医疗器械概论医疗器械概论磁共振成像设备1 MRI MRI目前核磁共振成像仪已成为最重要的诊断工具之一 ，对人体无辐射，对人体无辐射作用，拥有良好的软组织对比度，多参数成像，多序列扫描，多剖面图像，作用，拥有良好的软组织对比度，多参数成像，多序列扫描，多剖面图像，为临床提供丰富的医学影像信息，受到临床医师的广泛欢迎。为临床提供丰富的医学影像信息，受到临床医师的广泛欢迎。2 MRI的特点与意义高、尖、新：高科技、边缘科学、发展迅速、产生了14位诺贝尔奖金获得者综合性：数学、核物理、电磁学、电子学、计算机、生理解剖学、超导技术、材料科学、医学诊断等等从宏观到微观的各个领域；生命意义：科技的双刃剑作用。3 14位因对核磁共振杰出贡献而获得诺贝尔奖科学家 1944年 I.Rabi 1952年 F.Block and .M.Purcell 1955年 W.E.Lamb and P.Kusch 1964年 C.H.Townes 1966年 A.Kastler 1977年 J.H.Van Vleck 1981年 N.Bloembergen 1983年 H.Taube 1989年 N.F.Ramsey 1991年 R.R.Ernst 2003年 Lauterbur and MansfieldLauterbur and Mansfield4 1946年，美国哈佛大学的E.Purcell及斯坦福大学的F.Bloch领导的两个研究小组各自独立地发现了核磁共振现象，Purcell和Bloch两人共同获得1952年的诺贝尔物理奖。核磁共振主要用于磁共振波谱，研究物质的分子结构 Felix Bloch 1905-1983Stanford University Edward Mills Purcell 1912-1997 MIT1952 Nobel Prize for Physics5 艾斯特艾斯特(Richard Robert Ernst)(Richard Robert Ernst)，瑞士物，瑞士物理化学家，在发展高分辨核磁共振波谱理化学家，在发展高分辨核磁共振波谱学方面所作的杰出贡献，被授予学方面所作的杰出贡献，被授予19911991年年诺贝尔化学奖。诺贝尔化学奖。 6 1973年2个独立小组利用磁场梯度解决空间信息获取的问题：图像形成2003诺贝尔生理或医学奖授予美国的保罗C劳特伯(PaulCLauterbur)和英国的皮特曼斯菲尔德(PeterMansfield)，因为他们发明了磁共振成像技术(MagneticResonanceImaging，简称MRI)。这项技术的发明使得人类能够清清楚楚地看清自己或其他生物体内的器官，为医疗诊断和科学研究提供了非常便利的手段 Lauterbur, 1929Mansfied 19337 LauterburLauterburLauterburLauterbur和和和和MansfieldMansfieldMansfieldMansfield因发明因发明因发明因发明MRIMRIMRIMRI方法获得方法获得方法获得方法获得2003200320032003年诺贝尔医学和生理学奖年诺贝尔医学和生理学奖年诺贝尔医学和生理学奖年诺贝尔医学和生理学奖 8 Raymond Damadian与第一台第一台MRIMRI装置（装置（19771977）Damadian很有商业头脑， 1978年成立年成立Fonar 公司，公司，1980年上市成为成功的商人；年上市成为成功的商人； 19801980年磁共振机开始应用于临床。年磁共振机开始应用于临床。 本人获得本人获得2003年美国总统奖。年美国总统奖。9 Damadian申请的专利世界上第一张世界上第一张 MRI 图像图像 实事求是地讲，DamadianDamadian应该算是最早把核磁共振用于生物医学研究的人之一。早在1970年他便把从人身上切除的肿瘤移植到老鼠身上，并观察到携带肿瘤的老鼠的核磁共振信号发生了变化。这一结果发表在1971年的科学杂志上。而且Damadian前瞻性地预言了核磁共振作为临床诊断工具的可能性。10 MRI影像设备新技术进展影像设备新技术进展磁场的强度从一个侧面反映MRI性能的高低，目前已经向超高场和低场两个方向发展，一是向0.5T的低场MRI机型发展以适应中小医院的需求；二是向1.5T双梯度和3.0T以上的高场MRI机型发展，以满足大型综合型医院的医疗、科研和教学的需要。而中场如0.5T、1.0T基本处于淘汰的趋势。 MRI的进步集中反应在设备硬件发展基础上成像速度的提高以及成像方式的改进和扩展，成像速度从以前的每层以分钟计算到目前的每层以秒或亚秒计算，从而可以实现实时成像显示层面影像，甚至可以实现3D、4D等后处理影像及MRI透视等。