医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍

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1、医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍医学影像专业课程下载核磁共振小助手获取更多核磁资料可，sina下载地址：http:/ Magnet l梯度系统梯度系统 Gradient system lRF系统系统 RF systeml计算机系统计算机系统 Computer system医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍PDP11、VAXSUN、SGI;PC多用户操作系统多用户操作系统VMS（早期）（早期）UNIX文件存档：文件存档：3T：医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍MR 系统构造系统构造医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍MR系统部件和构造以及系统部件和构造以及

2、T/R转换开关转换开关医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l主磁体是主磁体是MR的主要部件的主要部件l主磁体特性主磁体特性:稳定性（稳定性（Stability）均匀性（均匀性（Homogeneity）非均匀性非均匀性Inhomogeneity(ppm)=variation(T)/field strength(T)106医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l永磁体永磁体 Permanent magnetl常导体常导体 Resistive magnetl超导体超导体 Superconducting magnet医学影像专业课程核磁共振硬件

3、系统结构详细介绍l永磁体使用磁性材料产生磁场永磁体使用磁性材料产生磁场 高剩磁高剩磁l稀土合金，如稀土合金，如 SmCo SmCo5 5,Nd-Fe-B.,Nd-Fe-B.ALNICO ALNICO（铁、钴合金）（铁、钴合金）SmCoSmCo5 5 ALNICO(ALNICO(钐钴钐钴 铁钴合金）铁钴合金）Nd-Fe-B Nd-Fe-B（钕、硼、铁合金）（钕、硼、铁合金）l 0.2T0.2TALNICO 23 ALNICO 23 吨吨 Nd-Fe-B 4 Nd-Fe-B 4 吨吨医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍HITACHHITACHlAIRIS-mate (0.2T)7.8AIR

4、IS-mate (0.2T)7.8吨吨 lAIRIS-2 (0.3T)AIRIS-2 (0.3T)1010吨吨 lAPERTO (0.4T)APERTO (0.4T)1313吨吨钕铁硼材料钕铁硼材料优点优点:高剩磁高剩磁缺点缺点:温度系数比较大温度系数比较大医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍1.1.结构结构lRing(环型环型)l Yoke(轭型轭型)C-shapeH-shapeyoke有源材料产生B0无源材料形成磁路医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l剩磁剩磁 (Remanence)(Remanence)l矫顽力矫顽力 (Coe

5、rcive force)(Coercive force)指破坏磁体磁化状态所需之力也就是使磁感指破坏磁体磁化状态所需之力也就是使磁感沿磁滞回线减少至零时所需的磁场强度沿磁滞回线减少至零时所需的磁场强度矫顽力大矫顽力大 硬磁材料硬磁材料矫顽力小矫顽力小 软磁材料软磁材料 l磁路结构磁路结构 (Magnetic circuit (Magnetic circuit structure)structure)ll一般永磁体场强不大于一般永磁体场强不大于0.50.5医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l开放（开放（孩子、幽闭症、介入孩子、幽闭症、介入）l系统构造简单系统构造简单l不产生热不产生热l

6、运行成本低运行成本低l维护费用低维护费用低 l寿命长寿命长l永磁体场强对温度非常敏感永磁体场强对温度非常敏感(0.1 0.1 C C)。例如，例如，Nd-Fe-BNd-Fe-B磁体温度升高磁体温度升高1 1 C C，磁，磁场降低约场降低约1000ppm1000ppm；医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍1.1.电磁理论电磁理论(Electromagnetism theory)(Electromagnetism theory):l线圈中有电流时会产生磁场，并会导致线圈中有电流时会产生磁场，并会导致线圈温升。线圈温升。医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍 Air-cored res

7、istive magnet Air-cored resistive magnet constructed using four coils constructed using four coils arranged either arranged either horizontallyhorizontally or or verticallyvertically.Air-cored resistive magnetsIron-cored resistive magnets医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l2.2.材料的选择材料的选择铜（铜（CopperCopper）：电导率大、密度

8、大、：电导率大、密度大、价格高、产热少；价格高、产热少；铝（铝（AluminumAluminum）：电导率小、密度小、：电导率小、密度小、价格低、产热多；价格低、产热多；线圈产生的热量由线圈产生的热量由去离子去离子水带走水带走l3.3.稳定性稳定性 不太好不太好l4.4.均匀性均匀性 不太好不太好医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l1.1.超导理论超导理论:当温度当温度T T降低到临界温度降低到临界温度(critical temperature),(critical temperature),电阻突然变为电阻突然变为0(0(测测量不出量不出)。电流可永无休止的流动。电流可永无休止的流

9、动。l超导磁体可产生强磁场超导磁体可产生强磁场l超导材料临界温度：超导材料临界温度：普通铅（普通铅（PlumbumPlumbum）:7.47.4K K铌钛合金铌钛合金（NiobiumTitaniumNiobiumTitanium）:2020K K稀土陶瓷稀土陶瓷(Ceramic):(Ceramic):100100K K 医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍2 2.超导材料类型超导材料类型:lII:II:Ni(Ni(铌铌)、V(V(钒钒)、Tc(Tc(锝锝)alloy or)alloy or compoundcompoundlI:I:other other MR:MR:Type IITy

