醫(yī)學(xué)影像專業(yè)課程-核磁共振硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳細(xì)介紹

醫(yī)學(xué)影像專業(yè)課程-核磁共振硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳細(xì)介紹第一頁(yè)，共149頁(yè)?！?2.1Introduction主磁體~Magnet

梯度系統(tǒng)~Gradientsystem

RF系統(tǒng)~RFsystem計(jì)算機(jī)系統(tǒng)~Computersystem第二頁(yè)，共149頁(yè)。PDP11、VAXSUN、SGI;PC多用戶操作系統(tǒng)VMS（早期）UNIX文件存檔：MODDVD

CDR3T：Linux（GE）WindowsXP（SIEMENS、Philips）第三頁(yè)，共149頁(yè)。MR系統(tǒng)構(gòu)造第四頁(yè)，共149頁(yè)。MR系統(tǒng)部件和構(gòu)造以及T/R轉(zhuǎn)換開關(guān)第五頁(yè)，共149頁(yè)。第六頁(yè)，共149頁(yè)?！?2.2主磁體主磁體是MR的主要部件主磁體特性:穩(wěn)定性（Stability）均勻性（Homogeneity）非均勻性Inhomogeneity(ppm)=variation(T)/fieldstrength(T)×106第七頁(yè)，共149頁(yè)。主磁體類型永磁體~

Permanentmagnet常導(dǎo)體~

Resistivemagnet超導(dǎo)體~

Superconductingmagnet第八頁(yè)，共149頁(yè)。I永磁體~

Permanentmagnet永磁體使用磁性材料產(chǎn)生磁場(chǎng)~高剩磁稀土合金，如SmCo5,Nd-Fe-B.ALNICO（鐵、鈷合金）SmCo5ALNICO(釤鈷鐵鈷合金）Nd-Fe-B（釹、硼、鐵合金）

0.2TALNICO23噸Nd-Fe-B4噸第九頁(yè)，共149頁(yè)。HITACHAIRIS-mate(0.2T)7.8噸AIRIS-2(0.3T)10噸APERTO(0.4T)13噸釹鐵硼材料優(yōu)點(diǎn):高剩磁缺點(diǎn):溫度系數(shù)比較大第十頁(yè)，共149頁(yè)。

1.結(jié)構(gòu)Ring(環(huán)型)Yoke(軛型)C-shapeH-shapeyoke有源材料產(chǎn)生B0無源材料形成磁路第十一頁(yè)，共149頁(yè)。第十二頁(yè)，共149頁(yè)。2.影響因素剩磁

(Remanence)矯頑力

(Coerciveforce)指破壞磁體磁化狀態(tài)所需之力也就是使磁感沿磁滯回線減少至零時(shí)所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度矯頑力大~硬磁材料矯頑力小~軟磁材料

磁路結(jié)構(gòu)

(Magneticcircuitstructure)……一般永磁體場(chǎng)強(qiáng)不大于0.5Ｔ第十三頁(yè)，共149頁(yè)。開放（孩子、幽閉癥、介入）系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單不產(chǎn)生熱運(yùn)行成本低維護(hù)費(fèi)用低

壽命長(zhǎng)永磁體場(chǎng)強(qiáng)對(duì)溫度非常敏感(0.1

C)。例如，Nd-Fe-B磁體溫度升高1

C，磁場(chǎng)降低約1000ppm；第十四頁(yè)，共149頁(yè)。II常導(dǎo)體~Resistivemagnet1.電磁理論(Electromagnetismtheory):線圈中有電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，并會(huì)導(dǎo)致線圈溫升。第十五頁(yè)，共149頁(yè)。Air-coredresistivemagnetconstructedusingfourcoilsarrangedeitherhorizontallyorvertically.Air-coredresistivemagnetsIron-coredresistivemagnets第十六頁(yè)，共149頁(yè)。2.材料的選擇銅（Copper）：電導(dǎo)率大、密度大、價(jià)格高、產(chǎn)熱少；鋁（Aluminum）：電導(dǎo)率小、密度小、價(jià)格低、產(chǎn)熱多；

線圈產(chǎn)生的熱量由去離子水帶走3.穩(wěn)定性

~不太好4.均勻性~不太好第十七頁(yè)，共149頁(yè)。III.超導(dǎo)磁體~

Superconductingmagnet1.超導(dǎo)理論:當(dāng)溫度T降低到臨界溫度(criticaltemperature),電阻突然變?yōu)?(測(cè)量不出)。電流可永無休止的流動(dòng)。超導(dǎo)磁體可產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)超導(dǎo)材料臨界溫度：普通鉛（Plumbum）:7.4K鈮鈦合金（Niobium—Titanium）:20K稀土陶瓷(Ceramic):100K第十八頁(yè)，共149頁(yè)。2.超導(dǎo)材料類型:II:Ni(鈮)、V(釩)、Tc(锝)alloyorcompoundI:otherMR:TypeII

MullityNbTialloyfilamentscomplexlead(鈮鈦合金多芯復(fù)合超導(dǎo)線~位于銅基中)isverypopular,anditcanload700A.第十九頁(yè)，共149頁(yè)。3.

超導(dǎo)材料的選擇：可負(fù)載大電流可保持超導(dǎo)狀態(tài)(>4.2KHe)MR系統(tǒng)提供的低溫制冷裝置系統(tǒng)可使所選超導(dǎo)材料保持超導(dǎo)狀態(tài)；超導(dǎo)材料要有合適的物理特性：可塑性(plasticity)

和柔韌性(pliability)第二十頁(yè)，共149頁(yè)。4.構(gòu)造EarlySCmagnet第二十一頁(yè)，共149頁(yè)。第二十二頁(yè)，共149頁(yè)。第二十三頁(yè)，共149頁(yè)。NbTi纖維包埋在銅材中

