MRI设备详解

MRI设备详解

MRI设备是利用生物体的磁性核（主要是氢核）在磁场中所表现出的MR特性来进行成像的设备。随着超导技术、磁体技术、电子技术、计算机技术和材料科学的进步，MRI设备得到飞速的发展。MRI设备已成为最先进、最昂贵的现代化诊断设备之一。MRI设备既是评价医院综合能力的一项重要指标，又是医院现代化程度和诊断水平的标志。我国现有600多台MRI设备正在运行，并以每年几十台的速度增长（含临床应用型和临床研究型）。本章将以临床应用型永磁开放式MRI设备为例，系统地介绍MRI设备的构成和工作原理。第一节 概述一、发展简史MR现象于1946年第一次由布洛赫（F.Bloch）领导的斯坦福大学研究小组和伯塞尔（E.Purcell）领导的哈佛大学研究小组分别在水与石蜡中独立地观察到。因此，布洛赫和伯塞尔共同获得了1952年的诺贝尔物理学奖。随后，人们利用MRI技术进行了多领域的应用。MRI设备早期集中在物理和化学方面，用来确定化学成分、分子结构和反应过程。1967年，第一次用MRI设备测试人体活体。1971年，达马丁（Damadian）发现了MRI的一个重要参数—T1。肿瘤组织的T1值远大于相应正常组织的T1值。此结果预示着MRI设备在医学诊断中的广阔应用前景。1973年，受CT图像重建的启示，纽约州立大学的劳特布尔（Lauterbur）在《Nature》杂志上发表了MRI设备空间定位方法（均匀静磁场上迭加梯度磁场）。利用MRI模型（两个并排在一起的充水试管）的四个一维投影，成功的获得了第一幅MRI模型的二维图像。1974年，曼斯菲尔德（Mansfield）研究出脉冲梯度法选择成像断层的方法。1975年，恩斯特（Ernst）研究出相位编码的成像方法。1977年，爱特斯坦（Edelstein）、赫切逊（Hutchison）等研究出自旋扭曲（Spin Warp）成像法。1977年，达马丁完成了首例动物活体肿瘤检测成像，并获得首张人体活体MRI设备图像。1980年，阿勃亭（Aberdeen）领导的研究小组发表了利用二维傅立叶变换对图像进行重建的成像方法。该成像方法效率高、功能多、形成的图像分辨力高、伪影小，目前医用MRI设备均采用该算法。1983年，MRI设备进入市场。MRI设备具有对软组织成像好的优点。把大量的波谱分析技术运用到医用MRI设备上，使MRI设备不仅可获得解剖学信息，而且可获得其他方面的信息，如生理和生化方面的信息。二、主要特点及临床应用MRI与CT各有优点，可以互相补充。表13-1为MRI设备与CT扫描机的性能比较。表13-2为MRI设备与CT扫描机的临床应用比较。通过MRI设备与CT扫描机的性能比较和临床应用比较，可以看出：MRI设备的优点为：①多参数成像，可提供丰富的诊断信息；②人体氢核含量高，高对比成像；③任意方位体层、三维成像；④不用对比剂，就可进行磁共振血管造影（magnetic resonance angiographies）；⑤无骨伪影干扰，后颅凹病变清晰可辨；⑥无电离辐射；⑦可使MRI设备用于介入治疗,建立智能手术室，进行手术导航。MRI设备的缺点为：①扫描速度慢；②易出现运动、流动伪影；③定量诊断困难；④对钙化灶和骨皮质病灶不够敏感；⑤禁忌症多。表13-1 MRI设备与CT扫描机的性能比较 性能特点 MRI设备 CT扫描机 信息载体 MRI信号（发出所吸收的射频能量信息） 穿过组织的X线 体内信息源 质子密度、T1、T2驰豫时间及液体的流动 窄束X线的减弱程度或透射连续X线的强度分布 采用的电磁波 射频波（无线电波） 连续X线 电磁波频率 特定磁场下氢原子核的拉莫尔频率（小于100MHz）