11 国内最高场强7T【国内第二台7T MRI 落户浙大】7T（MAGNATOM 7T超高场磁共振仪）长2.6米，宽和高各3米，重达40吨，具有分辨力高、灵敏度高且快速成像的特点，可获得高清晰度全脑的结构和功能三维成像。分辨力达到0.5mm以内，是目前普通核磁共振仪的5倍。另一台在中科院生物物理研究所保存使用。世界范围内装机一百台左右。美国FDA没有批准任何一款7-T磁共振进入临床。13 MRI is used for imaging of all organs in the body. 核磁共振用于体内所有器官的成像14 MRI检查技术MRI检查技术分为影像显示影像显示和生化代谢分析生化代谢分析 影像显示技术主要由脉冲序列、流动现象的补偿技术、伪影补偿技术和一系列特殊成像技术组成。主要的特殊成像技术：主要的特殊成像技术：1.磁共振血管成像 (magnetic resonance angiography，MRA)2. 磁共振水成像 (magnetic resonance hydrography)15 MRI检查技术3. 磁共振脑功能成像 (functional magnetic resonance，fMRI)4. 化学位移成像(chemical shift imaging) 5.生生化化代代谢谢分分析析技技术术：磁磁共共振振波波谱谱分分析析(magnetic resonance spectroscopy，MRS)，用于提供组织化学成分的数据信息。16 临床应用1. 对中枢神经系统的诊断2. 对心脏大血管系统的诊断3. 对头、颈部的诊断4. 对肌肉、关节系统的检查5. 用于纵隔、腹腔、盆腔实质器官的检查6. 对乳腺的诊察17 18 T2WIT2WI矢矢状状位位冠冠状状位位轴位轴位19 T2WIT1WI20 FLAIRDWIADC21 22 23 MRI of the normal knee cartilage24 25 26 27 MR T2WI增生期增生期分泌期分泌期月经期月经期28 29 30 31 32 临床应用的局限1. 成像速度慢（相对于X-CT而言）；2.对钙化灶和骨皮质病灶不够敏感；3. 禁忌证相对较多，心脏起搏器及铁磁性植入者等慎用；4. 图像易受多种伪影影像；5.定量诊断困难33 MRI设备与其它影像设备相比较1.无电离辐射危害2.多参数成像，可提供丰富的诊断信息3. 高对比度成像4. MRI设备具有任意方向断层的能力5. 无需使用对比剂，可直接显示心脏和血管结构6. 无骨尾影干扰，后颅凹病变可清晰可辨7. 可进行功能、组织化学和生物化学方面的研究34 35 36 37 所以总结起来MRI设备具有以下优点：高信噪比高分辨率高灵敏度更先进研究功能诊断能力强对人体伤害小38 MRI 安全安全39 MRI安全磁共振检查给大家感觉，是非常安全的设备。但实际上磁共振存在许多安全隐患。稍不注意就会对病人或医生造成严重伤害，甚至是死亡。40 1静磁场静磁场的安全隐患能被磁场吸引的金属如何避免41 静磁场的安全磁共振的磁场是非常强大而且永不消失的。越接近磁体，磁场迅速增大。任何被磁体吸引的物体都会对病人或医生造成严重伤害。42 静磁场的安全进入磁场会被吸引的金属：1.铁2.镍3.钴4.一些合金43 静磁场的安全44 静磁场的安全45 静磁场的安全46 静磁场安全进入磁场前请取出：1.钱包，磁卡，钱币2.钥匙3.笔4.首饰5.发夹6.手表7.等等其他金属东西47 2射频射频的安全隐患注意事项48 射频的安全射频其本质就是一个无线电电波。49 射频的安全射频放大器射频线圈接收器接收线圈其电波所负载的能量，被病人的体内的H质子接收后，部分再以无线电波的形式释放出来，被接收线圈所接收；而其余部分以热量形式释放出来。50 射频的安全高热的病人要特别注意！特别是高热的小孩！到底温度会升高多少？不同的人血液循环差异很大。选择序列不一样扫描时间不一样扫描部位不一样51 3总结禁止和相对禁止病人注意事项52 禁止扫描的病人心脏起搏器病人神经刺激器病人眼球内异物病人相对禁止扫描的病人体内植入物病人安放避孕环病人孕妇高热病人53 注意事项扫描前取下金属物。听力保护防止周围神经刺激效应54 55 核磁设备的分类1.按成像范围分：实验用MRI设备、局部MRI设备、全身MRI设备；2.按主磁场的产生方法分：永磁型、常导型、混合型、超导型；3.按静磁场的强度分：低场机、中场机、高场机、超高场机；4.按主磁场的临床应用分：诊断用MRI设备、介入治疗专用型MRI设备、磁共振引导下超声肿瘤治疗、立体空间定位托架型MRI设备。