医学影像设备学

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主磁体的种类和特点

  主磁体产生的静态磁场，使人体组织内的氢质子在磁场内形成磁矩，并以拉莫尔频率沿磁场方向进行自旋。主磁体是磁共振成像设备的核心部件之一。

  按磁场强度分类：低场强(<0.3T)，中场强(0.3-1.0T)，高场强(>1.0T)。

  磁体的种类有永磁体、常导磁体、超导磁体、混合磁体等。

一、永磁体

  永磁材料主要有铁镍钴、铁氧体和稀土钴三种类型。

1.永磁体的结构

  永磁体一般由多块永磁材料拼接而成。磁体的两级须用磁性材料连接起来，以构成磁回路，环形磁体大大减少了磁体周围的杂散磁场。磁体的结构主要有环形和轭形两种。

2.永磁体的特点

  永磁体的优点：结构简单，价格低，场强可达到0.3T，消耗功率极小，维护费用低，杂散磁场小。

  永磁体的缺点：磁场强度低，不能满足临床磁共振波谱研究的需要；永久磁体的磁场稳定性和均匀性也较差；对温度敏感，要求机房室温波动＜1℃；磁体重量大，磁场不能关闭。

2.永磁体的恒温控制

  多数永磁体的温度控制系数为负值，磁场强度与温度成反比。因此，要将磁体置于恒温室内并通过线圈控制磁场漂移。永磁体的温度一般控制在32.5℃。

图1 永磁体结构示意图

二、常导磁体

  常导磁体也称常规磁体、电阻磁体或阻抗磁体。它利用较强的直流电流通过线圈产生磁场，采用风冷却或水冷却的磁体。

1. 常导磁体的结构：常导型磁体的线圈由铜线或铝线绕制成同轴的圆桶状线圈，每组线圈绕几千层。也有使用空腔铜导管作线圈，冷却水在导管内循环把热量带走。

2. 常导磁体的特点

  优点：结构简单造价低，工艺不复杂，可以减小半径或加大线圈电流的方法来提高常导型磁体的场强。

  缺点：功耗大，需有完善的循环水冷装置，运行费用高，磁场稳定度和磁场均匀性差，受环境影响大。常导MRI正逐步被淘汰。

三、超导磁体

1.超导线圈的材料

  有些特殊的金属或合金，在极低的温度下，电阻突然消失，这一现象称为超导现象。凡具有这种性质的材料称为超导材料。它们具有两种状态，即常导状态(有电阻的状态)和超导状态(电阻为零的状态)。

  超导状态下，电流流过导体时没有电阻损耗，从而不会使导体升温。为维持超导状态，必须将超导线圈放在杜瓦罐中浸入液氦，液氦的温度为4.2K。

  目前的超导磁体中，多采用铌-钛合金的多芯复合超导线来绕制磁体线圈。在一定的极低温度下，电阻突然消失。凡具有这种性质的材料称超导材料。它们有常导状态和超导状态。

    在液氦温度下，铌-钛细丝呈现零电阻特性；分布在周围的铜基呈现出一定的电阻，成为绝缘体，铜基的另一作用是作为机械支持物，可提高线圈的机械性能。

图2 超导线圈的材料结构示意图

  铜基的两个作用：①绝缘；②机械支持。

  安装过程：液氦冷却→励磁→  达到预期磁场强度→切断电源→维持冷却。只要线圈一直维持在超导状态，线圈中的几百安培的稳定直流可以一直运行，可维持数年。

  在超导线圈的结构上，其中一小段外面包以加热系统，这一小段称为超导开关。如需关断磁体，就对这一小段加热，使其脱离超导状态，呈现一定的电阻，慢慢消耗电流流量，便可使磁体淬灭。

图3 超导线圈退磁的原理示意图

2.超导线圈的形式

  超导线圈的绕制有两种形式，一种是以四个或六个线圈为基础，另一种是以螺旋管为基础。

图4 超导线圈的形式

3.超导体的低温保障系统

  低温真空容器是超真空、超低温环境下工作的环形容器，内部依次套叠有液氦容器、冷屏和液氮容器，且内外分别用高效能绝热箔包裹。为了减少漏热，容器内部各部件间的连接和紧固均采用绝热性能极佳的玻璃钢和环氧树脂材料。