10、pe II Mullity NbTi alloy filaments Mullity NbTi alloy filaments complex lead(complex lead(铌钛合金多芯复合超导线铌钛合金多芯复合超导线 位位于铜基中于铜基中)is very popular,and it can)is very popular,and it can load 700A.load 700A.医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍3.3.超导材料的选择：超导材料的选择：l可负载大电流可负载大电流l可保持超导状态可保持超导状态(4.24.2K He)K He)lMR MR 系统提供的低温制

11、冷装置系统可使系统提供的低温制冷装置系统可使所选超导材料保持超导状态；所选超导材料保持超导状态；l超导材料要有合适的物理特性：超导材料要有合适的物理特性：可塑性可塑性(plasticity)(plasticity)和和柔韧性柔韧性(pliability)(pliability)医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍Early SC magnet医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍lNbTiNbTi纤维包埋纤维包埋在铜材中在铜材中 l铜材在失超时铜材在失超时保护超导线圈保护超导线圈超导磁体线圈：

12、超导磁体线圈：基于均匀性的考虑常使用基于均匀性的考虑常使用 4-8组独立线圈组独立线圈医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l场强场强l均匀性均匀性l稳定性稳定性医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l信噪比信噪比l图像细节图像细节l速度速度l功能成像功能成像llButBut！医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍化学位移伪影化学位移伪影RF功率沉积功率沉积l高场强设备发射机功率通常是高场强设备发射机功率通常是10251025kW，利利用用SAR对其加以限制，尤其是对其加以限制，尤其是1.51.5T时，时，RF沉积将限制重复时间。沉积将限制重复时间。RF穿透性穿透性lRF场在

13、人体组织内感应电流，部分抵消了场在人体组织内感应电流，部分抵消了RF场，降低了场，降低了RF脉冲穿透组织的深度，导致脉冲穿透组织的深度，导致RF激发的成像容积不均匀。激发的成像容积不均匀。T1弛豫时间弛豫时间lT1弛豫时间随场强增加而增加，更易发生饱弛豫时间随场强增加而增加，更易发生饱和，使和，使SNR与场强不成正比。与场强不成正比。医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍更高的梯度要求更高的梯度要求l梯度场随场强成比例地增强梯度场随场强成比例地增强l要求驱动放大器的功率增加要求驱动放大器的功率增加l噪音更大噪音更大价格价格l一般情况场强高，价格高。一般情况场强高，价格高。对人群的影响对人

14、群的影响l更易对其他病人和设备产生影响，更应更易对其他病人和设备产生影响，更应考虑杂散场。考虑杂散场。医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍 a fully loaded pallet jack that has been sucked into the bore of an MRI system.医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍MRI系统不同磁体类型比较系统不同磁体类型比较医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍I.I.低温系统低温系统l维持低温使超导线圈处于超导状态；维持低温使超导线圈处于超导状态；l低温容器低温容器(DewarDewar)磁体线圈位于磁体线圈位于De

15、warDewar中；中；DewarDewar必须有好的绝热性能必须有好的绝热性能(adiabaticadiabatic)医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍II II 制冷剂制冷剂l液氮（液氮（Liquid NitrogenLiquid Nitrogen）77K77Kl液氦（液氦（Liquid Helium Liquid Helium）4 4 K K为了把液氦、超导线圈与环境分割开为了把液氦、超导线圈与环境分割开来，需要低温保持器来，需要低温保持器(cryostat)20K,70K(80K)液氦量的测量液氦量的测量 医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍Helium Helium

16、 levellevel医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍1 1励磁过程（励磁过程（ExcitationExcitation processprocess）A.A.冷却磁体（冷却磁体（Cooling magnetCooling magnet）：主磁体线圈：主磁体线圈处于超导状态处于超导状态B.B.线圈加载（线圈加载（Windings are loaded Windings are loaded currentcurrent）：）：注入电流注入电流电流注入过程（电流注入过程（Loading processLoading process）：）：医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍1

17、)加热超导开关加热超导开关使使之无效；之无效；2)线圈两端线圈两端加载电加载电压压在线圈内感应电在线圈内感应电流；流；3)当当B0符合要求时，符合要求时，关闭加热器关闭加热器，超导，超导开关恢复超导状态；开关恢复超导状态；4)电流在超导线圈电流在超导线圈内循环流动。内循环流动。医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍 UH-加热电压 (超导开关)ULILULUH make is not SC;IL increasing with the effect of UL;B increasing linearly with t;UL gradually decreasing,till to 0 w

18、hen B0 is acquired;Turn off UHIL decreasing to 0.di/dt=-UL/L医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍lTurn on S switchlUH -turn offlAdjust I of MPSlI and Sl-ULlIL=0,UL=0lTurn off and UHlEnergy=0 UHILULS医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍3.3.失超失超(Q Quench)uench)l超导线圈的部分不再是超导状态，线圈储存的超导线圈的部分不再是超导状态，线圈储存的能量部分变成热能散出能量部分变成热能散出 ；l热能使线圈其他

19、部分加热继而失去超导状态产热能使线圈其他部分加热继而失去超导状态产生更多的热量，恶性循环直至遍及整个磁体发生更多的热量，恶性循环直至遍及整个磁体发生失超；生失超；l失超使设备经历剧烈的热胀冷缩和磁力变化，失超使设备经历剧烈的热胀冷缩和磁力变化，使原有有源、无源匀场失效。使原有有源、无源匀场失效。医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l失超原因：失超原因：Flux jump（磁通跳跃）（磁通跳跃）释放能量释放能量Friction resulting heat（摩擦生热）（摩擦生热）线圈的微小运动线圈的微小运动l失超导致失超导致：B0 的崩溃瓦解的崩溃瓦解液氦迅速沸腾液氦迅速沸腾（boili

