MRI技术——磁体与系统

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1、MRI 技术磁体与系统3.1 引言磁共振成像magnetic resonance imaging，MRI技术是利用人体内原子核在磁场内与外加射频磁场发生共振，而产生影像的成像技术。MRI 是随着计算机技术的飞速进展以及在X 线CT 的临床应用根底上进展起来的一种型医学数字成像技术。由于它既能显示形态学构造，又能显示原子核水平上的生化信息，还能显示某些器官的功能状况，以及无辐射等诸多优点， 已越来越广泛地应用于临床各系统的检查诊疗中。随着 MRI 技术的不断改进，其功能日趋完善，应用范围不断拓宽，是当今医学影像学领域进展最快、最具潜力的一种成像技术。磁共振成像设备简称为“MRI 设备”在我国卫生

2、部被列为乙类大型医用影像设备，医院需要特别申请配置许可证。MRI 设备在临床上的应用日益广泛， 在各系统疾病的诊断中扮演着越来越重要的角色，对于疾病的诊断有不行替代的作用。该设备的配置集中表达着医院临床诊疗、以及科研工作的水平。磁共振成像设备简称 MRI 设备主要由以下四局部构成：磁体系统、梯度磁场系统、射频系统、计算机及图像处理等系统组成，各系统间相互连接，由计算机把握、协调。对于超导 MRI 设备，低温保障冷却系统也是其重要组成局部。实际的磁共振成像系统为了加快图像处理速度，一般都配备专用的图像处理阵列单元；为了实施特别成像如心脏门控、脑功能争论等，还要有对生理信号心电、脉搏、无创、有创血

3、压、血氧饱和度、氧分压、二氧化碳分压等 进展采集、处理、分析的单元。为了实现实时脑功能成像，需要配置特别的高性能计算机柜，射频脉冲实时跟踪，试验刺激的产生、传输可通过波导孔及把握，数据的全自动后处理系统等。图像的硬拷贝输出设备如激光相机、软拷贝输出设备如 CDR/RW、DVDR/RW、MOD 等光盘驱动器也是必备的。3.2 磁体系统磁体系统是 MRI 设备产生成像所必需的静磁场static magnetic field的关键部件。磁体的主要性能指标是其产生的磁场强度、均匀度、稳定性及孔径大小等，这些性能指标直接关系到整个系统的信噪比和成像质量。几乎全部的厂家都在努力追求能够制造出高质量、尽可能

4、高的磁场强度、优良的磁场均匀度、稳定牢靠、尽可能大的开放孔径、以及尽可能短的磁体。3.2.1 磁体系统的组成磁体系统的根本功能是为 MRI 设备供给满足特定要求的静磁场，除了磁体之外，还包括匀场线圈、梯度线圈、以及射频放射和接收体线圈又称为内置体线圈，Build-in Body Coil等组件。上述三个线圈依次套叠在磁体内腔中，使磁体孔径进一步变小。匀场线圈可进一步提高磁场的均匀性；梯度线圈解决被检测体的空间区分率、空间定位、层面选择等成像问题；射频放射和接收体线圈用于放射射频脉冲以激发被检测体产生 MR 信号，同时负责接收 MR 信号。对于超导磁体还必需拥有高真空、超低温的杜瓦容器，以维持超

5、导线圈的超低温环境。与磁体、匀场线圈和梯度线圈相连接的是它们各自的电源，即磁体电源、匀场电源及梯度电源永磁体不需磁体电源。上述三种电源在把握单元的作用下供给高质量的电流，以保证整个系统磁场的均匀和稳定。3.2.2 磁体的性能指标磁体系统对于 MRI 设备的重要性不亚于鱼对水的依靠性，由磁体系统产生、均匀稳定的静磁场是磁共振成像的“基石”，“基石”的性能打算着 MRI 设备“大厦”的品质。3.2.2.1 主磁场强度MRI 设备的磁体在其扫描检查孔径内、Z 轴沿磁体孔洞方向确定长度范围内1.5T 超导 MRI 设备通常50 厘米产生磁场强度即主磁场强度均匀分布的静磁场，即主磁场B0。增加主磁场强度

6、，可提高图像的信噪比SNR。MRI 图像质量与主磁场强度、主磁场均匀性、梯度线圈、射频接收线圈等诸多因素相关。目前应用于临床的 MRI 设备主磁场强度大多为0.15 3.0T特斯拉，tesla，为磁场强度单位，1 特斯拉=10000 高斯，磁场强度越高，组织的磁化强度越高，产生的磁共振信号强度越强。在确定范围内， 磁场强度越高，影像的信噪比越大，信噪比近似与磁场强度成线性关系。但高场强也有一些不利因素，例如在高场强中化学位移伪影较明显，对运动较敏感而更易产生伪影。主磁场强度的凹凸与磁体以及整机的造价成正比， 目前0.35TMRI 设备市场价格一般在600 万元人民币左右，而进口一台 3.0TM