3×1010～3×1014MHz 电磁波波长 3m以上（米波段） 约10–10m(1Å) 使用的磁场 静磁场和梯度磁场的叠加 无 探测器及方法 接收线圈的感应电流 碘化钠（NaI）、BGO（BiGeO）、氙（Xe）等 体层方向 任意方向 一般与体轴垂直 扫描机构 电子 机械或电子 数据采集方式 多方向或单方向投影 多方向投影

测量值 可多参数成像，但不同机器所测参数值难以比较 仅与线衰减系数相对应 图像重建方法 以二维傅立叶变换成像法为主 滤波反投影法、二维傅立叶变换重建法、卷积反投影法、迭代法等 有无电离辐射 仅有射频辐射，约10-7eV 有X线辐射，约104eV，可能引起的生物效应高 像素尺寸 已达0.4mm 层面厚度 3D成像可达1mm以下 螺旋CT已达0.5mm 每层面扫描时间 因扫描程序而异(EPI序列已达5ms) 1s左右（螺旋扫描可进一步缩短，超高速CT已达数＋ms） 图像重建时间 0.05ms <1s 实时成像功能 已达到 已达到 表13-2

MRI设备与CT扫描机的临床应用比较 应用范围 MRI设备 CT扫描机 备注

软组织对比度 高 低 MRI设备可行乳腺成像 半月板、肌腱、软骨及椎间盘 不使用对比剂，清晰 须使用对比剂，不清晰 脊髓显示 清晰 困难

白质和灰质 极明显 一般明显 出血 可显示 高度明显 钙化灶 不敏感 敏感 骨皮质病变 不敏感 敏感 骨伪影 无 有 心血管 不使用对比剂，可区别心肌、心脏轮廓和大血管 须使用对比剂，且只能显示心肌和心脏轮廓 MRI设备可行无创伤血管造影 胎儿及孕妇检查 可进行（妊娠三个月内慎用） 一般不进行 MRI设备可展示胎儿及母体子宫、胎盘等的结构 水的显示 极明显 明显 MRI设备可行水成像、扩散成像和灌注成像 生化及代谢测定 能

不能 需MRI设备一体化系统 功能成像 能 不能 MRI设备需高磁场强度系统

化学位移成像 能 不能 需MRI设备一体化系统 对比剂类型 顺磁性物质 碘剂 三、主要技术参数与其它影像设备相比，影响MRI图像的信号强度或图像密度的参数较多。这些参数大体可分为组织参数和设备参数两大类。1．组织参数 它是人体的内在信息参数。组织参数主要有质子密度（ρ）、纵向驰豫时间（T1）、横向驰豫时间（T2）、化学位移（σ）、液体流速（v）和波动。其中，组织参数ρ、T1和T2决定图像信号的密度。组织参数σ决定水与脂肪的分离成像，能引起化学位移伪影。组织参数v和波动可用来进行血管成像，能引起运动伪影。2．设备参数 它是成像所依赖的设备及成像过程的测量条件参数。设备参数主要有磁场强度、梯度磁场强度和切换率、线圈特性（包含发射和接收）、测量条件。根据诊断目的的不同，可以选择不同的参数来产生所需要的MRI图像，具体参数的选择如下：重复时间（time of repetition，TR）、回波时间（time