56 核磁设备的结构57 磁共振成像设备磁体和磁体电源；磁体和磁体电源；梯度场线圈和梯度场电源；梯度场线圈和梯度场电源；射频发射射频发射/ /接收机；接收机；系统控制和数据处理计算机；系统控制和数据处理计算机；成像操作和影像分析工作台；成像操作和影像分析工作台；活动检查床。活动检查床。58 MagnetGradient CoilRF CoilRF Coil3T magnetgradient coil(inside)磁共振成像设备(the equipment of MR)59 60 磁体（磁体（MagnetsMagnets）-用于产生一个高度均匀、稳定的静用于产生一个高度均匀、稳定的静磁场。磁场。 永久磁体：永久磁体： （Permanent magnets）(铁氧体或钕铁氧体或钕铁硼铁硼) 常导磁体：常导磁体： Resistive electromagnets(电流通过电流通过线圈线圈) 超导磁体：超导磁体： （Superconducting electromagnets）(铌钛合金镀在铜线表面铌钛合金镀在铜线表面)磁场强度：磁场强度：1 1特斯拉特斯拉=1=1万高斯万高斯 0.5T 0.5T 低场强低场强 1T1T高场强高场强 磁体磁体61 控制系统：心控制系统：心脏脏 决定决定 梯度场、射频场梯度场、射频场的发生和控制，的发生和控制， MRMR信号接收和控信号接收和控制等制等62 空间定位：空间定位：解剖定位解剖定位 梯度场梯度场(gradient field )【线圈【线圈】63 发射发射/接收信号接收信号线圈线圈(coil)64 8-channel arrayVolume coilSurface coilHead coilSurface coil65 66 将采集到的数据进行影像重建，并将采集到的数据进行影像重建，并将图像数据送到监视器显示将图像数据送到监视器显示计算机计算机(computer)67 床床(bed)68 MIR设备的组成方框图设备的组成方框图69 附属设备 磁屏蔽体、RF屏蔽体、冷水机组、不间断供电电源、机房专用空调、超导体的低温保障设施70 71 磁 共 振 成 像 链 线圈通道线圈通道射频接收通道射频接收通道通道带宽通道带宽处理器处理器重建内存重建内存重建速度重建速度序列设计序列设计射频及射频及 梯度控制梯度控制接收接收处理处理发射发射72 核磁共振设备的工作原理将人体置于外加磁场中；用射频脉冲激发人体内氢原子核，引起氢原子核共振；在停止射频脉冲后，氢原子核发出电信号，并被体外的接受器收录；经电子计算机处理获得图像。73 74 （一）核自旋和磁矩原子由原子核及其周围绕行的电子组成。原子核由中子和质子组成，统称为核子。质子和中子围绕原子核的中心点公转，有轨道角动量。质子-质子之间或中子-中子之间以相反方向成对自旋，并互相抵消，但质子和中子之间不存在成对抵消。凡是拥有一种奇数核子数的原子核，都拥有一个特征性的自旋量子数。磁共振成像的基本概念75 原子结构原子结构电子：负电荷电子：负电荷电子：负电荷电子：负电荷中子：无电荷中子：无电荷中子：无电荷中子：无电荷质子：正电荷质子：正电荷质子：正电荷质子：正电荷76 正常状态下各原子核自旋所产生的磁矩，呈随机排列，方向杂乱。电子与核子的总角动量为二者旋转角动量之和。在原子内，电子通常成对地反方向平行自旋，自旋的角动量相互抵消为0。正常状态下的氢核77 （二）与进动频率 1.核进动在外磁场作用下，原子核在自旋的同时绕磁场以一定的夹角旋转，称为进动。这与陀螺类似，陀螺在旋转时，其自旋轴倾斜，在重力作用下，以一定的夹角旋转。78 自旋核有一定的自旋核有一定的自旋角动量自旋角动量，在，在B0作用下，作用下，将如旋转陀螺在地球引力场中旋进一样运动，将如旋转陀螺在地球引力场中旋进一样运动，称自旋核的旋进。称自旋核的旋进。79 n 2.进动频率 = .B ：进动频率进动频率进动频率进动频率 LarmorLarmor 频率频率频率频率 ：磁旋比磁旋比磁旋比磁旋比 42.5 42.5兆赫兆赫兆赫兆赫 / T/ TB：主磁场场强主磁场场强主磁场场强主磁场场强 与与B呈正比呈正比80 根据根据 = .B ，讨论：，讨论：（1）场强相同，不同的原子核， 不同，则进动频率亦不同。根据不同的进动频率，可以分辨出不同的核；（2）相同的核处在不同场强中，其进动频率也不同。 不同部位的同类核，受梯度磁场的作用，有不同的进动频率。根据进动频率的线性变化，可判断出释放信号核的相应部位。81 (三)磁共振现象磁场中做进动的原子核可以吸收频率与其进动频率相同的电磁波，当原子核恢复原状时，会把吸收的能量释放出来。磁共振现象是指原子核在进动中吸收外界能量产生能级跃迁的现象。