20、ng-off）医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l爆破膜爆破膜(Bursting-disks)Bursting-disks)在高压下爆破，在高压下爆破，使得大量的气氦溢出低温保持器。使得大量的气氦溢出低温保持器。l自发的失超自发的失超(Spontaneous quenches)Spontaneous quenches)很少很少发生发生!l如果需要失超，线圈储存的电能沉积在假负如果需要失超，线圈储存的电能沉积在假负荷（荷（dummy load dummy load）避免损伤磁体（这是一）避免损伤磁体（这是一个耗费昂贵的过程）。个耗费昂贵的过程）。医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细

21、介绍失超保护二极管和失超保护电阻失超保护二极管和失超保护电阻Quench protection diode and resistance低阻通路SIEMENS OR 41 AS失超失超:100V电压电压限制限制 励磁励磁/退磁退磁:10V电压电压医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍I.I.屏蔽（屏蔽（Shielding Shielding）l边缘场（边缘场（Fringe field Fringe field）l杂散场（杂散场（Stray fieldStray field）l杂散场，特别是超导磁体的杂散场在各个方杂散场，特别是超导磁体的杂散场在各个方向上会伸出磁体，对外围产生影响向上会伸

22、出磁体，对外围产生影响lFDA 5GFDA 5G医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l无源屏蔽、被动屏蔽无源屏蔽、被动屏蔽 (Passive shieldingPassive shielding)房间屏蔽房间屏蔽(Room shieldingRoom shielding):铁磁性材铁磁性材料料 对建筑结构有依赖性，分场地设计；屏对建筑结构有依赖性，分场地设计；屏蔽材料厚度小、面积大；蔽材料厚度小、面积大；自屏蔽自屏蔽(Self-shielding Self-shielding):在磁体孔在磁体孔径内放置铁磁性材料径内放置铁磁性材料(Iron plates)(Iron plates)；有

23、可；有可能给匀场增加困难；能给匀场增加困难；医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l有源屏蔽、主动屏蔽有源屏蔽、主动屏蔽(Active shieldingActive shielding):):载有反向电流的线圈绕组降低杂散场；载有反向电流的线圈绕组降低杂散场；有源屏蔽的磁体重量轻，但由于有源屏蔽的磁体重量轻，但由于B B0 0被抵消被抵消一些，需多用超导线、杜瓦体积大些）；一些，需多用超导线、杜瓦体积大些）；常导常导有源屏蔽有源屏蔽(ResistiveResistive)超导超导有源屏蔽有源屏蔽(SCSC)医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l优质的优质的MRMR图像对图像对B

24、 B0 0的均匀性和稳定性有高要的均匀性和稳定性有高要求；求；l匀场方法匀场方法 :无源匀场无源匀场（被动匀场）（被动匀场）(Passive Passive，后后进行进行)有源匀场有源匀场（主动匀场）（主动匀场）(ActiveActive ，先进先进行行)CombinationCombination of both of both医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍1.1.无源匀场无源匀场(Passively shimming)(Passively shimming)l在磁体周围放置铁片校正；铁片放置的在磁体周围放置铁片校正；铁片放置的数量数量和和位置位置经过特殊的匀场程序计算出来；经

25、过特殊的匀场程序计算出来；l可校正可校正高次高次磁场不均匀性；磁场不均匀性；l材料价格便宜；材料价格便宜；l不需要昂贵的高精度电源；不需要昂贵的高精度电源；l当需要更高度的均匀度或均匀性可调时必须用当需要更高度的均匀度或均匀性可调时必须用有源匀场；有源匀场；医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍2.2.有源匀场（有源匀场（Actively shimmingActively shimming）l一系列载流绕组排列在磁体孔径的柱形管上，一系列载流绕组排列在磁体孔径的柱形管上，每个绕组产生的校正磁场与球形谐波展开式每个绕组产生的校正磁场与球形谐波展开式的一个系数近似；的一个系数近似；l必须避免

26、这些绕组与磁体和梯度线圈的相互必须避免这些绕组与磁体和梯度线圈的相互影响；影响；l线圈中的电流在系统安装期间确定并保持不线圈中的电流在系统安装期间确定并保持不变，直到有工程师进行再匀场时才改变；变，直到有工程师进行再匀场时才改变；医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍主磁场线圈超导匀场线圈常导匀场线圈梯度线圈位于磁体低温容器内位于孔径内l有源匀场使用的线圈绕组有三类：超有源匀场使用的线圈绕组有三类：超导匀场线圈、常导匀场线圈和梯度线圈导匀场线圈、常导匀场线圈和梯度线圈医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l1.5T1.5Tl18 18 个超导匀场线圈（高阶个超导匀场线圈（高阶)l隔