图5 超导体的低温保障系统的示意图

  新型的超导磁体，在磁体的上端还装有一个二级膨胀的制冷机(冷头)，与其配套使用的还有氦气压缩机和冷水机组，它们组成了超导磁体的磁体冷却系统。

  液氦容器是整个低温真空容器的核心，超导线圈就安装在液氦容器中，并被温度为4.2K(-269℃)的液氦所浸渍。深低温环境使得铌-钛(Nb-Ti)细丝复合材料绕制的线圈呈现超导态。

  超导磁体的低温真空容器结构，如下图  

图6 超导体的低温真空容器结构示意图

4.超导磁体的特点

  超导磁体是利用超导体在低温下的零电阻特性，在很小的截面上可以通过非常大的电流产生强磁场。

  超导磁体的优点：超导磁体具有高磁场，高稳定性高，均匀性，磁场强度可以调节改变，不消耗电能以及容易达到所需的孔径。必要时磁场也可以关闭。

  超导磁体的缺点：超导线圈必须浸泡在密封的液氮杜瓦中才能工作，超导磁体制造复杂，长期低温保障要消耗液氦。日常运行维持费用高昂。

四、混合型磁体

  利用两种或两种以上的磁体技术构造而成的磁体。常见的有永磁型和常导型磁体的组合。

图7 混合磁体的示意图

1.混合磁体的特点

  混合磁体的优点：可以产生较高的场强，克服了永磁体不稳定、笨重和   常导磁体功耗大的缺点。

  混合磁体的缺点：构造复杂，需安装低温容器造价也较高

主磁体的性能指标

一、磁场强度    与信噪比(S/N)、射频对生物的穿透力和人体安全性等方面综合考虑。

  为了获得较高的MR信号，可增加磁场强度来增加氢质子产生的磁矩。其主要特点：

△ 可以使信号强度增强，显示更多的解剖结构和病变；

△ 缩短扫描时间；

△ 可以进行频谱分析；

→ 共振频率变高，自旋加快，同样运动的相位漂移变大，使运动伪影增多；

→ MRI成本提高；

→ 逸散磁场增大，机房增大，建筑费用增加。

  二、磁场均匀性  是指特定容积限度内磁场的统一性，即穿过单位面积的磁力线是否相同，决定MRI的图像质量好坏。

  磁场均匀性越差，图像质量也会越差。均匀性不高，则谱线就会变宽，分辨率就会降低。在MR中，均匀性是以主磁场的百万分之一(ppm)作为偏差单位来定量表示。

  磁场均匀性并不固定。它容易受到磁体环境中的铁磁性物质的影响。

  三、磁场稳定度    单从成像的角度来说，越稳定越好。

影响因素：

→ 磁体附近铁磁性物质；

→ 环境温度；

→ 匀场电源漂移磁场值；

  磁场强度随环境因素而漂移，称为磁场漂移。其漂移程度是用热稳定度来表达的。永磁体和常导磁体的热稳定度比较差，对环境要求很高。超导磁体的时间稳定度和热稳定度一般都能满足要求。

  四、有效孔径   指梯度线圈、匀场线圈、射频体线圈和内护板等部件均安装完毕后，柱形空间的有效内径。增加孔径比提高场强还要难。

它的优点：患者位于半壁开的检查床上，不会产生通常MR受检者常有的恐惧心理，易为儿童或其他焦躁型患者所接受。

五、磁场的安全性

  磁体产生的静磁场向空间各个方向散布，发散到磁体周围的空间中，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，边缘场的场强逐渐降低。它会对人体健康造成伤害或其他医疗设备造成干扰和破坏。所以，必须对磁场的逸散程度有一定的限制，要对磁体采取各种屏蔽措施。

  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。