第一節(jié)磁共振成像儀的基本硬件

1、第一節(jié) 磁共振成像儀的基本硬件醫(yī)用MRI儀通常由主磁體、梯度線圈、脈沖線圈、計算機系統(tǒng)及其他輔助設(shè)備等五部分構(gòu)成。一、主磁體主磁體是MRI儀最基本的構(gòu)件，是產(chǎn)生磁場的裝置。根據(jù)磁場產(chǎn)生的方式可將主磁體分為永磁型和電磁型。永磁型主磁體實際上就是大塊磁鐵，磁場持續(xù)存在，目前絕大多數(shù)低場強開放式MRI儀采用永磁型主磁體。電磁型主磁體是利用導(dǎo)線繞成的線圈，通電后即產(chǎn)生磁場，根據(jù)導(dǎo)線材料不同又可將電磁型主磁體分為常導(dǎo)磁體和超導(dǎo)磁體。常導(dǎo)磁體的線圈導(dǎo)線采用普通導(dǎo)電性材料，需要持續(xù)通電，目前已經(jīng)逐漸淘汰；超導(dǎo)磁體的線圈導(dǎo)線采用超導(dǎo)材料制成，置于液氦的超低溫環(huán)境中，導(dǎo)線內(nèi)的電阻抗幾乎消失，一旦通電后在無需繼續(xù)

2、供電情況下導(dǎo)線內(nèi)的電流一直存在，并產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，目前中高場強的MRI儀均采用超導(dǎo)磁體。主磁體最重要的技術(shù)指標包括場強、磁場均勻度及主磁體的長度。主磁場的場強可采用高斯（Gauss，G）或特斯拉（Tesla，T）來表示，特斯拉是目前磁場強度的法定單位。距離5安培電流通過的直導(dǎo)線1cm處檢測到的磁場強度被定義為1高斯。特斯拉與高斯的換算關(guān)系為：1 T = 10000 G。在過去的20年中，臨床應(yīng)用型MRI儀主磁體的場強已由0.2 T以下提高到1.5 T以上，1999年以來，3.0 T的超高場強MRI儀通過FDA認證進入臨床應(yīng)用階段。目前一般把0.5 T以下的MRI儀稱為低場機，0.5 T到1.0

3、 T之間的稱為中場機，1.0 T到2.0之間的稱為高場機（1.5 T為代表），大于2.0 T的稱為超高場機（3.0 T為代表）。高場強MRI儀的主要優(yōu)勢表現(xiàn)為：（1）主磁場場強高提高質(zhì)子的磁化率，增加圖像的信噪比；（2）在保證信噪比的前提下，可縮短MRI信號采集時間；（3）增加化學(xué)位移使磁共振頻譜（magnetic resonance spectroscopy，MRS）對代謝產(chǎn)物的分辨力得到提高；（4）增加化學(xué)位移使脂肪飽和技術(shù)更加容易實現(xiàn)；（5）磁敏感效應(yīng)增強，從而增加血氧飽和度依賴（BOLD）效應(yīng)，使腦功能成像的信號變化更為明顯。當然MRI儀場強增高也帶來以下問題：（1）設(shè)備生產(chǎn)成本增加，

4、價格提高。（2）噪音增加，雖然采用靜音技術(shù)降低噪音，但是進一步增加了成本。（3）因為射頻特殊吸收率（specific absorption ratio，SAR）與主磁場場強的平方成正比，高場強下射頻脈沖的能量在人體內(nèi)累積明顯增大，SAR值問題在3.0 T的超高場強機上表現(xiàn)得尤為突出。（4）各種偽影增加，運動偽影、化學(xué)位移偽影及磁化率偽影等在3.0 T超高場機上更為明顯。由于上述問題的存在，3.0 T的MRI儀在臨床應(yīng)用還有一定限制，盡管其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有優(yōu)勢，但是在體部應(yīng)用還不太成熟，因此，目前以1.5 T的高場機最為成熟和實用。MRI對主磁場均勻度的要求很高，原因在于：（1）高均勻度的場強