27、热屏散热系统（压缩机和冷头）隔热屏散热系统（压缩机和冷头）l排气系统和电流探头直插式排气系统和电流探头直插式l低温容器流速表和压力表便于观察低温容器流速表和压力表便于观察l液氦侧罐口，易于补充液氦侧罐口，易于补充 医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l主线圈电流为主线圈电流为734.5A734.5Al主超导开关与主线圈和串联电阻并行连接主超导开关与主线圈和串联电阻并行连接 无阻通路无阻通路l开关的开关的超导状态超导状态：持久模式（：持久模式（persistent)persistent)l开关的开关的有阻状态有阻状态：有阻模式（：有阻模式（resistive)resistive)l紧急失

28、超：主线圈放置有另外的加热器，使主紧急失超：主线圈放置有另外的加热器，使主磁场快速退磁（磁场快速退磁（rundown).rundown).l失超保护装置与主线圈并联，在失超或紧急退失超保护装置与主线圈并联，在失超或紧急退磁时保护主线圈。磁时保护主线圈。医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l1818个超导匀场线圈位于液氦容器内用于磁体匀个超导匀场线圈位于液氦容器内用于磁体匀场调节；场调节；l匀场调节程序需要的数据通过测绘装置和探头匀场调节程序需要的数据通过测绘装置和探头获得；获得；lZ2Z2、Z4Z4、Z6Z6：容积内各处的磁场；：容积内各处的磁场；lZ1Z1、Z3Z3、Z5Z5：磁体后

29、端的磁场；：磁体后端的磁场；lC11+C11+、C11-C11-、C22-C22-、C31C31、C33C33）：横向偶数线）：横向偶数线圈圈lS11+S11+、S11-S11-、X22+X22+、S22-S22-、S31S31、S33S33：横向奇：横向奇数线圈数线圈医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l磁体低温容器磁体低温容器(Magnet cryostat(Magnet cryostat）：包含包含6 6个超导主线圈、个超导主线圈、1818个超导匀场线圈、个超导匀场线圈、1818个超导开关和开关加热器、失超保护装置；硅个超导开关和开关加热器、失超保护装置；硅二极管、超导液氦液面探

30、测器和压力传感器位二极管、超导液氦液面探测器和压力传感器位于低温容器内，分别监视低温容器的温度、液于低温容器内，分别监视低温容器的温度、液氦液面和压力；氦液面和压力；l制冷剂监视器制冷剂监视器(Cryogen monitor)(Cryogen monitor)：装在机架上：装在机架上与液氦液面传感器相连；与液氦液面传感器相连；医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l隔热屏散热压缩机隔热屏散热压缩机(Heat insulation screen(Heat insulation screen radiator compressor)radiator compressor):位于机柜间与位于机

31、柜间与MRMR的冷的冷头相连，对气氦进行压缩。头相连，对气氦进行压缩。l磁体紧急退磁装置磁体紧急退磁装置(Magnet emergency Magnet emergency demagnetization devicedemagnetization device)：装在墙壁上，与一：装在墙壁上，与一组主线圈的加热器相连。按下按钮，给主线圈组主线圈的加热器相连。按下按钮，给主线圈加热器供电，磁场快速降落加热器供电，磁场快速降落(2(2分钟内分钟内,20%,20%以下以下)l液氦挥发率液氦挥发率(Volatilization velocity of Volatilization velocity

32、of liquid Heliquid He)应小于应小于0.2l/h0.2l/hl励磁励磁/退磁、超导匀场退磁、超导匀场：严格遵守手册中的步骤；：严格遵守手册中的步骤；医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l磁体维护磁体维护/部件更换部件更换：挥发增加：挥发增加l挥发长期超标：挥发长期超标：隔热屏散热器工作不正常隔热屏散热器工作不正常热热-声振荡声振荡真空受损真空受损低温容器内部热短路低温容器内部热短路低温容器外部结冰通常是真空问题或热短路低温容器外部结冰通常是真空问题或热短路医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l温度温度检测二极管：检测二极管：硅二极管，位于磁体支持物的上部和底

33、部，硅二极管，位于磁体支持物的上部和底部，监视内部支持物温度；监视内部支持物温度；还有位于隔热屏散热器安装套管的第一级和还有位于隔热屏散热器安装套管的第一级和第二极接口点，用于温度检测和故障查找；第二极接口点，用于温度检测和故障查找；l超导液氦超导液氦液面液面传感器：位于低温容器内，传感器：位于低温容器内，l低温容器低温容器压力压力传感器传感器医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l梯度场梯度场:随位置线性变化随位置线性变化医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍I.I.主要部件主要部件 :l梯度波形发生器梯度波形发生器 l梯度驱动级梯度驱动级 l梯度功率放大器梯度功率放大器l 梯度

34、线圈梯度线圈lothersothers医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍1.1.结构结构lG Gz:z:一对环形线圈一对环形线圈(Maxwell pair coilsMaxwell pair coils)流有反向电流流有反向电流lG Gy y:Golay configurationGolay configuration,4,4 个线圈个线圈位于圆柱体外部位于圆柱体外部l G Gx x:Golay coils(rotate 90:Golay coils(rotate 90)医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍麦克斯韦对麦克斯韦对Golay线圈线圈同圆线圈，线圈间距同圆线圈，线圈