外界能量是指一个激励电磁场(射频，RF磁场) 。磁共振现象的必要条件其频率等于的进动频率相同。 目前研究最多的是1H的核磁共振。82 83 84 （四）弛豫过程与自由感应衰减信号接收 1. 弛豫过程从非平衡态逐渐恢复到平衡态的过程称为弛豫过程。这一过程中将发生相对独立的两种弛豫。一种是纵向弛豫，是自旋核与周围环境(晶格)进行热交换，称“自旋晶格弛豫过程”；另一类是横向弛豫，是同类自旋核之间的能量交换，称为“自旋自旋弛豫过程”。 85 2.弛豫时间 (1)自旋晶格弛豫时间(T1)T1弛豫以在z轴上的纵向磁化分量逐渐恢复为标志，所以称纵向弛豫时间。86 （2）自旋自旋弛豫时间(T2) ：弛豫过程中，自旋原子核系统内部也在不断进行着能量交换，这个弛豫时间称为自旋自旋弛豫时间(T2) 。T2弛豫是以XY平面的横向磁化分量由大变小，最终为零为标志的，所以称横向弛豫时间。 87 88 89 2磁共振信号的分类与采集 (1)T1弛豫信号：T1 弛豫信号的产生是纵向磁矩的弛豫，经90脉冲后，在横向磁场接受到的信号。 (2) T2弛豫信号： T2 弛豫信号是横向磁矩弛豫产生的信号。即当给予90脉冲后，磁 矩由纵向旋转至XY平面并开始弛豫后所得到的信号。90 几种常见组织在不同场强下的T1，T2及质子密度值组织组织T1T2质子密度质子密度(%)0.2T1.0T1.5T脂肪脂肪240-609.6白质白质3906207187610.6灰质灰质4908109989110.6脑脊液脑脊液14002500300014010.8肌肉肌肉370730860509.3弛豫时间T1和T2的长短反映了自旋核周围的环境情况。91 主磁体主磁体的作用：产生一个均匀、稳定的静磁场，使处于该磁场中的人体内氢原子核被磁化而形成磁化强度矢量。主磁体的两个重要特性：磁场强度B；B对时间和位置的不变性，即的稳定性和均匀性。92 一、性能指标1.磁场强度2.磁场均匀度3.磁场稳定性4.符合需要的有效孔径93 1. 磁场强度定义：指主磁场B0的强度。其强度越大，图像的信噪比越高，但B0过大也会产生不利的影响。场强的划分：一般诊断用设备B0通常在0.023.0T之间。并称小于0.3T的为低场，0.31.0T的为中场，1.01.5T的为高场，高于1.5T的为超高场。94 2. 均匀性：定义：指主磁场有效容积内（即直径为50厘米的球形空间）磁场强度的同一性。量纲：通常用来量度均匀度的偏差单位是B0强度的10-6 ，用ppm表示。标准：对直径为50厘米的有效容积而言，其偏差值为10ppm。另一种是给定偏差范围，即偏差范围为5 ppm。无论用哪种方法，其偏差值越小越好。偏差值过大会使图像质量变差。95 测量方法：测量前要精确定出磁体的中心，在一定半径的空间球体上放置场强测量仪探头，并逐点测量其场强，记录数据。影像因素：磁屏蔽、房间的大小位置、钢架结构、楼上楼下移动设备等。96 3. 稳定性：定义：指主磁场强度B0和它的均匀度随时间而发生的变化程度，通常称此为磁场漂移。量纲：每小时磁场的变化，单位是ppm/ h 。通常短时间（1-2小时）漂移不能大于5 ppm，长时间（8小时）不能大于10 ppm。热稳定性：即B0和它的均匀度还随工作温度变化而发生漂移。热稳定性不好同样会使图像质量变差。97 4. 符合需要的有效孔径用于检测不同物体或人体的不同部位的MRI设备，主磁体的孔径也不相同。对于全身成像的主磁体，需要相当大的空间，直径大约为11.2m之间；对于动物或人体四肢成像的主磁体，可采用较小的孔径，通常直径为0.3m。98 二、磁体的分类、基本结构和性能磁体的分类、基本结构和性能（一）分类（一）分类1. 永磁体2. 常导磁体3. 超导磁体99 （二）基本结构和工作特点基本结构和工作特点1. 永磁体基本结构：采用永久磁铁制成的磁砖拼砌而成。包括两种结构：闭合式和开放式。其中闭合式又分环形和轭形两种。100 性能优点：造价低、能产生优质的图像、耗能低、体积小，可装在一个相对小的房间里。缺点：磁场强度较低， B0不够大，磁场均匀性不够理想，受温度影像较大。主要参数：场强：0.10.4T. 均匀性：小于10ppm . 短时间稳定性：小于10.5 ppm / h 磁体孔径：1 X 0.5m。101 2. 常导磁体基本结构：四个或六个互为平行通电线圈102 103 常导体材料：选择高导电性能的金属导线或薄片绕制而成。主要参数：场强：0.10.3T 均匀性：小于80ppm 场强/ 电流： 55.5GS / A 要求最大功率：三相，6080KW104 3. 超导磁体基本结构：采用铌钛合金超导材料制成的超导线圈。