銅材在失超時(shí)保護(hù)超導(dǎo)線圈超導(dǎo)磁體線圈：

基于均勻性的考慮常使用4-8組獨(dú)立線圈第二十四頁(yè)，共149頁(yè)。5.磁體特性場(chǎng)強(qiáng)均勻性穩(wěn)定性第二十五頁(yè)，共149頁(yè)。高場(chǎng)MR的優(yōu)缺點(diǎn)信噪比圖像細(xì)節(jié)速度功能成像……But！第二十六頁(yè)，共149頁(yè)?；瘜W(xué)位移偽影RF功率沉積高場(chǎng)強(qiáng)設(shè)備發(fā)射機(jī)功率通常是10~25kW，利用SAR對(duì)其加以限制，尤其是>1.5T時(shí)，RF沉積將限制重復(fù)時(shí)間。RF穿透性RF場(chǎng)在人體組織內(nèi)感應(yīng)電流，部分抵消了RF場(chǎng)，降低了RF脈沖穿透組織的深度，導(dǎo)致RF激發(fā)的成像容積不均勻。T1弛豫時(shí)間T1弛豫時(shí)間隨場(chǎng)強(qiáng)增加而增加，更易發(fā)生飽和，使SNR與場(chǎng)強(qiáng)不成正比。第二十七頁(yè)，共149頁(yè)。更高的梯度要求梯度場(chǎng)隨場(chǎng)強(qiáng)成比例地增強(qiáng)要求驅(qū)動(dòng)放大器的功率增加噪音更大價(jià)格一般情況場(chǎng)強(qiáng)高，價(jià)格高。對(duì)人群的影響更易對(duì)其他病人和設(shè)備產(chǎn)生影響，更應(yīng)考慮雜散場(chǎng)。第二十八頁(yè)，共149頁(yè)。

afullyloadedpalletjackthathasbeensuckedintotheboreofanMRIsystem.

第二十九頁(yè)，共149頁(yè)。MRI系統(tǒng)不同磁體類型比較第三十頁(yè)，共149頁(yè)?！?2.3低溫系統(tǒng)和制冷劑~LowtemperaturesystemandcryogenI.低溫系統(tǒng)維持低溫使超導(dǎo)線圈處于超導(dǎo)狀態(tài)；低溫容器(Dewar)磁體線圈位于Dewar中；Dewar必須有好的絕熱性能(adiabatic)第三十一頁(yè)，共149頁(yè)。II制冷劑液氮（LiquidNitrogen）~77K液氦（LiquidHelium）~4K為了把液氦、超導(dǎo)線圈與環(huán)境分割開來，需要低溫保持器(cryostat)20K,70K(80K)液氦量的測(cè)量第三十二頁(yè)，共149頁(yè)。Heliumlevel第三十三頁(yè)，共149頁(yè)。勵(lì)磁(

Excitation)、

退磁（Demagnetization）1勵(lì)磁過程（Excitation

process）A.冷卻磁體（Coolingmagnet）：主磁體線圈處于超導(dǎo)狀態(tài)B.線圈加載（Windingsareloadedcurrent）：注入電流電流注入過程（Loadingprocess）：第三十四頁(yè)，共149頁(yè)。1)加熱超導(dǎo)開關(guān)使之無效；2)線圈兩端加載電壓在線圈內(nèi)感應(yīng)電流；3)當(dāng)B0符合要求時(shí)，關(guān)閉加熱器，超導(dǎo)開關(guān)恢復(fù)超導(dǎo)狀態(tài)；4)電流在超導(dǎo)線圈內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。第三十五頁(yè)，共149頁(yè)。νUH-

加熱電壓

(超導(dǎo)開關(guān))

ULILULUHmake

isnotSC;ILincreasingwiththeeffectofUL;Bincreasinglinearlywitht;ULgraduallydecreasing,tillto0whenB0isacquired;TurnoffUHILdecreasingto0.di/dt=-UL/L第三十六頁(yè)，共149頁(yè)。2.DemagnetizationTurnonSswitchUH-turnoffAdjustIofMPSIandS-ULIL=0,UL=0TurnoffandUHEnergy=0UHILULS第三十七頁(yè)，共149頁(yè)。3.失超(Quench)超導(dǎo)線圈的部分不再是超導(dǎo)狀態(tài)，線圈儲(chǔ)存的能量部分變成熱能散出；熱能使線圈其他部分加熱繼而失去超導(dǎo)狀態(tài)產(chǎn)生更多的熱量，惡性循環(huán)直至遍及整個(gè)磁體發(fā)生失超；失超使設(shè)備經(jīng)歷劇烈的熱脹冷縮和磁力變化，使原有有源、無源勻場(chǎng)失效。第三十八頁(yè)，共149頁(yè)。失超原因：Fluxjump（磁通跳躍）~釋放能量Frictionresultingheat（摩擦生熱）~線圈的微小運(yùn)動(dòng)失超導(dǎo)致：B0

的崩潰瓦解液氦迅速沸騰（boiling-off）第三十九頁(yè)，共149頁(yè)。爆破膜(

Bursting-disks)在高壓下爆破，使得大量的氣氦溢出低溫保持器。自發(fā)的失超(

Spontaneousquenches)很少發(fā)生!如果需要失超，線圈儲(chǔ)存的電能沉積在假負(fù)荷（dummyload）避免損傷磁體（這是一個(gè)耗費(fèi)昂貴的過程）。第四十頁(yè)，共149頁(yè)。失超保護(hù)二極管和失超保護(hù)電阻Quenchprotectiondiodeandresistance低阻通路SIEMENSOR41AS失超:100V電壓限制勵(lì)磁/退磁:

10V電壓第四十一頁(yè)，共149頁(yè)?！?2.4屏蔽和勻場(chǎng)

ShieldingandShimmingI.屏蔽（Shielding）邊緣場(chǎng)（Fringefield）

雜散場(chǎng)（Strayfield）雜散場(chǎng)，特別是超導(dǎo)磁體的雜散場(chǎng)在各個(gè)方向上會(huì)伸出磁體，對(duì)外圍產(chǎn)生影響FDA~5G第四十二頁(yè)，共149頁(yè)。無源屏蔽、被動(dòng)屏蔽

(Passiveshielding)房間屏蔽(Roomshielding)

:

鐵磁性材料~對(duì)建筑結(jié)構(gòu)有依賴性，分場(chǎng)地設(shè)計(jì)；屏蔽材料厚度小、面積大；自屏蔽(

Self-shielding)

:在磁體孔徑內(nèi)放置鐵磁性材料(Ironplates)；有可能給勻場(chǎng)增加困難；第四十三頁(yè)，共149頁(yè)。有源屏蔽、主動(dòng)屏蔽(Activeshielding):載有反向電流的線圈繞組降低雜散場(chǎng)；有源屏蔽的磁體重量輕，但由于B0被抵消一些，需多用超導(dǎo)線、杜瓦體積大些）；常導(dǎo)有源屏蔽(Resistive)超導(dǎo)有源屏蔽(SC)第四十四頁(yè)，共149頁(yè)。II.勻場(chǎng)~

Shimming優(yōu)質(zhì)的MR圖像對(duì)B0的均勻性和穩(wěn)定性有高要求；勻場(chǎng)方法:無源勻場(chǎng)（被動(dòng)勻場(chǎng)）(Passive，

后進(jìn)行)有源勻場(chǎng)（主動(dòng)勻場(chǎng)）(Active，先進(jìn)行)Combinationofboth第四十五頁(yè)，共149頁(yè)。1.無源勻場(chǎng)(Passivelyshimming)在磁體周圍放置鐵片校正；鐵片放置的數(shù)量和位置經(jīng)過特殊的勻場(chǎng)程序計(jì)算出來；可校正高次磁場(chǎng)不均勻性；材料價(jià)格便宜；不需要昂貴的高精度電源；當(dāng)需要更高度的均勻度或均勻性可調(diào)時(shí)必須用有源勻場(chǎng)；第四十六頁(yè)，共149頁(yè)。2.有源勻場(chǎng)（Activelyshimming）一系列載流繞組排列在磁體孔徑的柱形管上，每個(gè)繞組產(chǎn)生的校正磁場(chǎng)與球形諧波展開式的一個(gè)系數(shù)近似；必須避免這些繞組與磁體和梯度線圈的相互影響；線圈中的電流在系統(tǒng)安裝期間確定并保持不變，直到有工程師進(jìn)行再勻場(chǎng)時(shí)才改變；第四十七頁(yè)，共149頁(yè)。主磁場(chǎng)線圈超導(dǎo)勻場(chǎng)線圈常導(dǎo)勻場(chǎng)線圈梯度線圈位于磁體低溫容器內(nèi)位于孔徑內(nèi)有源勻場(chǎng)使用的線圈繞組有三類：超導(dǎo)勻場(chǎng)線圈、常導(dǎo)勻場(chǎng)線圈和梯度線圈第四十八頁(yè)，共149頁(yè)。GE:SII,SIIImagnet1.5T18個(gè)超導(dǎo)勻場(chǎng)線圈（高階)隔熱屏散熱系統(tǒng)（壓縮機(jī)和冷頭）排氣系統(tǒng)和電流探頭直插式低溫容器流速表和壓力表便于觀察液氦側(cè)罐口，易于補(bǔ)充

第四十九頁(yè)，共149頁(yè)。Maincoil主線圈電流為734.5A主超導(dǎo)開關(guān)與主線圈和串聯(lián)電阻并行連接—無阻通路開關(guān)的超導(dǎo)狀態(tài)：持久模式（persistent)開關(guān)的有阻狀態(tài)：有阻模式（resistive)緊急失超：主線圈放置有另外的加熱器，使主磁場(chǎng)快速退磁（rundown).失超保護(hù)裝置與主線圈并聯(lián)，在失超或緊急退磁時(shí)保護(hù)主線圈。第五十頁(yè)，共149頁(yè)。Shimmingcoils18個(gè)超導(dǎo)勻場(chǎng)線圈位于液氦容器內(nèi)用于磁體勻場(chǎng)調(diào)節(jié)；勻場(chǎng)調(diào)節(jié)程序需要的數(shù)據(jù)通過測(cè)繪裝置和探頭獲得；Z2、Z4、Z6：容積內(nèi)各處的磁場(chǎng)；Z1、Z3、Z5：磁體后端的磁場(chǎng)；C11+、C11-、C22-、C31、C33）：橫向偶數(shù)線圈S11+、S11-、X22+、S22-、S31、S33：橫向奇數(shù)線圈第五十一頁(yè)，共149頁(yè)。Subsystemelement(子系統(tǒng)組件)磁體低溫容器(Magnetcryostat）

：包含6個(gè)超導(dǎo)主線圈、18個(gè)超導(dǎo)勻場(chǎng)線圈、18個(gè)超導(dǎo)開關(guān)和開關(guān)加熱器、失超保護(hù)裝置；硅二極管、超導(dǎo)液氦液面探測(cè)器和壓力傳感器位于低溫容器內(nèi)，分別監(jiān)視低溫容器的溫度、液氦液面和壓力；制冷劑監(jiān)視器(Cryogenmonitor)

：裝在機(jī)架上與液氦液面?zhèn)鞲衅飨噙B；第五十二頁(yè)，共149頁(yè)。隔熱屏散熱壓縮機(jī)(Heatinsulationscreenradiatorcompressor):位于機(jī)柜間與MR的冷頭相連，對(duì)氣氦進(jìn)行壓縮。磁體緊急退磁裝置(Magnetemergencydemagnetizationdevice)：裝在墻壁上，與一組主線圈的加熱器相連。按下按鈕，給主線圈加熱器供電，磁場(chǎng)快速降落(2分鐘內(nèi),20%以下)液氦揮發(fā)率(VolatilizationvelocityofliquidHe)應(yīng)小于0.2l/h勵(lì)磁/退磁、超導(dǎo)勻場(chǎng)：嚴(yán)格遵守手冊(cè)中的步驟；第五十三頁(yè)，共149頁(yè)。磁體維護(hù)/部件更換：揮發(fā)增加揮發(fā)長(zhǎng)期超標(biāo)：隔熱屏散熱器工作不正常熱-聲振蕩真空受損低溫容器內(nèi)部熱短路低溫容器外部結(jié)冰通常是真空問題或熱短路第五十四頁(yè)，共149頁(yè)。傳感器溫度檢測(cè)二極管：硅二極管，位于磁體支持物的上部和底部，監(jiān)視內(nèi)部支持物溫度；還有位于隔熱屏散熱器安裝套管的第一級(jí)和第二極接口點(diǎn)，用于溫度檢測(cè)和故障查找；超導(dǎo)液氦液面?zhèn)鞲衅鳎何挥诘蜏厝萜鲀?nèi)，低溫容器壓力傳感器第五十五頁(yè)，共149頁(yè)。梯度場(chǎng):隨位置線性變化§12.5梯度系統(tǒng)第五十六頁(yè)，共149頁(yè)。I.主要部件:梯度波形發(fā)生器