35、间距=31/2R反向电流反向电流Bz=Gz(0)z+O(z/d)5校正到校正到5阶阶8个个120 圆弧圆弧近圆弧处对中心张角近圆弧处对中心张角68.7 远端圆弧张角为远端圆弧张角为21.3 ，距中垂面距离为距中垂面距离为2.57R（效（效率和回路）率和回路）医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l梯度线圈设计方法一般采用梯度线圈设计方法一般采用目标场方法目标场方法的逆向设计方法的逆向设计方法l根据期望的梯度场用傅立叶变化倒推电根据期望的梯度场用傅立叶变化倒推电流密度分布；流密度分布；l已应用于设计涡流自屏蔽梯度线圈。已应用于设计涡流自屏蔽梯度线圈。医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细

36、介绍2.2.梯度脉冲波形梯度脉冲波形:l梯形梯形(trapezoidaltrapezoidal)l一个上升沿一个上升沿(sloping risesloping rise)后后跟一个平台跟一个平台(flat flat plateauplateau)和一个下和一个下降沿降沿(sloping sloping fallfall)。Gl梯度强度梯度强度G(strength)单位距离内场强的变化单位距离内场强的变化量，量，in mT/m;l上升时间单位是上升时间单位是 s,一般值在一般值在 1000 s 200 s.l梯度场切换率梯度场切换率(slew rate)是单位时间单位距离是单位时间单位距离的场强

37、变化。一般在的场强变化。一般在20-150T/m.s.医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍3.梯度线圈充电特性梯度线圈充电特性:l响应时间响应时间 :=L/Rl假定假定 300V,=1mH,=100ml如果给梯度线圈的供电时间达到如果给梯度线圈的供电时间达到5。序列所需要的电。序列所需要的电流值一般最大在流值一般最大在200A的范围内，这时可看成是线性，的范围内，这时可看成是线性，电流上升的速率也最快（大约电流上升的速率也最快（大约0.6 ms内达到内达到160A的电的电流）。流）。lL 上升速率上升速率 l如电流上升速率比线如电流上升速率比线圈特性允许的快，需圈特性允许的快，需提高提

38、高梯度功率放大器梯度功率放大器医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍4.4.梯度线圈的噪声（噪音）梯度线圈的噪声（噪音）l不断变化的梯度电流是梯度线圈产生振不断变化的梯度电流是梯度线圈产生振动（声频范围动（声频范围 噪音）；噪音）；l噪音与梯度场变化速率或电流变化率有噪音与梯度场变化速率或电流变化率有关；关；ldi/dtdi/dt越大，噪音越大。越大，噪音越大。医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍III.III.梯度放大器梯度放大器 l实质是音频电流放大器，负载时大电感、实质是音频电流放大器，负载时大电感、小电阻；小电阻；l根据标称梯度电流的根据标称梯度电流的大小大小和和方向方向

39、以预设的以预设的方式向线圈传递能量，驱动电流流过梯度方式向线圈传递能量，驱动电流流过梯度线圈产生梯度磁场；线圈产生梯度磁场；l梯度线圈梯度线圈 梯度放大器的梯度放大器的负载负载；l放大器种类放大器种类Linear amplifier(Linear amplifier(线性放大器线性放大器)On-off amplifierOn-off amplifier（开关式放大器）（开关式放大器）医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍线性放大器线性放大器 :l三极管三极管(dynatron)(dynatron)的功率损耗的功率损耗P Plossloss很大；很大；总消耗功率PPloss of dyna

40、tronPAIUr300VPloss=UI-I2R线圈负载电阻功率消耗医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍开关式放大器开关式放大器（On-off amplifierOn-off amplifier，usually adopted)usually adopted)l全额输出、完全截至全额输出、完全截至l三极管功率损失降低，提高放大器工作效率三极管功率损失降低，提高放大器工作效率开关三极管医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l梯度功放后级主要由梯度功放后级主要由电子开关电子开关(场效应管、场效应管、双极性三极管双极性三极管)、单单向二极管向二极管(free-wheeling dio

41、de)、储储能和滤波电容能和滤波电容、线圈、线圈组成；组成；)1()(/TtLIbattcoileRRUtI开关闭合：开关闭合：开关闭合后电流指数上升开关断开：开关断开：梯度线圈电感特性试图保持电流的稳定；梯度线圈相当于是电流源，驱动电流流经单向二极管。l开关三极管的切换开关三极管的切换频率必须与系统时频率必须与系统时钟同步钟同步，且固定；，且固定；医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l通过改变脉冲通过改变脉冲占空比占空比，可以调节电流的平均，可以调节电流的平均高度值。高度值。lG Gmaxmax主要受主要受梯度电源梯度电源限制；当给定限制；当给定G G及最小切及最小切换时间，梯度功率

42、取决于设计时的假设，但换时间，梯度功率取决于设计时的假设，但总体上是随着梯度线圈半径的总体上是随着梯度线圈半径的4545次幂增加；次幂增加；l增加梯度线圈绕组数量可减少电流需求，但增加梯度线圈绕组数量可减少电流需求，但会增加会增加L L，即增加，即增加；要提高切换速率需要相；要提高切换速率需要相应地增加电压。应地增加电压。医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l典型的电流典型的电流:200A300A:200A300Al为快速切换，梯度电源必须能够支持电为快速切换，梯度电源必须能够支持电流以流以300A/s300A/s或更快的速率变化，这意味或更快的速率变化，这意味着典型的着典型的1mH1

