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第 03 章

03-01
前言

场强
03-02
磁体类型

永磁型磁体
阻抗型磁体
混合型磁体
超导型磁体
03-03
>匀场

03-04
磁屏蔽

03-05
梯度线圈

涡流
03-06
发射器和接收器

发射线圈和接收线圈
表面线圈
03-07
Faraday屏蔽系统

03-08
计算机数据采集系统

03-09
如何选购仪器


03-02  磁体类型

磁共振成像仪的磁场可以由不同的磁体产生。磁体大致分为四类:永久型磁体,阻抗型磁体,超导型磁体,以及由永久型磁体和阻抗型磁体杂合而成的混合型磁体。

表03-02总结了不同磁体的优缺点。


表03-02

不同类型磁体的特点。


03-02-01  永久型磁体

某些合金具有铁磁性。由这些铁磁性合金材料打造的磁体不需要驱动电源就能产生磁场,因此,不存在功耗,所以也不需要冷却系统。

永久型磁体成像仪产生的边缘场或杂散场比配置其他磁体的要小一些,投资和操作费用也低一些。

不过,配置永久型磁体的全身成像仪都很重。即使是使用近几年开发的新型合金材料后,其重量也只能由原来的一百多吨降至二十吨以下。

永久型磁体成像仪的另外一个缺点是场强受限制。少数永久型磁体成像仪场强可达0.3T,多数则为0.2T。

如图03-04所示,多数永久型磁体成像仪磁场方向是垂直的,而一些阻抗型磁体成像仪和多数超导型磁体成像仪的磁场方向是水平的。磁场方向会影响某些发射线圈和接收线圈的使用。

图03-04
上图:永久型磁体磁场示意图。配备这类磁体的仪器有Greek庙宇的外形和C型开放式等多种构型。图中所示磁场产生于磁化了的瓷砖,铁制外围起结构性支撑作用、能限制边缘场而增加磁场强度。永久型磁体的场强受周围环境温度影响,因此,必须给永久型仪器的安置房配置恒温空调。
下图:一台商用低场永久型磁共振成像仪。


03-02-02  阻抗型磁体

阻抗型磁体基本上是由一个通电的线圈或者一组通电的线圈组成。如图03-01和03-05所示,当这些通电线圈处于合适的空间布局时,就能产生一个均匀的磁场。阻抗型磁体成像仪耗电量很大,一个0.1T的阻抗型磁体成像仪耗电可达20kW,产生巨大的热量,因此,需要大容量的冷却系统。

图03-05
两种空心阻抗型电磁体的切面图。如同图03-01所示,阻抗型仪器的静磁场通常由四个线圈产生。这四个线圈有如图(a)所示平行于患者托架和如图(b)所示垂直于患者托架的两种安置方式,垂直式安置方式更为常见。

大孔磁体实际上限可达0.7T,但是商业仪器的上限通常为0.3T。阻抗型磁体成像仪产生边缘场,重量通常低于5吨,是所有磁共振成像仪中最轻的。

在紧急或者不使用的情况下,可以把阻抗型磁体成像仪关掉,这是这类成像仪的优势。


03-02-03  混合型磁体

有些公司开发由永久型磁体和阻抗型磁体杂合的混合型磁体,也称之为铁芯电磁体。如图03-06所示,阻抗型磁体的磁能量集中在铁芯极片之间。混合型磁体成像仪磁场强度可达0.4T,是当前最常用仪器,重量在10到15吨之间。

图03-06
由永久型磁体和电磁体杂合而成的混合型磁体,亦被称之为铁芯电磁体。这类磁体耗电量大,但是,与单一的永久型磁体或者阻抗型磁体相比,其磁场强度可以更高。


03-02-04  超导型磁体

当某些合金的温度接近于绝对零度时,其电阻急剧减小,变成超导体。因此,当超导合金被放置在液氦中时(温度低于临界温度,通常在摄氏零下263度到269度之间,也即4K到10K之间),驱动强大电流在合金材料制成的线圈中流动,即可产生一个超稳定的超高强度的磁场。超导型磁体需要两套冷却系统,外层的杜瓦罐里装入液氮做低温液体,内层的杜瓦罐则装入液氦,如图03-06所示,并将这两个杜瓦罐构造成一个杜瓦用作低温制冷机。充电后,超导磁体几乎不耗电,但是会消耗低温液体。消耗掉的液氦需要及时补充。重新灌入液氦是补充液氦的一种方式,但是液氦很贵,所以,可以给磁共振仪配置一个压缩机,用来液化挥发的液氦。

超导型磁体的边缘场效应很大,必须加以屏蔽,以免环境破坏。

图03-07
上图:超导型磁共振成像仪的示意图。磁场是由放置在液氦中的线圈里流动着的电流产生的。线圈只需充电一次至达到所需场强即可切断电源。新近出产的仪器不需要液氮冷却系统了。

下图:一台商用超高场超导型磁共振成像仪,标配样品腔为直径为70厘米的环形圆孔。

对超导型磁体场强的限制至今未有规定。用于成像的,小型体系可达9.4T,全身成像的体系也有9.4T的;用于波谱的,场强已高达14.1T且会越来越高。由于超导型磁体磁共振仪器场强极高,所以可用于活体波谱和功能成像。

当线圈突然失去超导时,超导型磁体的磁场就会消失。这会促使温度突然升高,进而导致液态制冷剂受热沸腾、体积剧增、直至以氦气形式释放。这种事故被称之为淬灭,详见第18章)。

淬灭通常不会对磁体造成永久性破坏,但是必须通过重新灌入液氦对磁体进行冷却直到产生超导性,这个冷却过程大概需要几天的时间。

最近几年,出现了许多新型超导材料,可以在高达100K的高温下产生超导性。但是,大多数新型材料比较脆弱不适合做成导线,因此不适合做成磁体。另外,许多新型超导材料在强磁场作用下会失去超导性。因为这些因素,这些新型超导材料对磁共振仪器的中期影响将是有限的。


Hybrid PET-MRI systems. Magnetic resonance imaging equipment can be com­bin­ed with positron emission tomography (PET) into one machine [⇒ Shao]. Such a hy­brid system can deliver complementary functional and anatomical information about a specific organ or body system down to the cellular, perhaps to the mo­le­cu­lar level. At the time being, PET-MRI systems are research-focused work in pro­gress [⇒ Bashir]. The technical demands on such a hybrid systems are high, in particular ar­rang­ing PET and MRI detectors into a single gantry.



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