7、RI 设备则需花费 2023 万元人民币。因此用户需要在整机价格、主磁场强度、图像质 量三者中进展比较、平衡、选择。提高场强的唯一途径就是承受超导磁体。随着超导材料价格和低温制冷费用的下降，超导 MRI 设备的性能价格比不断提升。兴盛国家中 1.5T 以上的超导MRI 设备已经相当普及；3.0TMRI 设备从 2023 年起， 开头大规模进入临床；美国通用电气GE、德国西门子SIEMENS、荷兰飞利浦PHILIP均已开发并向市场推出 7.0T 的超高场 MRI 设备，用于人体成像的试验争论；与此同时在美国芝加哥 9.4TMRI 设备正在用于人体成像争论。但是由于超高磁场强度静磁场对人体的生物效

8、应尚不愿定，超高场 MRI 设备产品尚不成熟，以及相关国家的有关法律或规章对其应用还有限制等缘由，7.0T 及以上的超高场系统至今未能广泛用于临床，但应用争论的文献已有很多发表。与高磁场强度 MRI 设备的进展相反，近年来高性能的低场开放型永磁 MRI 设备备受市场和用户的青睐、厚爱。这不仅与它所具有的优良的性能价格比有关， 也与设备制造商在竭尽努力将中高场磁共振系统的部 件和技术移植、“下嫁”到低场平台，使其整机性能、 图像质量大大改善直接相关。3.2.2.2 磁场均匀度磁场均匀度homogeneity，又称磁场均匀性，是指在特定容积限度内磁场的同一性，即穿过单位面积的磁力线是否一样。这里的

9、特定容积通常取一球形空间。磁场均匀度的单位为 ppmpart per million，即特定空间中磁场最大场强与最小场强之差除以平均场强再乘以一百万。MRI 对磁场的均匀度要求很高，在成像范围内的磁场均匀度打算图像的空间区分力和信噪比。磁场均匀度差将会使图像模糊和失真。磁场均匀度由磁体本身的设计和外部环境打算，磁体的成像区域越大，其所能到达的磁场均匀度越低。磁场的稳定性是衡量磁场强度随着时间而漂移程度的指标，在成像序列周期内磁场强度的漂移对重复测量的回波信号的相位产生影响，引起图像失真、信噪比下降。磁场的稳定性与磁体的类型和设计的质量亲热相关。磁场均匀度标准的规定与所取测量空间的大小和外形有关

10、，一般承受与磁体中心同心的、直径确定的球体空间做为测量范围。通常磁场均匀度的表示方法是在测量空间确定的状况下，磁场强度在该给定空间的变化范围ppm 值，即以主磁场强度的百万分之一ppm作为一个偏差单位来定量表示的，通常将这个偏差单位称为 ppm，这称为确定值表示法。例如整个扫描检查孔径圆柱体范围内的磁场均匀度为 5ppm；而与磁体中心同心的、直径为 40cm 和 50cm 的球体空间内的磁场均匀度分别是 1ppm 和 2ppm；还可表示为：被测标本区每立方厘米的立方体空间内磁场均匀度为0.01ppm。无论何种标准，在所取测量球大小一样的前提下，ppm 值越小说明磁场均匀度越好。以 1.5TMR

11、I 设备为例，一个偏差单位1ppm所 代表的磁场强度的漂移波动为 1.510-6T。也就是说， 在 1.5T 的系统中，1ppm 的磁场均匀度意味着：该主 磁场在 1.5T 磁场强度的本底根底上存在 1.510-6T0.0015mT的漂移波动。明显，在不同场强的 MRI 设备中，每个偏差单位或 ppm 所代表的磁场强度的变化是不同的，从这个角度讲，低场系统对于磁场的均匀度要求可以低一些见表3-1。有了这样的规定之后，人们就能够用均匀度标准对不同场强的系统，或同一场强的不同系统便利地进展比较，以便客观评价磁体的性能。在实际测量磁场均匀度之前首先需要准确定出磁体中心，然后在确定半径的空间球体上布置