43、mH线圈最小需要线圈最小需要300V300V电压脉冲，电压脉冲，还要有些剩余来还要有些剩余来弥补线圈和导线的阻抗弥补线圈和导线的阻抗损失损失。l由于梯度决定了空间频率域的采样点，由于梯度决定了空间频率域的采样点，因此梯度必须高度稳定，梯度电源必须因此梯度必须高度稳定，梯度电源必须极其精确。极其精确。医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l梯度波形发生器数字信号经D/A转换得到模拟标称电流值 I0 ；实际值减去标称值I-I0 调节器医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍梯度线圈电流测量利用梯度线圈电流测量利用精确直流传感器精确直流传感器（LEM法文缩写法文缩写)无接触测量；无接触测量

44、；基于基于Hall效应效应 Hall effectU=kIB/d医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍LEM利用磁芯绕组的补偿电流，使空气间隙的磁场忽略不计，利用磁芯绕组的补偿电流，使空气间隙的磁场忽略不计，这个补偿电流等于梯度电缆中电流平均值的千分之一。这个补偿电流等于梯度电缆中电流平均值的千分之一。医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍稳定性、精度、速度Measure医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍lPIDPID:相当于积分器相当于积分器(integrator)(integrator)比例比例(Proportion)(Proportion)调节器调节器:积分电路的一

45、个时积分电路的一个时间常数间常数(Time constantTime constant)使使高频时相移为高频时相移为0 0，改进，改进闭环的稳定性；闭环的稳定性；StabilityStability积分积分(Integrator)(Integrator)调节器调节器:调节输出调节输出脉冲宽度脉冲宽度，使使低频低频误差信号为误差信号为0 0；AccuracyAccuracy微分微分(Derivative)(Derivative)调节器调节器:预测滤波器的电压来预测滤波器的电压来允许更高的环路增益；允许更高的环路增益；Speed Speed lPID SASPID SAS，弥补各自的不足，弥补各自

46、的不足(微分调节器的稳态微分调节器的稳态偏差和积分调节器的调节速度慢偏差和积分调节器的调节速度慢)。l调节器的输出信号调节器的输出信号(控制信号控制信号)与三角波电压进行比与三角波电压进行比较，得到经脉冲宽度调制的四个触发信号，产生后较，得到经脉冲宽度调制的四个触发信号，产生后级功率三极管所需的开关脉冲。级功率三极管所需的开关脉冲。医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍Stability,Speed,AccuracyMeasure医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍S1S4：场效应管+G:正向梯正向梯度电流度电流(场效场效应管应管S2和和S3工作工作);-G:负向梯负向梯度电流度

47、电流(场效场效应管应管S1和和S4)。+G、-G，梯度电源不梯度电源不供给能量，供给能量，梯度线圈释梯度线圈释放出来的能放出来的能量送给储能量送给储能电容电容C。医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l梯度场的快速切换在周围导电材料中感应出涡流梯度场的快速切换在周围导电材料中感应出涡流l涡流随涡流随G G及其变化率变化。一旦达到一个稳定的及其变化率变化。一旦达到一个稳定的平台值，涡流开始衰减。涡流的衰减可用指数函平台值，涡流开始衰减。涡流的衰减可用指数函数近似，其数近似，其=L/R=L/R是由导电材料的、有效电感是由导电材料的、有效电感决定。决定。医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细

48、介绍l对于对于“高温导体高温导体”，R R随着温度近似线性地增加随着温度近似线性地增加l对于超导磁体，对于超导磁体，通常由通常由制冷层的传导率制冷层的传导率以及以及有有效电感效电感决定决定低温屏蔽层由温度大约低温屏蔽层由温度大约70K70K的铝组成，产生的涡流的铝组成，产生的涡流具有很长的具有很长的；RFRF体线圈的铜屏蔽体线圈的铜屏蔽(约约300K)300K)感应的涡流感应的涡流 短；短；l涡流效应相当于把梯度场脉冲进行涡流效应相当于把梯度场脉冲进行低通滤波低通滤波l如对涡流不加任何补偿，如对涡流不加任何补偿，I IG G脉冲会产生畸变脉冲会产生畸变医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介

49、绍lRC 元件元件使电流预畸变重新产生期望的使电流预畸变重新产生期望的梯度场脉冲梯度场脉冲 ;l预先补偿梯度的驱动电流预先补偿梯度的驱动电流可以达到对可以达到对涡流的抑制涡流的抑制 ；l有源屏蔽梯度有源屏蔽梯度(better approach):避免避免涡流的动态非线性涡流的动态非线性;医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍动态修改梯度电流动态修改梯度电流当加上涡流产生的当加上涡流产生的阻挠场时，可得到阻挠场时，可得到具有合适场强和脉具有合适场强和脉冲波形的净磁场冲波形的净磁场 医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l涡流分布与梯度线圈电流分布不尽相同，偏差涡流分布与梯度线圈电流分

50、布不尽相同，偏差主要沿径向，在磁体长轴方向也同样存在；主要沿径向，在磁体长轴方向也同样存在；l由于涡流感应的磁场空间分布与梯度感应的磁由于涡流感应的磁场空间分布与梯度感应的磁场略微不同，场略微不同，预补偿梯度驱动电流不能完美地预补偿梯度驱动电流不能完美地消除空间中每一点的涡流磁场消除空间中每一点的涡流磁场；l通过合理的梯度线圈设计可使这种偏差最小；通过合理的梯度线圈设计可使这种偏差最小；l涡流随时间衰减的涡流随时间衰减的动态非线性动态非线性不可能由梯度线不可能由梯度线圈设计或预补偿梯度驱动电流来完全补偿；圈设计或预补偿梯度驱动电流来完全补偿；l用用有源屏蔽梯度有源屏蔽梯度来避免涡流的动态非线性

