mri原理及設備

1、磁共振成像,第十二章醫(yī)用磁共振成像設備,磁共振的含義：磁：成像的靶子和整個成像過程離不開磁場。共振：成像靶子主要為 H（奇數(shù)）的能量吸收與釋放過程，即磁共振現(xiàn)象。成像：對成像物體進行空間的編碼。三維。,MR的基本原理 當處于磁場中的物質(zhì)受到射頻（RF）電磁波的激勵時，如果RF電磁波的頻率與磁場強度的關(guān)系滿足拉莫爾方程，則組成物質(zhì)的一些原子核會發(fā)生共振，即MR。 此時，原子核吸收了R

2、F電磁波的能量；當RF電磁波停止激勵時，吸收了能量的原子核又會把這部分能量釋放出來，即發(fā)射MR信號。,一、歷史,1946 年美國哈佛大學的 E。珀塞爾及斯坦福大學的 F。Bloch 領(lǐng)導的兩個研究小組各自獨立地發(fā)現(xiàn)了磁共振現(xiàn)象，由此珀塞爾和 Bloch 共同獲得 1952 年諾貝爾物理學獎。1971 年美國紐約州立大學的 R。Damadian 利用磁共振波譜儀對小鼠研究發(fā)現(xiàn)，癌變組織的 T1，T2 弛豫時間值比正常組織長。1972

3、年美國紐約州立大學的勞伯特提出了重建 mri 圖象的方法，把 mri 原理和空間各點的編碼技術(shù)結(jié)合，用一定的方法使空間各點磁場強度有規(guī)律的變化。1973 年美國紐約州立大學的 Lauterbur 利用梯度磁場進行空間定位，獲得兩個充水試管的第一幅磁共振圖像。,第一節(jié)　概述,1978 年英國取得了第一幅人體頭部的磁共振圖像。1980 年磁共振開始應用于臨床。1984 年磁共振獲得美國食品藥物管理局正式批準應用于臨床。 MRI

4、技術(shù)得到很大發(fā)展 EPI技術(shù)、單次激發(fā)EPI、磁共振血管成像、FMRI技術(shù)、 磁共振介入,主要特點及臨床應用,特點1、無電離輻射危害2、多參數(shù)成像3、高對比成像4、MRI設備具有任意方向斷層的能力5、無須使用對比劑直接顯示心臟和血管結(jié)構(gòu)6、無骨偽影干擾，后顱凹顯示清楚。7、可進行功能、組織化學和生物化學方面的研究,臨床應用的局限性1、成像速度慢2、對鈣化灶和骨皮質(zhì)病灶不夠敏感3、禁忌癥較多4、圖像易

5、受多種偽影影響,按成像范圍分類1、試驗用；2、局部；3、全身MRI設備按住磁場分類1、永磁型；2、常導型；3、超導型按住磁場強度分類低、中、高、超高按臨場應用分類診斷用；介入治療專用；外科術(shù)前定位和計劃制定用；陰道超聲聚焦腫瘤治療MRI設備；放療定位MRI設備。,分類,主要由主磁體、梯度線圈、RF線圈、計算機與控制臺和檢查床等組成,結(jié)構(gòu),主磁體,低場：≦ 0.3T中場：0.3T～1.0T高場：＞1.0T,性能指標,磁場

6、強度 MRI設備的靜磁場強度磁場強度的高低對圖像質(zhì)量的影響：1、對信噪比的影響：磁場強度↑，信號強度↑，信噪比↑。但不呈線性。2、對對比度的影響：磁場強度↑，T1變長，必須加長TR才能獲得高對比度的T1圖像；對T2影響不大。3、化學位移產(chǎn)生的影響：磁場強度↑，化學位移↑。4、體動的偽影：磁場強度↑，共振頻率↑，自旋↑，相同的體動的相位漂移↑，體動偽影↑。 無論體動發(fā)生在哪個方向，造成的偽影一定在相位方向。5