12、场强测量仪高斯计探头，并逐点24 平面法、12 平面法 测量其磁场强度，最终处理数据、计算整个容积内的磁场均匀度。磁场均匀度是会伴随四周环境变化的。即使一个磁体在出厂前已到达了某一标准工厂保证值，但是安装后由于磁自屏蔽、射频屏蔽门窗、波导板管、磁体间和支持物中的钢构造、装修装饰材料、照明灯具、通风管道、消防管道、紧急排风扇、楼上楼下楼旁的移动设备甚至汽车、电梯等环境因素的影响，其均匀度会转变。因此，均匀度是否到达磁共振成像要求，应以最终验收时的实际测量结果为标准。磁共振生产厂家安装工程师在工厂或医院现场所做的被动匀场和超导匀场线圈主动匀场工作是提高磁场均匀度的关键措施。MRI 设备为了在扫描过

13、程中对所采集的信号进展空间定位，在主磁场 B0 根底上还需叠加连续递增变化的梯度磁场B。可想而知，在单个体素上叠加的这个选层面梯度场B 必需大于主磁场B0 所产生的磁场偏差、或漂移波动，否则将会转变、甚至湮没上述的空间定位信号，产生伪影，降低成像质量。主磁场 B0 所产生的磁场的偏差和漂移波动越大， 表示该磁场的均匀度越差，图像质量也会越低，更会直接关系到压脂序列人体中水和脂肪的共振频率仅相差 200Hz、磁共振波谱MRS检查的成功与否。因此，磁场均匀度是衡量 MRI 设备性能凹凸的关键指标之一。3.2.2.3 磁场稳定性受 MRI 设备磁体四周散布的铁磁性物质、磁体间环境温度和湿度、超导匀场

14、线圈电流漂移、主磁场超导线圈电流漂移、进入磁体检查孔径的人体以及人体携带的体内植入物、体外携带物例如曲别针、硬币、钢笔、钉子等客观因素的影响，磁场的均匀性和 / 或磁场强度值会发生变化，这就是磁场漂移。磁场稳定性就是定量评价、衡量这种漂移变化的技术指标。稳定性下降，意味着单位时间内磁场的变化率增高， 假设在一次磁共振扫描检查时间段内，磁场强度值和/ 或磁场均匀性发生了漂移，就会影响到图像质量。磁场的稳定性分为时间稳定性和热稳定性两种。时间稳定性指的是磁体所建立的静磁场 B0 随时间而变化的程度。磁场强度值还会随温度变化而漂移，其漂移的程度是用热稳定性来表述的。永磁体和常导磁体的热稳定性比较差，

15、因而对环境温度的恒定力气要求很高。超导磁体的时间稳定性和热稳定性则表现优异。磁场的漂移通常以 1h 或数小时作为限度。一般说来，磁场的短期12h漂移不能大于 5ppm，而长期以 8h 为周期漂移量须小于 10ppm。主磁场超导线圈电流或超导匀场线圈电流波动时，会直接导致磁场的时间稳定性变差。3.2.2.4 磁体有效孔径磁体的孔径大小限制着被检查者的体型尺寸大小， 延长到磁体外部的磁场的范围亦与孔径大小及磁场强 度有关。在磁场的延长范围内，电子仪器对磁场均匀 度及其本身的磁场产生破坏作用，为限制磁场向外部 延长及外部磁场的影响，需要承受各种屏蔽措施。磁体有效孔径是指梯度线圈、匀场线圈、射频体线圈

16、、衬垫、内护板、隔音腔、和外壳等部件均在磁体检查孔道内安装完毕后，所剩余柱形空间的有效内径。因此，实际的磁体孔径即磁体的净孔径要大得多。例如，牛津公司 UNISTAT 磁体本身的净孔径为 1050mm， 但装入匀场线圈后成为 920mm，安装梯度线圈后其内径进一步减小为 750mm。对于全身 MRI 设备，磁体的有效孔径以足够容纳受检者人体为宜。一般来说其有效孔径尺寸必需至少到达 60cm。有效孔径过小简洁使被检者产生压抑感， 诱发受检者潜在的“幽闭恐惊症”。有效孔径大些可使受检者感到舒适、轻松，同时也能满足肥胖者的检查需要。然而，增加磁体的孔径在确定程度上比提高磁场强度更难，由于孔径的增大势

17、必导致磁场均匀性的破坏和失衡，而校正这种失衡的技术难度很大，因此大孔径一般指内径净空尺寸大于 70cmMRI 设备是当前研发的热点之一。3.2.2.5 边缘场空间范围磁体产生的静磁场向空间各个方向散布，发散到磁体四周的空间中，称为边缘场。它的强弱与空间位置有关，随着空间点与磁体距离的增大，边缘场的场强渐渐降低。边缘场是以磁体原点为中心向四周空间发散的，因而具有对称性，边缘场会对候诊的受检者、工作人员、路过四周的人员、分布在磁体四周空间的电子设备造成可能的损害和损坏。边缘场的空间分布通常以磁体边缘场的等高斯线在空间分布的三视图俯视图、前视图、侧视图，即等高斯线图来表示。等高斯线图是由一簇接近于椭