结构包括四线圈，六线圈及螺线管式。工作特点：铌钛合金在20K时变成超导体，可负载7000A的电流。由于线圈工作电流大，因此其安装固定强度要求高。同时维护低温费用较高。场强高，均匀性好，稳定性好。其磁体的屏蔽比其他种设备要求更高。105 如何保障低温环境：将磁体线圈浸泡在液氦里，液氦在标准大气压下的沸点时4.3K。线圈的安装过程：超导线圈经液氦冷却后，通入励磁电流，当达到预期磁场时，切断电源。主要参数： 场强：0.54.4T 均匀性：10-15ppm 短时间稳定性：小于0.1 pp 磁体孔径：0.91.0m 充磁时间：0.20.5h106 超导体的屏蔽方法无源屏蔽：采用大量的铁板，但会影像磁场的均匀度。有源屏蔽：在磁体外部用载有反向电流的线圈来降低杂散磁场。107 108 109 110 三、场强的选择1. 原则：应用型MRI设备一般选择低中场，应用兼研究型MRI设备一般采用高场；研究型MRI设备选用超高场。2. 高场MRI设备的利弊利：一般来说随着场强的升高，图像的清晰度也会提高弊：场强升高时，化学位移造成的伪影严重。化学位移：同一种原子核在不同的化学环境中所产生的共振频率的偏移。111 MRI设备各种主磁体的技术性能112 四、匀场技术四、匀场技术主磁场必须通过匀场调整才能达到足主磁场必须通过匀场调整才能达到足够的均匀性。调整分无源匀场和有源够的均匀性。调整分无源匀场和有源匀场两种方法，一般磁共振设备都同匀场两种方法，一般磁共振设备都同时采用两种匀场技术。时采用两种匀场技术。113 1. 无源匀场：方法：通过在磁体内壁放置一些铁片来达到提高磁场均匀性。技术流程：磁体励磁（充磁）测量场强数据计算匀场参数去磁在相关位置贴补不同尺寸的小铁片特点：可根据机型在不同位置放置铁片，可校正高次谐波磁场的不均匀，材料便宜，不用电。114 2. 有源匀场方法：指通过调整匀场线圈的电流强度改变其周围局部磁场强度达到调整主磁场均匀性。组成：由若干个小线圈组成，分辨在骨架表面。特点：可调节，通常在软件控制下进行的。但必须配备匀场电源，受外界影响较大。115 梯度磁场系统梯度磁场系统是指与梯度磁场有关的一切单元电路。梯度磁场系统的功能：为系统提供线性度满足要求的、快速开关的梯度磁场，以供MR信号的空间位置信息，实现成像体素的空间定位。在梯度回波及相关成像时序中，利用梯度翻转来使相位重聚。116 一、梯度磁场的产生（一）梯度磁场1. 为什么要应用梯度磁场？主磁场（ B0 ）是均匀的静磁场。在该磁场中，氢质子群在射电激励下产生共振，其共振频率都相等，即 = B0 。在影像重建时就无法确定这些质子各自的空间位置。若在B0的条件下再叠加一个三维梯度磁场，使有效容积内每一个体素都有自己的空间坐标位置。该三维梯度磁场分别由三个梯度线圈产生。 117 2. 如何进行空间定位？ Gx-频率编码梯度磁场 Gy-相位编码梯度磁场 Gz-选层梯度磁场当选层梯度确定后，使这一层质子群有了共同的GZ。同时在激励脉冲的作用下，这一层质子群开始共振。此后通过相位编码梯度线圈产生Gy，自旋的进动频率沿y方向增加。因此沿该方向的相位差越来越大。如果关掉相位编码梯度磁场Gy,则y方向所以的自旋又以相同频率共振，但它们的相位已经不同了。118 接着，在x方向上接通GX，则自旋进动频率沿x方向增加，使X轴方向上的质子产生了不同的频率。 这样，在Z层确定后，由于相位编码梯度场和频率编码梯度场的作用，使该层所在二维平面上每一个质子的位置都得到了确定。119 （二）组成1. 包括：控制部分、预驱动、功率驱动、反馈、高压控制、高压开关等电路。120 2. 控制部分：梯度脉冲开关和梯度组合的控制。按系统主控单元发出的梯度标准数字信号给数模转换器。对梯度放大器各种精确控制正是由梯度控制器和数模转换器共同完成的。 数模转换器：16位转换器对梯度控制是非常精确的，其产生的模拟电压信号经集成运算放大器进行预放大处理。121 3. 预驱动：前置放大器输入电压同反馈回来的信号进行比较，然后把信号送给功率驱动，同时也送给高压控制，来控制高压脉冲的通断。4. 前置放大器：它是整个梯度控制电路的功率放大级，若来自数模转换输出的最大信号电压是5V，梯度电流最大值是200A，若信号电压是0.5V，则梯度电流为20A。该放大器采用霍尔元件进行探测，从而实现负反馈调节梯度电流。122 （三）涡流对梯度磁场的影像1. 涡流的产生：由于梯度线圈周围存在导体，当梯度电流导通或切断时，变化的磁场在周围导体中感应出感生电流，此感生电流在金属体内环形流动，形成涡流。123 2. 涡流造成的影响电流在导体中流动，一定会产生热量，而热量是不利于磁场的稳定性的。