放射医学丨【相关专业知识】MRI设备：磁体系统构造及其特性

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       磁体系统构造及其特性

       磁体系统的基本功能是为MRI设备提供满足特定要求的静磁场，其性能直接影响最终图像质量。

       (一)磁体的主要指标

       1.主磁场强度 磁共振成像系统的主磁场B0又叫静磁场，是在磁体孔径内（通常≤50cm）的范围产生均匀分布的磁场，磁场强度越高，图像信噪比越高，成像质量越好，但人体对射频能量的吸收增加，同时增加主磁场强度使设备成本急剧增加。

       2.磁场均匀性 磁场均匀性是指在特定容积限定内磁场的同一性，即穿过单位面积的磁力线是否相同。磁场均匀性的表示方法通常有点对点法（P-P）、平方根法（RMS）及容积平方根法（Vrms）。特定容积通常取一定直径、与磁体同心的球形空间（DSV），DSV常用10cm、20cm、30cm、40cm、45cm和50cm为半径的球体。均匀性是以主磁场的百万分之几（ppm）为单位定量表示，在所取测量DSV大小相同的前提下，ppm值越小表明磁场均匀性越好，且DSV越大，磁场均匀性越低。磁场均匀度是决定影像空间分辨率和信噪比的基本因素，它决定系统最小可用的梯度强度。

       3.磁场稳定性 磁场稳定性是衡量磁场强度随时间漂移程度的指标，它与磁体类型和设计质量有关，受磁体附近铁磁性物质、环境温度、磁体电源稳定性、匀场电源漂移等因素的影响，稳定性下降，意味着单位时间内磁场的变化率增高，在一定程度上亦会影响图像质量。磁场的稳定性可以分为时间稳定性和热稳定性两种。时间稳定性指磁场随时间而变化的程度，热稳定性指磁场随温度而变化的程度。磁体电源或匀场电源波动时，会使磁场的时间稳定性变差。

       4.磁体的有效孔径 磁体的有效孔径指梯度线圈、匀场线圈、射频体线圈和内护板等均安装完毕后柱形空间的有效内径。孔径过小容易使被检者产生压抑感，孔径大些可使病人感到舒适，但在一定程度上影响磁场均匀性。

       5.边缘场的空间范围 磁体的边缘场指延伸到磁体外部向各个方向散布的杂散磁场，边缘场延伸的空间范围与磁场强度和磁体结构有关。边缘场是以磁体原点为中心向周围空间发散的，具有一定的对称性，常用等高斯线图来形象地表示边缘场的分布，由于不同场强磁体的边缘磁场强弱不同，对应的等高斯线也就不同，一般用5高斯（0.5mT）线作为标准，边缘场与其范围内的电子仪器相互干扰，因此要求边缘场越小越好，通常采用磁屏藏的方法减小边缘场。

       另外，磁体重量，磁体长度、致冷剂（液氦）的挥发率和磁体低温容器（杜瓦）的容积等因素也是磁体的重要指标。

       (二)磁体的分类

       1.永磁体 永磁型磁体的磁性材料主要有铝镍钴、铁氧体和稀土钴三种类型。磁体一般由多块永磁材料堆积或拼接而成，磁铁块的排布既要满足构成一定成像空间的要求，又要使磁场均匀性尽可能高。永磁体的磁场强度一般不超过0.45T。

       永磁型磁体的缺点是场强较低，使成像的信噪比较低，由于用于拼接磁体的每块材料的性能不可能完全一致，且受磁极平面加工精度及磁极本身的边缘效应（磁极轴线与边缘磁场的不均匀性）的影响，磁场的均匀性较差；永磁型磁体的热稳定性差，通常永磁性材料随温度的变化值大约为1100ppm/℃，永磁体的磁场稳定性是所有磁体中最差的，永磁体通过磁体的自恒温系统来测量磁体温度并及时对磁体加热，确保磁场强度及均匀性，使磁体性能更加稳定；此外，重达数十吨以上的磁体重量对安装地面的承重也提出了较高的要求。 

       永磁型磁体的优点是结构简单并以开放式为主（便于进行MR介入治疗）、设备造价低、运行成本低、边缘场小、对环境影响小且安装费用少等，对运动、金属伪影相对不敏感，磁敏感效应及化学位移伪影少。目前高场系统的软件功能向低场机移植，使其性能不断提高。

       2.常导磁体 常导型磁体是用线圈中的恒定电流产生MRI设备中的静磁场，其磁场强度与线圈中的电流强度、线圈导线形状和磁介质性质有关。常导型磁体实际上是某种类型的空芯电磁铁，其线圈通常用铜线绕成，由于铜有一定的电阻率，故又将这种磁体称为阻抗型磁体。常导型磁体的功耗较大，同时产生大量的热量，必须配备磁体水冷装置。另外，线圈供电电源的波动将会直接影响磁场的稳定性，因而高质量的大功率恒流电源是常导型MRI设备整机系统的关键部件。

       常导磁体的优点是其结构简单、造价低廉，磁场强度可达0.4T左右，维修相对简便，适用于一些较偏远电力供应充足的地区。其缺点是工作磁场偏低，磁场均匀性及稳定性较差，且励磁后要经过一段时间等待磁场稳定，需要专用电源及冷却系统，使其运行和维护费用增高，限制了常导磁体的推广应用，该类磁体目前在市场上逐渐消退，被永磁体替代。

       3.超导磁体 超导磁体线圈的设计原理与常导磁体基本相同，但超导磁体的线圈是采用超导导线绕制而成，且工作在超导环境下，故称为超导磁体，这种磁体磁场强度高，磁场稳定性及均匀性较高，MRI设备中0.5T以上的磁体都采用超导磁体。

