MRI设备详解.docx

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MRI设备详解

MRI设备详解

MRI设备是利用生物体的磁性核（主要是氢核）在磁场中所表现出的MR特性来进行成像的设备。

随着超导技术、磁体技术、电子技术、计算机技术和材料科学的进步，MRI设备得到飞速的发展。

MRI设备已成为最先进、最昂贵的现代化诊断设备之一。

MRI设备既是评价医院综合能力的一项重要指标，又是医院现代化程度和诊断水平的标志。

我国现有600多台MRI设备正在运行，并以每年几十台的速度增长（含临床应用型和临床研究型）。

本章将以临床应用型永磁开放式MRI设备为例，系统地介绍MRI设备的构成和工作原理。

第一节概述
一、发展简史
MR现象于1946年第一次由布洛赫（F.Bloch）领导的斯坦福大学研究小组和伯塞尔（E.Purcell）领导的哈佛大学研究小组分别在水与石蜡中独立地观察到。

因此，布洛赫和伯塞尔共同获得了1952年的诺贝尔物理学奖。

随后，人们利用MRI技术进行了多领域的应用。

MRI设备早期集中在物理和化学方面，用来确定化学成分、分子结构和反应过程。

1967年，第一次用MRI设备测试人体活体。

1971年，达马丁（Damadian）发现了MRI的一个重要参数—T1。

肿瘤组织的T1值远大于相应正常组织的T1值。

此结果预示着MRI设备在医学诊断中的广阔应用前景。

1973年，受CT图像重建的启示，纽约州立大学的劳特布尔（Lauterbur）在《Nature》杂志上发表了MRI设备空间定位方法（均匀静磁场上迭加梯度磁场）。

利用MRI模型（两个并排在一起的充水试管）的四个一维投影，成功的获得了第一幅MRI模型的二维图像。

1974年，曼斯菲尔德（Mansfield）研究出脉冲梯度法选择成像断层的方法。

1975年，恩斯特（Ernst）研究出相位编码的成像方法。

1977年，爱特斯坦（Edelstein）、赫切逊（Hutchison）等研究出自旋扭曲（SpinWarp）成像法。

1977年，达马丁完成了首例动物活体肿瘤检测成像，并获得首张人体活体MRI设备图像。

1980年，阿勃亭（Aberdeen）领导的研究小组发表了利用二维傅立叶变换对图像进行重建的成像方法。

该成像方法效率高、功能多、形成的图像分辨力高、伪影小，目前医用MRI设备均采用该算法。

1983年，MRI设备进入市场。

MRI设备具有对软组织成像好的优点。

把大量的波谱分析技术运用到医用MRI设备上，使MRI设备不仅可获得解剖学信息，而且可获得其他方面的信息，如生理和生化方面的信息。

二、主要特点及临床应用
MRI与CT各有优点，可以互相补充。

表13-1为MRI设备与CT扫描机的性能比较。

表13-2为MRI设备与CT扫描机的临床应用比较。

通过MRI设备与CT扫描机的性能比较和临床应用比较，可以看出：

MRI设备的优点为：

①多参数成像，可提供丰富的诊断信息；②人体氢核含量高，高对比成像；③任意方位体层、三维成像；④不用对比剂，就可进行磁共振血管造影（magneticresonanceangiographies）；⑤无骨伪影干扰，后颅凹病变清晰可辨；⑥无电离辐射；⑦可使MRI设备用于介入治疗,建立智能手术室，进行手术导航。

