3533942632MRI设备.ppt
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1、第十三章 MRI设备,MRI设备,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。,概述发展简史,MR现象由布洛赫(Bloch)和伯塞尔(Purcell)于1946年发现了磁共振现象。1971年,达马丁(Damadian)发现了MRI的重要参数T1 和 T2时间延长理论。1973年劳特布尔(Lauterbur)获得了第一幅MRI模型的二维
2、图像。1974年曼斯菲尔德(Mansfield)研究出脉冲梯度法选断层成像的方法。1975年恩斯特(Ernst)研究出相位编码的成像方法。,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。该方法效率高、功能多、形成的图像分辨力高、伪影小,目前MRI设备均采用该算法。全身MRI设备研究成功。1983年,MRI设备进入市场。MRI设备具有对软组织成像好的优点。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
3、生化方面的信息。,Felix Bloch 1952,Physics,MRI设备的优点,多参数成像,可提供丰富的诊断信息;人体氢核含量高,高对比成像;任意方位体层(冠矢状等面)成像;不用对比剂就可进行MR血管造影(MRA);无骨伪影干扰,后颅凹病变清晰可辨;无电离辐射;可使MRI设备用于介入治疗,建立智能手术室,进行手术导航。,不同器官结构的MRI,扫描速度慢;易出现运动、流动伪影;定量诊断困难;对钙化灶和骨皮质病灶不够敏感;禁忌症多。,MRI设备的缺点,MRI与CT机的性能比较,MRI设备与CT扫描机的应用比较,主要技术参数,化学位移()、液体流速(v)、波动。,质子密度()、纵向驰豫时间(T
4、1)、横向驰豫时间(T2)、,决定图像信号的密度,组织参数有:,设备参数: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。可选择的参数:重复时间(time of repetition,TR)、回波时间(time of echo,TE)、反转时间(time of inversion,TI)。,控制图像扫描区域:层厚、平均采样次数、像素尺寸、有效视野、层数。,人体正常与病变组织的T1值(ms),肝140170脑膜瘤200300胰180200肝癌300450肾300340肝血管瘤340370胆汁250300,胰腺癌275400血液340370肾癌400450脂肪6080肺脓肿4
5、00500肌肉120140膀胱癌200240,发展趋势,主磁体:它的作用是产生均匀的静磁场(主磁场,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: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1013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:磁场强度已由传统的1.5T发展到34T,并有发展到78T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,发展趋势,磁场强度与信号强度的关系,T1值与磁场强度的关系,发展趋势,MRI设备磁场强
6、度的大小对图像的影响是:信噪比:磁场强度越高,信号强度越大,信噪比越高(但不是线性关系)。磁场强度:磁场强度越高扫描时间越短。图像对比度:T1值随磁场强度增高而变大,T1驰豫时间延长。当TR固定值时,T1图像对比度反而下降,造成T1图像质量下降。磁场强度大小对T2图像质量影响不大.,发展趋势,梯度磁场 快速扫描序列要求高性能的梯度磁场。对梯度磁场的度化率(切换率)要求已达到7080T/ms。梯度磁场决定最小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。最短回波时间又影响最短重复时间。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
7、性梯度系统的出现,使MRI设备梯度线圈的形式多样化。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,切换率可达到150T/ms,所获得的MRI设备图像的层厚更薄、空间分辨力更大。,发展趋势,高磁场强度,低磁场强度MRI各有千秋,互相弥补。MRI设备磁场的精度和稳定性要高。,接收线圈改进,在MRI中射频线圈是发射和接受射频频率的专用装置,是提供核磁共振频率的源装置。,发展趋势,MRI射频线圈的发展,第一代是线性极化表面线圈;第二代是圆形极化表面线圈第三代是圆形极化相控阵线圈,它借助于无线电中通用的相控阵雷达原理,每个线圈由多个小线圈单元组成,通过相位叠加或相减,达到减少
8、旁瓣、从而大大提高了灵敏度,显著增加了图像的信噪比;第四代相控阵线圈,为一体化全景相控阵线圈。它是组合式阵列线圈,可进行线圈与线圈间的任意组合,摆放病人时,可将多组线圈一起固定于病人身上,利用软件操作,实现线圈的不同组合和拆分,完成对不同部位的检查和诊断,它对于一次进行多部位检查的病人尤为重要。,MRI设备已完成了由专用计算机到计算机工作站的转化,64M处理器。方便、快速、高效的PACS系统,可与其他影像诊断设备的影像资源融合,获得全面、准确的诊断结果。,计算机网络化,发展趋势,MRI构成,MRI设备根据用途不同可分为两大类:一是临床应用型:磁场强度在0.20.5T以下;二是临床研究型:磁场强
9、度在1.01.5T以上。MRI设备根据磁场的产生方式可分为三大类:超导型;永磁型;常导型。,磁共振成像系统,磁共振成像系统功能框图,超导型MRI设备,超导型MRI设备的主磁场方向为水平方向超导型MRI设备构成:主磁体(含冷却装置)、扫描床、梯度线圈、射频(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。,超导型MRI设备,超导型MRI主磁体,磁共振系统的硬件组成,磁体子系统,梯度子系统,射频子系统,计算机子系统,MRI,永磁型开放式MRI设备,永磁型MRI设备的主磁场方向为垂直方向。永磁型MRI设备构成:主磁体、扫描床、谱仪系统、控制柜、操作台、计算机、图像处理器等。,永