       (1)超导磁体的构成：超导磁体主要由超导线圈，高真空超低温杜瓦容器及其附属部件构成。

       超导线圈采用材料是铌钛合金，铌占44～50%，其临界温度为9.2K，临界场强为10T，临界电流密度为3×103A/mm2，机械强度高，做成多芯复合超导线埋在铜基内。超导线圈整个浸没在液氦（4.2K）中，铜基一方面起支撑作用，另一方面一旦发生失超，电流从铜基上流过，使电能迅速释放，保护超导线圈，并使磁场变化率减小到安全范围以内。为了固定超导线围绕组的线匝，防止其滑动，通常用低温特性良好的环氧树脂浇灌、固定、封装绕制好的超导线圈绕组，环氧树脂封装超导线圈绕组的强度要确保其能够抵抗并承受励磁过程中线圈整体受到的径向和轴向的挤压力，而不发生位移。

       低温杜瓦容器是超真空、超低温环境下工作的环状容器，内部依次为液氦杜瓦、冷屏和真空容器等，其内外分别用高效能绝热材料包裹，为减少漏热，容器内部各部件间的连接和紧固均采用绝热性能高的玻璃钢和环氧树脂材料。为了减少液氦的蒸发，配备了磁体的冷却系统，它由冷头、气管、氦压缩机及水冷机等构成，冷头正常工作时，液氨挥发率几乎为零，如果冷却系统工作异常，液氦挥发率会成倍增长。低温杜瓦容器上有液氦的加注口和排放孔，以及供线圈励磁退磁、液面显示和失超开关用的引线。

       (2)超导环境的建立 超导磁体工作温度为4.2K（－269℃），即一个大气压下液氦的温度。磁体超导环境的建立需要经历下述三个步骤：①抽真空：超导型磁体真空绝热层是超导磁体的重要保冷屏障，磁体安装完毕后，用高精度、高效能的真空泵（通常用等离子真实泵）进行抽真空，超导磁体内的真空度要求达到10-7～10-6mbar，才能保证超导磁体的真空绝热性能。②磁体预冷：用制冷剂将液氦容器内的温度降至工作温度的过程，通常磁体预冷过程分为两步，首先将温度略高的液氮导入磁体内部，使液氮能在磁体内存留，此时磁体内温度达到了77K（－196℃），再用有一定压力的高纯度氦气将磁体内的液氮顶出；其次再将液氦输入磁体内，直到液氦能在磁体内存留，此时磁体内部温度达到4.2K（－269℃）。③灌满液氦：磁体预冷到4.2K后，还要在液氦容器中灌满液氦，一般可灌到容量的95%～98%。

       (3)励磁 励磁又叫充磁，是指超导磁体系统在磁体励磁电源的控制下逐渐给超导线圈施加电流，建立预定静磁场的过程。励磁成功后，超导磁体就将在不消耗能量的情况下，提供强大的、高度稳定的均匀磁场。励磁控制系统由电流引线、励磁电流控制电路、励磁电流检测器、紧急失超开关和超导开关及高精度的励磁专用电源等单元组成。励磁电流的导入一般应遵循从小到大，分段控制的规律，因而磁场也是逐步建立的。

       (4)失超 超导体因某种原因突然失去超导性而进入正常态的过程称为失超。失超是电磁能量转换为热能的过程。引起失超的因素很多：如磁体结构、超导材料性能不稳定、磁体超低温环境被破坏以及人为因素等。失超将电磁能量转换为热能，引起液氦气化，喷射而出。为避免失超，通过传感器、探测器实时监控磁体的状态，建立励磁时的失超保护电路，超导建立并运行后的失超保护措施，设置失超管、氧监测器和应急排风机、紧急失超开关。

       (三)匀场

       受磁体设计和制造工艺限制，任何磁体出厂后都不可能使整个成像范围内的磁场完全一致，此外，磁体周围环境也对磁场有一定影响，如磁场的屏蔽物、磁体附近固定或可移动的铁磁性物体等。磁体安装完毕后还要在现场对磁场进行调整，把消除磁场非均匀性的过程称为匀场。匀场是通过机械或电气调节建立与磁场的非均匀分量相反的磁场。常用的匀场方法有无源匀场和有源匀场两种。

       1.无源匀场 无源匀场是指在磁体孔洞内壁上贴补专用的小铁片（也称为匀场片），以提高磁场均匀性的方法，又称为被动匀场。由于匀场过程中不使用有源元件，故称之为无源匀场。无源匀场时金属片的几何尺寸以及贴补位置根据磁场测量的结果确定。匀场所用的小铁片一般用磁化率很高的软磁材料压制而成，其几何形状及尺寸各不同厂家甚至不同磁体型号均有所不同。无源匀场可校正高次谐波磁的不均匀，材料价格便宜，不用昂贵的高精度电源。

       2.有源匀场 有源匀场是通过适当调整匀场线圈陈列中各线圈的电流强度，用局部磁场的变化来调节主磁场以提高整体均匀性的过程，又称为主动匀场。匀场线圈由若干个大小不等的小线圈组成，这些小线圈分布在圆柱形匀场线圈骨架的表面，构成线圈阵列。主动匀场是对磁场均匀性进行精细调节的方法，可以减少谐波磁场。在MRI系统中匀场线圈的电流均由高精度、高稳定度的专用电源提供。

       大多数MRI设备的匀场都是无源匀场和有源匀场并用，无源匀场是有源匀场的基础，有源匀场可在系统软件控制下进行。

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