MRI设备的缺点为：

①扫描速度慢；②易出现运动、流动伪影；③定量诊断困难；④对钙化灶和骨皮质病灶不够敏感；⑤禁忌症多。

表13-1MRI设备与CT扫描机的性能比较

性能特点MRI设备CT扫描机
信息载体MRI信号（发出所吸收的射频能量信息）穿过组织的X线
体内信息源质子密度、T1、T2驰豫时间及液体的流动窄束X线的减弱程度或透射连续X线的强度分布
采用的电磁波射频波（无线电波）连续X线
电磁波频率特定磁场下氢原子核的拉莫尔频率（小于100MHz）3×1010～3×1014MHz
电磁波波长3m以上（米波段）约10–10m（1Å）
使用的磁场静磁场和梯度磁场的叠加无
探测器及方法接收线圈的感应电流碘化钠（NaI）、BGO（BiGeO）、氙（Xe）等
体层方向任意方向一般与体轴垂直
扫描机构电子机械或电子
数据采集方式多方向或单方向投影多方向投影
测量值可多参数成像，但不同机器所测参数值难以比较仅与线衰减系数相对应
图像重建方法以二维傅立叶变换成像法为主滤波反投影法、二维傅立叶变换重建法、卷积反投影法、迭代法等
有无电离辐射仅有射频辐射，
约10-7eV有X线辐射，约104eV，可能引起的生物效应高
像素尺寸已达0.4mm
层面厚度3D成像可达1mm以下螺旋CT已达0.5mm
每层面扫描
时间因扫描程序而异（EPI
序列已达5ms）1s左右（螺旋扫描可进一步缩短，超高速CT已达数＋ms）
图像重建时间0.05ms<1s
实时成像功能已达到已达到

表13-2MRI设备与CT扫描机的临床应用比较

应用范围MRI设备CT扫描机备注
软组织对比度高低MRI设备可行乳腺成像
半月板、肌腱、
软骨及椎间盘不使用对比剂，
清晰须使用对比剂，不清晰
脊髓显示清晰困难
白质和灰质极明显一般明显
出血可显示高度明显
钙化灶不敏感敏感
骨皮质病变不敏感敏感
骨伪影无有
心血管不使用对比剂，
可区别心肌、心
脏轮廓和大血管须使用对比剂，且只能显示心
肌和心脏轮廓MRI设备可行无创伤血管造影
胎儿及孕妇检查可进行（妊娠三
个月内慎用）一般不进行MRI设备可展示胎儿及母体子宫、胎盘等的结构
水的显示极明显明显MRI设备可行水成像、扩散成像和灌注成像
生化及代谢测定能不能需MRI设备一体化系统
功能成像能不能MRI设备需高磁场强度系统
化学位移成像能不能需MRI设备一体化系统
对比剂类型顺磁性物质碘剂三、主要技术参数
与其它影像设备相比，影响MRI图像的信号强度或图像密度的参数较多。