10、磁型开放式MRI,永磁型开放式MRI,常导型(电磁体)MRI,Panorama 0.23T,超导型和永磁型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、图像处理器。,永磁型MRI设备的结构,扫描室内部分扫描室外部分,扫描室内部分,主磁体(magnet),支架(yoke),温度加热器(thermostat),梯度磁场线圈(gradient magnet field coil)RF发射线圈(transmitter coil),接收线圈(receiver coil),前置放大器(preamplifier),控制面板(control panel),扫描床(patient
11、table)。,扫描室外部分,中央控制柜(central control console,CCC)、电源分配器(power distribution)、恒温控制器(thermostatic control)、梯度磁场电源(power supply for gradient magnetic field),RF发射/接收装置(RF transmitter/receiver),操作台,计算机,图像处理器。,滤波盒(filter box),扫描室内外的所有连接线均需要通过滤波盒转接,为防止干扰。,MRI设备的基本工作原理,恒温控制器将主磁体的温度准确的控制32.5,产生一个均匀的静磁场。梯度电源通过
12、梯度线圈进行空间定位(编码)。RF单元和RF发射线圈,发射RF信号,产生MR现象。信号被接收线圈接收,经放大、检波、A/D转换后送计算机和图像处理器,重建图像在监视器上显示或打印胶片。,磁体,磁体,cooling,射频系统、线圈,主磁体,种类永磁型常导型超导型,永磁型,主磁体为天然材料,不需消耗电能,运行费用低,主磁体分上S极、下N极两磁极。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,使主磁体边缘的磁力线集中。主磁体的体积、重量将增大,成本亦相应增高。永磁体产
13、生的静磁场方向为垂直方向。,永磁磁体,永磁磁体,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(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?,常导电磁体,Panorama 0.23T,超导磁体,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7000A)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
14、温保障系统,超导磁体的价格昂贵,运行费用高。,超导磁体,超导磁体,性能指标,磁场强度磁场均匀度磁场的稳定性主磁体的有效范围,磁场强度,磁场强度是指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:对信噪比的影响。磁场强度增高,信号强度增高,信噪比提高。信噪比与磁场强度呈非线性关系,增高磁场强度来提高信噪比是有限度的。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。对运动伪影和
15、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。,磁场均匀度,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)。,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51.5106T(0.0075mT),而在0.3T的MRI设备中,磁场均匀度的偏差
16、为50.3106T(0.0015mT)。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,300mm350mm或350mm400mm。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。,磁场方向对信噪比的影响,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12小时之内,一般要求磁场漂移小于5ppm。在18小时之内,磁场漂移小于10ppm。,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
17、效距离,即X轴、Y轴、Z轴三方向可容纳病人的最大尺寸。,增加主磁体的有效范围比提高磁场强度更难。,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,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,克服了永磁材料温度系数大的缺点,对扫描室室内温度的要求变得较宽(244)。,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2
18、20,后方70。,几种典型永磁材料的特性比较,永磁体,Fe3O4,高斯图,开放式主磁体优点,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。由于前后开放空间很大,便于把MRI设备技术用于介入治疗。,磁场强度分布,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:Bmaxv=B2/u0V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。主磁体磁场均匀度越差,几何变形越大.,预加热器,由于MRI
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