18、圆的同心闭环曲线表示的边缘场分布图。图中每一椭圆上的点都有一样的磁场强度值一般用高斯表示，故称为等高斯线。由于不同场强磁体的杂散磁场强弱不同，对应的等高斯线也就不同。其中以 5 高斯0.5mT“安全线”的空间分布最为重要，在磁场强度确定的前提下，5 高斯线边缘场空间范围越小，说明磁体的自屏蔽系统性能更好，该磁体的环境安全性能也更好。通常的安全原则是：5 高斯线空间范围以内制止无关人员进入；5 高斯线空间范围尽可能局限在磁体间内。因此需要实行措施抑制、屏蔽磁体的边缘场，缩小边缘场的空间范围，保证四周环境的安全。对磁体进展自屏蔽的方法有两种。一种是无源屏 蔽法，即给磁体披上格外厚的软铁，但是磁体的

19、重量 会急剧增加。另一种是现在常用的有源屏蔽法，使用 一组或者几组有源线圈，认真计算和测量边缘场的分 布后，设计成与边缘场大小相等、方向相反的电磁场 分布，从而抵消和反射磁体引起的向外发散的磁力线， 以此到达缩小边缘场空间范围的目的。除此之外，对 磁体间也可以承受特种硅钢材料包绕掩盖的磁屏蔽法， 将边缘场空间范围强制压缩在磁屏蔽空间之内。除了上述五项性能指标外，致冷剂液氦的挥发率升/小时、磁体低温容器杜瓦的容积升、液氦的补充周期年、磁体长度厘米和磁体重量吨等同样是衡量超导型磁体的重要技术指标。3.2.3 MRI 设备磁体类型MRI 设备的类型繁多。依据使用用途分类有动物MRI 专用设备、药物分

20、析 MRI 专用设备、矿物和工业 探伤 MRI 专用设备、以及医用人体 MRI 设备等。本书 争论的范围仅限于应用于人体磁共振成像的 MRI 设备。依据磁体类型分类有永磁型 MRI 设备、常导型 MRI 设备、超导型 MRI 设备以及混合型 MRI 设备。依据磁体 产生静磁场的磁场强度大小分类可分为低场0.1T0.5TMRI 设备、中场0.6T1TMRI 设备、高场1.5T2TMRI 设备、以及超高场3T 及以上MRI 设备。3.2.3.1 永磁型磁体永磁型磁体permanent magnet是最早应用于MRI 全身成像系统的磁体，由具有铁磁性的永磁材料构成，可用于永磁体的磁性材料主要有铝镍钴

21、、铁氧体和稀土钴三种类型。我国有丰富的稀土元素，也能大量生产高性能的稀土永磁材料如钕铁硼。这些材料都是生产永磁磁体的优质原料资源。永磁型磁体磁场强度衰减极慢，几乎永久不变， 且运行维护简洁，无水电消耗，磁力线闭合，磁体漏磁少，磁力线方向与人体长轴垂直。射频线圈制作简便，线圈效率高。但是，磁场强度较低，目前永磁型磁体最大场强已能到达 0.5T，但是磁体浩大、笨重， 同时其磁场均匀度受环境温度影响大，磁场稳定性较差。其四周环境发生变化例如地铁线路、变电设施、供电电缆、过往机动车辆等就会导致磁场均匀度被破坏，使图像质量下降，甚至造成图像伪影。永磁体一般由多块永磁材料积存或拼接而成，磁铁块的排布既要满

22、足构成确定成像空间的要求，又要使其磁场均匀性尽可能高。另外，磁体的两个极面须用导磁材料连接起来，以供给磁力线的返回通路，从而削减磁体四周的杂散磁场，缩小边缘场的空间范围。上图是永磁型磁体及其磁路示意图。图中的两个磁极分别位于磁体上、下两端，使磁场方向与两个极面相垂直。对于全身成像 MRI 设备来讲，这意味着受检者体轴将与磁场方向相垂直。这就是所谓的横向磁场。两极面间距离d就是磁体孔径。d 越小磁场越强，而 d 太小又不能容纳人体。在 d 确定前提下，提高静磁场 B0 磁场强度的唯一方法就是增加磁性材料的用量，但这样做又要受磁体重量的限制。因此，设计者必需在磁场强度、扫描检查孔径、和磁体重量三者