这些参数大体可分为组织参数和设备参数两大类。

1．组织参数它是人体的内在信息参数。

组织参数主要有质子密度（ρ）、纵向驰豫时间（T1）、横向驰豫时间（T2）、化学位移（σ）、液体流速（v）和波动。

其中，组织参数ρ、T1和T2决定图像信号的密度。

组织参数σ决定水与脂肪的分离成像，能引起化学位移伪影。

组织参数v和波动可用来进行血管成像，能引起运动伪影。

2．设备参数它是成像所依赖的设备及成像过程的测量条件参数。

设备参数主要有磁场强度、梯度磁场强度和切换率、线圈特性（包含发射和接收）、测量条件。

根据诊断目的的不同，可以选择不同的参数来产生所需要的MRI图像，具体参数的选择如下：

重复时间（timeofrepetition，TR）、回波时间（timeofecho，TE）和反转时间（timeofinversion，TI）决定图像的性质。

即图像的权重。

层厚、平均采样次数、像素尺寸、有效视野和层数决定扫描区域并控制图像信号的密度。

各种应用软件可获得不同性质和不同区域的MRI图像，而且成像速度快、有效抑制伪影、功能完善。

四、发展趋势
无论是MRI设备的软件序列，还是MRI设备的硬件结构，都在日新月异的发展。

这里仅介绍MRI设备硬件结构的发展趋势。

1．主磁体它的作用是产生均匀的静磁场（亦称为主磁场，简称为磁场）。

主磁体的发展趋势是低磁场强度的开放和高磁场强度的性能改善。

低磁场强度永磁开放型MRI设备的磁场强度已达0.4T，其结构为单柱型或双柱非对称型。

重量为10~13吨，开放空间达75％以上。

开放式MRI设备的优点是可消除病人的幽闭恐惧症。

超导型MRI设备的磁场强度已由传统的1.5T发展到3~4T，并有发展到7~8T的趋势。

超导型MRI设备的液氦消耗量已大幅度下降。

随着材料科学的进一步发展，将来可能出现高温超导磁体。

磁场强度的大小对MRI设备图像的影响是：

①在信噪比方面，如图13-1所示，磁场强度越高，信号强度越大，信噪比越高（但不是线性关系）。

②磁场强度高，扫描时间短。

③在图像对比度方面，组织的T1值随磁场强度增高而变大，如图13-2所示，T1驰豫时间延长。

当TR为固定值时，T1图像对比度反而下降，造成T1图像质量下降。

但磁场强度的大小对T2图像质量的影响不大。

图13-1磁场强度与信号强度的关系
图13-2T1值与磁场强度的关系
高磁场强度、低磁场强度的MRI设备各有自己的优、缺点，互相弥补。

MRI设备的精度和稳定性将会进一步提高。

扫描序列的进一步发展（如平面回波序列），对静磁场均匀度提出了更高的要求。

主磁体的设计，将更加适合现场的安装、调整，并有一套完善可行的磁场均匀度提高方法。

2．梯度磁场快速扫描序列要求高性能的梯度磁场。

平面回波序列的弥散、灌注功能均要求高线性和快速响应的梯度磁场。

目前梯度磁场强度已达到50mT/m以上。

对梯度磁场的度化率（切换率）要求更高，已达到70~80T/m·s。

除快速成像外，高性能梯度磁场还决定一定矩阵下的最小FOV矩阵和最小层厚。

最短回波时间主要决定于梯度磁场的最大强度。

而最短回波时间又影响最短重复时间。

可见，梯度磁场影响MRI设备的成像时间，也决定图像的最高空间分辨力。

双梯度系统、组合表面系统和非线性梯度系统的出现，使MRI设备梯度线圈的形式多样化。

如双梯度系统是在主梯度线圈中附加一套较小的梯度线圈，它仅覆盖在感兴趣的部位，可得到一个局部的磁场强度高的梯度磁场，切换率可达到150T/m·s，所获得的MRI设备图像的层厚更薄、空间分辨力更大
涡流与噪声也有待于进一步减少。

涡流会严重的影响磁场的均匀度，使图像出现伪影，质量下降。

目前，采用高阻材料和增加反向梯度线圈两种方法以降低涡流与噪声。

这两种方法虽然基本有效，但均未从根本上消除涡流与噪声。

为此，有必要研究出新的方法，以进一步减少涡流与噪声。

3．接收线圈提高接收线圈的效率和进一步增加阵列线圈，将成为MRI设备临床中的最大需要。

改进接收线圈，使其能满足介入治疗的需要。

4．计算机网络化MRI设备已完成了由专用计算机到计算机工作站的转化，已使用64M处理器。

方便、快速、高效的PACS系统，可使MRI设备与其他影像诊断设备的影像资源融合，以获得全面、准确的诊断结果。

五、构成
MRI设备根据用途不同，可分为两大类：

一是临床应用型，其主磁体磁场强度在0.2～0.5T以下；二是临床研究型，其磁场强度在1.0～1.5T以上。

MRI设备根据磁场的产生方式不同，可分为三大类：

①超导型；②永磁型；③常导型。

如图13-3所示，超导型MRI设备由主磁体（含冷却装置）、扫描床、梯度线圈、射频（radiofrequency，RF）线圈、谱仪系统、控制柜、人机对话的操作台、计算机和图像处理器等构成。

超导型MRI设备的主磁场方向为水平方向。

如图13-4所示，永磁型开放式MRI设备由主磁体、扫描床、谱仪系统、控制柜、操作台、计算机和图像处理器等构成。

永磁型MRI设备的主磁场方向为垂直方向。

超导型MRI设备和永磁型MRI设备的基本构成是：

主磁体、扫描床、谱仪系统、控制柜、操作台、计算机和图像处理器等。

本章以永磁型MRI设备为例，主要介绍MRI设备的硬件系统。

图13-5为永磁型MRI设备的结构示意图。

图13-3超导型MRI设备的结构示意图
图13-4永磁型开放式MRI设备的结构示意图
图13-5永磁型MRI设备的结构示意图
永磁型MRI设备的硬件部分因安装位置的不同又可分为扫描室内、扫描室外两大部分：