涡流也会产生变化的磁场，其方向与梯度线圈产生的磁场方向相反，所以会削弱梯度磁场。3. 冷却方法 为了得到足够强度的磁场，必须要使线圈周围的环境进行冷却，一般采用的多为风冷和水冷。124 4. 补偿方法可以通过RC电路使梯度脉冲电流产生畸变，而产生所期望的波形；利用有源梯度磁场屏蔽，即在梯度线圈和周围导体之间放置第二组梯度线圈，与原梯度线圈同轴，但电流方向相反，电流同时通断。（双梯度线圈系统）125 二、梯度磁场线圈MRI设备的梯度磁场线圈应满足的条件：良好的线性特性；响应时间短；功耗小；最低程度的涡流效应。126 如何得到三个方向的梯度磁场？Z方向的GZ：用一对半径为a的圆形线圈，两线圈的电流方向相反，距离为X轴的GX、Y轴的GY：可以是直线系统或鞍型线圈。用相同的线圈，只要将线圈全转90，就可以分别得到GX和GY。127 （一）直线系统128 （二）鞍型线圈1. 两对鞍形线圈构成为：半径为a，长度为l，角度为，距离为d，满足：129 2. 四对鞍形线圈组成的结构 增加鞍形线圈的对数可提高梯度磁场线性度，该梯度磁场线性非均匀度不超过3%的球形半径。130 Z梯度线圈梯度线圈131 Y梯度线圈梯度线圈132 X梯度线圈梯度线圈133 三技术参数三技术参数1磁场梯度：定义：指系统产生磁场强度随空间的变化率。单位： mT / m 。大约是主磁体的百分之一。通常的梯度场强度的指标是10 mT / m。目前最大的为50 mT / m。其值的大小与形成图像的空间分辨率有关。即其值越高，形成图像的像素越小，图像越清晰。134 其形成图像体素的大小可用下式表达：Ts 频率编码梯度脉冲时间；频率编码梯度脉冲时间；T 相位编码梯度脉冲时间；相位编码梯度脉冲时间；p 选层选层RF脉冲的频宽；脉冲的频宽； 旋磁比（常数）。旋磁比（常数）。135 2. 梯度切换率： 指系统产生磁场梯度随时间的变化率，单位：mT / mS-1。它实际描述的是梯度线圈达到磁场梯度的速度。切换率越大，梯度变化速度越快，取像时间越短；磁场梯度越大，需要的时间就越长。136 3. 线性： 指梯度磁场的平稳性。线性越好说明梯度磁场越精确，图像质量越好。其非线性一般不能超过2%。4. 有效容积（均匀容积）： 指梯度线圈所能包容的能满足一定线性要求的空间区域。它与主磁场有效容积同一中心。对鞍形梯度线圈其有效容积可达主磁场的60%。137 射频系统一、基本知识1. 射频系统的作用：实施射频激励，引起受检体的氢质子进入共振状态，接收和处理在弛豫过程中氢质子产生的回波信号。2. 射频系统的基本结构：发射线圈，发射通道。接收线圈，接收通道发射线圈：用于建立RF场的RF线圈。接收线圈：用于检测MR信号的RF线圈。138 3. 电磁波信号的频率范围：低频 30300千赫（KHz） 长波 101km 中频 3003000千赫（KHz） 中波 1000100m 高频 330兆赫（MHz） 短波 10010mRF线圈和人体组织之间的距离远小于波长；发射和接收之间不是行波耦合，而是驻波耦合；MR信号只能用磁耦合的环状线圈，而不能用电耦合的天线。139 4. FR线圈的种类全容积线圈：能够整个的包容或包裹一定成像部位的柱状线圈。表面线圈：一种可紧贴成像部位放置的RF线圈，其常见结构有扁平型和微曲型。部分容积线圈：全容积线圈和表面线圈两种技术结合而成的线圈。腔内线圈：置于人体腔内的一种新型线圈。相控阵线圈：由两个以上的小线圈或线圈单元组成的线圈阵列。140 5. 品质因数 电路谐振时，其品质因数Q为： 电路谐振时，总阻抗Z=R即电路体现为纯阻性。总电压U和电阻上的电压UR相等，即U=R=IR。电路谐振时，电容端电压U和电感端电压U不但存在，而且要比电路总电压U大几十倍到几百倍，只是因为谐振时U和U大小相等，相位差，因而彼此抵消了。141 二、发射线圈与发射通道1作用：发射激励脉冲信号。对于两用发射线圈来说，还具有接收回波信号功能。发射线圈电路发射线圈电路142 当满足 时，电路将谐振与RF频率0；品质因数 ；C1的作用时是电路阻抗与功率放大器所输出的阻抗相匹配。143 2. 发射线圈的设计要求：适当的Q值：Q值不能过大，过大时脉冲的衰减时间延长；均匀的RF场线圈装置不能太大144 3. RF线圈的形状：单个圆形线圈螺线管线圈：其优点是,即使体积很小,也能实现很均匀的场分布,但对于常规的超导磁体,由于磁场方向的限制,使线圈在空间利用和进出上都受限制。145 鞍型线圈：鞍型线圈：其特点是在其特点是在Z Z轴方向轴方向, ,电磁场有很高电磁场有很高的均匀性的均匀性, ,以及和磁体的匹配性以及和磁体的匹配性, ,敏感度比同样敏感度比同样尺寸的螺旋管线圈要高尺寸的螺旋管线圈要高3 3倍倍, ,是性价比较好的一是性价比较好的一种体线圈模式。