梯度驅(qū)動(dòng)級(jí)

梯度功率放大器

梯度線圈others第五十七頁(yè)，共149頁(yè)。II梯度線圈1.結(jié)構(gòu)Gz:一對(duì)環(huán)形線圈(Maxwellpaircoils)流有反向電流Gy:Golayconfiguration,4個(gè)線圈位于圓柱體外部Gx:Golaycoils(rotate90o)第五十八頁(yè)，共149頁(yè)。麥克斯韋對(duì)Golay線圈同圓線圈，線圈間距=31/2R反向電流Bz=Gz(0)z+O[(z/d)5]校正到5階8個(gè)120圓弧近圓弧處對(duì)中心張角68.7遠(yuǎn)端圓弧張角為21.3，距中垂面距離為2.57R（效率和回路）第五十九頁(yè)，共149頁(yè)。梯度線圈設(shè)計(jì)方法一般采用目標(biāo)場(chǎng)方法的逆向設(shè)計(jì)方法根據(jù)期望的梯度場(chǎng)用傅立葉變化倒推電流密度分布；已應(yīng)用于設(shè)計(jì)渦流自屏蔽梯度線圈。第六十頁(yè)，共149頁(yè)。2.梯度脈沖波形:梯形(trapezoidal)一個(gè)上升沿(slopingrise)后跟一個(gè)平臺(tái)(flatplateau

)和一個(gè)下降沿(slopingfall)。G梯度強(qiáng)度G(strength)~單位距離內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)的變化量，inmT/m;上升時(shí)間單位是s,一般值在1000s~200s.梯度場(chǎng)切換率(slewrate)是單位時(shí)間單位距離的場(chǎng)強(qiáng)變化。一般在20-150T/m.s.第六十一頁(yè)，共149頁(yè)。3.梯度線圈充電特性:響應(yīng)時(shí)間:

=L/R假定300V,Ｌ=1mH,Ｒ=100mΩ如果給梯度線圈的供電時(shí)間達(dá)到5τ。序列所需要的電流值一般最大在200A的范圍內(nèi)，這時(shí)可看成是線性，電流上升的速率也最快（大約0.6ms內(nèi)達(dá)到160A的電流）。L上升速率

如電流上升速率比線圈特性允許的快，需提高梯度功率放大器第六十二頁(yè)，共149頁(yè)。4.梯度線圈的噪聲（噪音）不斷變化的梯度電流是梯度線圈產(chǎn)生振動(dòng)（聲頻范圍~噪音）；噪音與梯度場(chǎng)變化速率或電流變化率有關(guān)；di/dt越大，噪音越大。第六十三頁(yè)，共149頁(yè)。III.梯度放大器

實(shí)質(zhì)是音頻電流放大器，負(fù)載時(shí)大電感、小電阻；根據(jù)標(biāo)稱梯度電流的大小和方向以預(yù)設(shè)的方式向線圈傳遞能量，驅(qū)動(dòng)電流流過梯度線圈產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)；梯度線圈~梯度放大器的負(fù)載；放大器種類Linearamplifier(線性放大器)On-offamplifier（開關(guān)式放大器）第六十四頁(yè)，共149頁(yè)。線性放大器:三極管(dynatron)的功率損耗Ploss很大；總消耗功率PPlossofdynatronPAIUr300VPloss=UI-I2R線圈負(fù)載電阻功率消耗第六十五頁(yè)，共149頁(yè)。開關(guān)式放大器（On-offamplifier，usuallyadopted)全額輸出、完全截至三極管功率損失降低，提高放大器工作效率開關(guān)三極管第六十六頁(yè)，共149頁(yè)。梯度功放后級(jí)主要由電子開關(guān)(場(chǎng)效應(yīng)管、雙極性三極管)、單向二極管(free-wheelingdiode)、儲(chǔ)能和濾波電容、線圈組成；開關(guān)閉合：開關(guān)閉合后電流指數(shù)上升開關(guān)斷開：梯度線圈電感特性試圖保持電流的穩(wěn)定；梯度線圈相當(dāng)于是電流源，驅(qū)動(dòng)電流流經(jīng)單向二極管。開關(guān)三極管的切換頻率必須與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，且固定；第六十七頁(yè)，共149頁(yè)。通過改變脈沖占空比，可以調(diào)節(jié)電流的平均高度值。Gmax主要受梯度電源限制；當(dāng)給定G及最小切換時(shí)間，梯度功率取決于設(shè)計(jì)時(shí)的假設(shè)，但總體上是隨著梯度線圈半徑的4~5次冪增加；增加梯度線圈繞組數(shù)量可減少電流需求，但會(huì)增加L，即增加；要提高切換速率需要相應(yīng)地增加電壓。第六十八頁(yè)，共149頁(yè)。典型的電流:200A~300A為快速切換，梯度電源必須能夠支持電流以300A/s或更快的速率變化，這意味著典型的1mH線圈最小需要300V電壓脈沖，還要有些剩余來彌補(bǔ)線圈和導(dǎo)線的阻抗損失。由于梯度決定了空間頻率域的采樣點(diǎn)，因此梯度必須高度穩(wěn)定，梯度電源必須極其精確。第六十九頁(yè)，共149頁(yè)。梯度波形發(fā)生器數(shù)字信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換得到模擬標(biāo)稱電流值I0