1．扫描室内部分它包括主磁体（magnet），支架（yoke），温度加热器（thermostat），梯度磁场线圈（gradientmagnetfieldcoil），RF发射线圈（transmittercoil），接收线圈（receivercoil），前置放大器（preamplifier），控制面板（controlpanel）和扫描床（patienttable）。

需对整个扫描室进行磁屏蔽。

2．扫描室外部分它包括中央控制柜（centralcontrolconsole，CCC）、电源分配器（powerdistribution）、恒温控制器（thermostaticcontrol）、梯度磁场电源（powersupplyforgradientmagneticfield），RF发射/接收装置（RFtransmitter/receiver），操作台，计算机和图像处理器。

3．滤波盒（filterbox）为防止干扰，扫描室内外的所有连接线均需要通过滤波盒转接。

MRI设备的基本工作原理为：

由恒温控制器将主磁体的温度准确的控制在某一温度（32.5℃）上，使主磁体产生一个均匀的静磁场。

梯度电源通过梯度线圈进行空间定位（编码）。

通过RF单元和RF发射线圈，发射RF信号作用于病人（置于可进行三维运动的扫描床上）产生MRI设备现象，发出的MRI设备信号被接收线圈接收，经前置放大器放大、检波、A/D转换后送给计算机和图像处理器，重建图像在监视器上显示或用激光照相机将图像在激光胶片上打印出来。

