第一节 磁共振成像仪的基本硬件

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第一节  磁共振成像仪的基本硬件
医用mri仪通常由主磁体、梯度线圈、脉冲线圈、计算机系统及其他辅助设备等五部分构成。
一、主磁体
主磁体是mri仪最基本的构件，是产生磁场的装置。根据磁场产生的方式可将主磁体分为永磁型和电磁型。永磁型主磁体实际上就是大块磁铁，磁场持续存在，目前绝大多数低场强开放式mri仪采用永磁型主磁体。电磁型主磁体是利用导线绕成的线圈，通电后即产生磁场，根据导线材料不同又可将电磁型主磁体分为常导磁体和超导磁体。常导磁体的线圈导线采用普通导电性材料，需要持续通电，目前已经逐渐淘汰；超导磁体的线圈导线采用超导材料制成，置于液氦的超低温环境中，导线内的电阻抗几乎消失，一旦通电后在无需继续供电情况下导线内的电流一直存在，并产生稳定的磁场，目前中高场强的mri仪均采用超导磁体。主磁体最重要的技术指标包括场强、磁场均匀度及主磁体的长度。
主磁场的场强可采用高斯（gauss，g）或特斯拉（tesla，t）来表示，特斯拉是目前磁场强度的法定单位。距离5安培电流通过的直导线1cm处检测到的磁场强度被定义为1高斯。特斯拉与高斯的换算关系为：1 t = 10000 g。在过去的20年中，临床应用型mri仪主磁体的场强已由0.2 t以下提高到1.5 t以上，1999年以来，3.0 t的超高场强mri仪通过fda认证进入临床应用阶段。目前一般把0.5 t以下的mri仪称为低场机，0.5 t到1.0 t之间的称为中场机，1.0 t到2.0之间的称为高场机（1.5 t为代表），大于2.0 t的称为超高场机（3.0 t为代表）。
高场强mri仪的主要优势表现为：（1）主磁场场强高提高质子的磁化率，增加图像的信噪比；（2）在保证信噪比的前提下，可缩短mri信号采集时间；（3）增加化学位移使磁共振频谱（magnetic resonance spectroscopy，mrs）对代谢产物的分辨力得到提高；（4）增加化学位移使脂肪饱和技术更加容易实现；（5）磁敏感效应增强，从而增加血氧饱和度依赖（bold）效应，使脑功能成像的信号变化更为明显。
当然mri仪场强增高也带来以下问题：（1）设备生产成本增加，价格提高。（2）噪音增加，虽然采用静音技术降低噪音，但是进一步增加了成本。（3）因为射频特殊吸收率（specific absorption ratio，sar）与主磁场场强的平方成正比，高场强下射频脉冲的能量在人体内累积明显增大，sar值问题在3.0 t的超高场强机上表现得尤为突出。（4）各种伪影增加，运动伪影、化学位移伪影及磁化率伪影等在3.0 t超高场机上更为明显。由于上述问题的存在，3.0 t的mri仪在临床应用还有一定限制，尽管其在中枢神经系统具有优势，但是在体部应用还不太成熟，因此，目前以1.5 t的高场机最为成熟和实用。
mri对主磁场均匀度的要求很高，原因在于：（1）高均匀度的场强有助于提高图像信噪比，（2）场强均匀是保证mr信号空间定位准确性的前提，（3）场强均匀可减少伪影（特别是磁化率伪影），（4）高度均匀度磁场有利于进行大视野扫描，尤其肩关节等偏中心部位的mri检查，（5）只有高度均匀度磁场才能充分利用脂肪饱和技术进行脂肪抑制扫描，（6）高度均匀度磁场才能有效区分mrs的不同代谢产物。现代mri仪的主动及被动匀场技术进步很快，使磁场均匀度有了很大提高。
为保证主磁场均匀度，以往mri仪多采用2m以上的长磁体，近几年伴随磁体技术的进步，各厂家都推出磁体长度为1.4m～1.7m的高场强（1.5t）短磁体，使病人更为舒适，尤其适用于幽闭恐惧症的患者。
随介入mr的发展，开放式mri仪也取得很大进步，其场强已从原来的0.2t左右上升到0.5t以上，目前开放式mri仪的最高场强已达1.0t。图像质量明显提高，扫描速度更快，已经几乎可以做到实时成像，使mr“透视”成为现实。开放式mr扫描仪与dsa的一体化设备使介入放射学迈进一个崭新时代。
二、梯度线圈
梯度线圈是mri仪最重要的硬件之一，主要作用有：（1）进行mri信号的空间定位编码；（2）产生mr回波（梯度回波）；（3）施加扩散加权梯度场；（4）进行流动补偿；（5）进行流动液体的流速相位编码。梯度线圈由x、y、z轴三个线圈构成（在mr成像技术中，把主磁场方向定义为z轴方向，与z轴方向垂直的平面为xy平面）。梯度线圈是特殊绕制的线圈，以z轴线圈为例，通电后线圈头侧部分产生的磁场与主磁场方向一致，因此磁场相互叠加，而线圈足侧部分产生的磁场与主磁场方向相反，因此磁场相减，从而形成沿着主磁场长轴（或称人体长轴），头侧高足侧低的梯度场，梯度线圈的中心磁场强度保持不变。x、y轴梯度场的产生机理与z轴方向相同，只是方向不同而已。梯度线圈的主要性能指标包括梯度场强和切换率（slew rate）。
梯度场强是指单位长度内磁场强度的差别，通常用每米长度内磁场强度差别的毫特斯拉量（mt/m）来表示。图1为梯度场强示意图，条状虚线表示均匀的主磁场，斜线表示线性梯度场；两条线相交处为梯度场中点，该点梯度场强为零，不引起主磁场强度发生变化；虚线下方的斜线部分表示反向梯度场，造成主磁场强度呈线性降低；虚线上方的斜线部分为正向梯度场，造成主<

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