7、、化學位移的偽影：磁場強度↑共振頻率↑化學位移的偽影↑,磁場均勻性 磁場均勻度在很大程度上決定著圖像質(zhì)量的好壞！可引起圖像的信噪比（S/N）、空間分辨力（SR)和有效視野（FOV）的幾何變形。 常用磁場不均勻度（ppm）衡量。磁場均勻度越差，幾何變形越大。 （ ppm，百萬分之一）磁場的穩(wěn)定性 受磁體附近鐵磁性物質(zhì)、環(huán)境溫度、勻場電源飄逸等因素的影響，磁場的均勻性或B0也會發(fā)生變化，即磁場漂移。保證圖像的一致

8、性和可重復性的重要指標。1~2小時內(nèi)，磁場漂移應小于2ppm，1~8小時，10ppm。,主磁體,永久磁體材料：鐵氧體或釹鐵結(jié)構(gòu)：環(huán)形或軛形特點：造價低，場強最大0.1~ 0.4T 、功率小、維護費用低、安裝面積相對小，可做成開放式磁體（便于介入治療） 均勻度欠佳、穩(wěn)定性易受溫度變化（需恒溫，32.5°高于室溫）,主磁體,常導磁體材料：銅或鋁結(jié)構(gòu)：亥姆赫茲線圈（四線圈或六線圈）特點：場強（空氣冷 0.15T，水冷

9、 0.2T）,磁體的屏蔽非常重要、造價低、不用時可以停電，不能滿足中高場及高均勻度的要求。,距離=半徑,主磁體,超導磁體材料：鈮和鈦的合金（ 0.1 毫米 30 條直徑埋在 2 毫米的銅導線中作為超導導線）結(jié)構(gòu)：四或六線圈，或螺線管冷卻劑：液氮、液氦勻場：有源勻場、無源勻場特點：場強高、穩(wěn)定性好、均勻度好、但技術(shù)復雜、成本高,,超導磁體外形,超導磁體,,磁體孔內(nèi)外徑之間依次安放超導線圈、勻場線圈、梯度線圈和射頻線圈。,高斯線分

10、布（P302),超導磁體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由容器、浸泡在液氦中的超導線圈、底座以及頂部的輸液管口、氣體蒸發(fā)通道、電流引線等組成。,超導磁體特性：場強高；穩(wěn)定性和均勻度好；可開發(fā)更的的臨床應用功能；缺點是技術(shù)復雜、成本高。,磁共振成像系統(tǒng)的質(zhì)量保證體系,磁屏蔽、射頻屏蔽、冷水系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)，電源系統(tǒng)等外圍設備構(gòu)成了磁共振成像系統(tǒng)的保障體系，磁場與環(huán)境的相互影響：磁體所產(chǎn)生的磁場，向空間各個方向散布，稱為雜散磁場。它的強弱與空間位置有關(guān)。常

11、用等高斯線圖來形象地表示雜散磁場的上述分布。,磁共振成像磁場對環(huán)境的影響,當雜散磁場的場強達到一定程度時，可能干擾周圍環(huán)境中磁敏感性強的設備，影響正常工作。這種影響通常在 5 高斯線內(nèi)區(qū)域非常明顯。,雜散磁場對部分醫(yī)療設備的影響,磁共振成像系統(tǒng)的部分磁場干擾源,磁屏蔽的分類,可分為有源和無源兩種：有源屏蔽 （活躍的盾）是由一個線圈或線圈系統(tǒng)組成的磁屏蔽。與工作線圈 （內(nèi)線圈）相比，屏蔽線圈可稱為外線圈。這種磁體的內(nèi)線圈中通以正向電流，

12、以產(chǎn)生所需的工作磁場；外線圈中通以反向電流，以產(chǎn)生反向的磁場來抵消工作磁場的雜散磁場，達到屏蔽的目的。,磁屏蔽的分類,無源屏蔽 （消極的盾）使用的是鐵磁性屏蔽體，即上面所說的軟磁材料罩殼。無源磁屏蔽可分為下述 3 種：（1) 房屋屏蔽：在磁體室上下及四周墻體鑲?cè)?厚鋼板，構(gòu)成封閉的磁屏蔽間。用材多 （十噸左右），價格昂貴。（2) 定向屏蔽：若雜散磁場的分布僅在某個方向超出了規(guī)定的限度 （如 5 高斯），可在該方向的墻壁中安裝屏蔽物，