；實(shí)際值減去標(biāo)稱值I-I0

調(diào)節(jié)器IV.Adjustmentcircuit第七十頁(yè)，共149頁(yè)。1.實(shí)際值測(cè)量梯度線圈電流測(cè)量利用精確直流傳感器（LEM~法文縮寫)無接觸測(cè)量；基于Hall效應(yīng)HalleffectU=k·I·B/d第七十一頁(yè)，共149頁(yè)。LEM利用磁芯繞組的補(bǔ)償電流，使空氣間隙的磁場(chǎng)忽略不計(jì)，這個(gè)補(bǔ)償電流等于梯度電纜中電流平均值的千分之一。第七十二頁(yè)，共149頁(yè)。2.PID(比例積分微分調(diào)節(jié)器)穩(wěn)定性、精度、速度Measure第七十三頁(yè)，共149頁(yè)。PID:

相當(dāng)于積分器(integrator)比例(Proportion)調(diào)節(jié)器:積分電路的一個(gè)時(shí)間常數(shù)(Timeconstant)使高頻時(shí)相移為0，改進(jìn)閉環(huán)的穩(wěn)定性；

Stability積分(Integrator)調(diào)節(jié)器:調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度，使低頻誤差信號(hào)為0；Accuracy微分(Derivative)調(diào)節(jié)器:預(yù)測(cè)濾波器的電壓來允許更高的環(huán)路增益；SpeedPID~SAS，彌補(bǔ)各自的不足(微分調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)偏差和積分調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)速度慢)。調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)(控制信號(hào))與三角波電壓進(jìn)行比較，得到經(jīng)脈沖寬度調(diào)制的四個(gè)觸發(fā)信號(hào)，產(chǎn)生后級(jí)功率三極管所需的開關(guān)脈沖。第七十四頁(yè)，共149頁(yè)。3.脈沖寬度調(diào)制Stability,Speed,AccuracyMeasure第七十五頁(yè)，共149頁(yè)。S1~S4：場(chǎng)效應(yīng)管+G:正向梯度電流(場(chǎng)效應(yīng)管S2和S3工作);

-G:負(fù)向梯度電流(場(chǎng)效應(yīng)管S1和S4)。+G、-G，梯度電源不供給能量，梯度線圈釋放出來的能量送給儲(chǔ)能電容C。第七十六頁(yè)，共149頁(yè)。V.渦流（Eddycurrent）梯度場(chǎng)的快速切換在周圍導(dǎo)電材料中感應(yīng)出渦流渦流隨G及其變化率變化。一旦達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的平臺(tái)值，渦流開始衰減。渦流的衰減可用指數(shù)函數(shù)近似，其=L/R是由導(dǎo)電材料的Ｒ、有效電感Ｌ決定。第七十七頁(yè)，共149頁(yè)。對(duì)于“高溫導(dǎo)體”，R隨著溫度近似線性地增加對(duì)于超導(dǎo)磁體，通常由制冷層的傳導(dǎo)率以及有效電感決定低溫屏蔽層由溫度大約70K的鋁組成，產(chǎn)生的渦流具有很長(zhǎng)的；RF體線圈的銅屏蔽(約300K)感應(yīng)的渦流短；渦流效應(yīng)相當(dāng)于把梯度場(chǎng)脈沖進(jìn)行低通濾波如對(duì)渦流不加任何補(bǔ)償，IG脈沖會(huì)產(chǎn)生畸變第七十八頁(yè)，共149頁(yè)。渦流補(bǔ)償方法RC

元件使電流預(yù)畸變重新產(chǎn)生期望的梯度場(chǎng)脈沖;預(yù)先補(bǔ)償梯度的驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到對(duì)渦流的抑制；有源屏蔽梯度(betterapproach):避免渦流的動(dòng)態(tài)非線性;第七十九頁(yè)，共149頁(yè)。動(dòng)態(tài)修改梯度電流當(dāng)加上渦流產(chǎn)生的阻撓場(chǎng)時(shí)，可得到具有合適場(chǎng)強(qiáng)和脈沖波形的凈磁場(chǎng)第八十頁(yè)，共149頁(yè)。渦流分布與梯度線圈電流分布不盡相同，偏差主要沿徑向，在磁體長(zhǎng)軸方向也同樣存在；由于渦流感應(yīng)的磁場(chǎng)空間分布與梯度感應(yīng)的磁場(chǎng)略微不同，預(yù)補(bǔ)償梯度驅(qū)動(dòng)電流不能完美地消除空間中每一點(diǎn)的渦流磁場(chǎng)；通過合理的梯度線圈設(shè)計(jì)可使這種偏差最??；渦流隨時(shí)間衰減的動(dòng)態(tài)非線性不可能由梯度線圈設(shè)計(jì)或預(yù)補(bǔ)償梯度驅(qū)動(dòng)電流來完全補(bǔ)償；用有源屏蔽梯度來避免渦流的動(dòng)態(tài)非線性。第八十一頁(yè)，共149頁(yè)。有源梯度屏蔽在梯度線圈和低溫容器間安放屏蔽線圈；有源屏蔽線圈是與成像梯度線圈同軸安裝的第二組梯度線圈；I屏蔽線圈與I梯度線圈方向相反，電流同步通斷；有源梯度屏蔽可削弱成像梯度在附近制冷層中的磁場(chǎng)，特別是消除更高次動(dòng)態(tài)空間磁場(chǎng)畸變；有源梯度屏蔽的缺點(diǎn)是較復(fù)雜、費(fèi)用更高以及對(duì)電源的附加需求。第八十二頁(yè)，共149頁(yè)。GE公司SignaHorizon系列梯度線圈組件稱為Roemer線圈：Roemer線圈由內(nèi)部和外部線圈組成內(nèi)部梯度線圈在成像區(qū)域產(chǎn)生10mT/m或更高的梯度場(chǎng)外部梯度線圈與內(nèi)部梯度線圈串聯(lián)，因此兩組線圈中的電流幅度相同，但外部梯度線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與內(nèi)部梯度線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反結(jié)果使梯度線圈組件外側(cè)的凈磁場(chǎng)矢量為零。Roemer線圈的這種自屏蔽效應(yīng)使圖象質(zhì)量因?yàn)榇朋w的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而下降的影響大大減少了。第八十三頁(yè)，共149頁(yè)。VI.梯度場(chǎng)參數(shù)梯度幅度（Gradientmagnitude