23、之间进展平衡、折中。0.35T 永磁型磁共振磁体的重量一般在 14 吨左右，0.4T 在 20 吨左右。永磁体的磁场强度一般不超过 0.5T。除磁场强度较低外，永磁型磁体的磁场均匀性通常也受到确定限制，与超导磁体 MRI 设备相比较，磁场均匀性指标参数要低很多。其缘由一是拼接成完整磁体的每块永磁材料的性能不行能完全全都；二是受磁极平面加工精度的限制；三是磁极本身的边缘效应磁极轴线与边缘磁场的不均匀性。此外，永磁型磁体的温度系数较大即它对温度变化格外敏感，这使其磁场稳定性变差。因此，需要恒温恒湿空调系统将磁体间内的温度或磁体本身的温度变化严格把握在1 之内。永磁型 MRI 设备虽然有上述缺点，但

24、是其优异的开放性能、低造价、低运行本钱、整机故障率低、磁场发散少、对四周环境影响小、检查舒适等特点，使得永磁 MRI 设备不仅在中国，在全世界也得到认可和广泛应用。此外，日益兴起的磁共振介入诊断和治疗， 以及磁共振导引的介入手术，正在为永磁开放型 MRI 设备开拓的用武之地。3.2.3.2 常导型阻抗型磁体由丹麦物理学家奥斯特(Hans Christian Oersted， 17771851) 于 1820 年觉察的电流磁效应可知，载流导线四周存在磁场，其磁场强度与导体中的电流强度、导 线 形 状 和 磁 介 质 性 质 有 关 。 常 导 型 磁 体conventional magnet正是

25、依据这一原理，由电流通过导线产生磁场，即用线圈导线中的恒定电流来产生 MRI 设备中的静磁场B0，其磁力线与受检人体长轴平行。因此，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。由于铜有确定的电阻率， 故又有人将由这种线圈制成的磁体称为阻抗型磁体resistive magnet。此型磁体大致可分为三种：空心磁体、铁心磁体和电磁永磁混合型磁体。为了产生较高的磁场强度和足够的中空有效检查孔径直径，往往数个线圈并用，例如常见的四线圈常导磁体以以下图。该磁体由两对大小不同的线圈组成，其中内侧的大线圈对、外侧的小线圈对，四个线圈排布在一个球形空间上。图中的箭头代表磁场方向。常导型磁体优点

26、是构造简洁、重量较轻、制造安装简洁，造价低廉，可随时建立或卸掉静磁场。但其磁场均匀性和稳定性较差，受室温影响大，开机后耗电量大典型值 80kW并使磁体产生较多热量，必需使用大量的循环水冷却维持其运行，故运行费用较高， 且其磁场强度亦较低典型值 023T，另外，线圈供电电源的波动将会直接影响磁场的稳定，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，目前仅有少数厂家还在生产常导型 MRI 设备。在我国电力资源丰富的地区，如产煤区的火力发电厂较多，配置常导型 MRI 设备比较适用。研制的铁芯混合阻抗磁体具有永久磁体和阻抗磁体的特征， 综合了它们的优点。3.2.3.3 超导型磁体

27、在一般的导体中，大局部通过导体的电流由于电阻的缘由变为热能，因而被“消耗”掉了，而由超导材料制成的超导体最重要的特点是在特定条件下电流通过时其电阻为零。有一些类型的金属特别是钛、钒、铬、铁、镍，当将其置于接近确定零度零下273.2 摄氏度，标为 0K的超低温时，其电阻为零， 即处于超导工作状态，这些具有超导性的物质可称其为超导体。以超导体为线圈材料制造的磁体称为超导型磁体。如上图所示，超导磁体内部构造通常为铌合金线圈浸泡在液氦里为了削减液氦的气化，磁体内通常有数层液氦及真空层超导型磁体super conducting magnet是由电流通过超导体导线产生磁场，与常导型磁体的主要差异在于其导线

28、由超导材料制成并将其置于液氦之中。超导体线圈的工作温度在确定温标 4.2K 的液氦中获得的超低温环境，到达确定零度273C，此时线圈处于超导状态，没有电阻。当超导线圈在 8K 温度下其电阻即等于零，液氦的沸点为 77K。超导磁体配有一个励磁电源，励磁电流从励磁电源发出通过超导磁体线圈循环流淌，当电流上升到使磁场建立起预定的场强时，超导磁体开关闭合，励磁电源断开，电流在闭合的超导线圈内几乎无衰减地循环流淌，产生稳定、均匀、高场强的磁场。3.2.3.4 混合型磁体混合型磁体hybrid magnet是利用上述两种或两种以上的磁体技术构造而成的磁体。常见的是永磁型和常导型两种磁体的组合。在永磁型磁体

