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

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       梯度系統(tǒng)構(gòu)造及其特性

       梯度系統(tǒng)(gradient system)是為MRI設(shè)備提供快速切換的梯度場(chǎng)，對(duì)MR信號(hào)進(jìn)行空間編碼，實(shí)現(xiàn)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(chǎng)對(duì)激發(fā)后自旋質(zhì)子進(jìn)行聚相、擾相等特殊作用，在成像系統(tǒng)沒有獨(dú)立勻場(chǎng)線圈的磁體系統(tǒng)，梯度線圈還用于對(duì)磁場(chǎng)的非均勻性校正。

       (一)梯度磁場(chǎng)的性能指標(biāo)

       1.梯度場(chǎng)強(qiáng)度 梯度場(chǎng)強(qiáng)度是指梯度變化時(shí)可以達(dá)到的最大梯度場(chǎng)強(qiáng)，用單位長(zhǎng)度內(nèi)梯度磁場(chǎng)強(qiáng)度的最大差表示，單位為mT/m。在梯度線圈一定時(shí)，梯度場(chǎng)的強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(shí)間 梯度切換率和梯度爬升時(shí)間從不同角度反映了梯度場(chǎng)達(dá)到某一預(yù)定值的速度。梯度爬升時(shí)間指梯度由零上升到預(yù)設(shè)梯度強(qiáng)度所需的時(shí)間，單位ms。梯度切換率是單位時(shí)間內(nèi)梯度磁場(chǎng)的變化率，定義為梯度場(chǎng)強(qiáng)度除以爬升時(shí)間，單位為mT/m/ms或T/m/s。梯度切換率越高，梯度的開啟時(shí)間越短，梯度磁場(chǎng)強(qiáng)度爬升越快，掃描速度越快，從而實(shí)現(xiàn)快速或超快速成像。

       3.梯度線性 梯度線性是衡量梯度場(chǎng)平穩(wěn)性的指標(biāo)，線性越好，表明梯度場(chǎng)越精確，圖像質(zhì)量越好，距離磁場(chǎng)中心越遠(yuǎn)，線性度越差，梯度線性不佳，圖像的邊緣可能產(chǎn)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(chǎng)的有效容積同心。

       5.梯度工作周期 在一個(gè)成像周期（TR）內(nèi)梯度場(chǎng)工作時(shí)間所占的百分比。梯度工作周期與成像層數(shù)有關(guān)，在多層面成像中，成像層面越多則梯度磁場(chǎng)的工作周期百分?jǐn)?shù)越高。

       (二)梯度系統(tǒng)的組成及工作原理

       梯度系統(tǒng)由梯度線圈、梯度控制器（GCU）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、梯度功率放大器（GPA）和梯度冷卻系統(tǒng)等部分組成。

       1.梯度線圈 MRI設(shè)備需要三個(gè)互相正交（X、Y、Z方向）的梯度磁場(chǎng)進(jìn)行空間編碼，這三個(gè)梯度場(chǎng)分別由X、Y、Z三個(gè)方向的梯度線圈提供，產(chǎn)生Z向梯度場(chǎng)的線圈是一對(duì)（幾對(duì)）半徑相同的環(huán)形線圈，每對(duì)線圈中對(duì)應(yīng)的兩個(gè)線圈中通以大小相同方向相反的電流，可產(chǎn)生均勻的線性梯度場(chǎng)，X向和Y向梯度線圈分別用成對(duì)的鞍形線圈，對(duì)稱線圈中流過大小相同方向相反的電流，增加線圈對(duì)數(shù)可提高梯度磁場(chǎng)線性度。

       2.梯度控制器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 梯度控制器按系統(tǒng)主控單元的指令，發(fā)出全數(shù)字化的控制信號(hào)，該控制信號(hào)包含有梯度電流大小的代碼，由數(shù)模轉(zhuǎn)換器接收后，立即轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓控制信號(hào)，產(chǎn)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(guān)狀態(tài)的電流放大器，為了使三個(gè)梯度線圈的工作互不影響，安裝三個(gè)相同的電流驅(qū)動(dòng)放大器，在各自梯度控制單元控制下，分別輸出系統(tǒng)所需的梯度電流。梯度場(chǎng)快速變化所產(chǎn)生的力使梯度線圈發(fā)生機(jī)械振動(dòng)，其聲音在掃描過程中清晰可聞。

       4.梯度冷卻系統(tǒng) 梯度系統(tǒng)是大功率系統(tǒng)，梯度線圈的電流往往超出100A，電流將在線圈中產(chǎn)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(fēng)冷散熱的客觀條件。常用的冷卻方式是水冷，將梯度線圈經(jīng)絕緣處理后浸于封閉的蒸餾水中散熱，水再由冷水交換機(jī)將熱量帶出。

       5.渦流及渦流補(bǔ)償 變化的磁場(chǎng)在其周圍的導(dǎo)體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流的流線在導(dǎo)體內(nèi)自行閉合，稱渦電流，簡(jiǎn)稱渦流。渦流的強(qiáng)度與磁場(chǎng)的變化率成正比，其影響程度與這些導(dǎo)體部件的幾何配置和它們與梯度線圈的距離有關(guān)。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(chǎng)的變化，使梯度波形嚴(yán)重畸變。為了克服渦流造成的負(fù)面影響，在梯度電流輸出單元中加入RC渦流補(bǔ)償電路，預(yù)先對(duì)梯度電流進(jìn)行補(bǔ)償；還可以在梯度線圈與磁體之間增加一個(gè)用于屏蔽梯度磁場(chǎng)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(jié)構(gòu)，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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