13、形成定向屏蔽。此法適用于磁共振成像室和 CT 室共用一建筑物的情形。（3) 自屏蔽 （自我 shelding 的）：是指僅在磁體周圍安裝鐵磁材料屏蔽體的屏蔽方法。效果較好，體積大而重。,勻場技術(shù),分無源勻場和有源勻場無源勻場：在磁體內(nèi)壁放置一些鐵片來提高磁場均運行的方法。磁體激勵→測量場強數(shù)據(jù)→計算勻場參數(shù)→去磁→貼補鐵片→。 反復進行。有源勻場：通過適當調(diào)整勻場線圈的電流強度，使其周圍的局部磁場發(fā)生變化，來調(diào)整主磁場

14、的均勻性。（GE，16個勻場線圈）無源、有源并用；無源是基礎(chǔ)。,梯度場系統(tǒng),梯度磁場系統(tǒng)是指與梯度磁場有關(guān)的一切單元電路。其功能是：為系統(tǒng)提供線性度滿足的要求、可快速開關(guān)的梯度場，以提供MR信號的空間位置信息，實現(xiàn)成像體素的空間定位。此外，在梯度回波和其他一些快速成像序列中，梯度場的翻轉(zhuǎn)還起著RF激發(fā)后自旋系統(tǒng)的相位重聚作用。,MRI設備的分辨力高，通過調(diào)整梯度場，可直接攝取橫、冠、矢狀層面和斜位等不同體位的體層圖像,梯度場系統(tǒng),硬件

15、部分由梯度控制器、D/A轉(zhuǎn)換器、梯度放大器和梯度線圈構(gòu)成。,梯度場系統(tǒng),一、梯度磁場的產(chǎn)生梯度場給MR信號定位。用三個方向的梯度場，Gx；Gy；Gz頻率編碼梯度場 GX，相位編碼梯度場 GY，選層梯度場 GZ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,均勻靜磁場,梯度場,渦流對梯度的影響當梯度電流導通或切斷時，變化的磁場在周圍導體中感應出感生電流，此感生電流在金屬體內(nèi)環(huán)形流動。稱為渦流。渦流的強度與磁

16、場的變化率成正比。渦流所產(chǎn)生的 熱量，稱渦流損耗。渦流也會產(chǎn)生變化的磁場，其方向與梯度磁場相反，會消弱梯度磁場。渦流補償可以通過RC電路使梯度脈沖電流產(chǎn)生畸變，因而產(chǎn)生所期望的梯度脈沖波形。,,,,,,,,,,,,,梯度線圈X軸、Y軸、Z軸的三個梯度線圈的工作原理相同，但實現(xiàn)起來是不同的。梯度線圈分為：直線型、鞍型、螺線型及平面型。,,,,X,Y,,,,,a.b,-a.b,a.-b,-a.-b,直線系統(tǒng),,,回路設計1）回路和導

17、線與Z軸夾角相同，結(jié)構(gòu)緊湊、梯度減小2）回路和導線與X軸夾角分別為67.5和22.5度，梯度增大3）回路是矩形或半圓形,鞍型線圈兩對、四對鞍型線圈,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Z,,,,,,,,,,,,L,d,,,2α,φ,,,技術(shù)參數(shù)：磁場梯度、梯度切換率、工作周期、有效容積及線性。磁場梯度：即梯度磁場的強度。表征梯度場系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場隨空間的變化率。梯度切換率：梯度場上升、下降的時間。切換率

18、高，信噪比就高。工作周期：梯度場工作時間占TR時間的百分數(shù)。,四、射頻場系統(tǒng),射頻場系統(tǒng)包括射頻脈沖發(fā)射系統(tǒng)和射頻信號接收系統(tǒng)兩部分。用于建立RF場的RF線圈叫發(fā)射線圈。用于檢測MR信號的RF線圈叫接收線圈,,,發(fā)射線圈發(fā)射線圈用來產(chǎn)生RF磁場，必須讓RF功率放大器的輸出電壓加到線圈的兩端，使使發(fā)射線圈共振于RF頻率，這樣線圈流過的電流最大，產(chǎn)生的RF磁場也最大。下圖：線圈與電容的諧振電路。線圈L與電容C2并聯(lián)，當滿足