of echo，TE）和反转时间（time of inversion，TI）决定图像的性质。即图像的权重。层厚、平均采样次数、像素尺寸、有效视野和层数决定扫描区域并控制图像信号的密度。各种应用软件可获得不同性质和不同区域的MRI图像，而且成像速度快、有效抑制伪影、功能完善。四、发展趋势无论是MRI设备的软件序列，还是MRI设备的硬件结构，都在日新月异的发展。这里仅介绍MRI设备硬件结构的发展趋势。1．主磁体 它的作用是产生均匀的静磁场（亦称为主磁场，简称为磁场）。主磁体的发展趋势是低磁场强度的开放和高磁场强度的性能改善。低磁场强度永磁开放型MRI设备的磁场强度已达0.4T，其结构为单柱型或双柱非对称型。重量为10~13吨，开放空间达75％以上。开放式MRI设备的优点是可消除病人的幽闭恐惧症。超导型MRI设备的磁场强度已由传统的1.5T发展到3~4T，并有发展到7~8T的趋势。超导型MRI设备的液氦消耗量已大幅度下降。随着材料科学的进一步发展，将来可能出现高温超导磁体。磁场强度的大小对MRI设备图像的影响是：①在信噪比方面，如图13-1所示，磁场强度越高，信号强度越大，信噪比越高（但不是线性关系）。②磁场强度高，扫描时间短。③在图像对比度方面，组织的T1值随磁场强度增高而变大，如图13-2所示，T1驰豫时间延长。当TR为固定值时，T1图像对比度反而下降，造成T1图像质量下降。但磁场强度的大小对T2图像质量的影响不大。图13-1 磁场强度与信号强度的关系图13-2 T1值与磁场强度的关系高磁场强度、低磁场强度的MRI设备各有自己的优、缺点，互相弥补。MRI设备的精度和稳定性将会进一步提高。扫描序列的进一步发展（如平面回波序列），对静磁场均匀度提出了更高的要求。主磁体的设计，将更加适合现场的安装、调整，并有一套完善可行的磁场均匀度提高方法。2．梯度磁场 快速扫描序列要求高性能的梯度磁场。平面回波序列的弥散、灌注功能均要求高线性和快速响应的梯度磁场。目前梯度磁场强度已达到50mT/m以上。对梯度磁场的度化率（切换率）要求更高，已达到70~80T/m·s。除快速成像外，高性能梯度磁场还决定一定矩阵下的最小FOV矩阵和最小层厚。最短回波时间主要决定于梯度磁场的最大强度。而最短回波时间又影响最短重复时间。可见，梯度磁场影响MRI设备的成像时间，也决定图像的最高空间分辨力。双梯度系统、组合表面系统和非线性梯度系统的出现，使MRI设备梯度线圈的形式多样化。如双梯度系统是在主梯度线圈中附加一套较小的梯度线圈，它仅覆盖在感兴趣的部位，可得到一个局部的磁场强度高的梯度磁场，切换率可达到150T/m·s，所获得的MRI设备图像的层厚更薄、空间分辨力更大涡流与噪声也有待于进一步减少。涡流会严重的影响磁场的均匀度，使图像出现伪影，质量下降。目前，采用高阻材料和增加反向梯度线圈两种方法以降低涡流与噪声。这两种方法虽然基本有效，但均未从根本上消除涡流与噪声。为此，有必要研究出新的方法，以进一步减少涡流与噪声。3．接收线圈 提高接收线圈的效率和进一步增加阵列线圈，将成为MRI设备临床中的最大需要。改进接收线圈，使其能满足介入治疗的需要。4．计算机网络化 MRI设备已完成了由专用计算机到计算机工作站的转化，已使用64M处理器。方便、快速、高效的PACS系统，可使MRI设备与其他影像诊断设备的影像资源融合，以获得全面、准确的诊断结果。五、构成MRI设备根据用途不同，可分为两大类：一是临床应用型，其主磁体磁场强度在0.2～0.5T以下；二是临床研究型，其磁场强度在1.0～1.5T以上。MRI设备根据磁场的产生方式不同，可分为三大类：①超导型；②永磁型；③常导型。如图13-3所示，超导型MRI设备由主磁体（含冷却装置）、扫描床、梯度线圈、射频（radio frequency，RF）线圈、谱仪系统、控制柜、人机对话的操作台、计算机和图像处理器等构成。超导型MRI设备的主磁场方向为水平方向。如图13-4所示，永磁型开放式MRI设备由主磁体、扫描床、谱仪系统、控制柜、操作台、计算机和图像处理器等构成。永磁型MRI设备的主磁场方向为垂直方向。超导型MRI设备和永磁型MRI设备的基本构成是：主磁体、扫描床、谱仪系统、控制柜、操作台、计算机和图像处理器等。本章以永磁型MRI设备为例，主要介绍MRI设备的硬件系统。图13-5为永磁型MRI设备的结构示意图。图13-3 超导型MRI设备的结构示意图图13-4