51、。来避免涡流的动态非线性。医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l在在梯度线圈梯度线圈和和低温容器低温容器间安放屏蔽线圈；间安放屏蔽线圈；l有源屏蔽线圈是与成像梯度线圈同轴安装的第二有源屏蔽线圈是与成像梯度线圈同轴安装的第二组梯度线圈；组梯度线圈；lI I屏蔽线圈屏蔽线圈与与I I梯度线圈梯度线圈方向相反，电流同步通断；方向相反，电流同步通断；l有源梯度屏蔽可有源梯度屏蔽可削弱成像梯度在附近制冷层中的削弱成像梯度在附近制冷层中的磁场磁场，特别是消除更高次动态空间磁场畸变；，特别是消除更高次动态空间磁场畸变；l有源梯度屏蔽的缺点是有源梯度屏蔽的缺点是较复杂、费用更高较复杂、费用更高以及对以

52、及对电源的附加需求电源的附加需求。医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍 GE GE公司公司Signa Horizon Signa Horizon 系列梯度线圈组件称为系列梯度线圈组件称为RoemerRoemer线圈：线圈：lRoemerRoemer线圈线圈由内部和外部线圈组成由内部和外部线圈组成内部梯度线圈内部梯度线圈在成像区域产生在成像区域产生10mT/m10mT/m或更高或更高的梯度场的梯度场外部梯度线圈外部梯度线圈与内部梯度线圈串联，因此两与内部梯度线圈串联，因此两组线圈中的电流幅度相同，但外部梯度线圈产组线圈中的电流幅度相同，但外部梯度线圈产生的磁场与内部梯度线圈产生的磁场方向

53、相反生的磁场与内部梯度线圈产生的磁场方向相反结果使梯度线圈组件外侧的净磁场矢量为零。结果使梯度线圈组件外侧的净磁场矢量为零。lRoemerRoemer线圈的这种自屏蔽效应使图象质量因为磁线圈的这种自屏蔽效应使图象质量因为磁体的内部结构而下降的影响大大减少了。体的内部结构而下降的影响大大减少了。医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l梯度幅度梯度幅度（Gradient magnitudeGradient magnitude ）l切换时间切换时间Switch time(Slew time)Switch time(Slew time)l切换率（切换率（Slew rateSlew rate）l最

54、大工作周期（最大工作周期（Max.work cycleMax.work cycle）:T:TG G/TR/TR梯度的工作周期越高，允许的层数越多。梯度的工作周期越高，允许的层数越多。许多制造商提供许多制造商提供100%100%，即梯度系统不会限，即梯度系统不会限制临床扫描制临床扫描医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l临床常用的高质量常规临床常用的高质量常规MRIMRI系统，强度为系统，强度为10 10 15mT/m15mT/m，上升时间为，上升时间为0.5-1ms0.5-1ms的梯度能令人满意的梯度能令人满意l快速成像方法要求快速成像方法要求MRMR系统有更高的梯度性能，如系统有更高

55、的梯度性能，如G25mT/mG25mT/m，切换时间，切换时间 0.25ms25MHz,25MHz,可使用可使用/2/2传输线；传输线；l双路双路/2/2传输线传输线可产生较好的可产生较好的B B1 1；l双路传输线必须安装在磁体里，因此比双路传输线必须安装在磁体里，因此比/2/2 短，通过在两端增加短，通过在两端增加可调电容可调电容C C，电路可对，电路可对称地缩短。称地缩短。医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍lResonance Cavity:63 MHz Resonance Cavity:63 MHz l适用于适用于2T2T以下，以下，3T3T产品没用通用体线圈产品没用通用体线

56、圈/2医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l功能：功能：发射线圈发射线圈Transmit coilTransmit coil接收线圈接收线圈Receive coilReceive coill部位部位:头线圈头线圈体线圈体线圈l相控阵线圈相控阵线圈Phased array coilsPhased array coilsl表面线圈表面线圈 只用于接收只用于接收医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍1.1.同轴电缆同轴电缆(Coaxial-cableCoaxial-cable)l传输发射功率；接收传输发射功率；接收MRMR信号；信号；l屏蔽功

57、能屏蔽功能50 特性阻抗特性阻抗医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍线长线长l/4l=/4/4 l 90dB.90dB.医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l受扫描物体可影响受扫描物体可影响B B0 0，还有线圈的，还有线圈的Q Q值和阻抗；值和阻抗；l每个病人扫描前，系统应进行调整、每个病人扫描前，系统应进行调整、校准；校准；医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍1.1.天线调整（天线调整（coil tuningcoil tuning）2.f2.f0 0 调整调整3.3.脉冲幅度校正脉冲幅度校正(发射调整发射调整)4.4.自动匀场，特别是梯度匀场线圈；自动匀场，特别是梯