）切換時(shí)間Switchtime(Slewtime)切換率（Slewrate）最大工作周期（Max.workcycle）:TG/TR梯度的工作周期越高，允許的層數(shù)越多。

許多制造商提供100%，即梯度系統(tǒng)不會(huì)限制臨床掃描第八十四頁(yè)，共149頁(yè)。臨床常用的高質(zhì)量常規(guī)MRI系統(tǒng)，強(qiáng)度為10~15mT/m，上升時(shí)間為0.5-1ms的梯度能令人滿意快速成像方法要求MR系統(tǒng)有更高的梯度性能，如G>25mT/m，切換時(shí)間<0.25ms；線圈和功率放大器設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展正朝著使這些特性在商業(yè)上可行的方向發(fā)展；另一方面，高性能的梯度系統(tǒng)產(chǎn)生高速變化的磁場(chǎng)使人產(chǎn)生周圍神經(jīng)刺激，這種效應(yīng)將限制梯度系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高。第八十五頁(yè)，共149頁(yè)?！?2.7

RF系統(tǒng)I.RF系統(tǒng)組成:RF發(fā)射系統(tǒng)RFCoilRF接收系統(tǒng)第八十六頁(yè)，共149頁(yè)。主機(jī)根據(jù)所選脈沖序列產(chǎn)生數(shù)字脈沖波形；經(jīng)過D/A變成模擬信號(hào)；經(jīng)過調(diào)制放大，驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈，激發(fā)成像區(qū)內(nèi)原子核產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生信號(hào)；微弱的RF信號(hào)經(jīng)過放大、解調(diào)、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、預(yù)處理經(jīng)過FT等圖象處理，重建出圖象第八十七頁(yè)，共149頁(yè)。1.RF發(fā)射器（Transmitter）發(fā)射器產(chǎn)生RF脈沖:適當(dāng)?shù)念l率~fBW~幅度

~A相位

~

2.RF接收器（Receiver）RF接收器是提取（retrieve）或解調(diào)信號(hào)（demodulate

），即消除高頻成分；第八十八頁(yè)，共149頁(yè)。II.RF線圈基本理論—共振電路1.理論

L,C串聯(lián)（series）L,C并聯(lián)（parallel）梯形網(wǎng)絡(luò)(Trapeziformnetwork)L-seriesandC-shunt(分路)—lowpassC-seriesandL-shunt—highpass第八十九頁(yè)，共149頁(yè)。串聯(lián)諧振共振時(shí)，總電抗=0，僅電阻對(duì)損耗有貢獻(xiàn)，電流由有效電阻Rs決定；如果器件理想(R=0)，電抗互相抵消，V總=0，VL=VC；Q=V電抗/V總

~電壓諧振；VL、

VC非常高，可能會(huì)損壞元器件，設(shè)計(jì)諧振電路時(shí)要么防止出現(xiàn)這么高的電壓，要么選用高耐壓器件；可用于線圈接收電路，將微弱的MR信號(hào)進(jìn)行放大；第九十頁(yè)，共149頁(yè)。如果元器件理想，諧振時(shí)，總阻抗無窮大，電流阻塞；如用恒流源驅(qū)動(dòng)，將會(huì)在有效電阻Rp產(chǎn)生最高的壓降；諧振時(shí)，I0非常小，但各個(gè)分支的電流幅度很高(總電流乘以Q)，極性相反；Q=I電抗/I總~電流諧振；元器件必須能承受高電流；在線圈發(fā)射電路中，為了獲得盡可能大的電流，常采用并聯(lián)諧振。并聯(lián)諧振第九十一頁(yè)，共149頁(yè)。Parallelf0=1/2(LC)1/2Q=L/R第九十二頁(yè)，共149頁(yè)。Matchto50第九十三頁(yè)，共149頁(yè)。梯形網(wǎng)絡(luò)~高通等效電路第九十四頁(yè)，共149頁(yè)。梯形網(wǎng)絡(luò)有傳輸線特性IL、IC隨傳輸線長(zhǎng)度變化；U、I有90o相位差，所以沒有功率損失；第九十五頁(yè)，共149頁(yè)。2.RF線圈特性品質(zhì)因數(shù)Q負(fù)載效應(yīng)去耦（Decoupling）

第九十六頁(yè)，共149頁(yè)。(1)QQ=0/~3dB空載時(shí)，頭線圈、體線圈的Q約200。更窄的、更高的Q

有好的選擇性

，噪聲和偽信號(hào)（bogus

signal）更低；第九十七頁(yè)，共149頁(yè)。(2)負(fù)載效應(yīng)～LoadeffectQ和負(fù)載負(fù)載種類不一樣，Q有差別；同類型負(fù)載，大負(fù)載對(duì)Q影響大；加載后Q會(huì)下降，響應(yīng)展寬；選擇性和接收的信號(hào)會(huì)下降。第九十八頁(yè)，共149頁(yè)。第九十九頁(yè)，共149頁(yè)。頻移和負(fù)載大負(fù)載、低Q值，線圈仍工作在可接收的頻率范圍；小負(fù)載使線圈的RF頻率漂移并不多，帶寬也不加寬，因而小負(fù)載時(shí)，線圈將不再工作在可接受的頻率，這會(huì)使圖象質(zhì)量變差；RF線圈通常在空載時(shí)調(diào)諧，最好地兼顧所有負(fù)載類型；第一百頁(yè)，共149頁(yè)。線圈對(duì)病人在RF線圈中的位置非常敏感