29、的两个磁极上绕以铜质线圈绕线方向应使其产生的磁场与固有的永磁场方向全都并叠加便得到混合型磁体。当线圈中通过鼓舞电流时，它所产生的感应磁场便会与原磁场相叠加、融合，使其倍增。极片的两端仍以铁磁材料相连，以供给磁力线的返回通路，削减杂散磁场。无论哪一类型磁体，其共同点都是要产生尽可能强的、均匀的静磁场。而它们的区分主要表达在各自的场强大小、磁场方向、磁场均匀性、整机功率和生产造价等方面。3.2.4 MRI 超导型磁体性能及其相关性3.2.4.1 确定零度和超导电性1908 年荷兰试验物理学家昂内斯成功地液化了地球上最终一种“永久气体”氦气，并且获得了接近确定零度零下 273 摄氏度，标为 0K的低

30、温： 4.25K1.15K相当于零下摄氏度。这样低的温度为超导现象的觉察供给了有力保证。经过屡次试验，1911年昂内斯觉察：汞的电阻在 4.2K 左右的低温度时急剧下降，以致完全消逝即零电阻。1913 年他在一篇论文中首次以“超导电性”一词来表达这一现象。由于“对低温下物质性质的争论，并使氦气液化”方面的成就，昂内斯获 1913 年诺贝尔物理学奖。3.2.4.2 超导体的根本性质及其性能指标具有超导性的物质就是超导体。完全导电性物理学上把物质进入超导状态后电阻为零的性质称为完全导电性。完全导电性是对直流而言的，在沟通状况下，超导体不再具有超导电性，它将消灭能量损耗。完全抗磁性给处于超导态的某物

31、体外加一磁场，磁感线将无法穿透该物体，即保持超导体内的磁通为零，称为完全抗磁性，又称为迈斯纳效应。超导体的性能指标临界温度Tc超导体从呈现确定电阻的正常态转变为电阻为零的超导态时所处的温度，称为临界温度Tc，又称转变温度。临界温度是物质的本征参量。物质不同，其 Tc 值也不同。一般金属的 Tc 极低。如水银的 Tc 为 4.2K，锡的Tc 仅 3.7K。临界磁场Hc当外加磁场到达确定数值时，超导体的超导性即被破坏，物质从超导态转变为正常态，这一磁场值即称为临界磁场。由此可见，超导体只有在临界温度和临界磁场下才具有完全抗磁性和完全导电性。临界电流Ic在确定的温度和磁场下，当 超导金属中的电流到达

32、某一数值后超导性会遭到破坏， 这一数值就是临界电流。超导物理中还把每平方厘米 截面上可通过的最大电流值叫做临界电流密度，用 Ic 表示。超导材料的应用具有低临界转变温度Tc30K，在液氦温度条件下工作的超导材料， 称为低温超导材料 low temperature superconducting material。超导材料大致可分为纯金属，合金和化合物三类。目前，已觉察近 30 种元素的单质，8000 多种化合物和合金具有超导性能。低温超导材料由于 Tc 低，必需在液氦温度下使用，运转费用昂贵。由于具有有用价值的低温超导金属 NbTi铌钛 合金优良的超导电性和加工性能，其 Tc 为 9.3K，其

33、使用已占低温超导合金的 95%左右。NbTi 合金可用多芯复合加工法加工成以铜或铝为基体的多芯复合NbTi/Cu铌-钛与铜超导线材其 Tc 为 4.2K，即-268.80C，可用于制造 MRI 设备的超导磁体。3.2.4.3 超导磁体的构成超导磁体主要由超导螺线管线圈简称超导线圈、高真空超低温杜瓦容器、以及附属部件构成。超导线圈同常导型磁体一样，超导磁体也由线圈中的电流产生磁场。超导磁体承受超导材料螺线管线圈、以及匀场线圈设计可到达 MRI 设备对静磁场的磁场强度和均匀性的高标准要求，因此通常 0.5T 以上磁场强度的医用人体 MRI 设备均承受超导磁体。超导螺线管内轴线上的磁感强度是匀强的；

34、在磁介质确定的前提下，其场强仅与线圈的匝数和流经线圈的电流强度有关。因此，转变超导磁体螺线管线圈的匝数或电流均可使其所产生磁场的磁场强度发生变化。为了固定超导线圈绕组的线匝，并防止其滑动， 要用低温特性优良的环氧树脂浇灌、固定、封装绕好的超导线圈绕组，环氧树脂封装超导线圈绕组的强度需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。超导螺线管线圈绕组前后两个端点处，场强将减小为其最大值即线圈中心磁场强度值的 50%。因此需要进展场强校正，即在线圈绕组前后两端适当增加匝数以补偿两端的磁场强度，确保螺线管内部轴线方向上、尽可能长的范围内的纵向磁场的磁场强度能够做到处处