5、有助于提高圖像信噪比，（2）場強均勻是保證MR信號空間定位準確性的前提，（3）場強均勻可減少偽影（特別是磁化率偽影），（4）高度均勻度磁場有利于進行大視野掃描，尤其肩關(guān)節(jié)等偏中心部位的MRI檢查，（5）只有高度均勻度磁場才能充分利用脂肪飽和技術(shù)進行脂肪抑制掃描，（6）高度均勻度磁場才能有效區(qū)分MRS的不同代謝產(chǎn)物?，F(xiàn)代MRI儀的主動及被動勻場技術(shù)進步很快，使磁場均勻度有了很大提高。為保證主磁場均勻度，以往MRI儀多采用2m以上的長磁體，近幾年伴隨磁體技術(shù)的進步，各廠家都推出磁體長度為1.4m1.7m的高場強（1.5T）短磁體，使病人更為舒適，尤其適用于幽閉恐懼癥的患者。隨介入MR的發(fā)展，開放式

6、MRI儀也取得很大進步，其場強已從原來的0.2T左右上升到0.5T以上，目前開放式MRI儀的最高場強已達1.0T。圖像質(zhì)量明顯提高，掃描速度更快，已經(jīng)幾乎可以做到實時成像，使MR“透視”成為現(xiàn)實。開放式MR掃描儀與DSA的一體化設(shè)備使介入放射學(xué)邁進一個嶄新時代。二、梯度線圈梯度線圈是MRI儀最重要的硬件之一，主要作用有：（1）進行MRI信號的空間定位編碼；（2）產(chǎn)生MR回波（梯度回波）；（3）施加擴散加權(quán)梯度場；（4）進行流動補償；（5）進行流動液體的流速相位編碼。梯度線圈由X、Y、Z軸三個線圈構(gòu)成（在MR成像技術(shù)中，把主磁場方向定義為Z軸方向，與Z軸方向垂直的平面為XY平面）。梯度線圈是特殊

7、繞制的線圈，以Z軸線圈為例，通電后線圈頭側(cè)部分產(chǎn)生的磁場與主磁場方向一致，因此磁場相互疊加，而線圈足側(cè)部分產(chǎn)生的磁場與主磁場方向相反，因此磁場相減，從而形成沿著主磁場長軸（或稱人體長軸），頭側(cè)高足側(cè)低的梯度場，梯度線圈的中心磁場強度保持不變。X、Y軸梯度場的產(chǎn)生機理與Z軸方向相同，只是方向不同而已。梯度線圈的主要性能指標包括梯度場強和切換率（slew rate）。梯度場強是指單位長度內(nèi)磁場強度的差別，通常用每米長度內(nèi)磁場強度差別的毫特斯拉量（mT/M）來表示。圖1為梯度場強示意圖，條狀虛線表示均勻的主磁場，斜線表示線性梯度場；兩條線相交處為梯度場中點，該點梯度場強為零，不引起主磁場強度發(fā)生變化

8、；虛線下方的斜線部分表示反向梯度場，造成主磁場強度呈線性降低；虛線上方的斜線部分為正向梯度場，造成主磁場強度呈線性增高。有效梯度場兩端的磁場強度差值除以梯度場施加方向上有效梯度場的范圍（長度）即表示梯度場強，即：梯度場強（mT/M）梯度場兩端的磁場強度差值/梯度場的長度有效梯度場長度梯度兩端磁場強度差值梯度場中點梯度場強t圖1 梯度場強示意圖 圖2 梯度場切換率示意圖切換率（slew rate）是指單位時間及單位長度內(nèi)的梯度磁場強度變化量，常用每秒每米長度內(nèi)磁場強度變化的毫特斯拉量（mT/M.S）來表示，切換率越高表明梯度磁場變化越快，也即梯度線圈通電后梯度磁場達到預(yù)設(shè)值所需要時間（爬升時間）