种体线圈模式。146 鸟笼型线圈：鸟笼型线圈：目前临床磁共振成像最流行的体目前临床磁共振成像最流行的体积线圈积线圈, ,能够产生均匀的横向电磁场能够产生均匀的横向电磁场, ,适合工作适合工作在正交模式。在正交模式。147 148 149 （二）发射通道1. 频率合成器定义：一种通过稳定频率相加、减、乘、除的基本运算，以产生所需频率的装置。基本原理：加、减混频器 乘法 倍频器 除法分频器 稳定频率 鉴相器、锁相环路150 组成：固定频率部分（提供频率合成过程中所需要的各种频率） 低频部分（用作合成器细调步进频率） 高频部分（用作合成器粗调步进频率） 相加部分（完成几个频率部分的相加减）151 2.发射混频器 通过两种信号混频，产生RF信号，同时通过门控电路形成RF脉冲波形。3. 发射调制器 因所有MRI方法都采用脉冲形式的RF磁场，故对RF信号的输出必须采用开关控制，同时为了激发一定频带的原子核或一个小空间区域的原子核，还需对RF信号进行幅度调制。152 4. 衰减器定义：在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路。 用途：放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。分类：衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种。有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中。无源衰减器无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器。153 5. 功率放大级 发射调制器输出的RF脉冲信号幅度仅为0.5V左右，功率也只有1mW左右，必须经过功率放大，获得足够大的功率，馈送到发射线圈以产生足够强的RF磁场。154 6. 发射控制器脉冲信号的产生在RF发射和接收部分里需要用到中频信号，并且对接受的中频信号相位又有特殊要求。发射混频中还需要一个门控方波信号，用以控制RF脉冲的持续时间。发射与接收均需要衰减控制信号。155 三、接收线圈与接收通道（一）接收线圈1.作用：用于接收人体被检验部位产生的MR信号，它直接决定着成像的质量。2. 保证MR信号高效接收的方法提高SNR提高信号的响应的均匀性提高品质因数Q使用双线圈系统156 接收器保护电路接收器保护电路157 3. 接收线圈的种类螺线管线圈：SNR比较高，但只适用于磁场方向与检查床垂直的情况。鞍型线圈：SNR比螺线管的小 倍，通常用两个正交鞍型线圈组合，可以提高SNR 倍。表面线圈：形状与倍检测部位外形相吻合。如：脊柱表面线圈、膝关节表面线圈。158 （二）接收通道1. 前置放大器 其质量的好坏将严重影响图像质量，一般采用低噪声场效应管。2. 混频器与滤波器混频器是将信号搬移到中频上。利用信号频率与本地振荡频率组合，但这一过程会有一些部需要的频率组合，需要消除，方法如下：159 选择适当的混频电路；设计滤波电路，滤除不需要的频率组合。滤波电路有两种：有源滤波：体积小、增益大，但只适用于低频；无源滤波：采用Q值较高的LC滤波器，用来过滤中频信号。160 3. 相敏检波器 作用是将来自中频滤波电路的中频信号中，检测出低频MR信号。4. 低频放大与低通滤波由于检波器的需要，被检测信号的幅度都在零点几伏，而A/D转换时需要的电压幅度在10V左右，所以要用低频放大器放大；161 在检波后的MRI信号还有一些高频干扰和噪声，影响成像质量，要用低通滤波器滤除。5. ADC MRI信号时随时间连续变化的模拟信号，而计算机要处理的只能是数字信号，所以要用A/D转换器将接收信号数字化。162 163 第五节第五节 计算机系统计算机系统一. 计算机系统的基本结构和作用1. 基本结构：主计算机系统，阵列处理机，数据存储磁盘。2. 作用：整个设备指令控制中心，具有数据采集，处理，影像重建，存储及多幅图像显示功能3. 主计算机系统包括：主机，磁盘存储器，光盘存储器，控制台，主图像显示器（主诊断台），辅助图像显示器，网络适配器，测量系统的接口部件等。164 二、主计算机系统的磁共振成像软件1. 病人信息管理软件 信息录入后作为文本数据存储在该病人的文件内。在图象显示处理中作为文字数据信息与图象数据编排在一起。这些标识信息在显示屏或胶片上与图象同时显示。165 2图象管理软件：包括数据处理。ADC数据：指送入图象处理单元之前未经处理的，不包含任何控制信息和标志信息的数据.