35、相等。超导线圈正常工作后，就获得了稳定的主磁场B0，它是质子发生磁共振的根本条件。杜瓦容器超导线圈须浸泡在高真空、全密封、超低温、液氦杜瓦容器中方能工作，其磁体制造工艺比较简洁， 定期补充液氦也给用户带来确定的消耗本钱。附属部件为确保杜瓦容器和超导线圈安全稳定地运行，设置有致冷剂液氮和液氦液面计、超导开关、励磁和退磁电路、失超把握和安全保护电路等附属部件。3.2.4.4 超导环境的建立超导线圈的材料铌-钛与铜的多芯复合超导线材的 Tc 为 4.2K (-268.80C)，因此必需将其浸泡在液氦里才能保证其以超导体方式正常工作。MRI 磁体超导环境的建立需要经受下述三个步骤：抽真空环形真空绝热层

36、是超导磁体的重要保冷屏障，其保冷性能主要打算于它的真空度。由分子泵和机械泵组成的真空泵组，能使超导磁体内的真空度到达10-610-7mbar，以保证超导磁体的真空绝热性能。磁体预冷磁体预冷是指用致冷剂将杜瓦容器磁体内的 温度分别降至其工作温度的过程。磁体预冷过程分为 两个阶段，需要消耗大量的液氮和局部液氦。第一阶 段将价格相对廉价的液氮直接导入磁体内部预冷至77K-196。液氮预冷完成后，其次阶段再改用价 格相对昂贵的液氦，将其不连续地导入磁体内部，用 液氦气化产生的压力将磁体内部的液氮全部“吹走”、“吹”干净，同时将磁体内部温度从 77K 进一步预冷到液氦的沸点温度 4.2K-268.8，与

37、室温相差近300。灌满液氦磁体预冷到 4.2K 后，液氦气化减弱，液氦开头驻留在磁体内部，直至将磁体灌满，一般可罐充到满容量的 95左右，剩余空间属于液气两相的平衡面和氦气的空间。在 4.2K 这一临界温度下，超导线圈将实现从正常态至超导态的转变，超导环境从而建立起来。3.2.4.5 励磁励磁又叫充磁，是指超导磁体系统在磁体励磁电源的把握下渐渐给超导线圈施加电流，从而建立预定静磁场的过程。励磁一旦成功，超导磁体就将在不消耗能量的状况下，供给强大的、高度稳定的匀强磁场。典型的超导励磁电源为 10V，4000A，要求优质的电流稳定度。励磁电流沿着一对铜制电流输送排从励磁电源系统被送往位于磁体上方的

38、超导线圈颈管联接处为超导线圈“充电”、充磁。3.2.4.6 失超失超所谓失超，即超导体变为导体，温度急剧上升， 液氦大量挥发，磁场强度快速下降，不过，现代磁体设计相应的防范监控系统，以使运行中失超的可能性降低。在励磁或工作过程中，一旦超导体因某种缘由突然失去超导特性而进入正常态，即失超。引起失超的因素很多：磁体构造和线圈组份、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。常见的失超有如下五类状况：第一类：励磁时充磁电流超过额定值或者充磁电流增加速度过快均会导致超导线圈整体受到径向和轴向的电磁挤压力使得浸渍于线圈绕组之间的环氧树脂局部开裂，此变形能的释放会转化为热能，从而引发失超。其

39、次类：灌注液氦速度过快以及输液管尚未完全冷却到 4.2K 温度时就将其插入磁体输液孔内，会引起杜瓦容器内液氦沸腾，快速气化并喷发而出，导致超导环境遭到破坏，从而引发失超。第三类：磁体杜瓦容器中的液氦液面降到确定限度(各厂家规定的液氦低限容量不等，一般极限阅历值是满容量的 30)时，假设仍未按规定准时补充，则会导致失超。第四类：磁体的真空隔温层真空环境破坏后，发生失超是确定无疑的。第五类：误操作紧急失超开关造成“意外”失超。失超与和去磁失超和磁体去磁是两个完全不同的概念。去磁只是通过磁体特别设计的超导线开关电路渐渐泄去其储存的巨大能量一个 1.5T 的磁体在励磁后所储存的磁场能量高达 5MJ，使

40、线圈电流渐渐减小为零，但线圈照旧浸泡在磁体杜瓦容器的液氦中，因此仍处于超导态。去磁一般是需要将 MRI 设备移机、撤除、或遇紧急状况时所主动做的工作。失超则是被动的，并且后果很严峻，失超后不仅磁场消逝，而且线圈失去超导性，会将电磁能量转换为热能。失超开头点总要经受最高温升，此局部温升既可能破坏磁体超导螺线管线圈绕组的绝缘，又可能熔化超导体，并且引起液氦急剧气化，严峻时甚至引发接裂、磁体“爆炸”而破坏整个磁体，并威逼磁体间中人员和财产的安全。3.2.4.7 失超的预防保护措施失超后的线圈不行能从磁体中取出更换，只能重建其超导环境、励磁后连续使用，但是由于失超过后的线圈已经遭到某种程度的破坏，其再