9、越短。圖2為梯度場切換率示意圖。梯度場的變化可用梯形來表示，梯形中只有中間的矩形部分才是有效的，矩形部分表示梯度場已經(jīng)達到預(yù)定值并持續(xù)存在，梯形的左腰表示梯度線圈通電后梯度場強逐漸增高、直至預(yù)定值，用t表示梯度場增高到預(yù)定值所需的時間，則梯度場的切換率梯度場預(yù)定強度/t實際上就是梯形左腰的斜率。斜率越大，即切換率越高，梯度場爬升越快，所需的爬升時間越短。梯度線圈性能的提高對于MR超快速成像至關(guān)重要，可以說沒有梯度線圈的進步就不可能有超快速序列。SS-RARE、Turbo-GRE及EPI等超快速序列以及水分子擴散加權(quán)成像對梯度場的場強及切換率都有很高的要求，高梯度場及高切換率不僅可以縮短回波間隙

10、加快信號采集速度，還有利于提高圖像的SNR，因而近幾年快速或超快速成像技術(shù)的發(fā)展可以說是直接得益于梯度線圈性能的改進。現(xiàn)代新型1.5T MRI儀的常規(guī)梯度線圈場強已達25mT/m以上，切換率達120mT/m.s以上。1.5T MRI儀最高配置的梯度線圈場強已達60mT/m，切換率超過200 mT/m.s。需要指出的是由于梯度磁場的劇烈變化會對人體造成一定的影響，特別是引起周圍神經(jīng)刺激，因此梯度磁場場強和切換率不是越高越好，是有一定限制的。三、脈沖線圈脈沖線圈也是MRI儀的關(guān)鍵部件，脈沖線圈有發(fā)射線圈和接收線圈之分。發(fā)射線圈發(fā)射射頻脈沖（無線電波）激發(fā)人體內(nèi)的質(zhì)子發(fā)生共振，就如同電臺的發(fā)射天線；

11、接收線圈接收人體內(nèi)發(fā)出的MR信號（也是一種無線電波），就如同收音機的天線。有的線圈可同時作為發(fā)射線圈和接受線圈，如裝在掃描架內(nèi)的體線圈和頭顱正交線圈。大部分表面線圈只能作為接受線圈，而由體線圈來承擔發(fā)射線圈的功能。MR成像對脈沖線圈也有很高的要求，發(fā)射線圈應(yīng)盡可能均勻地發(fā)射射頻脈沖，激發(fā)感興趣容積內(nèi)的質(zhì)子。發(fā)射線圈所發(fā)射的射頻脈沖的能量與其強度和持續(xù)時間有關(guān)，現(xiàn)代新型的發(fā)射線圈由高功率射頻放大器供能，所發(fā)射的射頻脈沖強度增大，因而所需要的持續(xù)時間縮短，加快了MRI的采集速度。與MR圖像信噪比密切相關(guān)的是接收線圈，接收線圈離檢查部位越近，所接收到的信號越強，線圈內(nèi)體積越小，所接收到的噪聲越低，因而各產(chǎn)家開發(fā)了多種適用于各檢查部位的專用表面線圈，如心臟線圈、肩關(guān)節(jié)線圈、直腸內(nèi)線圈、脊柱線圈等。近年來出現(xiàn)的表面相控陣線圈（phased array coils）是脈沖線圈技術(shù)的一大飛躍。一個相控陣線圈由多個子線圈單元（element）構(gòu)成，同時需要有多個數(shù)據(jù)采集通道（channel）與之匹配。目前臨床上推出最新型的相控陣線圈的子單元和與之匹配的數(shù)據(jù)采集通道為8個以上。利用相控陣線圈可明顯提高MR圖像的信噪比，有助于