C人體與C線圈并聯(lián)，頻率向下移動(dòng)。正交線圈（圓極化線圈），C人體將影響線圈一個(gè)方向的工作模式（垂直或水平），使線圈不再工作在正交方式下（即不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)RF場(chǎng)）；如果線圈工作在線性方式下，預(yù)掃描功率需要加倍，而信噪比降低40%。在病人和線圈間加個(gè)小墊子可使這種影響最小（墊子相當(dāng)于一個(gè)小電容，它與人體的大電容串聯(lián)相減，有效地抵消了人體對(duì)線圈的影響）。第一百零一頁(yè)，共149頁(yè)。(3)去耦~Decoupling消除發(fā)射線圈和接收線圈相互作用；否則

發(fā)射場(chǎng):畸變接收線圈信號(hào):破壞噪聲增加、SNR下降第一百零二頁(yè)，共149頁(yè)。去諧二極管~去耦

：通過感應(yīng)電壓切換到導(dǎo)通狀態(tài)，使線圈偏共振去諧；去諧二極管第一百零三頁(yè)，共149頁(yè)。3.發(fā)射線圈B1(極性:線性、圓極化）發(fā)射線圈一般比較大用以優(yōu)化均勻性；如果有合適的T/R開關(guān)，發(fā)射線圈也可用于探測(cè)和接收MR信號(hào)；形狀第一百零四頁(yè)，共149頁(yè)。Linearly:onedirectionCircularly:manydirections第一百零五頁(yè)，共149頁(yè)。優(yōu)點(diǎn):發(fā)射（T）:更低的功率P接收（R）:SNR增加，21/2缺點(diǎn):技術(shù)要求高：兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)諧電路（輕微耦合），需要反復(fù)的調(diào)諧、匹配。表面線圈在發(fā)射線圈工作期間必須“偏共振”

(off-resonance)，以防止RF通過表面線圈在病人的一個(gè)小區(qū)域聚焦;在接收期間共振~動(dòng)態(tài)去耦。圓極化線圈~Circularpolarizedcoil第一百零六頁(yè)，共149頁(yè)。不同構(gòu)型RF線圈馬鞍形線圈梯形網(wǎng)絡(luò)螺線管線圈/2傳輸線第一百零七頁(yè)，共149頁(yè)。馬鞍形線圈用于B0是水平方向的情形；頻率不太高（25MHz以下）、直徑不太大。早期較多使用，目前已經(jīng)淘汰。第一百零八頁(yè)，共149頁(yè)。螺線管線圈用于B0在豎直方向的主磁體；限于軛形磁體，頻率較低（L大、C大），低磁場(chǎng)不能正交發(fā)射接收B1第一百零九頁(yè)，共149頁(yè)。HighpassLowpass可正交激發(fā)、正交接收；4的倍數(shù)（越多，越均勻；但匹配電容多、匹配一致困難）0和180腿無電流；第一百一十頁(yè)，共149頁(yè)。/2傳輸線如果f0>25MHz,可使用/2傳輸線；

雙路/2傳輸線可產(chǎn)生較好的B1；雙路傳輸線必須安裝在磁體里，因此比/2短，通過在兩端增加可調(diào)電容C，電路可對(duì)稱地縮短。第一百一十一頁(yè)，共149頁(yè)。ResonanceCavity:<63MHz適用于2T以下，3T產(chǎn)品沒用通用體線圈/2第一百一十二頁(yè)，共149頁(yè)。4.RF線圈種類功能：發(fā)射線圈~Transmitcoil接收線圈~Receivecoil部位:頭線圈體線圈……相控陣線圈~Phasedarraycoils表面線圈~只用于接收第一百一十三頁(yè)，共149頁(yè)。第一百一十四頁(yè)，共149頁(yè)。III.RF常用器件1.同軸電纜(Coaxial-cable)傳輸發(fā)射功率；接收MR信號(hào)；

屏蔽功能50特性阻抗第一百一十五頁(yè)，共149頁(yè)。2.傳輸線線長(zhǎng)l</4l=/4/4<l</2l=/2short短路Inductance感性Highimpedanceinparallel高阻并聯(lián)諧振Capacitor容性Lowinpedanceinseries低阻串聯(lián)諧振open開路capacitor容性Lowinpedanceinseries低阻串聯(lián)諧振Inductance感性Highimpedanceinparallel高阻并聯(lián)諧振（1）充當(dāng)電子器件輸入端短路時(shí)：Zin=jZctan(2l/)輸入端開路時(shí)：Zin=-jZccot(2l/)0第一百一十六頁(yè)，共149頁(yè)。（2）充當(dāng)阻抗變換器條件輸入阻抗/4奇數(shù)倍Z20/ZL/4偶數(shù)倍ZLZL(負(fù)載阻抗)=Z0（線路特征阻抗）Z0幾乎所有的RF電纜以及RF器件的特性阻抗都是50Ω前放阻抗例外(一般2~3)——降低噪聲，提高SNR；連接到前放的導(dǎo)線有特殊標(biāo)記，不能隨意截短或被其它長(zhǎng)度的電纜替換。第一百一十七頁(yè)，共149頁(yè)。RF發(fā)射/接收開關(guān)~

T/RswitchT/Rswitch:位于RF共振器和前放之間T:發(fā)射和接收開關(guān)使發(fā)射器到天線之間的通路接通，同時(shí)還要保護(hù)敏感的前放不受高脈沖功率影響；R:微弱的MR信號(hào)必須以盡可能小的衰減到達(dá)前放，RF功放的噪聲必須排除在天線電路之外；第一百一十八頁(yè)，共149頁(yè)。transmitreceiveT/RSwitchRF發(fā)射D1、D2導(dǎo)通，RF功率幾乎無損失地到達(dá)天線D3、D4對(duì)地短路/4線將短路轉(zhuǎn)換為天線輸入端高阻，保護(hù)前放D1,D2不導(dǎo)通，防止發(fā)射器噪聲進(jìn)入前放D3、D4高阻抗MR信號(hào)經(jīng)/4線無阻尼到達(dá)前放Signal第一百一十九頁(yè)，共149頁(yè)。RF開關(guān)的二極管D1應(yīng)耐高壓耐強(qiáng)電流工作頻率足夠高開關(guān)時(shí)間足夠快用PIN二極管作D1，也可用于D2；通過二極管偏壓控制開關(guān)門。第一百二十頁(yè)，共149頁(yè)。Siemens:T/R

switch發(fā)射期間:PIN二極管正偏壓接收期間:所有PIN二極管反向偏壓第一百二十一頁(yè)，共149頁(yè)。4.定向耦合器(Directinalcoupler)測(cè)量Vf