41、次发生失超的可能性增加，甚至形成“习惯性”失超的恶果，因此建立失超的预防和保护系统是格外重要的，首先通过传感器、探测器实时监控磁体的状态，同时建立励磁时的失超保护、以及超导建立并运行后的失超保护等防范措施。磁体监控和保护措施磁体监控装置实时监控测量磁体线圈温度、应力、液氦液位、真空度、流量、杜瓦容器压力等参数值的变化。在磁体杜瓦容器里，安装液位计和加热器，用于测量和把握液氦液位高度，铂钴合金温度计用于检测液氦温度；碳玻璃纤维温度计用于检测从液氮至室温段的温度。将应变片安装在超导线圈的径向和轴向支撑杆上，用于监测线圈的偏移和受力状况；超导线圈上下各安装一个失超探测器。为了诊断失超部位及争论其传播

42、速度，还需要引出假设干电压抽头引线， 实时监测超导螺线管线圈绕组各个节段的失超电压。在杜瓦容器的真空抽口四周还要安装检验渗漏的氦传感器，以及真空计、压力表等。失超管quench tube失超管是超导磁体不行缺少的一局部。它集合了磁体的全部气体挥发管口，从磁体上端直通磁体间建筑外大气中。寻常，失超管的作用就是排解废气。一旦失超，磁体杜瓦容器中近 2023 升液氦挥发的全部氦气每升液氦可气化为 1.25m3 氦气将从失超管喷出。假设失超管设计尺寸缺乏、铺设路径不合理、不通畅、甚至堵塞，磁体因内部压力快速增高而被损坏的可能性将增大。氧监测器和应急排风机氦气的比重小于空气，而氮气又重于空气，所以补充致

43、冷剂或失超后上述两种气体的泄漏有可能布满磁体间的全部空间，使人窒息。因此，要求在磁体间安装氧监测装置和应急排风机。并且应急排风机的开关可由氧监测装置自动把握，当磁体间氧含量低于设定浓度值时，应急排风机将自动翻开，当发生磁体失超或氦气泄漏时，可保障照旧滞留在磁体间内人员的安全。紧急失超开关紧急失超开关又称为磁体急停单元 EmergencyRun-Down Unit ，ERDU，是人工强制主动失超的把握开关，装于磁体间内靠近门口的墙上，其作用是在紧急和危急状况下快速使静磁场削减为零。该开关仅用于地震、火灾和危及受检者生命等突发大事时使用。出于安全考虑，可在失超按钮上加装隔离罩。需要严格把握进出磁体

44、间的人员对该开关的非正常操作。除须具备上述失超保护电路和措施之外，每位MRI 技师和工程师还必需每日例行如下工作：第一： 观看和记录液氦水平和磁体压力，液面下降到确定数值例如 60%时要马上通知液氦供给商前来灌装。其次：例行磁体各对外管口的常规检查。磁体上方各排气管路应保持畅通，以免容器内压力上升而导致失超。各输液口应密封完好，觉察结冰要马上处理。通向室外的失超管应有防尘措施，并定期清理，防止堵塞。失超后需要重抽真空、液氮预冷、灌注液氦、励磁等过程重建超导环境，其直接经济损失约 5070 万元人民币。超导型磁体的消灭，既满足磁共振成像对高磁场强度的追求和需要，显著提升磁共振成像的质量，又使磁场

45、在均匀性和稳定性等方面的性能得以改善。超导磁体的优点：磁场强度高动物成像可高达 17.6T，临床成像常用的一般为 0.15T3.0T，人体成像目前可高达 9.4T，超导磁体的磁场稳定磁场强度漂移小于 0.1ppm/h，磁场均匀度高，几乎不受环境温度的波动影响，超导线圈不持续消耗电能，简洁获得高区分率、高信噪比、高质量的 MR 影像，能进展磁共振波谱分析及功能性磁共振成像等一些争论工程。固然超导磁体也有一些缺点：如维持运行费用较高，需要持续消耗确定量的液氦近年来，随着冷头技术的不断进步超导磁体液氦消耗水平呈不断下降趋势；磁体的构造和工艺简洁，整机价格昂贵；对操作者和治理者技术水平的要求很高；特别状况下当线圈温度超过8K 时可能发生失超的危急。