19、共振條件時，即產(chǎn)生諧振，線圈中的電流將是總電流的Q倍。由于發(fā)射線圈電阻很小，Q值為幾十~幾百。,○,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,L,C2,C1,發(fā)射線圈的類型：圓形線圈；鞍形線圈；螺線管線圈；低頻鳥籠式線圈；高頻鳥籠式線圈。,磁共振成像卷,高頻鳥籠式線圈,發(fā)射通道：具有形成RF脈沖形狀、對脈沖進行衰減控制、功率放大和監(jiān)視等功能。1、頻率合成器：發(fā)射部分需要一路中頻信號和一路同中頻進行混頻的信號；接收部分需

20、要用到兩路具有90°相位差的中頻信號，和用于混頻的一路RF信號；整個RF部分的控制還要一個公用的時鐘信號。這些都有頻率合成器來產(chǎn)生。2、發(fā)射混頻器：它通過兩種信號混頻，產(chǎn)生RF信號，同時通過門控電路形成RF脈沖波形。3、發(fā)射調(diào)制器：對RF信號進行幅度調(diào)制。,4、功率放大器：將RF信號由0.5V，1mW左右，放大到足夠大的功率。,,,30w,,,功率分解,,,,,,,600w,600w,,,,,,功率合成,,,10kw,,放

21、大器,放大器,放大器,5、發(fā)射控制器：控制、協(xié)調(diào),接受線圈與接收通道接受線圈：用于接收人體所產(chǎn)生的MR信號?？梢院桶l(fā)射線圈使用同一線圈，也可獨立使用。線圈越接近人體組織接收的信號越強；線圈越小、噪聲越小。常用一些專用線圈：頭部線圈，關(guān)節(jié)表面線圈，脊柱相控陣線圈等。,接收通道MR信號的感生電流很小，必須經(jīng)接收通道放大、混頻、濾波、檢波、A/D轉(zhuǎn)換等一系列處理后才能送到計算機。,接收線圈,前置放大器,混頻器,中頻濾波器,相敏檢波

22、器,低頻放大器,A/D轉(zhuǎn)換器,,,,,,,相敏檢波器,,,,,低頻放大器,,A/D轉(zhuǎn)換器,,,1、前置放大器：位于開端，要求匹配，尤其要低噪。2、混頻器與濾波器 混頻器： 將信號頻譜搬移到中頻上。 濾波器：濾除不必要的頻率組合，濾噪。3、相敏檢波器：從來自中頻濾波電路的中頻信號中檢測出低頻MR信號。4、低頻放大與低通濾波5、ADC—A/D,,五、計算機系統(tǒng),主計算機系統(tǒng)：由主機、磁盤存儲器、光盤存儲

23、器、控制臺、主圖像顯示器、輔圖像顯示器、網(wǎng)絡適配器以及測量系統(tǒng)的接口部件等組成。,射頻發(fā)射,,射頻線圈,,射頻接收,,梯度形成,,梯度放大與線圈,,射頻控制,,梯度控制,,,,,,計算機,重建控制,顯示控制,陣列機AP,顯示設備,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,（計算機功能框圖）,梯度場控制每個梯度場都有一定的形狀，并且X、Y、Z三個方向的梯度之間有嚴格的時序關(guān)系，必須用計算機控制。直接控制：間接控制：,,,,

24、,CPU,緩存器,D/A,梯度驅(qū)動,,,,,梯度存儲器,,,緩存器,D/A,,,,,CPU,,計算機,,,,,,梯度驅(qū)動,解放了CPU,射頻脈沖的控制根據(jù)成像方法的需要，MRI以一定的時間間隔，產(chǎn)生一定形狀的RF脈沖波。包括：RF脈沖波形成、相位控制、脈沖開關(guān)等。（還包括RF接收的衰減及濾波控制）,,,,,,,,,,,,,,計算機,RF地址計數(shù)器,數(shù)據(jù)寄存器,RF存儲器,RF數(shù)據(jù)鎖存儲器,DAC,圖像重建IOP 輸