第二节主磁体
一、种类
主磁体是MRI设备的主要构成部分，决定着MRI设备的图像质量和工作效率。

同时，主磁体也是MRI设备中成本最大、维护费最高的部分。

永磁型、常导型和超导型MRI设备的主磁体的特点如下：

1．永磁型主磁体为天然材料，不需消耗电能，运行费用低，但主磁体重量大。

开放型永磁体结构如图13-6所示。

图13-6

（1）为侧视图，图13-6

（2）为正视图。

主磁体分上、下两个磁极。

上方为S极，下方为N极。

静磁场方向垂直向下。

左右两根导磁柱支架托着上、下两磁极的基座，磁极上面有极片（磁性材料），外面有铝盖保护。

主磁体是由许多块小永磁磁铁拼接而成。

为满足磁场均匀度的要求，在极片上粘贴着许多补偿用的小磁片，还有一层减小涡流用的高阻材料，周围有一圈防止磁泄露的硅钢片叠迭体，以使主磁体边缘的磁力线集中。

为满足身体尺寸较大病人的要求，上、下磁极间的距离应大一些。

在保持主磁场强度不变的情况下，就必须增加磁铁的用量。

主磁体的体积、重量将增大，成本亦相应增高。

因为MRI设备的信号平面垂直于静磁场方向，所以接收线圈的方向也要垂直于静磁场方向。

永磁体产生的静磁场方向为垂直方向，这虽使永磁MRI设备的RF发射线圈制作困难变大，但可以使用效率较高的螺旋管型接收线圈。

而其他类型的主磁体磁场方向均为水平方向，只能使用马鞍型接收线圈。

螺旋管型线圈与马鞍型接收线圈的信噪比相差40％。

螺旋管型接收线圈的接收信号的有效范围更均匀、利用率更高、对称性更好，且其分布方向可沿人体长轴设计，如图13-7所示。

图13-6永磁体结构图
图13-7磁场方向对信噪比的影响
2．常导型它属于电磁体。

用铜线绕成空心线圈并加大电流使其产生磁场，消耗功率高达80kW，线圈电流约为200A。

产生的热量需要用水循环进行冷却。

线圈电源的质量直接影响磁场的稳定，无法保证MRI设备的图像质量。

常导型磁体的特点是结构简单，造价低，但运行费用高。

目前，常导型MRI设备正逐步被淘汰。

3．超导磁体它利用超导材料在低温条件下（约-270℃）零电阻特性（施加很小的电压可得到非常大的电流）制成。

超导导线为采用铌-钛合金敷铜而成的超导细丝。

超导磁场强度高，但需要将线圈放入液氦中进行低温处理来形成超导环境，需要一套复杂的低温保障系统，超导磁体的价格昂贵，运行费用高。

二、性能指标
1．磁场强度它是指MRI设备的静磁场强度。

静磁场强度可分为低磁场强度和高磁场强度。

0.3T以下的称为低磁场强度，主要应用于永磁型MRI设备。

1.0T以上的称为高磁场强度，主要应用于超导型MRI设备。

磁场强度对图像质量影响为：

①对信噪比的影响（图13-1）。

磁场强度增高，信号强度增高，信噪比提高（一般认为噪声电平不变）。

信噪比的提高与磁场强度的增高不呈线性关系，靠增高磁场强度来提高信噪比是有限度的。

②对对比度的影响。

因磁场强度增高，T1变长，必须加长TR，才能获得高对比度的T1加权图像，这将导致扫描时间的延长，是不可取的。

③对运动伪影和化学伪影的影响。

因磁场强度增高，共振频率变高，自旋加快，同样运动的相位漂移变大，使运动伪影和化学伪影增多。

另外，磁场强度高低与MRI设备的成本成正比。

磁场强度增高，MRI设备的成本随之提高。

2．磁场均匀度它是MRI设备的一个很重要的指标。

磁场均匀度在很大程度上决定着MRI设备的图像质量好坏。

如MRI图像的信噪比（S/N）、空间分辨力（SR）和有效视野（fieldofview，FOV）的几何畸变。

磁场均匀度用磁场不均匀度（ppm，百万分之一）衡量。

磁场不均匀度越小，磁场均匀度越好。

磁场不均匀度的数学定义为
磁场不均匀度（ppm）
式中：

ppm为某一个限定的空间范围；B0为主磁场中心磁感应强度（Gs）；∆B0为磁感应强度最大值与最小值的差（Gs）。

由上式可见，磁场均匀度与主磁场的大小有关。

相同的ppm在不同的B0下，代表的偏差是不一样的。

例如，同样是5ppm，在1.5T的MRI设备中，磁场均匀度的偏差为5×1.5×10–6T（0.0075mT），而在0.3T的MRI设备中，磁场均匀度的偏差为5×0.3×10–6T（0.0015mT）。