和Vr:評(píng)價(jià)匹配（match）;從RF傳輸線中分離出一小部分（約-50db）前向波和反射波:測(cè)量之前，用它來使由負(fù)載和天線組成的共振電路與RF發(fā)射器匹配測(cè)量中，監(jiān)視施加的RF（前向波），保護(hù)發(fā)射器（匹配）第一百二十二頁(yè)，共149頁(yè)。5.壓控衰減器

（Voltagecontrolattenuator）根據(jù)控制端口提供的控制電壓，改變輸入端和輸出端之間的衰減系數(shù)。在發(fā)射通道中，通過調(diào)節(jié)給RF功率放大器的驅(qū)動(dòng)電壓，獲得期望幅度的RF輸出；在接收通路中，用于調(diào)節(jié)接收信號(hào)的幅度，使之滿足DAC所需要的幅度。VoltagecontrolattenuatorRFin-putRFout-putControlvoltage第一百二十三頁(yè)，共149頁(yè)。6.低通濾波器(Lowpassfilter)接收:頻率編碼方向，可用模擬或數(shù)字（過采樣）濾波器相位編碼方向，由于采用偽采樣技術(shù)（pseudosampling），一般不用濾波器低通濾波器可抑制高頻噪聲，抑制FOV外的信號(hào)，防止折疊偽影；發(fā)射:是為了避免產(chǎn)生邊帶，否則發(fā)射的RF脈沖會(huì)包含不期望的邊帶，形成ghost偽影。

第一百二十四頁(yè)，共149頁(yè)。7.正交混合器

（Quadraturehybrid）Mixture:Splitter(功率分配器)Combiner(功率復(fù)合器)

Phaseshifter(移相器)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的RF場(chǎng)第一百二十五頁(yè)，共149頁(yè)。12SQuadraturehybridABCDSplittercombiner分配器中，ｓ端口信號(hào)被分成1和2端口的兩個(gè)同、同A的信號(hào)，各自的信號(hào)幅度衰減3db；如果信號(hào)的流向相反，端口1和2的信號(hào)結(jié)合后到ｓ端口，就成為功率復(fù)合器。在相控陣線圈中就要使用復(fù)合器。移相器用于從0°~180°手動(dòng)改變輸入與輸出之間的相位。第一百二十六頁(yè)，共149頁(yè)。IV發(fā)射系統(tǒng)

第一百二十七頁(yè)，共149頁(yè)。RF傳輸器產(chǎn)生數(shù)字化的RF信號(hào)S(t);S(t)與頻移為off

、相位為的一路信號(hào)經(jīng)快速數(shù)字化乘法器作用產(chǎn)生如下的輸出：S(t)cos(-offt)幅度調(diào)制波形經(jīng)D/A得到模擬波形RF傳輸器沒有直接發(fā)出ss，原因是避免迷路信號(hào)(straysignals)到達(dá)接收器使病人被旁路(bypassing)。off與一固定fix混頻（模擬混頻器）2cosAcosB=cos(A+B)+cos(A-B)ss=fix-off(fix+off)邊帶被濾掉(filteredout)；

幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制

S(t)cos(-sst)只有0.1mW，難以激勵(lì)人體內(nèi)自旋；需用RF功率放大器(“AB”)線性放大。第一百二十八頁(yè)，共149頁(yè)。V.Receivesystem1.MR信號(hào)被接收線圈接收，并被前置放大器(preamplifier)放大產(chǎn)生足夠強(qiáng)的電壓前放有最佳噪聲特性（需匹配網(wǎng)絡(luò)）、不考慮最佳功率傳輸、不追求最大放大倍數(shù)（10幾倍）砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管前放第一百二十九頁(yè)，共149頁(yè)。2.MR信號(hào)被解調(diào)器(demodulator)解調(diào)；3.然后低通濾波(low-pass)

;4.最后A/D轉(zhuǎn)換器將MR信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字化信號(hào)并將其傳輸至圖像處理器。第一百三十頁(yè)，共149頁(yè)。LowpassfilterSr-coil:cos(fe±)fe-ref=125kHzMixedsignal:

cos(fe±)cos(ref)=1/2cos(fe+ref±)+1/2cos(fe-ref±)1/2cos(if±)500kHz，4倍過采樣cos(if±)sin(if)=1/2sin(2if±)+1/2sin(±)cos(if±)cos(if)=1/2cos(2if±)-1/2cos(±)解調(diào)Demodulate輸入信號(hào)與參考頻率混頻產(chǎn)生125kHz(±62.5kHz)中頻(IF)；一般A/D轉(zhuǎn)換器運(yùn)行在0.5-1MHz，在其放大至與A/D輸入電壓范圍匹配后將IF數(shù)字化；第一百三十一頁(yè)，共149頁(yè)。相敏探測(cè)（phase-sensitivedetection）

IF與125kHz頻率的sine和cosine相乘；如果在500kHz下數(shù)字化125kHz波形，可有效采集參考頻率（4samples/cycle）Cosinechannel:1,0,-1,0Sinechannel:0,1,0,-10o,90o,180o,270o第一百三十二頁(yè)，共149頁(yè)。因此只需要一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器~每個(gè)數(shù)據(jù)乘0等效于改變A/D的I、Q通道；I、Q通道數(shù)據(jù)送至后面的濾波器處理；

sine和cosine的分量以復(fù)數(shù)對(duì)形式儲(chǔ)存在系統(tǒng)存儲(chǔ)器中；之后進(jìn)行FT,復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)~實(shí)部、虛部分量第一百三十三頁(yè)，共149頁(yè)。VI.RF屏蔽RF線圈屏蔽:梯度和常