成像系統沒有獨立勻場線圈的磁體系統，梯度線圈還用于對磁場的非均勻性校正。

       (一)梯度磁場的性能指標

       1.梯度場強度 梯度場強度是指梯度變化時可以達到的最大梯度場強，用單位長度內梯度磁場強度的最大差表示，單位為mT/m。在梯度線圈一定時，梯度場的強度由梯度電流所決定，而梯度電流又受梯度放大器功率的限制。梯度場強度越高，可得到的掃描層面越薄，圖像的空間分辨率就越高。

       2.梯度切換率和梯度爬升時間 梯度切換率和梯度爬升時間從不同角度反映了梯度場達到某一預定值的速度。梯度爬升時間指梯度由零上升到預設梯度強度所需的時間，單位ms。梯度切換率是單位時間內梯度磁場的變化率，定義為梯度場強度除以爬升時間，單位為mT/m/ms或T/m/s。梯度切換率越高，梯度的開啟時間越短，梯度磁場強度爬升越快，掃描速度越快，從而實現快速或超快速成像。

       3.梯度線性 梯度線性是衡量梯度場平穩(wěn)性的指標，線性越好，表明梯度場越精確，圖像質量越好，距離磁場中心越遠，線性度越差，梯度線性不佳，圖像的邊緣可能產生變形。

       4.梯度有效容積 梯度有效容積又叫均勻容積，是指梯度線圈所包容的能夠滿足一定線性要求的空間區(qū)域。這一區(qū)域一般位于磁體中心，并與主磁場的有效容積同心。

       5.梯度工作周期 在一個成像周期（TR）內梯度場工作時間所占的百分比。梯度工作周期與成像層數有關，在多層面成像中，成像層面越多則梯度磁場的工作周期百分數越高。

       (二)梯度系統的組成及工作原理

       梯度系統由梯度線圈、梯度控制器（GCU）、數模轉換器（DAC）、梯度功率放大器（GPA）和梯度冷卻系統等部分組成。

       1.梯度線圈 MRI設備需要三個互相正交（X、Y、Z方向）的梯度磁場進行空間編碼，這三個梯度場分別由X、Y、Z三個方向的梯度線圈提供，產生Z向梯度場的線圈是一對（幾對）半徑相同的環(huán)形線圈，每對線圈中對應的兩個線圈中通以大小相同方向相反的電流，可產生均勻的線性梯度場，X向和Y向梯度線圈分別用成對的鞍形線圈，對稱線圈中流過大小相同方向相反的電流，增加線圈對數可提高梯度磁場線性度。

       2.梯度控制器和數模轉換器 梯度控制器按系統主控單元的指令，發(fā)出全數字化的控制信號，該控制信號包含有梯度電流大小的代碼，由數模轉換器接收后，立即轉換成相應的模擬電壓控制信號，產生梯度放大器輸出的梯度電流。

       3.梯度放大器 梯度放大器是工作在開關狀態(tài)的電流放大器，為了使三個梯度線圈的工作互不影響，安裝三個相同的電流驅動放大器，在各自梯度控制單元控制下，分別輸出系統所需的梯度電流。梯度場快速變化所產生的力使梯度線圈發(fā)生機械振動，其聲音在掃描過程中清晰可聞。

       4.梯度冷卻系統 梯度系統是大功率系統，梯度線圈的電流往往超出100A，電流將在線圈中產生大量的焦耳熱，梯度線圈封裝固定在絕緣材料中，沒有依賴環(huán)境自然散熱和風冷散熱的客觀條件。常用的冷卻方式是水冷，將梯度線圈經絕緣處理后浸于封閉的蒸餾水中散熱，水再由冷水交換機將熱量帶出。

       5.渦流及渦流補償 變化的磁場在其周圍的導體內會產生感應電流，這種電流的流線在導體內自行閉合，稱渦電流，簡稱渦流。渦流的強度與磁場的變化率成正比，其影響程度與這些導體部件的幾何配置和它們與梯度線圈的距離有關。渦流可引起MR影像偽影，并能引起MR頻譜基線偽影和頻譜失真。由于梯度電流的快速切換，使渦流急劇增大，大大影響梯度場的變化，使梯度波形嚴重畸變。為了克服渦流造成的負面影響，在梯度電流輸出單元中加入RC渦流補償電路，預先對梯度電流進行補償；還可以在梯度線圈與磁體之間增加一個用于屏蔽梯度磁場的輔助梯度線圈，從而避免了渦流的形成；另外可以使用特殊的磁體結構，用高電阻材料來制造磁體，以阻斷渦流通路，從而使渦流減小。

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