58、度匀场线圈；5.5.选择脉冲序列和扫描参数；选择脉冲序列和扫描参数；6.6.Attenuate/gain Attenuate/gain（接收调整）（接收调整）病人位置变化，重复病人位置变化，重复1414；扫描参数变化，重复扫描参数变化，重复556 6；医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l发射发射-接收线圈的阻抗必须与传输线和前放接收线圈的阻抗必须与传输线和前放的的阻抗匹配阻抗匹配；l病人位置、姿势的改变可影响线圈阻抗，因病人位置、姿势的改变可影响线圈阻抗，因此必须调谐、匹配；此必须调谐、匹配；l改变改变C C使得反射使得反射RFRF功率最小功率最小(一般自动进行一般自动进行)l反射功

59、率为反射功率为0 0则达到最佳调谐和匹配；则达到最佳调谐和匹配；l线圈的线圈的Q Q越高，可接收的范围越窄，调谐、越高，可接收的范围越窄，调谐、匹配越困难。匹配越困难。医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍lAuto-tune:Auto-tune:马达（马达（motormotor）l一些表面线圈不需调节，有较宽的范围，一些表面线圈不需调节，有较宽的范围，但是但是Q Q较小；较小；l遇到调谐、匹配困难时：遇到调谐、匹配困难时：小负载小负载:添加添加盐水袋盐水袋(brine bag)brine bag)大负载大负载或有金属物：轻微或有金属物：轻微改变位置改变位置医学影像专业课程核磁共振硬件系

60、统结构详细介绍l姿势、磁化率等使得姿势、磁化率等使得B0 轻微变化；轻微变化；l在调谐、匹配后使用在调谐、匹配后使用非常短的非选择性非常短的非选择性 RF 脉冲脉冲lfresonance=f carrier wave 医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l当更换病人或位置变化，当更换病人或位置变化，MRMR系统必须系统必须调整发射脉冲幅度；调整发射脉冲幅度；l此调整过程决定此调整过程决定RFRF脉冲的脉冲的功率、功率、FAFA 和和t tp p。医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍Goffset=-t G/(TE+t)医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l调整增益得到最

61、大调整增益得到最大MRMR信号信号 signal.signal.lA/DA/D信号幅度由接收信号和接收通道的放大信号幅度由接收信号和接收通道的放大倍数决定；倍数决定；lMRMR信号受下列因素影响：信号受下列因素影响：组织参数：组织参数：T T1 1,T,T2 2 扫描参数：扫描参数：TR,TE,slice thickness,TR,TE,slice thickness,FOV FOV 系统性能参数系统性能参数 :Q:Q、去耦、去耦 医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍 医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍调整步骤调整步骤:l调整前调整前:系统基于非选择性脉冲的幅度系统基于非选择

62、性脉冲的幅度和宽度计算所选择脉冲的幅度；和宽度计算所选择脉冲的幅度；l调整中调整中 在在0 0 相位编码步下得到最大相位编码步下得到最大MRMR信号；信号；调整增益使回波最大，最大限度利用调整增益使回波最大，最大限度利用A/DA/D动态范围；动态范围；比例因子用于调整图象亮度；比例因子用于调整图象亮度；FTFT后，决定后，决定灰度；灰度；医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l主计算机主计算机 （HostHost）操作者以序列、时间和不同的几何参数等形式描操作者以序列、时间和不同的几何参数等形式描述扫描；述扫描；控制图像显示、处理，例如窗宽、窗位、硬拷贝，控制图像显示、处理，例如窗宽、窗

63、位、硬拷贝，归档和网络；归档和网络；l微处理器微处理器:由主计算机下载命令由主计算机下载命令lPulse programmer Pulse programmer(PP):(PP):主计算机命令传输至主计算机命令传输至PP,PPPP,PP控制硬件；控制硬件；PP PP 使使RFRF、梯度和数据采集的运作协调；、梯度和数据采集的运作协调；l阵列处理器阵列处理器Array processorArray processor一旦采集到数据，一个分离的计算机系统一旦采集到数据，一个分离的计算机系统-array array processorprocessor 进行图像重建；进行图像重建；医学影像专业课程核

64、磁共振硬件系统结构详细介绍l1.MR1.MR系统主要由哪几部分组成？系统主要由哪几部分组成？l2.MR2.MR主磁体类型有哪些？各有什么优缺主磁体类型有哪些？各有什么优缺点？点？l3.3.对于超导磁体，如何励磁？对于超导磁体，如何励磁？l4.4.对于超导体为什么会出现失超？此时对于超导体为什么会出现失超？此时如何保护主磁体？如何保护主磁体？l5.5.主磁场匀场和屏蔽的方法有哪些？主磁场匀场和屏蔽的方法有哪些？l6.6.梯度系统中梯度系统中PID PID 各部分的作用？各部分的作用？医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍l7.MR7.MR成像设备产生的噪音是哪个系统产生的？成像设备产生的噪音是哪个系统产生的？l8.8.梯度系统功率放大器使用的是什么种类的梯度系统功率放大器使用的是什么种类的放大器？放大器？l9.9.涡流补偿的方法有哪些？涡流补偿的方法有哪些？l10.10.可用于高场的可用于高场的RFRF线圈构型有哪些？线圈构型有哪些？l11.T/R11.T/R转换开关原理电路分析。转换开关原理电路分析。l12.RF12.RF通路中通路中T T通路分析。通路分析。l1313系统调节中，如果负载过小难以调谐如何系统调节中，如果负载过小难以调谐如何处理？处理？医学影像专业课程核磁共振硬件系统结构详细介绍下载核磁共振小助手获取更多核磁资料可，百度网盘下载地址：http:/