另外磁场均匀度与测量空间的大小有关。

测量空间一般为椭球体，300mm×350mm或350mm×400mm。

测量空间越大，磁场均匀度越差。

同样，磁场均匀度测量范围越小，磁场均匀度越好。

在MRI中，要进行空间编码（层选脉冲、相位编码和频率编码），就要在静磁场上迭加微弱的梯度磁场。

静磁场均匀性越差，偏差越大，图像质量越差。

而且如果静磁场不均匀，在迭加上梯度磁场后，层位信号将发生偏离，引起图像失真和畸变。

例如，中心磁场强度为3000Gs，梯度磁场强度为0.15Gs/cm。

在20cm直径的球形体积内，静磁场的不均匀度为10ppm。

那么，在X轴的几何失真为多大？

如图13-8所示。

图13-8磁场不均匀产生的失真
∆B=（10×3000）÷106=0.03Gs
沿X轴的几何失真为∆X
∆X==0.2cm
主磁体磁场均匀度越差，几何变形越大。

永磁体磁场均匀度由永磁材料、磁极表面的光洁度（抛光）和磁极表面的曲率决定。

磁场均匀度的调整非常重要，也是非常细致的工作。

磁场均匀度不是恒定不变的。

例如，主磁体的搬动，周围铁磁物质环境的改变等，都将造成磁场均匀度的改变。

所以，磁场均匀度的最终调整是在主磁体安装完毕后进行测量、调整的。

并且要定期对主磁体磁场均匀度进行调整。

以稀土元素合金钕铁硼（Nd-Fe-B）作为永磁材料的主磁体，其磁场均匀度由磁极表面的光洁度和磁极表面的曲率决定。

调整磁场均匀度有两种方法：

一种是改变磁极表面的曲率，一种是调整磁极间的气隙磁通密度分布。

3．磁场的稳定性它是保证MR图像的一致性和可重复性的重要指标。

永磁体自身的衰减很少。

受主磁体周围铁磁性物质、环境温度的影响，静磁场的磁场强度会发生变化（磁场漂移）。

在1～2小时之内，一般要求磁场漂移小于5ppm。

在1～8小时之内，磁场漂移小于10ppm。

4．主磁体的有效范围静磁场强度与主磁体的有效范围密切相关。

主磁体的有效范围是指上、下磁极的直径和上、下磁极间的有效距离，即X轴、Y轴、Z轴三方向可容纳病人的最大尺寸。

从技术上讲，增加主磁体的有效范围比提高磁场强度更难。

三、永磁体
在早期永磁材料没解决时，永磁体相当笨重。

如磁场强度为0.3T、由斜硅钙石材料制成的主磁体重达100吨。

目前用Nd-Fe-B制成0.3T的主磁体，重量已下降到10吨以下。

永磁材料的改进，加工精度的提高，主磁体边缘效应的特殊处理，提高了永磁体的磁场均匀度。

恒温控制技术的提高和绝热材料的采用，彻底克服了永磁材料Nd-Fe-B温度系数大的缺点，对扫描室室内温度的要求变得较宽（24℃±4℃）。

1．永磁材料及主磁体结构永磁材料为高磁能积的稀土元素合金Nd-Fe-B，其磁能积为普通磁铁的11倍。

主磁体采用双柱非对称结构，开放空间大，前方220°，后方70°。

表13-3为几种典型永磁材料的特性比较。

表13-3几种典型永磁材料的特性比较

剩余磁化强度（Gs）矫顽力
（奥斯特）磁能积
（高奥）温度系数（%/℃）比重
g/cm3
钕铁硼125008000~1400025~75×106-0.127.4
钐-钴稀土11200690031×106-0.038.4
铁氧体440030004600-0.185.0
铝镍钴12007000-0.020.027.3
在上述指标中，剩余磁化强度是制造永磁体的基础，其值越大越好。

矫顽力是使磁性物质完全退磁所需要的外磁场强度，它确定了磁性材料保留磁性的能力，其值越大越好。

永磁磁场强度是以单位体积在外部产生的最大磁能积来评价的，其值越大越有利。

1983年开发的Nd-Fe-B稀土类磁性材料，虽然价格高于斜硅钙石，但其资源丰富、磁能积最大、而比重小于钐-钴合金。

另外其机械强度高、加工、装配容易。

其最大缺点是温度系数大，但此缺点可通过恒温控制技术解决。

永磁体磁场强度已达0.4T，加之特殊边缘处理技术使磁场强度发散和泄漏很少。

其等高斯曲线如图13-9所示，5高斯线的范围已经很小，对周围环境影响小，更重要的是周围环境对它的影响也小。

图13-9高斯图
主磁体的结构由早期封闭式的四柱对称型演变为开放式双柱非对称型及单柱臂型结构。

主磁体形状的发展的方向是：

开放、舒适、贴近病人。

封闭式主磁体是由四个柱子支撑上、下磁极。

开放式主磁体是由两个柱子从后部支撑上、下磁极。

开放式主磁体的设计有以下两个优点：

①可以解除病人在扫描时所产生的恐惧感和压抑感，增加病人舒适感。

②由于前后开放空间很大，便于把MRI设备技术用于介入治疗。

2．磁场强度分布
磁场能量是如何形成的？

永磁体的上、下磁极和支撑柱均为导磁率极高的金属，并且形成磁路。

上、下磁极间的空间为空气隙（即扫描孔）。

空气隙中存在磁场能量。

在不考虑边缘通量的情况下，空气隙中的能量可表示为
Bmax·v=B2/u0·V
式中：

Bmax为主磁体材料的最大磁能积；v为主磁体材料的体积；B为磁场强度；u0为真空中主磁体的导磁率；V为磁场的容积。

要增高主磁体的磁场强度，必须增加主磁体的体积，并且是按平方根的关系，即。

要增大扫描孔的容积，即增大空气隙，主磁体的体积必须按比例增加。

根据主磁体磁场强度与各因素的关系，考虑到永磁材料昂贵因素，几种永磁型MRI设备的主磁体磁场强度与空气隙长度的关系如表13-4所示。

表13-4磁场强度与空气隙长度的关系

型号磁场强度空气隙长度
MRP-7000-20.3T500mm
MRP-7000-10.3T465mm
MRP-7000-00.3T410mm
Airis0.3T405mm
永磁式MRI设备的主磁场方向是垂直方