测量数据：把经过拼接的带有控制信息数据称为测量数据。原始数据：经过图象处理单元预处理的测量数据称为原始数据。图象数据：经过影像重建处理过的数据称为图象数据166 3图象处理软件 包括灰度变换，插值变换，旋转变换，对比度变换等4扫描及扫描处理软件 一般可提供多种扫描时序供用户选择使用5系统维护软件 包括设备故障自检，设备性能调试，调整，检测功能软件167 6网络管理软件提供上网登记，网上传输，网络管理及文件传输有关的协议。7主控程序软件提供应用软件的主菜单。对设备工作运行进行自动监控。168 169 三 、梯度磁场的控制1. 直接控制法：由计算机CPU（中心控制器）直接控制梯度线圈工作电流的强度。优点：控制能力强，工作精度高缺点：CPU被占用不能同时再进行其他工作170 2. 间接控制法：在计算机初始化时将梯度线圈工作参数送入梯度数据存储器。在扫描开始时启动地址计数器。在扫描过程中，由地址计数器控制来获得需要的梯度信号。171 四、射频脉冲的控制1. 控制对象：RF脉冲的形成、相位控制、脉冲开关、RF接收的衰减及滤波。2. 具体控制方法：与梯度磁场控制相类似，射频脉冲控制也采用间接控制方法，而且在形式上也与其相同。172 3. 存储器：计算机根据所选定的成像方法和成像参数，在计算机初始化时，将射频脉冲波形的数值在时间上序列化，再以空间顺序存于射频存储器中。4. 地址计数器：控制存储器中数据的存储地址。地址计数器起始地址由计算机设置。当它启动后，随时钟信号递增，计数器顺序输出选通射频存储器的各单元，取出所存储的数据形成所需要的脉冲波形。173 174 五、图像重建基本过程：采集到的原始数据 在每字节后添加几位错误校验位 海量存储器影像重建（AP 一种专用的快速影像数据处理机 也称阵列机） 175 176 六、图像显示1. 图像显示原理：存于海量存储器或磁盘中的重建图像的数据不能直接用于图像显示，必须先要将其转换为模拟信号，然后利用该模拟信号控制显像管电子枪发射电子的强度，这样才能在显示屏上看到人体磁共振图像。2. 图像显示内容：除人体磁共振图像外，显示屏上还可以根据诊断需要显示相关的文字，数字等信息。177 3. 图像显示系统的基本结构：包括幀存储器，同步及消隐信号产生电路，字符和数字产生电路，灰度变换电路，控制接口电路，图像显示电路等4. 图像显示系统的特殊功能：图像的等密度线显示，剖面线显示，兴趣区密度直方图显示，面积测量，平均值测量，图像的局部放大显示等。178 图像数据图像数据标志数据标志数据字符数据字符数据179 核磁共振信号的采集 用射频信号激励样本后产生的横向磁化向量将最终决定磁共振信号的强度。通常采集信号的办法是采用一个特定时序的脉冲序列来激励，不同形式的脉冲激励将直接影响磁共振图像的灰度、对比度等。通过特定时序的脉冲序列采集信号：通过特定时序的脉冲序列采集信号：常用的脉冲序列有三种： 部分饱和序列倒转恢复序列 自旋回波序列180 核磁共振信号的采集 由一系列等间隔的90o射频脉冲组成，数据采集紧跟着每个90o脉冲进行。部分饱和序列下，检测信号的强度为： 对于某一特定物质，TR增大，信号强度增大；TR相同时，T1越短，检测到的信号越强。 部分饱和序列部分饱和序列181 核磁共振信号的采集Mz的恢复过程的恢复过程182 核磁共振信号的采集 指一个180o射频脉冲后紧跟一个90o脉冲，两个脉冲的间隔时间为TI，每组脉冲间的时间间隔为TR。在倒转恢复序列激励下，MRI信号的强度为：（9-8） 倒转恢复序列激励时，图像对T1的变化更敏感，精度高，测量范围大。 倒转恢复序列倒转恢复序列183 核磁共振信号的采集倒转恢复脉冲序列倒转恢复脉冲序列184 核磁共振信号的采集 指一个90o脉冲紧跟着一个180o脉冲组成的脉冲序列。180o脉冲可以维持相位相干现象，使横向磁化分量出现多个峰值（衰减）自旋回波。其中，外磁场决定自旋回波的宽度，内磁场决定自旋回波的高度。 自旋回波序列自旋回波序列 当TITR时，自旋回波序列激励的信号为：（9-8）185 核磁共振信号的采集式中，TE为回波延迟时间。 可见，增大脉冲重复时间TR和缩短回波延迟时间TE都能提高自旋回波的强度。自旋回波序列的缺点： 分子的扩散过程影响测量的精度，测量时间比较长。186 核磁共振信号的采集自旋回波脉冲序列自旋回波脉冲序列187 核磁共振信号的采集 信号强度与这些参数的具体关系由所采用的脉冲序列决定； 从观察样本的某一个体元中接收的MRI信号的强度与质子密度、纵向驰豫时间T1，横向驰豫时间T2有关； 自由感应信号只提供样本的T1信息，自旋回波信号则同时提供T1和T2的信息。188